PET分子顯像技術(shù)在藥代動力學研究中的應用

李新平 王燕 盧國 李艷靜 于雪 侯文彬 劉昌孝

1天津大學化工學院 300072；2米度（南京）生物技術(shù)有限公司藥理研究部211100；3蘇州大學藥學院 215006；4天津藥物研究院釋藥技術(shù)與藥代動力學國家重點實驗室 300193

PET是目前最先進的核醫(yī)學和分子影像學設(shè)備，能從分子水平上反映組織的生理、病理、生化、代謝等功能性變化和體內(nèi)受體的分布情況，故也被稱作分子顯像或生化顯像。PET于20世紀80年代末期應用于臨床醫(yī)療，在腫瘤、心血管、神經(jīng)精神、免疫系統(tǒng)、糖尿病等疾病的診斷和病理生理機制研究中發(fā)揮重要作用[1-3]。在藥代動力學（pharmacokinetics，PK）研究中，PET分子顯像也扮演著越來越重要的角色。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

為加快新藥研發(fā)進程，提高市場競爭力，21世紀初葛蘭素史克（GSK）、輝瑞（Pfizer）、禮來（Lilly）等一批國際制藥業(yè)巨頭紛紛建立PET分子影像藥物研發(fā)平臺，其中規(guī)模最大的葛蘭素史克轉(zhuǎn)化影像中心擁有兩臺回旋加速器并配備了20個研發(fā)熱室和多臺PET/CT。以PET為主要技術(shù)手段的分子影像技術(shù)在美、歐、日等發(fā)達國家已被廣泛應用于新藥研發(fā)并寫入相關(guān)政策法規(guī)和指導原則[4-6]。PET顯像結(jié)果可作為臨床試驗的終點，目前已有數(shù)千個臨床試驗的評價采用PET分子影像技術(shù)。

我國首臺人體PET于1995年落戶于山東淄博萬杰醫(yī)院，目前全國裝機總數(shù)已達330臺。2006年，衛(wèi)生部核醫(yī)學重點實驗室江蘇省原子醫(yī)學研究所從德國西門子公司引進國內(nèi)首臺小動物PET，專門用于新藥研發(fā)和藥學評價，這標志著在國內(nèi)利用專有PET設(shè)備和分子顯像技術(shù)從事藥學研究工作的開始。2009年安迪科醫(yī)藥集團與江蘇省原子醫(yī)學研究所合作成立“江原安迪科分子核醫(yī)學研究中心”，并于2010年8月建立了國內(nèi)首家“分子影像醫(yī)藥研發(fā)外包（MI-CRO）”公共服務(wù)平臺，該平臺逐步發(fā)展為國內(nèi)第一家分子影像CRO-米度（南京）生物技術(shù)有限公司（米度生物）。

2 PET分子顯像應用

PET成像的原理是利用正電子放射性核素發(fā)生湮滅反應（annihilation）時產(chǎn)生的一對能量相同（511 keV）方向相反的強穿透γ光子進行精確定位的計算機斷層顯像[7]。藥學研究中，把醫(yī)用回旋加速器或核反應堆生產(chǎn)的正電子放射性核素（如18F、11C、15O、13N、64Cu、89Zr和124I等）標記在特定化合物上（藥物、內(nèi)源性化合物或生化標志物），這些標記化合物也被稱為PET示蹤劑，該過程可以形象地比喻為給分子裝上“GPS”，之后利用PET技術(shù)示蹤“GPS”，展示藥物在體內(nèi)吸收、分布、代謝、排泄等過程，即利用PET示蹤，可以無創(chuàng)、動態(tài)、定量地觀察標記物在體內(nèi)的PK過程[8-9]。目前PET掃描靈敏度可達到10-10～10-8mol/L，小動物PET掃描的分辨率可達到1 mm左右，臨床PET分辨率可達到2～3 mm[10]。

2.1 血漿PK研究

藥物經(jīng)給藥部位進入機體后，被吸收進入血液再分布到靶組織，對血漿PK的研究至關(guān)重要。傳統(tǒng)藥學研究方法難以在動物或人身上獲得連續(xù)密集多時間點的血藥濃度數(shù)據(jù)，不能完整展現(xiàn)藥物在體內(nèi)的動態(tài)分布過程[11]，而PET分子影像可以實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

Wu等[12]利用PET分子影像示蹤技術(shù)，動態(tài)觀測小鼠血液在快速通過心肺循環(huán)各結(jié)構(gòu)時的時間分辨率，評價血液通過時間與心血管疾病的關(guān)系。給小鼠注射18F-FDG后，可以清晰地觀察到18F-FDG在9 s內(nèi)從下腔靜脈→右心房→右心室→肺→左心房→左心室→主動脈的動態(tài)輸送全過程。米度生物觀察氨基酸代謝示蹤劑18F-BPA（boronophenylalanine）經(jīng)靜脈注射給予舌癌SAS模型荷瘤鼠后動態(tài)PET掃描1 h的吸收分布，利用醫(yī)學分析軟件（PMOD）勾畫左心室為ROI區(qū)域獲得血藥濃度，再利用藥物與統(tǒng)計（drug and statistics，DAS）軟件計算18F-BPA的半衰期，為147.92 min[13]，其結(jié)果與文獻報道的L-BPA的半衰期接近[14]。這些研究結(jié)果顯示了PET分子顯像技術(shù)對藥物追蹤觀察和定量測量的能力，充分展現(xiàn)了PET動態(tài)顯像及高時間分辨率的優(yōu)勢，即能夠可視化觀察藥物在體內(nèi)的動態(tài)行為并獲得PK參數(shù)。

PET分子顯像技術(shù)不僅可應用于臨床前研究，在臨床研究中也被廣泛開展，而且可以與傳統(tǒng)研究方法結(jié)合，更好地獲得藥物的PK行為。Li等[15]將動態(tài)PET掃描和傳統(tǒng)PK方法（LC-MS/MS）結(jié)合，考察了1-（2′-脫氧-2′-氟代-β-D-阿拉伯呋喃糖基）尿嘧啶（1-（2′-deoxy-2′-fluoro-β-D-arabinofuranosyl）uracil，F(xiàn)AU）的血漿和腫瘤藥代動力學性質(zhì)。FAU是一種嘧啶核苷酸類似物，在胞內(nèi)胸苷酸合酶作用下形成1-（2-脫氧-2-氟代-β-D-阿拉伯呋喃糖基） 5-磷酸胸腺嘧啶（1-（2-deoxy-2-fluoro- β-D-arabinofuranosyl） 5-methyluracil monophosphate，F(xiàn)MAU），F(xiàn)MAU整合到DNA中，可導致細胞死亡。研究結(jié)果表明，12例腫瘤患者血漿放射性-時間曲線符合二房室模型動力學特征。FAU和FMAU的PK模型同時符合LC-MS/MS檢測的血漿藥物濃度和PET檢測的肝臟和腫瘤藥物濃度，且該模型可以預測PET檢測總藥物濃度中原型藥FAU和代謝藥FMAU的組成比例。B?rjesson等[16]利用PET掃描和采集血樣進行放射性計數(shù)兩種方式觀察89Zr標記嵌合單克隆抗體U36在20例頭頸癌患者體內(nèi)的PK情況，結(jié)果顯示，PET對左心室血池活性的定量測定與采集血樣進行檢測的結(jié)果一致性良好（體重＞100 kg的患者除外）。89Zr標記單克隆抗體成像（immuno-PET）可用于定量評價抗體藥物的生物學分布、攝取、器官滯留時間，有助于進一步指導臨床用藥。

2.2 藥物組織分布研究

相比于血漿藥物濃度，藥效的發(fā)揮與靶組織藥物濃度及其隨時間變化情況更加息息相關(guān)。

組織藥物濃度達峰時間一般晚于血漿藥物濃度達峰時間，通常情況兩者之間的差異達數(shù)量級。并且組織中的藥物與作用靶點以一定的結(jié)合和解離速率相互作用，導致達到最大靶點作用所需的時間比組織藥物濃度達峰時間更長，且靶點作用的消失也會有相應延遲。因此，給藥與藥效之間關(guān)系復雜，包括發(fā)生速率、量級和持續(xù)時間等。傳統(tǒng)研究中活體動物和（或）臨床研究只能獲得動物或受試者血漿PK數(shù)據(jù)，無法同時監(jiān)測動物或受試者的組織藥物暴露量[16]。而組織分布研究需要處死動物，無法在同一只動物身上獲得多時間點的組織分布數(shù)據(jù)，不能實現(xiàn)自身對照。PET分子影像技術(shù)可以很好地解決上述問題。不管是小分子化合物，還是大分子化合物如多肽類、蛋白、抗體乃至于細胞等，都可以利用PET分子影像技術(shù)在活體中直觀、形象、定量觀察到這些藥物的生物分布及PK變化。此外，PET分子顯像技術(shù)可克服組織中抗體藥物檢測時內(nèi)源性物質(zhì)干擾的問題。

米度生物采用89Zr標記程序性細胞死亡蛋白1配體（programmed cell death protein 1 ligand, PDL1）抗體，觀察其在黑色素瘤荷瘤小鼠體內(nèi)的腫瘤靶向和分布特征，結(jié)果顯示，Micro PET掃描可以清晰地看到放射性物質(zhì)在腫瘤組織處有明顯的特異性濃聚，而在其他非靶臟器中的攝取相對較低、清除較快[17]。該結(jié)果提示89Zr-PD-L1具有良好的腫瘤靶向性，為藥效評價實驗提供了依據(jù)。類似的研究，如劉現(xiàn)忠等[18]使用Micro PET顯像檢測葉酸受體靶向性放射性藥物68Ga-1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸-賴氨酸-葉酸（68Ga-DOTA-lys-FA）在荷瘤鼠體內(nèi)的生物學分布。盡早檢測腫瘤對治療的反應對于及時發(fā)現(xiàn)有效的治療方案至關(guān)重要。派姆單抗是一種人源化單克隆抗體，作用于T細胞或B細胞前體上的程序性細胞死亡蛋白1。England等[19]研究結(jié)果顯示，89Zr標記派姆單抗在大鼠和小鼠體內(nèi)的生物學分布和PK性質(zhì)相似，經(jīng)血液運輸后穩(wěn)定聚集在肝臟和脾臟。同時在人源化小鼠模型中，在T細胞浸潤的唾液腺和淚腺也能成功顯像。也有研究者將PET掃描與光學成像結(jié)合，研究89Zr-西妥昔單抗-紅外熒光探針（89Zrcetuximab-IR）在表皮癌A431荷瘤裸鼠體內(nèi)的組織分布[20]。此外，PET顯像技術(shù)還可以應用于干細胞活體分布研究，米度生物[21]采用89Zr標記干細胞研究其在正常SD大鼠體內(nèi)的分布特征，研究結(jié)果顯示，標記后的細胞體外增殖能力接近未標記細胞。體內(nèi)示蹤顯示89Zr-干細胞經(jīng)注射進入動物體內(nèi)后，主要分布于肺臟、肝臟和心臟等臟器。T細胞、嵌合抗原受體T細胞（CAR-T細胞）等也可以實現(xiàn)標記進行體內(nèi)示蹤。

目前臨床給藥劑量和間隔只能通過動物藥效數(shù)據(jù)推導，人體中也只能通過血藥濃度與最終藥效關(guān)聯(lián)，通過藥效結(jié)果反推血藥濃度暴露量，缺乏直接發(fā)揮藥效作用的靶器官藥物暴露量這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)。PET分子顯像可以將血藥濃度、靶器官暴露量、藥效指標3者緊密關(guān)聯(lián)，精準地制定臨床給藥劑量和給藥間隔，為后續(xù)建立PK/藥效學模型、藥物給藥劑量和給藥間隔的制定奠定基礎(chǔ)，也為血藥濃度與毒性靶器官及人體安全性相關(guān)模型的研究提供支持。Burns等[22]利用特異性示蹤劑18F-MK-9470觀察其在恒河猴和人體內(nèi)的PK行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，恒河猴被注射示蹤劑60～120 min后，18F-MK-9470主要分布在大腦灰質(zhì)[與大麻素受體1（cannabinoid receptor 1，CB1R）相結(jié)合]，在腦白質(zhì)中的分布明顯較少。在120 min時通過靜脈推注和輸注給予MK-0364（與18F-MK-9470結(jié)合相同位點），可以觀察到放射性顯像劑在殼核、枕皮質(zhì)、小腦和丘腦等部位迅速降低，這說明18F-MK-9470與CB1R的結(jié)合可逆。利用PET顯像和影像分析軟件觀察不同MK-0364給藥劑量對18F-MK-9470的CB1R占有率的影響可獲得兩者關(guān)系圖。18F-MK-9470在人體試驗中與恒河猴體內(nèi)的PK行為相似，并具有良好的重現(xiàn)性。采用此方法建立的PK/藥效學模型可以推廣到臨床，通過檢測患者血漿中的MK-0364濃度即可預測藥效。

PET分子顯像技術(shù)應用于組織代謝方面的研究也越來越多，尤其是腫瘤代謝研究。在腫瘤治療中，采用代謝腫瘤體積計算臨床靶標體積比總腫瘤體積計算更精確，可以指導靶向性評價和給藥劑量的確定，疾病復發(fā)也與代謝腫瘤體積相關(guān)。Frosina[23]報道了PET用于高級別神經(jīng)膠質(zhì)瘤的研究。18F-氟胸苷（18F-fluorothymidine,18F-FLT）是應用于神經(jīng)膠質(zhì)瘤分級的細胞增殖示蹤劑，PET/CT成像可以觀察患者腫瘤代謝體積，還可研究核苷轉(zhuǎn)運體在鼻腔到腦的生物學分布[24]。Palner等[25]以18F-C-SNAT（C-SNAT為半胱天冬酶敏感的納米聚集示蹤劑）為示蹤劑，利用PET技術(shù)研究荷瘤鼠注射阿霉素化療后腫瘤細胞凋亡變化情況。Lamichhane等[26]以18F標記的卡鉑衍生物（18F-fluorinated carboplatin，18F-FCP）為示蹤劑利用PET技術(shù)研究藥物在不同腫瘤模型內(nèi)的分布。18F-FDG、18F-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（18F-RGD）、O-（2-18F-氟乙基）-L-酪氨酸（18F-FET）、S-11C-甲基-L-半胱氨酸（11C-MCYS）和N-（2-18F-氟丙?；?L-谷氨酰胺（18F-FPGLN）等PET示蹤劑已被廣泛應用于腫瘤診斷檢測[27-30]。鈉碘轉(zhuǎn)運體（sodium-iodide symporter, NIS）可以介導甲狀腺濾泡細胞的碘濃聚，從而成為多種甲狀腺良惡性疾病診斷和治療的分子生物學基礎(chǔ)。Jiang等[31]用NIS的特異性顯像劑18F-四氟硼酸鹽（18F-TFB）進行研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NIS在甲狀腺、唾液腺和胃組織的相關(guān)細胞中呈特異性高表達。Boumezbeur等[32]分別使用18F-FDG進行PET掃描和13C磁共振波普研究猴腦糖酵解速率和三羧酸循環(huán)流出率。還有研究使用6-18F-氟代-L-3, 4-二羥基苯丙氨酸（18F-FDOPA）建立多房室模型模擬食蟹猴體內(nèi)多巴胺的合成、存儲和新陳代謝變化[33]。Mukai等[34]利用PET成像技術(shù)研究核酸藥物在體內(nèi)的PK及其傳輸系統(tǒng)，進行代謝物分析。此外，5-（2′-18F-氟乙基）氟馬西尼（18F-FETNIM）具有較低的外周代謝，幾乎不脫氟，且易被乏氧組織攝取，可用作乏氧顯像[35]。

2.3 藥物相互作用研究

在藥物研發(fā)階段，新藥和其他藥物的相互作用是藥物安全性和有效性評價的一部分。當藥物作為酶和（或）轉(zhuǎn)運體的底物，而同時使用的另一種藥物是該酶和（或）轉(zhuǎn)運體的抑制因子，此時藥物血漿暴露量將顯著改變。PET分子顯像技術(shù)在藥物相互作用研究中也被應用。

Traxl等[36]使用PET研究酪氨酸激酶抑制劑11C-埃羅替尼（11C-erlotinib）在正常小鼠和Mdr1a/b（-/-）Bcrp1（-/-）小鼠的體內(nèi)分布。在缺乏P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）和乳腺癌抗性蛋白（breast cancer resistance protein，Bcrp）的情況下11C-erlotinib在肝臟的清除率下降了3倍，肝臟的保留時間延長，但是血漿的暴露量不變，表明P-gp和Bcrp介導了肝臟中11C-erlotinib或其代謝產(chǎn)物的清除[37]。Bauer等[38]也報道了11C-erlotinib可以用于藥物相互作用的研究。另一項研究中，11C-SC-62807在Bcrp基因敲除的小鼠體內(nèi)腎清除率降低了99%，同時腎臟暴露量增加了7倍[39]，這說明小鼠體內(nèi)腎小管分泌11C-SC-62807主要由Bcrp介導。Takashima等[40]使用PET觀察11C標記（15R）-16-m-甲苯基-17,18,19,20-四環(huán)異碳環(huán)素甲酯（15R-11C-TIC-Me）的肝臟攝取和膽汁排泄過程，（15R）-11C-TIC-Me是一種中樞性前列腺素受體的示蹤劑，在正常人體試驗中，口服利福平會導致15R-11C-TIC-Me示蹤劑在肝臟攝取和膽汁排泄的降低，其原因是利福平抑制了基底外側(cè)陰離子轉(zhuǎn)運蛋白和多藥耐藥相關(guān)蛋白2。Wanek等[41]應用PET技術(shù)對P-gp（ABCB1/Abcb1a）介導的藥物相互作用進行研究，同時關(guān)注底物對ABCB1親和力、放射性代謝產(chǎn)物的腦攝取情況、麻醉和腦血流量等。

3 總結(jié)與展望

PK研究是了解藥物作用的基石，也是藥物開發(fā)中必不可少的環(huán)節(jié)?；赑ET分子成像技術(shù)的PK研究可同時在時間和空間上提供藥物在血液和組織中的濃度，是一種有效的藥物動力學分析工具。通過標記藥物，PET可以直接監(jiān)測組織中的藥物濃度，并定義組織與血漿PK模型中的交換參數(shù)，從而建立PK/藥效學模型的第一部分。通過微分方程描述濃度變化及不同房室間的藥物交換，并將計算得出的曲線擬合到實際組織曲線對其進行優(yōu)化獲得該模型的參數(shù)[42]。臨床前研究可以動態(tài)、定量、精準獲取小動物體內(nèi)PK/藥效學數(shù)據(jù)，降低藥研成本、縮短研發(fā)周期、加快新藥上市。臨床研究方面，利用人體PET等分子影像技術(shù)開展臨床0期研究及指導個體化醫(yī)療實踐，加快藥物研發(fā)，降低失敗風險，服務(wù)人類健康，為科研成果直接轉(zhuǎn)化開辟出新途徑。此外，PET顯像在藥物不良作用、藥物給藥途徑、藥物劑量學、藥物立體結(jié)構(gòu)和動物種類對藥物療效影響、移植治療監(jiān)測及中醫(yī)藥學研究中也具有重要價值。

分子成像技術(shù)是全球生物醫(yī)學戰(zhàn)略研究熱點之一，主要包括PET、SPECT、MRI、光學成像、超聲影像等，不同成像模式各具備一定的優(yōu)缺點。多模態(tài)顯像可以相互取長補短，也是未來發(fā)展的重要方向。其中PET可使用多種生物探針進行精準定量，應用于PK/藥效學、受體結(jié)合、細胞代謝、基因表達等多方面研究[43]?？傮w上說，PET是這其中靈敏度和定量能力最高的技術(shù)，也是目前應用于臨床的最高端的醫(yī)學影像技術(shù)。