生物標記物及探針在胃癌分子影像診斷中的研究進展

汪曉宇,姚德帆,任 剛

汪曉宇,姚德帆,任剛,上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院放射科 上海市 200092

0 引言

胃癌每年大約新增病例100萬個,是目前第五大最常見的癌癥,并且也是癌癥引起死亡的第三大原因[1].大多數(shù)胃癌患者在確診時已經(jīng)處于晚期階段,錯過了最佳治療時機,對于預后是非常不利的.目前,胃癌主要是通過手術(shù)切除進行治療,早期胃癌術(shù)后患者5年生存率為90%,然而進展期胃癌5年生存率不到30%[2].因此,如果能夠早期發(fā)現(xiàn)并正確診斷胃癌,尋找合適的治療方案,就能夠減輕患者的痛苦,提高胃癌患者的生存率.常見的診斷胃癌的方法包括內(nèi)鏡、計算機斷層掃描(computed tomography,CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)、正電子發(fā)射斷層掃描(positron emission tomography,PET)等,然而這些方法都具有一定的局限性.內(nèi)鏡檢查并取部分組織進行活檢具有侵入性,并且依賴于操作者的操作技術(shù),大約存在5%-26%的胃癌會被遺漏,導致間歇期胃癌的發(fā)生[3];CT具有一定的輻射性,在某些情況下不適合短期內(nèi)多次進行檢查,軟組織的對比度也比較差;MRI對于胃癌的診斷價值較為有限,其檢查的時間較長,容易受到呼吸運動的干擾而產(chǎn)生偽影[4];PET價格比較昂貴,不適合用作常規(guī)檢查,空間分辨率也比較低.因此,現(xiàn)有的影像技術(shù)對于胃癌的早期診斷比較困難,近年來,分子影像技術(shù)飛速發(fā)展,可以在細胞和分子水平上觀察到腫瘤的變化,在胃癌的診斷中發(fā)揮了越來越重要的作用.分子成像需要具有腫瘤特異性的生物標志物、可視化的方法以及特定的成像設備,將各種納米顆粒制成的分子探針與胃癌的生物標志物相結(jié)合,通過在體外成像或者檢測熒光,達到實時監(jiān)測,可以提高胃癌診斷的靈敏度和準確度,并且具有較高的腫瘤-背景比率,提高疾病的診斷率和治愈率[5].

1 胃癌生物學標志物進展

1.1 表皮生長因子受體 人表皮生長因子受體2(human epidermal growth factor receptor 2,her2)是由17號染色體上的erbb2編碼的原癌基因,屬于表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)家族的成員,能夠參與細胞的信號轉(zhuǎn)導、促進細胞增殖、阻止細胞凋亡,因此能夠?qū)е虏皇芸刂频募毎L及腫瘤的形成[6].目前已經(jīng)被證實能夠在多種癌癥中過度表達,與腫瘤的轉(zhuǎn)移、侵襲、化學抵抗以及不良的預后有著密切的關(guān)系[7].大約在7%-34%的胃癌中被發(fā)現(xiàn)過度表達[8],成為胃癌診斷的一種有希望的生物標志物和治療靶點,然而其不僅在原發(fā)腫瘤和轉(zhuǎn)移瘤之間存在異質(zhì)性,Sanchez-Vega等[9]發(fā)現(xiàn)在不同的病變部位HER2的表達情況是不同的,并且在診治過程中,病變的內(nèi)部也存在變異性.因此,利用分子影像技術(shù)對HER2陽性的胃癌進行診斷就顯示出了巨大的潛力.

EGFR受體是一種170 kDa的跨膜糖蛋白,該受體具有酪氨酸激酶的活性[10].EGFR又被叫做HER1,也同屬于her/erbB家族的成員,它在與多肽生長因子結(jié)合之后被激活,如表皮生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子-α,能夠參與各種腫瘤的發(fā)生和發(fā)展[11].Kim等[12]證明EGFR的過度表達情況與胃癌的較高病理分期具有相關(guān)性.EGFR可以作為一種預測標志物,參與胃癌的發(fā)生、發(fā)展以及轉(zhuǎn)移,可以用來診斷并且篩選抗EGFR靶向治療受益的人群,有利于制定個體化的治療方案[13].

1.2 整合素 整合素是一種跨膜受體蛋白,由非共價連接的α鏈與β鏈組成的異二聚體復合物,屬于細胞黏附分子家族,能夠介導細胞和細胞之間以及細胞與細胞外基質(zhì)之間的相互識別與黏附,起到信號的傳遞作用.整合素參與細胞的生長和分化,包括細胞的遷移、侵襲等過程,在腫瘤的形成過程中也發(fā)揮了重要的作用[14].在整合素當中,αvβ6是癌癥研究的一個重要方向,除了能夠在胰腺癌中高表達之外,其也在36.7%的胃癌中表達,并且與胃癌的Lauren分型、分化程度、TNM分期相關(guān)[15].αvβ6的表達增加會促進α-平滑肌肌動蛋白的分泌相對增加,從而刺激腫瘤相關(guān)成纖維細胞的生長,促進胃癌的進展,縮短患者的生存期[16].除此之外,在低分化以及存在淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的胃癌當中,發(fā)現(xiàn)αvβ6的表達程度更高[17].αvβ6可以作為胃癌的診斷和治療的焦點,并且具有作為預后生物標志物的潛在價值.

除了αvβ6之外,αvβ3在包括早期胃癌的多種癌癥的新生血管的內(nèi)皮細胞表面高度表達,而在正常的細胞中表達水平很低[18].在457個病例中,有119例腫瘤細胞的αvβ3為陽性,247例間質(zhì)細胞陽性,在所有病例的內(nèi)皮細胞中都有表達,也可以用作胃癌的靶向研究[19].

1.3 Claudin 18.2 Claudin18是一種新型的腫瘤分子生物標志物,它屬于緊密連接蛋白,是一個多基因家族,每個成員都有四個跨膜區(qū)域,具有C末端和N末端,除此之外,還擁有兩個胞外環(huán)[20].像其他的緊密蛋白一樣,claudin也能夠維持細胞屏障,并且參與細胞旁的轉(zhuǎn)運以及細胞間的信號轉(zhuǎn)導.其中,claudin18是近年來研究的熱點,它具有兩個剪接變異體: claudin18.1和claudin18.2,claudin18.1主要在肺內(nèi)表達,而claudin18.2嚴格限制于胃內(nèi)分化較好的上皮細胞[20].在生理情況下,由于緊密連接的存在,claudin18.2被包裹在內(nèi),但當發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化時,分子的胞外環(huán)就會暴露出來,使得靶向的診斷和治療成為可能[21].有人對44例胃癌患者標本進行免疫組化檢測,發(fā)現(xiàn)大約81.8%的胃癌患者中claudin18.2為陽性,其中16.7%表現(xiàn)出強陽性[22].claudin18.2在胃腺癌中的表達量很高,由于其病理特征與總體生存期無明顯相關(guān)性,不能用作預后的標志物[23],但這并不影響其用來作為胃癌分子成像的生物標志物.

1.4 其他的生物標志物 除了上述提到的胃癌靶點之外,還存在一些研究相對較少的新興生物標志物.乳腺癌相關(guān)抗原1(breast cancer susceptibility gene 1,BRCA1)被證實在胃癌中的表達上調(diào),并且其表達與不良預后有關(guān)[24].髓系細胞觸發(fā)受體2(the triggering receptor expressed on myeloid cells 2,TREM2)是免疫球蛋白超家族的跨膜受體,在胃癌中過度表達,通過PI3K/AKT途徑促進上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化,從而對胃癌的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生影響[25].MG7是胃癌中的一種特異性抗原,其表達水平與胃癌的分化程度是有關(guān)系的,在胃癌組織以及胃癌患者的血清中都有表達[26].在胃癌細胞中,細胞膜結(jié)合的葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose-regulated protein 78,GRP78)也會表達增加,也被認為是胃癌的生物標志物之一[27].轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1是一種跨膜糖蛋白,在正常組織中受到嚴格調(diào)控,而在胃癌細胞中的表達增加[28].葉酸受體α和葉酸受體β是位于細胞膜上的受體,能夠?qū)⑷~酸轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi),在正常的細胞上表達量很小,但是在許多腫瘤細胞上高度表達[29].目前,有一些研究認為,腫瘤是一種干細胞疾病,干細胞導致腫瘤的持續(xù)增長[30].胃癌也屬于其中一種,如果能夠?qū)ξ赴┑母杉毎M行成像,不僅可以對腫瘤進行監(jiān)測,同時或許能夠達到根治的程度.LGR5是一種腫瘤干細胞標記物,其在胃癌中高表達,能夠推動胃癌的建立和進展[31].CD44被發(fā)現(xiàn)是胃癌干細胞表面的一種黏附分子,能夠結(jié)合透明質(zhì)酸[32].當CD44被敲除之后,胃癌細胞的增殖和遷移也都會受到抑制,是與免疫浸潤相關(guān)的獨立預后因素,可以作為預后的生物標志物[33].體液標志物也具有極大的發(fā)展?jié)摿?它們具有侵入性低、價格較低廉以及取樣比較方便等特點[34].與此同時,仍有許多胃癌的分化程度比較低,并且缺乏生物活性標志物,也具有一定的研究潛力[35].

2 胃癌的分子成像探針進展

2.1 免疫SPECT/PET成像 免疫SPECT/PET使用的是放射性核素標記的抗體,是一種具有高度特異性的非侵入性成像技術(shù),已經(jīng)應用于癌癥的臨床診斷和分期當中[36].目前,使用較多的放射性元素包括18F、124Ⅰ、111In、89Zr、68Ga、64Cu等.

靶向腫瘤細胞表面或者微環(huán)境中上調(diào)的受體或其他分子仍然是設計分子探針最有效的策略.Shi等[37]將抗人源TREM2的單克隆抗體5 mAb酶解后,獲得5-F(ab’)2片段,經(jīng)半衰期較長的124Ⅰ標記后可以在PET中靶向示蹤陽性胃癌,能夠作為腫瘤的潛在顯像劑.相比claudin18.2陰性的細胞,[89Zr]Zr-去鐵胺(DFO)-TST001(一種claudin18.2的單克隆抗體)在CLDN18.2陽性的BGC823細胞中表現(xiàn)出了較高的積累水平,可以用于胃癌的診斷[38].然而,目前臨床上最常用的放射性核素是碘,對于TST001用碘或者其他的放射性核素標記后是否也能獲得同樣的效果,甚至是額外的優(yōu)勢,仍然需要進一步的研究,也為將來關(guān)于claudin18.2的研究提供了一個不錯的方向.Wei等[39]就對不同的金屬進行了嘗試,他們將68Ga、18F、64Cu分別與針對claudin18.2的人源性納米抗體hu19V3結(jié)合制成探針,能夠在免疫PET下準確勾勒出claudin18.2陽性的不同細胞的皮下腫瘤病變.然而,不同標記在胃癌中的穩(wěn)定性、代謝途徑和成像效果方面存在差異,應當根據(jù)不同的研究目的和應用選擇適合的標記方法.

一種新型的靶向核醫(yī)學成像劑也被用于胃癌的診斷當中.利用GRP78結(jié)合肽(GRP78 binding peptide,GRP78BP)引導放射性同位素銦-111(111In)標記的聚合物微粒,能夠使其特異性靶向過表達GRP78的胃癌細胞,且放射性強度明顯高于沒有GRP78BP引導的111In標記的膠束,從而實現(xiàn)高對比度的成像和準確的腫瘤病灶檢測[40].

2.2 MRI成像 分子水平的磁共振成像是在傳統(tǒng)成像技術(shù)的基礎(chǔ)上,使用在MR上可以顯像的特殊分子作為成像的標記物,以此對分子進行定位,將其應用到腫瘤中,就可以實現(xiàn)腫瘤的準確診斷.無機納米粒子可以用作磁共振的對比劑,其中超順磁性氧化鐵(superparamagnetic iron oxide,SPIO)是最常用的粒子,在胃癌中可以幫助早期檢測、精確定位腫瘤,避免其他組織器官的干擾[41].葉酸功能化的聚乙烯亞胺超順磁性氧化鐵納米顆粒可以特異性地靶向過表達葉酸受體的胃癌細胞,可以作為癌癥MRI的T2加權(quán)造影劑[42].Lee等[43]采用熱分解法合成了納米錳鐵氧體粒子,在其表面覆蓋上透明質(zhì)酸涂層之后,利用T2 MR成像技術(shù),通過測量對SPIO存在敏感的T2松弛時間,可以識別出高表達CD44的胃癌區(qū)域,可以作為一種新的探針對胃癌干細胞進行顯影.除了SPIO之外,超小超順磁性氧化鐵納米顆粒(ultrasmall superparamagnetic iron oxide,USPIO)是一種新一代的磁共振成像對比劑,由于具有超小尺寸、較大的比表面積、依賴于聚集的弛豫特性,可以實現(xiàn)多種腫瘤的定位診斷[44].然而,目前將USPIO應用到胃癌診斷中的研究較少,將其與腫瘤特異性配體偶聯(lián)后,未來可以成為一個具有潛力的胃癌分子靶向成像策略.

2.3 光學成像 熒光成像主要是通過靜脈注射或者表面噴灑熒光探針,與胃癌相關(guān)的分子靶點特異性結(jié)合,通過光學設備對熒光探針發(fā)出的信號進行檢測和定量,實現(xiàn)對胃癌組織的準確定位和可視化[45,46].近年來,有關(guān)于熒光探針的研究也層出不窮.LGR5是胃癌干細胞的標志物,Kwak等[47]利用噬菌體生產(chǎn)了LGR5特異性肽探針I(yè)PQILSI,將該肽用FITC和Cy5.5標記后,可以在胃癌細胞中觀察到明顯的熒光,并且檢測到胃癌的腹膜轉(zhuǎn)移,未來可以進一步開發(fā)為臨床應用的分子影像探針.

近紅外二區(qū)(near infrared Ⅱ,NIR-Ⅱ)成像是一種近紅外光譜范圍內(nèi)的新型成像技術(shù),具有深度穿透、高分辨率和低組織自發(fā)熒光的優(yōu)勢[48].利用手術(shù)導航系統(tǒng),Arg-Gly-Asp-ICG探針在術(shù)中通過近紅外成像能夠?qū)δ[瘤進行實時成像,并且檢測到的腫瘤最小直徑達到了1.8 mm,手術(shù)的時間較常規(guī)治療組也縮短了3.26倍,可以進行胃癌腹膜轉(zhuǎn)移的檢測,避免了病灶的遺漏[49].邵軍等[50]也制備了靶向胃癌的納米探針DSPEPEG-RGD@ICG,不僅能準確地標記和成像腫瘤,還具有較高的信號強度和穩(wěn)定性.一種新的能夠特異性靶向HER2的多肽Herceptid與ICG偶聯(lián)之后,在近紅外熒光Ⅱ成像下,HER2高表達的MKN45腫瘤顯示出更高的信號,并且還能夠引導進行皮下腫瘤的切除,表明ICGHerceptid在NIR-Ⅱ成像中是一種具有潛力的腫瘤成像探針,未來可以進一步研究以便應用于臨床[51].

共聚焦激光內(nèi)鏡(confocal laser endomicroscopy,CLE)是一種先進技術(shù),可以用于胃腸道腫瘤的診斷,具有準確、快速的優(yōu)勢[52].分子共聚焦激光內(nèi)鏡中,通過局部或全身給藥方式向患者輸入熒光對比劑,會針對特定的細胞成分或生物標志物捕捉圖像[53].在檢查過程中,對患者的配合要求較高,使用異丙酚鎮(zhèn)靜可以提高其對淺表胃癌以及癌前病變的診斷價值[54].基于探針的共聚焦激光內(nèi)鏡技術(shù)(pCLE)可以實現(xiàn)腫瘤血管的可視化,加用熒光標記的抗體能夠檢測到胃癌中是否存在新生血管,達到監(jiān)測腫瘤的效果[55].用AF-488標記的MG7單抗心內(nèi)注射到腫瘤小鼠中,在CLE下可以特異性地對胃癌組織進行分子成像,能夠用來對胃癌早期可疑人群進行篩查,避免漏診,延誤最佳治療時機[56].最近,有研究發(fā)現(xiàn)將人重鏈鐵蛋白與熒光染料結(jié)合之后用CLE可以識別早期胃癌的腫瘤邊緣,有利于在內(nèi)鏡下切除腫瘤,同時還可以通過實時成像來跟蹤胃癌病變的動態(tài)變化,為監(jiān)測提供了更好的指導[57].Luo等[58]設計了具有兩個吡啶基團的探針BP-FFVLK-(PEG)-RGD(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸),RGD能夠靶向結(jié)合αvβ3,該探針能夠準確到達腫瘤的血管生成部位,發(fā)出黃綠色的熒光,在藍激光內(nèi)窺鏡下進行胃癌的顯像.

近年來,術(shù)中分子成像(intraoperative molecular imaging,IMI)逐漸發(fā)展,通過在術(shù)前給予腫瘤靶向熒光造影劑,可以提高術(shù)中腫瘤的可視化程度,有利于更好地進行決策[59].Newton等[60]將OTL38(一種近紅外染料S0456與葉酸類似物共軛形成的探針)術(shù)前注射入胃癌患者體內(nèi),利用IMI觀察原發(fā)腫瘤和相關(guān)淋巴結(jié)的熒光情況,發(fā)現(xiàn)的確可以在腫瘤發(fā)現(xiàn)OTL38的聚集,能夠準確定位和識別宏觀胃腺癌病變,然而目前樣本數(shù)量有限,后續(xù)可以加大受試者的數(shù)量,進行更深一步的研究.

3 光聲成像

光聲成像(photoacoustic imaging,PAI)是一種新興的成像技術(shù),將光學的靈敏度與聲音的檢測能力結(jié)合起來,在深處具有類似超聲的分辨率,目前已經(jīng)應用于很多研究當中[61].基于長焦距探頭的光聲掃描成像提供高分辨率的圖像,顯示出胃黏膜下腫瘤的細微結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征,對胃黏膜下腫瘤的成像具有潛力[62].并且,PAI對于胃癌黏膜深層的血管網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)可視化,有利于對胃癌進行診斷和臨床分析[63].Liang等[64]將CD44v6單克隆抗體修飾到金納米星表面,作為納米探針在PAI下可以對GC進行靶向成像,并且在光照條件下,可以通過表面等離子共振效應產(chǎn)生局部光熱效應,實現(xiàn)對胃癌干細胞的光熱治療.除了通過抗原抗體靶向成像外,將金納米棒標記到人細胞因子誘導殺傷細胞(cytokine-induced killer,CIK)上,也可以實現(xiàn)對胃癌的靶向光聲成像,實時監(jiān)測CIK細胞在胃癌區(qū)域的分布和活動情況[65].RGD共軛的二氧化硅包覆金納米棒(SiO2@AuNRs)附著在碳納米管表面,可以實現(xiàn)光聲信號的增強和胃癌的高對比度成像,用于胃癌的靶向診斷[66].盡管胃癌光聲成像具有良好的應用前景,應用于臨床胃癌診斷仍面臨一些挑戰(zhàn),包括設備的成本和便攜性、操作的復雜性以及臨床實施的可行性等,需要進一步的發(fā)展來克服其目前的限制.

4 多模態(tài)成像

多模態(tài)成像可以將兩種或兩種以上的成像方式結(jié)合起來,彌補了單一成像方式的不足,能夠提供具有高靈敏度和空間分辨率的綜合成像信號,具有巨大的研究空間[67].Wang等[68]將BRCAA1的單克隆抗體與熒光磁納米探針結(jié)合后可以靶向到胃癌細胞,從而能夠?qū)ξ赴┻M行熒光成像和磁共振成像,可以通過磁共振成像技術(shù)實現(xiàn)對胃癌的高分辨率成像,并通過熒光成像技術(shù)提供胃癌細胞的定位信息.MRI/光學雙模態(tài)成像不僅可以實現(xiàn)腫瘤成像,并且可以觀察胃癌的血管生成.將納米Fe3O4與特定的靶向環(huán)肽GX1和Cy5.5偶聯(lián)之后制成探針,可以在MRI中觀察到腫瘤新生成的血管,并且通過熒光還可以顯示出腫瘤的邊界,實現(xiàn)了對胃癌血管生成的準確成像和定量分析[69].除了MRI/光學雙模態(tài)以外,還存在免疫PET/光學雙模態(tài),Zhao等人[70]使用雜交瘤技術(shù)合成的claudin18.2特異性抗體5C9,被124Ⅰ和Cy5.5修飾之后,能夠在免疫PET和近紅外熒光成像中描繪出腫瘤的邊界,并且用FD1080修飾后可以在近紅外熒光Ⅱ成像探頭下實現(xiàn)腫瘤的準確切除.

5 結(jié)論

胃癌的分子成像診斷有望成為一種有潛力的胃癌早期診斷和顯像技術(shù),但其目前仍面臨許多挑戰(zhàn).目前大多數(shù)的研究都是在胃癌移植物模型上進行的,如果想要應用于人體,首先需要進一步優(yōu)化探針的性能和提高成像設備的分辨率,實現(xiàn)更精確和更可靠的胃癌分子成像,其次需要確定其在臨床應用中的可行性,并且要確立在胃癌患者中的臨床效用和安全性.