18F-FLT PET成像在动物实验中的应用

全震，王瑞峰，孙夕林，申宝忠

哈尔滨医科大学附属第四医院 TOF-PET/CT/MR中心，哈尔滨医科大学分子影像研究中心，黑龙江哈尔滨 150028；

1998年，Shields等[1]首次提出利用18F-氟代胸苷（18F-fluorothymidine，18F-FLT）PET成像作为非侵入性评估肿瘤细胞增殖的工具，这种新型PET显像剂受到广泛关注，并应用于临床及动物实验研究。

18F-FLT是胸腺嘧啶类似物，主要通过被动扩散和 Na+依赖的转运体进入细胞内。胸苷激酶-1（thymidine kinase 1，TK1）是DNA合成补救途径的关键酶，催化胸苷磷酸化为胸苷-磷酸。18F-FLT因与胸苷结构类似，可被TK1在细胞质内磷酸化形成18FFLT-单磷酸。由于3'端被18F替代，18F-FLT-单磷酸不能继续参与 DNA合成而蓄积于细胞内。TK1仅在DNA合成期表达，其活性在静止的非增殖细胞内很低，但在增殖细胞G1后期和S期会增加到10倍以上[2]。因此18F-FLT可通过反映TK1的活性间接反映细胞增殖[3]。

18F-氟脱氧葡萄糖（18F-fluorodeoxyglucose，18FFDG）是目前应用最为广泛的PET示踪剂，但18F-FDG诊断肿瘤的特异性相对较低，因部分炎性病变在其示踪成像时呈现肿瘤样摄取特点，而18F-FLT不受炎症的干扰，在肿瘤诊断方面具有更高的特异性，可以作为18F-FDG的重要补充[4-5]。

18F-FLT PET在动物实验方面得到广泛应用，主要用于研究疾病的病理生理过程、药物作用机制和疗效监测，其结果对临床研究有重要的指导作用。然而，影响18F-FLT在动物模型中的肿瘤及组织摄取的因素很复杂，并且存在明显的种属差异[1]，导致18F-FLT PET在动物实验中的应用存在很多局限性。当在动物实验中选择18F-FLT PET评价增殖状态时，需要考虑这些因素才能取得好的结果，以更好地指导临床。本文对18F-FLT在不同种属动物实验中的应用价值、局限性及摄取影响因素进行总结。

1 18F-FLT PET成像在小鼠动物模型中的应用

1.1 在肿瘤模型研究中的应用及局限性18F-FLT PET在动物实验中的应用价值主要体现在小鼠肿瘤模型。近年来，其在小鼠肺癌、胶质瘤、结肠癌、淋巴瘤等肿瘤模型中的应用获得了诸多理想的研究成果，在研究化疗、放疗及靶向治疗等肿瘤治疗的疗效监测及药物作用机制方面均有良好的前景[6]。但18F-FLT PET在小鼠肿瘤模型中的应用也存在一定的局限性，且在日常研究中常易被忽视。Barthel等[7]报道18F-FLT PET在小鼠肝脏肿瘤中的研究存在限制，其原因是18F-FLT在小鼠和人肝脏组织的代谢水平存在明显差异，这种差异是由小鼠和人的肝脏葡萄糖醛酸转移酶表达差异所致。Katz等[8]采用顺铂和多西紫杉醇联合治疗小鼠模型的 p53功能缺失的肺癌 CALU-6移植瘤，72 h后监测不到18F-FLT摄取下降，也不反映肿瘤的生长抑制，其原因是在p53功能缺失情况下，TK1的细胞周期调控缺失，无法检测到18F-FLT摄取，导致18F-FLT在预测p53功能缺失的肺恶性肿瘤对DNA损伤剂的治疗反应失败。Fuereder等[9]在小鼠胃癌模型中发现，18F-FLT监测不到磷酸肌醇 3-激酶抑制剂或哺乳动物雷帕霉素靶蛋白抑制剂 BEZ235对MKN28和 MKN45肿瘤的抗肿瘤作用，可能与体内BEZ235的敏感性与TK1下调相关。此外，在利用小鼠模型评价胸苷酸合成酶（thymidylate synthase，TS）抑制剂如5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil，5-FU）对肿瘤进行治疗时也常遇到问题，其原因是 TS抑制剂会增加TK1活性，导致DNA合成的补救途径增加，造成治疗早期18F-FLT摄取暂时升高，即“flare”效应[10]，而TS抑制剂的作用是抑制增殖，此时的实验结果不可靠。Zhang等[11]提出18F-FLT PET不能“点亮”所有增殖的肿瘤，在部分快速生长的肿瘤如Raji和MDA-MB-231模型，尽管TK1表达高，但18F-FLT摄取很低，该研究认为这是由于Raji和MDA-MB-231肿瘤内源性胸苷表达量高，与18F-FLT竞争TK1结合位点，抑制了18F-FLT摄取。在上述情况下，18F-FLT PET对肿瘤的增殖评价不准确，提示利用18F-FLT PET进行小鼠动物实验评价增殖状态时，需要考虑到上述因素。

1.2 在非肿瘤模型研究中的应用及其局限性18F-FLT PET在小鼠非肿瘤模型中的应用较少。Moraga等[12]报道了18F-FLT PET在小鼠脑梗死模型中的应用，通过18F-FLT PET成像研究toll样受体-4（toll-like receptor 4，TLR4）对脑缺血后神经再生和炎症的影响，成功监测到缺乏TLR4所致神经再生及脑缺血后的急性炎症反应的抑制。在对肺包虫病的体外实验研究中，Porot等[13]和Rolle等[14]均发现肺包虫对18F-FLT摄取升高。然而，Porot等[13]在小鼠肺包虫病模型PET成像中未发现18F-FLT摄取，而Rolle等[14]发现18F-FLT摄取升高，可能是由感染部位的炎症所致。Stefan等[15]通过18F-FLT PET检测耶尔森菌感染诱导的组织增生，结果仅发现18F-FLT在脾脏有低剂量的背景摄取，并且摄取与感染细菌的剂量无关，提示18F-FLT不适合于在小鼠模型研究耶尔森菌感染诱导的组织增生。因此，18F-FLT PET在小鼠非肿瘤模型中的应用并不理想，临床转化价值较为有限，但上述研究为后续探讨非肿瘤模型的病理生理机制提供了更广阔的思路，18F-FLT PET在非肿瘤模型中的应用价值有待进一步探索。

2 18F-FLT PET成像在大鼠动物模型中的应用

18F-FLT PET在大鼠肿瘤模型中的应用研究较少，而在炎症、组织再生等非肿瘤模型中应用相对较多。在肿瘤学方面，18F-FLT PET能在治疗早期预测替莫唑胺联合贝伐单抗治疗复发性胶质母细胞瘤模型的疗效[16]，较MRI的特异度和敏感度更高。在非肿瘤学方面，Rendon等[17]对大鼠骨髓进行X线照射，诱导骨髓和骨髓-血液屏障破坏，18F-FLT PET可以监测骨髓损伤的再生修复，为临床管理辐射受害者和放射治疗患者提供了重要指导；Rueger等[18]对大鼠在药物刺激后研究其神经干细胞的再生能力，发现18F-FLT PET能定量研究在体内由药物刺激或局灶性脑缺血引起的神经干细胞动员增加。此外，该研究在成年大鼠中诱导永久性脑缺血，用米诺环素处理后，发现18F-FLT PET测量的室下区中的内源性神经干细胞激活与梗死体积具有较好的相关性，有助于开发中风治疗的新疗法[19]；Skovgaard等[20]通过18F-FLT PET监测到，在跑步机上跑步的大鼠小腿肌肉和跟腱肌肉18F-FLT摄取增加，证明18F-FLT PET可用于研究运动诱导的细胞增殖。

18F-FLT在大鼠模型中的应用也有一定的局限性。Buck等[21]研究发现18F-FLT PET不能用于检测脊髓炎性病变，因为在大鼠体内18F-FLT摄取相当分散，在脊髓炎性病变中，它反映少突胶质细胞和星形胶质细胞的增殖，而非免疫细胞增殖。大鼠血清胸苷水平是人体的 9～16倍[22]，大量内源性胸苷与18F-FLT竞争Tk1的结合位点，降低18F-FLT在大鼠肿瘤或组织中的摄取，导致18F-FLT的敏感性降低[5]。

3 18F-FLT PET成像在兔动物模型中的应用

Ye等[23]对动脉粥样硬化兔研究发现，具有18FFDG高摄取的血管区域的18F-FLT摄取增加；当造血细胞增殖减少时，18F-FLT可用于研究巨噬细胞供应。因此，18F-FLT可作为动脉粥样硬化个体斑块和造血活性细胞增殖成像的生物标志物。然而在该研究中，18FFLT在兔动脉粥样硬化斑块摄取很低，最后未能提供在动脉粥样硬化兔进行18F-FLT PET成像的结果。18FFLT在兔模型中的应用局限性亦有报道。Probst等[24]在乳头瘤病毒诱导的兔肿瘤模型的研究发现，18F-FLT PET无法检测出肿瘤，推测是由该肿瘤的增殖速度缓慢所致。Tan等[25]在兔的脓肿和肉芽肿模型研究中发现，PET成像脓肿部位18F-FLT摄取明显高于肉芽肿，细菌在繁殖阶段摄取大量的18F-FLT，而在细菌非生殖期或细菌炎症的慢性期18F-FLT摄取低，提示18F-FLT在兔动物模型中并非肿瘤特异的示踪剂，它也会被增殖的细菌或病毒相关的炎性病变摄取。以上研究表明，18F-FLT在兔的肿瘤和组织中摄取较低，可能会限制其在兔模型中进行成像研究。另外，影响18F-FLT在兔体内摄取的因素和提高摄取的方法尚不明确，还需要进一步深入探讨。

4 18F-FLT PET成像在其他动物模型中的应用

1998年，Shields等[1]首次将18F-FLT PET应用于非霍奇金淋巴瘤模型狗的研究，也是第一个在动物模型中进行18F-FLT PET成像的报道。结果显示18F-FLT在狗非霍奇金淋巴瘤的摄取比骨髓更高。18F-FLT在狗的肝脏中摄取很低，其原因是狗的肝脏葡糖醛酸化能力与人体有显著差异。Lawrence等[26]报道18F-FLT PET可以评估狗非霍奇金淋巴瘤对细胞毒性化疗反应并预测肿瘤复发。

Rowe等[27]首次对健康猫进行18F-FLT PET成像研究。18F-FLT的生理摄取在造血骨髓、肠和肝胆中较高，在正常脑、肺、心肌、骨骼肌和脾脏中很少。理论上，猫的肝脏葡萄糖醛酸化能力差，18F-FLT在猫的肝脏摄取应该很低，类似于狗的表现。然而18F-FLT在猫肝实质内呈中度摄取，推测可能是存在某种替代途径负责肝脏代谢。18F-FLT在猫体内代谢的机制需要进一步研究。

5 动物实验研究中影响18F-FLT摄取的因素

18F-FLT摄取在人与动物之间存在种属差异，主要表现为其在肿瘤和正常组织生物分布上的差异。此外，还有许多因素影响18F-FLT在动物肿瘤及组织的摄取。

5.1 TK1的影响 McKinley等[28]的研究证实了18F-FLT摄取对DNA补救途径和TK1表达的依赖性，任何影响TK1表达的因素均会影响18F-FLT摄取。Moroz等[29]研究发现18F-FLT PET能监测小鼠结肠癌HCT116肿瘤的疗效，但不能监测SW620肿瘤的疗效，因为SW620肿瘤TK1含量远低于HCT116肿瘤，SW620肿瘤增殖更依赖从头合成，导致对18F-FLT亲和力降低，表明胸苷从头合成是18F-FLT PET成像定量研究肿瘤增殖的限制因素。

5.2 TS抑制剂18F-FLT摄取增加不一定反映肿瘤细胞增殖能力增强，如TS抑制剂可以改变TK1的活性，引起“flare”效应，这种效应掩盖了5-FU的抗增殖作用。在5-FU治疗后，大鼠肿瘤模型的“flare”效应发生于第4～7天[30]。小鼠肿瘤模型的“flare”效应发生于治疗后1 h～1 d[10]。因此，使用18F-FLT PET成像评价TS抑制剂的治疗反应时，掌握“flare”效应发生的时间，避免“flare”效应的影响十分重要[31]。

5.3 ATP水平 ATP是实现TK1活性的重要辅助因子。Barthel等[7]在小鼠纤维肉瘤中用 5-FU治疗，尽管TK1蛋白表达增加，但由于ATP水平降低导致TK1催化活性降低，治疗后48 h18F-FLT摄取减少，表明ATP水平决定了18F-FLT摄取。

5.4 核苷转运蛋白 人类平衡型核苷转运蛋白（human equilibrative nucleoside transporter 1，hENT-1）的表达也可能会影响18F-FLT的摄取。Paproski等[32]发现hENT1活性丧失会显著影响小鼠的18F-FLT生物分布和在皮下移植瘤中的摄取，表明核苷转运蛋白是正常和转化细胞中18F-FLT摄取的重要介质。

5.5 内源性胸苷水平 啮齿动物血浆中的胸苷水平远高于人类[22]，大量的内源性胸苷与18F-FLT竞争TK1结合位点，降低18F-FLT摄取。Zhang等[11]在小鼠不同皮下移植瘤中发现，肿瘤的生长速度、Ki-67、TK1表达量与18F-FLT摄取量之间无相关性，是由18FFLT与内源性胸苷的竞争所致。但Heinzmann等[33]提出了不同观点，该研究发现肿瘤胸苷浓度与18F-FLT摄取无相关性，推测单独的肿瘤中的内源性胸苷浓度不足以预测18F-FLT摄取。

为了减少18F-FLT摄取影响因素的作用，研究人员尝试了不同方法改进动物模型的实验研究。van Waarde等[5]提出在大鼠进行18F-FLT PET成像前应注射胸苷磷酸化酶（thymidine phosphorylase，TP）进行预处理，减少内源性胸苷的影响，以提高18F-FLT在大鼠肿瘤和正常组织中的摄取。该研究在大鼠C6肿瘤模型注入TP后，于肿瘤、骨、骨髓、大肠、小肠和脾脏中观察到18F-FLT的生理性摄取水平高于血浆。目前 TP预处理的方法主要应用于大鼠，尚无应用于小鼠、兔等其他动物的报道。Viertl等[34]在小鼠皮下移植瘤模型研究中，应用5-氟-2'-脱氧尿苷（5-fluoro-2′-deoxyuridine，FdUrd）进行预处理，以提高18F-FLT在小鼠肿瘤及组织摄取的方法，结果显示在不同皮下移植肿瘤模型中18F-FLT的摄取明显增加。因此，FdUrd可作为18F-FLT PET成像的增敏剂。FdUrd提高18FFLT在小鼠肿瘤及组织摄取的原理是：FdUrd是5-FU的代谢物，直接阻断内源性胸苷合成，但对其他核苷酸途径无显著影响；阻断胸苷从头合成途径增强了补救途径和核苷转运蛋白，促进外源性胸苷和胸苷类似物的细胞摄取。

5.6 其他 Huang等[35]在小鼠肺癌模型中发现，增殖率低的乏氧癌细胞18F-FDG摄取高，但18F-FLT摄取低；而增殖率高的富氧癌细胞结果相反，提示乏氧可能影响动物实验中的18F-FLT摄取。Fuchs等[36]在小鼠炎症和肿瘤模型中的研究发现，用氧呼吸的、处于清醒状态的小鼠会发生持续呼吸性酸中毒，而酸中毒会降低细胞增殖，影响炎症组织和肿瘤对18F-FLT的摄取。因此，在小鼠进行18F-FLT PET成像实验时应使用空气呼吸。

6 总结与展望

18F-FLT作为反映细胞增殖的PET显像剂，在临床前研究中有巨大的优势和潜力。但由于影响18F-FLT在动物体内摄取的复杂性以及与人类之间存在的种属差异，导致18F-FLT从动物实验中获得的结果向临床转化时具有局限性。在进行相关研究时，要充分考虑上述因素，从而避免研究中可能存在的“陷阱”。进行动物实验研究时，根据18F-FLT在该动物模型中的生物分布及代谢特点，对其在该模型中的可行性提前做出预判，或选择正确的预处理方式，提高肿瘤或组织对18F-FLT的敏感性，有助于获得成功。关于18FFLT在动物实验中存在的问题，也有诸多难以解释的现象，有待后续研究进一步探索。