小动物PET及其在生物医学研究中的应用

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1、小动物PET及其在生物医学研究中的应用摘要 通过对正电子核素标记的示踪分子参与活体的生理生化过程进行PET，能够从分子水平反映活体的生理生化变化。作为目前核医学诊断和研究最先进的分子显像方法，已从临床应用推广到了小动物科学实验。近几年来，随着新的探测技术的不断涌现，专门用于小动物显像的PET扫描仪的各项性能日臻完善，它正逐渐成为现代生物医学研究的一项重要工具。小动物PET将在药物寻找和开发、疾病研究、基因显像等领域发挥重要作用。在生物医学中，很多研究需要在动物模型上实施，成功后才能进行临床研究。传统的一些研究方法不能够提供活体内的动态信息，需要利用新的工具和方法从分子水平上观察活体实验动物的生

2、理生化过程。近些年来，一些临床用的医学影像技术，如CT, MRI, SPECT和PET已被用于小动物科学实验。其中，PET利用正电子核素标记示踪分子进行活体显像，能够无创伤地、动态地、定量地从分子水平观察活体的生理、生化变化特点。但是，将临床用的PET扫描仪用于小动物显像，不仅在费用上是极大的浪费，效果也欠佳。随着传统探测器的改进和新的探测技术的不断涌现，专门为小动物显像设计的PET扫描仪的探测效率和空间分辨率大大提高，小动物PET正越来越多地用于现代生物医学研究。小动物PET将成为药物的寻找和开发、以动物模型模拟人类疾病揭示疾病的生化过程、研究活体动物基因表达显像以及其他生物医学领域的重要方

3、法。1 小动物PET的历史1991年 ， IngvarM 等将临床用PET扫描仪进行了大鼠脑显像，首次将PET用于动物实验研究。同年，Rajeswaran S等发表了用”C-diprenorphine进行大鼠脑显像的动态资料。但是，临床用PET的探测效率和空间分辨率低，无法清晰辨识小动物的器官结构，不能满足小动物显像的要求。从20世纪90年代开始，价格低、繁殖快、易得到的小鼠成为人类疾病动物模型的主体，而且随着分子生物学的发展，转基因鼠模型大量建立，小鼠基因测序即将完成，这就更需要研制专为小动物显像设计的PET扫描装置。1.1早期动物PET扫描装置的研制最早的动物PET是为非人灵长类动物显像设

4、计的，20世纪90年代早期已经研制成功。如hamamastsu 研制的SHR-2000和CTI PET SystemsInc研制的PET，适合用于非人灵长类动物显像，也可用于犬齿类动物显像。由Hammersmith医院与CTIPE TS ystems In c联合研制的RATPET扫描仪是第一台专门为啮齿类动物显像设计的。尽管空间分辨率没有较大的提高，但是已经可以用于研究大鼠脑神经受体。早期动物PET扫描装置的研制为人们展现了专用小动物PET的应用前景。1.2 小动物PET扫描装置的研制早期动物PET扫描装置都是用锗酸秘晶体配以光电倍增管来探测的，存在很多缺点，需要采用其他方法来提高探测器的分

5、辨率。随着PET新设计的不断出现，如新闪烁晶体的研制、新的光电转换器件的引人和图像重建算法的改进等，许多研究小组开始应用这些新的设计开发小动物专用PET加拿 大 Sherbrooke大学研究小组研制的小动物PET首次用固体光子探测器一雪崩型光电二级管代替光电倍增管，能够获得较高的空间分辨率和计数能力。比利时布鲁塞尔大学研究小组用BaF2晶体和充有四一二甲胺乙烯(tetrakis-dimethy laminoethylene,TM AE)气体的光敏感多丝室构成了一种用于研究小动物的PET系统，该系统预计空间分辨率为3mm。德国Jtilich大学WeberS 等研制的Tier-PET使用了忆铝钙钦

6、矿晶体，采用可变距旋转探头加上位置敏感的光电倍增管，使分辨率达到2mm高密度雪崩室(high density avalanche chamber,HIDAC)技术最近用于小动物PET的研制。2 小动物PET在生物医学研究中的应用小动物 PET可以测定正电子核素标记示踪分子在同一活体实验动物体内的空间分布、数量及其时间变化。每只动物都可以重复进行研究，可以自身为对照，避免了组内差异，大大减少了动物的使用数量。小动物PET扫描装置的另一个优点是可以将动物实验结果和临床研究统一起来。因此，这种非侵人性动态显像技术不仅给药物开发和研究提供了新的手段，还可用于人类疾病动物模型研究、基因表达显像等方面。2

7、.1 小动物PET在药物寻找和开发中的应用现在研制成功一个一类新药仍然需要巧年左右，耗资1-2亿美元。人类基因测序的完成又提出了大量的药物可能作用的生物靶点，为现代创新药物的研究创造了新的条件，结果导致先导化合物的数量大大增加，尽管体外实验证明有活性，但还没有合适的方法证明在活体内也有效。这也是药物开发中的一个主要瓶颈，非常需要一个从发现前药到用于人体、从动物实验的结果外推到临床的合理程序，大大缩短药物开发的时间，并减少花费。活体非侵人性动态显像技术PET的出现(临床用PET和动物PET)将有效解决新药开发中的这一难题，将极大地推进药物开发的进程。2.1.1 用于药物研究和开发的正电子放射性核

8、素标记化 合 物利用 PE T进行药物研究和开发使用的正电子核素标记化合物一般可分为4类(1) 正 电 子核素直接标记药物。大部分药物分子中含有碳原子，因此是最常用的正电子核素，18F可 取代药物中的氟或氢原子，13N也可用于标记某些药物，可用于研究药物的生物学分布和其他药代动力学参数以及药效动力学。(2) 正 电 子核素标记人体本身具有或需要的化合物或类似物。如150-H20研究区域性血流速度;18F-FDG和18F-氟代脱氧胸普(3-deoxy-3一8F-fluorothymidine,18F-FLT)分别是葡萄糖和胸昔的类似物，可以反映体内糖代谢状态或DNA复制情况。通过观察药物对这类标

9、记示踪剂的影响，可研究药物对生物体生理和生化参数的影响。(3) 正 电 子核素标记配体和抗体。正电子核素标记的配体与特异性受体有很高的结合亲和力，既可用于测定体内特异性受体的分布、浓度和特性，也可用于研究未标记药物对该受体的作用;正电子核素标记抗体或抗体片段可用于定位和监测肿瘤。(4) 正 电 子核素标记生物标志物。这类生物标志物能与生物通路中的某一组份相互作用，可用于探测某系统通路的状况，如中枢神经系统中的多巴胺能通路。2.1.2 小动物PET在药物研究和开发中的应用小动 物 PET能在药物开发的早期就完成活体动物实验，监测药物的药代动力学和药效学以及其他有关生物信息。小动物PET可用于从候

10、选药物中筛选先导化合物，同时获得候选药物在体内各组织器官的药代动力学参数。此外，知道了药物在靶点的占有率还能帮助随后的人体实验研究确定初始剂量。小动物PET的开发成功也为评价那些正在应用的药物提供了机会。Hir ani E 等1201用Quad-HIDAC研究中枢腺昔A2A受体拮抗剂C-KW 6002在雄性Sprague-Dawley大鼠体内的分布:静脉注射11.6MBq的11C-KW后，获得20 min时段内的显像，结果显11C-KW主要分布在心脏和脑。他们认为，用小动物PET能够很好了解药物在活体实验动物体内的分布。Wu A M 等从高亲和力的抗癌胚抗原嵌合抗体T84.66得到一微型抗体，

11、用-Cu-1,4, 7, 10一四氮杂环十二烷一N, N, N, N一四乙酸(Cu-DOTA)标记后对接种了癌胚抗原阳性肿瘤的裸鼠进行肿瘤靶向的研究:注射标记物5h后，经MicroPET扫描，发现6Cu-DOTA标记的抗癌胚抗原微型抗体在癌胚抗原阳性肿瘤有很高的摄取，肿瘤图像非常清晰。由此可见，小动物PET有助于了解基因工程药物能否快速定位于肿瘤部位以及在肿瘤部位的停留时间、浓度等，为基因工程药物的研究和开发提供了新的手段。在病 理 情 况下，生长抑素受体在很多肿瘤中均有高表达，将标记的生长抑素类似物进行生长抑素受体阳性肿瘤显像并用作放射治疗药物已取得了巨大的进展。目前，很多研究小组着力于提高

12、肿瘤组织对标记的生长抑素类似物的摄取。Uger 0等用microPET对正电子核素Ga标记的生长抑素受体类似物DOTA-D-Phe-Tyr-奥曲肤进行了评价，他们认为该化合物不仅可以显示生长抑素受体阳性肿瘤而用于疾病诊断，也许还能用于肿瘤的放射治疗。2.2 小动物PET在人类疾病研究中的应用用小动物PET研究动物模型的一大优点是能够测定正电子核素标记分子在同一实验动物体内的时间和空间分布及变化，可以在数日或数周或数月后对同一只动物重复进行实验。这非常有利于研究慢性病动物模型或监测一系列干预措施的效果，而且所用的体内显像参数与临床用PET相同，可以进行直接比较。因此，小动物PET可作为研究人类疾

13、病的一个平台，将加快动物实验研究到临床研究的进程。2.2.1小动物PET在神经系统疾病研究中的应用目前 ，小动物PET的空间分辨率已经能够清晰辨识动物脑内结构，如丘脑、纹状体、皮层亚结构等。利用小动物PET对动物模型进行活体显像，对脑血管疾病、帕金森病、脑肿瘤、癫痛等神经系统疾病的研究具有独特的价值。帕金森病是一种进行性运动障碍性疾病，它所累及的多巴胺能系统是脑功能活动的最主要系统。Thanos PK等用Micro PET R4和经典的多巴胺Dz受体PET显像剂C-raclopride(C一雷氯必利)，对多巴胺Dz受体剔除和野生小鼠的多巴胺Dz受体进行活体显像，结果显示11C-raclopri

14、de在多巴胺DZ受体剔除小鼠纹状体显像明显低于野生小鼠。该研究首次阐明了Micro PET是研究帕金森病模型鼠的一种有效方法。最近有不少研究报道了使用小动物PET对皮层剥除、药物损伤或外伤性脑损伤等动物模型进行显像，并监测损伤后区域性脑血流速度和脑区葡萄糖代谢情况。他们的研究结果显示，小动物PET可以用于定量监测小动物脑内主要结构的区域性脑血流速度和脑区葡萄糖代谢。小动物PET将成为研究脑发育、脑可塑性、脑损伤以及损伤后干预等的一项非常有价值的工具。2.2.2 小动物PET在肿瘤研究中的应用肿瘤模型在两只动物之间可能会有较大差异，而小动物PET的优点之一就是可对同一只动物重复进行实验，以避免这

15、种差异。而且，肿瘤动物模型中，肿瘤一般接种于动物的四肢、肩部或背部，这些部位的本底值远低于主要器官，因此容易进行定量分析。此外，小动物PET可很好观察和监测转移性肿瘤的侵袭和蔓延。Sun da res anG 等用标记抗癌胚抗原微型抗体和聚合二体，对荷人结肠直肠癌(IS174T)的裸鼠进行显像:注射标记物4h后，MicroPET发现121I标记的抗癌胚抗原微型抗体和聚合二体在接种肿瘤的部位(左肩)有较高的摄取，18h后几乎完全在左肩显像，肿瘤图像非常清晰。他们认为，124I标记的基因工程抗体和抗体片段为PET肿瘤和转移性肿瘤显像提供了新的肿瘤特异性标记探针。2.2.3 小动物PET在心血管疾病

16、研究中的应用大鼠 和 小 鼠的心脏相对来说很小，而目前研制的小动物PET的空间分辨率大大提高，已被用于测定心肌缺血和梗死模型中葡萄糖代谢(18F-FDG)和心肌血流速度(13N-氨)，这些研究显示了小动物PET用于心血管疾病的潜力。最近 ，小 动物PET技术又被用于研究其他疾病。在风湿性关节炎的研究中，Wipke BT等发现，正电子核素“Cu标记的抗葡萄糖6磷酸异构酶免疫球蛋白抗体在注射数分钟后就能够特异地定位于患病末梢关节。Wang Z等Q用CU一丙酮醛(NA-甲基缩氨基硫脉)标记CD4+T细胞，用MICROPET监测免疫性眼部疾病如急性自身免疫性葡萄膜炎的生化过程。2.3 小动物PET在基

17、因表达显像中的应用近年 来 ， 随着分子生物学、分子遗传学等相关学科的发展和渗透，基因诊断和基因治疗发展很快。对转染基因的定位和表达进行量监测，基因显像是最有效的方法。用PET在活体动物和人体进行基因表达显像引起了研究者的广泛兴趣。用 PET 进行基因显像需要有PET报告基因以及正电子核素标记的与报告基因相匹配的报告探针。目前报告基因系统主要有两类:一类是酶介导的报告基因，报告基因转录成酶产物，捕集报告探针，并将其转化为可捕集的代谢物，报告探针不能离开细胞而在细胞内积累产生信号放大作用，可以测定报告基因表达的部位、量及持续时间，如单纯疤疹病毒胸腺嚓陡核昔激酶基因及其报告探针aF一 阿昔洛韦、1

18、8F一甘昔洛韦、18F- 氟经甲基丁基鸟嗓吟等;另一类是受体介导的报告基因，报告基因转录成位于细胞表面、细胞内或细胞外的受体蛋白，受体与报告探针(配体)结合产生信号放大作用，可以测定报告基因表达的部位、量及持续时间，如多巴胺D:受体基因及其报告探针18F-氟乙基螺环呱咤酮。此外，其他一些报告基因，如生长抑素受体基因和Na / I一同向转移体基因目前正处于研究的起步 阶段。Tju vaj ev J G等最早将PET用于基因表达显像，他们将-I-FIAU (NI-2一氟-2-脱氧-5一碘一I-R-D-阿拉伯夫铀铣基尿吻吮)用于报告基因单纯疤疹病毒胸腺嗜陡核昔激酶基因显像。随后，ULCA的Crump生物显像研究所在该领域做了一系列研究，获得了很好的效果，他们认为，用小动物PET评价活体实验动物基因表达水平是可行的。尽管基因表达PET仍处于实验研究阶段，但从已经取得的成果，已可预计该技术将在基因治疗方面起到重要作用。总之 ，小动物PET的出色性能将给药物开发和评价、人类疾病研究以及基因研究和治疗等领域带来新的希望。 更多农业仪器信息来自中国农业仪器网