谷氨酸與谷氨酰胺類似物PET顯像劑研究進展

梁浩然徐萬幫 唐剛華

1南方醫(yī)科大學藥學院，廣州510515；2 廣東省藥品檢驗所中藥室，廣州510663；3南方醫(yī)科大學，南方醫(yī)院核醫(yī)學科，廣東省藥品監(jiān)督管理局放射性藥物質(zhì)量控制與評價重點實驗室，廣州510515

PET顯像是核醫(yī)學領域中先進的臨床影像檢查技術，在疾病的無創(chuàng)顯像方面具有獨特的優(yōu)勢，特別是在腫瘤、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病和腦部疾病這三大類疾病的早期診療中顯示出重要的價值。18F-FDG 是目前最常用的PET顯像劑，已被成功地應用于臨床對腫瘤的良惡性鑒別、腫瘤惡性程度的評價和治療效果的監(jiān)測等方面。但18F-FDG 存在特異性差、某些腫瘤攝取低以及存在炎癥病變攝取等問題，其在腫瘤的鑒別診斷中會造成一定的假陽性或假陰性結果[1]。腫瘤細胞不僅表現(xiàn)出對葡萄糖利用的增加，其對氨基酸的攝取和利用也有增加。有研究者提出，18F-FDG 攝取呈陰性的腫瘤可能通過不同的代謝途徑——谷氨酰胺代謝途徑來進行代謝[2]。谷氨酰胺進入腫瘤細胞后，首先被谷氨酰胺酶轉化為谷氨酸，谷氨酸隨后被谷氨酸脫氫酶再除去一個氨基，生成α-酮戊二酸，進入縮短的三羧酸循環(huán)，產(chǎn)生代謝底物和能量，維持腫瘤細胞的快速生長和增殖需要。因此，谷氨酰胺與谷氨酸在腫瘤的適應性中間代謝中發(fā)揮著重要的作用[3]。

1 基本原理

谷氨酰胺是谷氨酸的酰胺，谷氨酸羧基碳上的一個羥基被氨基取代即得到谷氨酰胺，二者結構非常相似。谷氨酰胺是腫瘤細胞主要的“呼吸燃料”和重要氮源[4]。有研究結果顯示，谷氨酰胺與谷氨酸轉運體在許多腫瘤細胞中過度表達，而在正常組織或炎癥組織中低表達或不表達[5-6]。由于腫瘤細胞對谷氨酰胺和谷氨酸的需求量遠大于正常組織，將用正電子核素標記的谷氨酸與谷氨酰胺類似物引入體內(nèi)，會導致腫瘤細胞對其的選擇性攝取，滯留在腫瘤細胞中的谷氨酸與谷氨酰胺類似物將發(fā)生代謝或以原型形式存在，因此腫瘤細胞中被標記的谷氨酸與谷氨酰胺類似物的濃度可以反映出細胞代謝及谷氨酰胺與谷氨酸轉運體的表達情況，從而實現(xiàn)活體PET分子顯像[7]。本文綜述了谷氨酸與谷氨酰胺類似物PET顯像劑的基本原理、常見的PET顯像劑及其臨床前與臨床中的應用。常見的谷氨酸與谷氨酰胺類似物PET 顯像劑的結構式見圖1。

圖1 常見的谷氨酸與谷氨酰胺類似物PET顯像劑的結構式BAY85-8050為4-18F-氟谷氨酸；18F-FSPG 為（4S）-4-（3-18F-氟丙基）-L-谷氨酸；18F-FPGLU 為N-（2-18F-氟丙?；?L-谷氨酸；18 F-FP-β-GLU 為N-（2-18F-氟丙?；?β-谷氨酸；18F-A lF-NOTANSC-GLU 為18 F-氟化鋁-1,4,7-三氮雜環(huán)壬烷-1,4,7-三乙酸-2-S-（4-異硫氰基芐基）-L-谷氨酸；18F-（2S,4R）4F-GLN 為18 F-（2S,4R）4-氟谷氨酰胺；18F-FPGLN 為N-（2-18 F-氟丙酰基）-L-谷氨酰胺；L-5-11C-GLN 為L-5-11C-谷氨酰胺Figure 1 Structureof common glutamate and glutam ineanalogue PET agents

谷氨酰胺可以通過多種氨基酸轉運系統(tǒng)進行跨膜轉運，分別是系統(tǒng)A、N、ASC、B0,+、b0,+、L 和y+L，共包含15 個轉運體，其中丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸轉運體2（ASCT2）似乎是許多腫瘤細胞中谷氨酰胺攝取最多和不受調(diào)節(jié)的轉運體。除系統(tǒng)b0,+和L外，其他均為Na+依賴性氨基酸轉運系統(tǒng)，由Na+/K+-ATP酶提供跨膜轉運所需的能量。這些轉運體是非特異性的，它們是多種氨基酸的轉運體，對某些氨基酸的親和力甚至遠大于谷氨酰胺[4]。谷氨酰胺進入腫瘤細胞后通常以原型形式存在或者參與蛋白質(zhì)的合成[8]，因而能在腫瘤細胞內(nèi)滯留更長的時間。

谷氨酸轉運系統(tǒng)主要包括Na+依賴性氨基酸轉運系統(tǒng)XAG-、ASC和非Na+依賴性氨基酸轉運系統(tǒng)XC-，其中系統(tǒng)XAG-和XC-較為重要[9]。系統(tǒng)XC-包括4F2hc和xCT 2種轉運體，是非Na+依賴性和Cl?依賴性的胱氨酸/谷氨酸逆向轉運系統(tǒng)，為細胞內(nèi)谷胱甘肽的合成提供半胱氨酸。系統(tǒng)XAG-包括5種高親和力的興奮性氨基酸轉運體（excitatory amino acid transporters，EAAT），分別為EAAT1、EAAT2、EAAT3、EAAT4和EAAT5，XAG-是一種轉運谷氨酸時伴隨著質(zhì)子與K+交換的Na+依賴性氨基酸轉運系統(tǒng)，可除去由系統(tǒng)XC-或其他方式釋放到細胞外間隙的谷氨酸，維持細胞外谷氨酸平衡。系統(tǒng)XAG-也可為細胞內(nèi)提供谷氨酸和半胱氨酸，并與細胞內(nèi)甘氨酸和由系統(tǒng)XC-轉入的半胱氨酸結合形成谷胱甘肽。谷胱甘肽是一種可對抗細胞內(nèi)氧化應激狀態(tài)的重要分子，在活性氧作用下可轉化為氧化型谷胱甘肽，由此可見，系統(tǒng)XAG-和XC-與氧化應激密切相關，二者共同維持著細胞內(nèi)外谷氨酸的動態(tài)平衡[10]。在病理狀態(tài)下，腫瘤組織中系統(tǒng)XAG-和XC-相應轉運體表達上調(diào)，導致細胞內(nèi)外谷氨酸失衡，因此，系統(tǒng)XAG-和XC-可被看作潛在的腫瘤鑒別診斷的重要靶標。

2 谷氨酸類似物PET顯像劑及其應用

2.1 （4S）-4-（3-18F-氟丙基）-L-谷氨酸[（4S）-4-（3-18F-fluoropropyl）-L-glutamate，18F-FSPG]

4-18F-氟谷氨酸（即BAY85-8050）是一種靶向系統(tǒng)XC-的谷氨酸類似物PET顯像劑，其在健康志愿者體內(nèi)的生物學分布顯示，腎臟、胰腺和心臟對其存在大量攝取，從注射后約20m in 開始，骨攝取量隨時間延長而增加，BAY85-8050在其他器官組織內(nèi)無明顯蓄積，主要通過腎臟清除，且隨尿液排出[11]。BAY85-8050是18F-（2S,4S）-氟谷氨酸和18F-（2S,4R）-氟谷氨酸對映異構體，由于腫瘤細胞對顯像劑的攝取是具有高度立體選擇性的，這使得對BAY85-8050生物數(shù)據(jù)的分析變得復雜，而且這2種結構在體內(nèi)均表現(xiàn)出脫氟的情況，限制了其進一步的臨床應用[12]。為了能夠利用PET顯像觀察過度表達系統(tǒng)XC-相應轉運體的腫瘤，需要有一種不僅代謝穩(wěn)定，而且能與系統(tǒng)XC-相應轉運體特異性相互作用的PET顯像劑——18F-FSPG，即BAY94-9392。與BAY85-8050相比，該顯像劑結構單一，而且穩(wěn)定性更好，其特征是在人體內(nèi)可以從除胰腺和腎臟外的大多數(shù)正常組織中快速清除；在低背景吸收條件下，二者具有一致的生物學分布模式[13]。18F-FSPG 通過系統(tǒng)XAG-與XC-進行轉運，其中系統(tǒng)XC-占主導地位，其攝取與疾病導致的氧化應激狀態(tài)密切相關。目前，對18F-FSPG 已經(jīng)進行了廣泛的臨床前與臨床試驗研究。有研究結果顯示，18F-FSPG 能夠無創(chuàng)地監(jiān)測自身免疫性腦脊髓炎小鼠體內(nèi)系統(tǒng)XC-相應轉運體的活性，而系統(tǒng)XC-相應轉運體的表達與機體內(nèi)氧化應激、免疫細胞運輸和多發(fā)性硬化癥的臨床癥狀相關，因此，18F-FSPG 作為一種靈敏工具在判斷三者臨床癥狀之間的聯(lián)系中具有巨大的潛力[14]。在臨床試驗方面，18F-FSPG在非小細胞肺癌、肝細胞癌、顱內(nèi)惡性腫瘤、結節(jié)病、胰腺導管腺癌和前列腺癌的PET顯像中均顯示出較高的腫瘤檢出率和腫瘤/背景比值，具有良好的腫瘤可視化效果，甚至在某些腫瘤的檢測中優(yōu)于18F-FDG，例如肝細胞癌和腦腫瘤，這與臨床前試驗結果一致，且患者對18F-FSPG 的耐受性良好，無相關不良事件，具有良好的臨床應用價值[15-20]。鑒于氧化還原機制在腫瘤發(fā)生、治療反應和耐藥性發(fā)展中的重要性，18F-FSPG 有望發(fā)展成為一種靶向多種腫瘤的臨床常規(guī)使用的PET 顯像劑。

2.2 N-（2-18F-氟 丙 酰 基）-L-谷 氨 酸[N-（2-18Ffluoropropionyl）-L-glutamate，18F-FPGLU]

18F-FPGLU 可以識別高代謝活性的腫瘤，是一種潛在的谷氨酸類似物PET 顯像劑。體外細胞和體內(nèi)動物實驗結果表明，18F-FPGLU 主要通過系統(tǒng)XAG-和XC-進行轉運，EAAT1是18F-FPGLU 在腫瘤PET 顯像中的重要轉運體[21]。18F-FPGLU 在小鼠體內(nèi)表現(xiàn)出相對較好的藥代動力學特性，在S180纖維肉瘤、SPC-A-1和LTEP-a-2人肺腺癌小鼠模型中，18F-FPGLU 均顯示出良好的攝取和腫瘤/背景比值[22]。Sun 等[23]采用改進的商業(yè)FDG 合成器，將前體（2S）-二甲基2-（2-溴-溴丙酰胺）戊二酸酯通過兩步水解合成18F-FPGLU，優(yōu)化了其合成路線，并與18F-FDG 顯像進行比較，評估其在攜帶SMCC-7721人肝細胞癌裸鼠中的價值，PET顯像結果顯示，18F-FPGLU 在腫瘤中為預期的高攝取和長時間滯留，其顯像結果優(yōu)于18F-FDG。綜上，18F-FPGLU 可能是一種很有前景的肺腺癌和肝細胞癌的PET 顯像劑，但需要更多的臨床前和臨床試驗來進一步證明其應用價值。

2.3 N-（2-18F-氟 丙 酰 基）-β-谷 氨 酸（N-（2-18Ffluoropropionyl）-β-glutamate，18F-FP-β-GLU）

研究結果顯示，β-氨基酸及其類似物具有強大的生物活性，如β-谷氨酸可以作為谷氨酰胺合成酶的底物，以及谷氨酸能神經(jīng)元的選擇性抑制劑。與對應的α-氨基酸類似物相比，這些β-氨基酸類似物被證明對多種蛋白水解酶具有良好的穩(wěn)定性。Liu 等[24]在改進的FDG 合成器上，將前體4（二乙基3-（2-溴丙酰胺）戊二酸酯）通過兩步反應合成了一種新型β-氨基酸類似物PET 顯像劑——18F-FP-β-GLU；小動物PET 研究結果顯示，18F-FP-β-GLU 在SPC-A-1人肺腺癌荷瘤小鼠模型中表現(xiàn)出快速的腫瘤攝取和良好的腫瘤/肺比值；在腎臟和膀胱中發(fā)現(xiàn)了較高的放射性積聚，這表明該顯像劑主要通過泌尿系統(tǒng)被清除。綜上，與18F-FPGLU PET顯像特征相比，18F-FP-β-GLU 在SPC-A-1人肺腺癌荷瘤小鼠模型中具有相似的腫瘤靶向效果和生物學分布特征，但其從體內(nèi)清除相對容易，因此，18F-FP-β-GLU 可能是一種潛在的腫瘤PET顯像劑。

2.4 18F-氟化鋁-1,4,7-三氮雜環(huán)壬烷-1,4,7-三乙酸-2-S-（4-異硫氰基芐基）-L-谷氨酸[18F-AlF-1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triacetic acid-2-S-（4-isothiocyanatobenzyl）-L-glutamate，18F-AlF-NOTA-NSC-GLU]

肝癌在我國是一種常見的惡性腫瘤，其早期表現(xiàn)很不典型，往往容易被忽視。早診斷早治療可以改善肝癌患者的預后、延長有效生存期，但肝癌的早期診斷缺乏理想的影像檢查方法。目前臨床上最常用的葡萄糖代謝PET顯像劑18F-FDG 對肝細胞癌的診斷效果有限，容易出現(xiàn)一定的假陰性或假陽性結果，而谷氨酸類似物PET顯像劑可以在一定程度上彌補18F-FDG 在臨床應用中的不足。Lin 等[25]利用18F-A lF絡合前體NOTA-NSC-GLU，合成18F-A lFNOTA-NSC-GLU，這是一種靶向肝癌的PET顯像劑，與其他氨基酸顯像劑的合成相比，其合成方法簡單，耗時較短；18F-A lF-NOTA-NSC-GLU 主要通過系統(tǒng)XAG-進行轉運，部分通過系統(tǒng)B0,+和XC-進行轉運，幾乎不參與蛋白質(zhì)的合成；定量結果顯示，HepG2肝細胞癌荷瘤裸鼠模型在注射18F-A lF-NOTA-NSC-GLU 30 m in后腫瘤清晰可見，腫瘤組織對其攝取高于周圍正常組織，腫瘤/肝臟攝取比值稍高于注射18F-FDG 60 m in 后的攝取比值，該結果表明18F-A lFNOTA-NSC-GLU 在肝細胞癌PET顯像中具有潛在的應用價值。

3 谷氨酰胺類似物PET顯像劑及其應用

3.1 18F-（2S,4R）4-氟 谷 氨 酰 胺[18F-（2S,4R）4-fluoroglutamine，18F-（2S,4R）4F-GLN]

目前，大多數(shù)研究報道的谷氨酰胺類似物PET顯像劑的顯像原理均是針對氨基酸轉運體的增加，但是由于它們在結構上與谷氨酰胺有所差異，因此，不太可能對腫瘤谷氨酰胺代謝的增加具有特異性。18F-（2S,4R）4F-GLN 是一種定位于谷氨酰胺代謝途徑的PET 顯像劑，主要通過氨基酸轉運系統(tǒng)ASC，特別是其亞型丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸轉運體2（ASCT2）進行跨膜轉運。18F-（2S,4R）4F-GLN 進入細胞后，參與蛋白質(zhì)的合成，并被大量整合到蛋白質(zhì)中，因而能在體內(nèi)滯留更長時間[26]。體外細胞攝取實驗結果顯示，18F-（2S,4R）4F-GLN 在9L 膠質(zhì)瘤細胞中具有相對較高的攝取率和滯留率，對在皮下注射9L 膠質(zhì)瘤細胞形成異種移植物的F344大鼠中進行的PET 顯像結果顯示，18F-（2S,4R）4FGLN 濃聚于腫瘤組織中，其攝取量明顯高于周圍肌肉和肝臟組織[27]。與健康受試者相比，18F-（2S,4R）4F-GLN 在癌癥患者大多數(shù)正常器官中的SUVmax較低，尤其是在肺、肌肉、脾和心臟中，但在肝臟和骨組織中具有較高的攝取[28]。一項納入了25例不同癌癥（乳腺癌、胰腺癌、腎癌、神經(jīng)內(nèi)分泌癌、肺癌、結腸癌、淋巴瘤、膽管癌和膠質(zhì)瘤等）患者的臨床試驗結果表明,18F-（2S,4R）4F-GLN 可以作為靶向谷氨酰胺代謝異常的幾種不同類型癌癥的顯像劑，其在體內(nèi)的無創(chuàng)性檢測具有較高的安全性和可行性[29]。在進展性膠質(zhì)瘤患者中，18F-（2S,4R）4F-GLN 顯示出較高的腫瘤/背景比值，其在腫瘤周圍正常腦組織中的攝取極少；18F-（2S,4R）4F-GLN 被膠質(zhì)瘤選擇性攝取，可用于評估體內(nèi)膠質(zhì)瘤的代謝情況，并作為膠質(zhì)瘤臨床診斷的一個有價值的工具[30]。在一項針對腦轉移瘤患者的臨床試驗中，18F-（2S,4R）4F-GLN 在正常大腦組織中表現(xiàn)出低攝取，且其在腦轉移瘤患者中的攝取率與病灶檢出率均高于18F-FDG，結果表明18F-（2S,4R）4F-GLN 可以提供有價值的代謝信息，特別是與腦轉移瘤病理學相關的谷氨酰胺的攝取信息，在腦轉移瘤患者中是一種很有前途的PET顯像劑。但由于其在正常肝臟組織和骨組織中也有攝取，在肝臟和骨轉移病灶中應用時需要更加謹慎[31]。一項關于18F-（2S,4R）4F-GLN 在乳腺癌患者中的初步研究結果顯示，其診斷效能優(yōu)于18F-FDG，可用于乳腺癌的無創(chuàng)顯像[32]。

3.2 N-（2-18F-氟 丙 酰 基）-L-谷 氨 酰 胺[N-（2-18Ffluoropropionyl）-L-glutam ine，18F-FPGLN]

當致癌基因C-myc被激活時，腫瘤細胞可能會將谷氨酰胺作為其主要能量來源，利用線粒體內(nèi)縮短的三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量，這一代謝途徑稱為谷氨酰胺代謝[4]。Tang 等[33]將4-硝基苯基-2-18F-氟丙酸鹽（18F-NFP）通過兩步反應合成了一種新的谷氨酰胺類似物PET顯像劑——18F-FPGLN，在正常昆明小鼠體內(nèi)測定18F-FPGLN 的生物學分布，結果顯示其在血液中高攝取，在肝和肺中中度攝取，而在其他器官（如心臟、胰腺、腸、胃、脾臟、骨骼和肌肉）中的攝取水平相對較低，另外，18F-FPGLN 主要在腎臟內(nèi)代謝，并通過膀胱迅速排出，其在體外比在體內(nèi)表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性；體外細胞實驗結果顯示，18F-FPGLN 主要通過Na+依賴性氨基酸轉運系統(tǒng)XAG-、B0,+、ASC和N 以及非Na+依賴性氨基酸轉運系統(tǒng)XC-和L 進行轉運，幾乎不涉及系統(tǒng)A，且未整合到蛋白質(zhì)中；PET顯像研究結果顯示，18F-FPGLN在SPC-A-1人肺腺癌異種移植物中大量積聚，使腫瘤清晰可見，與背景（肌肉和肺）形成高對比，且未在體內(nèi)脫氟。以上結果表明，18F-FPGLN 是一種潛在的腫瘤PET顯像劑，需要進一步開展與其他常用放射性顯像劑和常規(guī)顯像方式進行比較的研究來確定其診斷價值。

3.3 L-5-11C-谷氨酰胺[L-5-11C-glutam ine，L-5-11C-GLN]

L-5-11C-GLN 是一種用于研究腫瘤對谷氨酰胺攝取和代謝情況的PET 顯像劑。與常見的18F標記的谷氨酰胺類似物PET 顯像劑相比，L-5-11C-GLN 的一個潛在優(yōu)勢在于其能夠檢測骨轉移，因為正常骨組織會攝取體內(nèi)游離的18F。PET/CT 顯像結果表明，L-5-11C-GLN 在正常小鼠中的生物學分布顯示有明顯的胰腺攝取，很可能是由于胰腺內(nèi)的外分泌功能和高蛋白質(zhì)周轉率；另外，L-5-11C-GLN 還在移植9L 膠質(zhì)瘤的大鼠和移植自發(fā)性乳腺腫瘤的轉基因小鼠中顯示出明顯的腫瘤攝取和長時間滯留[34]。一項對9例確診轉移性結直腸癌患者PET/CT 顯像的臨床試驗結果顯示，所有患者對L-5-11C-GLN 的耐受性良好，沒有觀察到安全性問題，L-5-11C-GLN 在肺、腦、骨和肝轉移灶中逐漸積聚并使腫瘤達到可視化程度，這表明其可以無創(chuàng)地顯示多個器官中的轉移性結直腸癌病變[35]，但還需要進一步的研究來獲取更多的信息，闡明其對其他癌癥的潛在應用價值。

綜上，常見的谷氨酸與谷氨酰胺類似物PET顯像劑的轉運機制及其應用見表1。

4 小結與展望

腫瘤往往通過增加營養(yǎng)消耗來促進其異常生長，某些腫瘤細胞可以利用谷氨酰胺和下游的谷氨酸的分解代謝來滿足其增加的能量和生物合成需求[36]。谷氨酸與谷氨酰胺類似物PET顯像劑通過氨基酸轉運與蛋白質(zhì)合成進入腫瘤細胞內(nèi)，在肝細胞癌、腦腫瘤、膠質(zhì)瘤以及其他多種腫瘤的鑒別診斷中具有優(yōu)勢，可以彌補18F-FDG 顯像的一些不足，例如：靶向系統(tǒng)XC-的18F-FSPG 在肝細胞瘤和非小細胞肺癌顯像方面優(yōu)于18F-FDG[15-16]；在腫瘤顯像方面，基于氧化還原機制在腫瘤的發(fā)生、對治療的反應和耐藥性的產(chǎn)生中的重要性，18F-FSPG 可能顯示出其特殊的價值。

但是目前已經(jīng)開發(fā)的谷氨酸與谷氨酰胺類似物PET 顯像劑的數(shù)量較少，一些顯像劑的作用機制不明確，而且大多局限于臨床前試驗，其臨床價值尚缺乏臨床試驗數(shù)據(jù)支持。目前，谷氨酸與谷氨酰胺類似物PET顯像劑主要應用于腫瘤的無創(chuàng)顯像檢測，而在其他疾病，如心血管疾病、腦部疾病等中的應用較少。因此，開發(fā)出更多種類的谷氨酸與谷氨酰胺類似物PET顯像劑或者在現(xiàn)有顯像劑的結構基礎上進行改良，并且通過進一步的實驗或與其他常用的PET顯像劑和常規(guī)顯像方式進行比較來確定其作用機制和診斷價值，將有助于提高患者檢測的靈敏度和準確率，為患者的無創(chuàng)顯像提供更多的選擇。

利益沖突所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻聲明梁浩然負責綜述命題的提出與設計、文獻的查閱、綜述的撰寫與修訂；徐萬幫負責綜述的修訂；唐剛華負責綜述命題的提出、綜述撰寫的指導和審閱