PET分子显像技术在药代动力学研究中的应用

李新平 王燕 卢国 李艳静 于雪 侯文彬 刘昌孝

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PET分子显像技术在药代动力学研究中的应用

    通讯作者: 刘昌孝, liuchangxiao@163.com

Application of PET molecular imaging technology to pharmacokinetics

    Corresponding author: Changxiao Liu, liuchangxiao@163.com
  • 摘要: 药代动力学是药理学研究的重要内容之一,对于指导临床合理用药、预防药物不良反应、探究药物的作用机制和药物相互作用等具有重要意义。PET分子显像技术可以动态监测体内生理、生化等过程,可应用于血浆药代动力学、药物组织分布以及药物相互作用等研究,可缩短新药研发周期。笔者对近年来PET分子显像技术用于药代动力学的各个方面研究进行综述。
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-09-11
  • 刊出日期:  2019-07-01

PET分子显像技术在药代动力学研究中的应用

    通讯作者: 刘昌孝, liuchangxiao@163.com
  • 1. 天津大学化工学院 300072
  • 2. 米度(南京)生物技术有限公司药理研究部 211100
  • 3. 苏州大学药学院 215006
  • 4. 天津药物研究院释药技术与药代动力学国家重点实验室 300193

摘要: 药代动力学是药理学研究的重要内容之一,对于指导临床合理用药、预防药物不良反应、探究药物的作用机制和药物相互作用等具有重要意义。PET分子显像技术可以动态监测体内生理、生化等过程,可应用于血浆药代动力学、药物组织分布以及药物相互作用等研究,可缩短新药研发周期。笔者对近年来PET分子显像技术用于药代动力学的各个方面研究进行综述。

English Abstract

  • PET是目前最先进的核医学和分子影像学设备,能从分子水平上反映组织的生理、病理、生化、代谢等功能性变化和体内受体的分布情况,故也被称作分子显像或生化显像。PET于20世纪80年代末期应用于临床医疗,在肿瘤、心血管、神经精神、免疫系统、糖尿病等疾病的诊断和病理生理机制研究中发挥重要作用[1-3]。在药代动力学(pharmacokinetics,PK)研究中,PET分子显像也扮演着越来越重要的角色。

    • 为加快新药研发进程,提高市场竞争力,21世纪初葛兰素史克(GSK)、辉瑞(Pfizer)、礼来(Lilly)等一批国际制药业巨头纷纷建立PET分子影像药物研发平台,其中规模最大的葛兰素史克转化影像中心拥有两台回旋加速器并配备了20个研发热室和多台PET/CT。以PET为主要技术手段的分子影像技术在美、欧、日等发达国家已被广泛应用于新药研发并写入相关政策法规和指导原则[4-6]。PET显像结果可作为临床试验的终点,目前已有数千个临床试验的评价采用PET分子影像技术。

      我国首台人体PET于1995年落户于山东淄博万杰医院,目前全国装机总数已达330台。2006年,卫生部核医学重点实验室江苏省原子医学研究所从德国西门子公司引进国内首台小动物PET,专门用于新药研发和药学评价,这标志着在国内利用专有PET设备和分子显像技术从事药学研究工作的开始。2009年安迪科医药集团与江苏省原子医学研究所合作成立“江原安迪科分子核医学研究中心”,并于2010年8月建立了国内首家“分子影像医药研发外包(MI-CRO)”公共服务平台,该平台逐步发展为国内第一家分子影像CRO-米度(南京)生物技术有限公司(米度生物)。

    • PET成像的原理是利用正电子放射性核素发生湮灭反应(annihilation)时产生的一对能量相同(511 keV)方向相反的强穿透γ光子进行精确定位的计算机断层显像[7]。药学研究中,把医用回旋加速器或核反应堆生产的正电子放射性核素(如18F、11C、15O、13N、64Cu、89Zr和124I等)标记在特定化合物上(药物、内源性化合物或生化标志物),这些标记化合物也被称为PET示踪剂,该过程可以形象地比喻为给分子装上“GPS”,之后利用PET技术示踪“GPS”,展示药物在体内吸收、分布、代谢、排泄等过程,即利用PET示踪,可以无创、动态、定量地观察标记物在体内的PK过程[8-9]。目前PET扫描灵敏度可达到10−10~10−8 mol/L,小动物PET扫描的分辨率可达到1 mm左右,临床PET分辨率可达到2~3 mm[10]

    • 药物经给药部位进入机体后,被吸收进入血液再分布到靶组织,对血浆PK的研究至关重要。传统药学研究方法难以在动物或人身上获得连续密集多时间点的血药浓度数据,不能完整展现药物在体内的动态分布过程[11],而PET分子影像可以实现动态数据的监测。

      Wu等[12]利用PET分子影像示踪技术,动态观测小鼠血液在快速通过心肺循环各结构时的时间分辨率,评价血液通过时间与心血管疾病的关系。给小鼠注射18F-FDG后,可以清晰地观察到18F-FDG在9 s内从下腔静脉→右心房→右心室→肺→左心房→左心室→主动脉的动态输送全过程。米度生物观察氨基酸代谢示踪剂18F-BPA(boronophenylalanine)经静脉注射给予舌癌SAS模型荷瘤鼠后动态PET扫描1 h的吸收分布,利用医学分析软件(PMOD)勾画左心室为ROI区域获得血药浓度,再利用药物与统计(drug and statistics,DAS)软件计算18F-BPA的半衰期,为147.92 min[13],其结果与文献报道的L-BPA的半衰期接近[14]。这些研究结果显示了PET分子显像技术对药物追踪观察和定量测量的能力,充分展现了PET动态显像及高时间分辨率的优势,即能够可视化观察药物在体内的动态行为并获得PK参数。

      PET分子显像技术不仅可应用于临床前研究,在临床研究中也被广泛开展,而且可以与传统研究方法结合,更好地获得药物的PK行为。Li等[15]将动态PET扫描和传统PK方法(LC-MS/MS)结合,考察了1-(2′-脱氧-2′-氟代-β-D-阿拉伯呋喃糖基)尿嘧啶(1-(2′-deoxy-2′-fluoro-β-D-arabinofuranosyl) uracil,FAU)的血浆和肿瘤药代动力学性质。FAU是一种嘧啶核苷酸类似物,在胞内胸苷酸合酶作用下形成1-(2-脱氧-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,FMAU),FMAU整合到DNA中,可导致细胞死亡。研究结果表明,12例肿瘤患者血浆放射性-时间曲线符合二房室模型动力学特征。FAU和FMAU的PK模型同时符合LC-MS/MS检测的血浆药物浓度和PET检测的肝脏和肿瘤药物浓度,且该模型可以预测PET检测总药物浓度中原型药FAU和代谢药FMAU的组成比例。Börjesson等[16]利用PET扫描和采集血样进行放射性计数两种方式观察89Zr标记嵌合单克隆抗体U36在20例头颈癌患者体内的PK情况,结果显示,PET对左心室血池活性的定量测定与采集血样进行检测的结果一致性良好(体重>100 kg的患者除外)。89Zr标记单克隆抗体成像(immuno-PET)可用于定量评价抗体药物的生物学分布、摄取、器官滞留时间,有助于进一步指导临床用药。

    • 相比于血浆药物浓度,药效的发挥与靶组织药物浓度及其随时间变化情况更加息息相关。

      组织药物浓度达峰时间一般晚于血浆药物浓度达峰时间,通常情况两者之间的差异达数量级。并且组织中的药物与作用靶点以一定的结合和解离速率相互作用,导致达到最大靶点作用所需的时间比组织药物浓度达峰时间更长,且靶点作用的消失也会有相应延迟。因此,给药与药效之间关系复杂,包括发生速率、量级和持续时间等。传统研究中活体动物和(或)临床研究只能获得动物或受试者血浆PK数据,无法同时监测动物或受试者的组织药物暴露量[16]。而组织分布研究需要处死动物,无法在同一只动物身上获得多时间点的组织分布数据,不能实现自身对照。PET分子影像技术可以很好地解决上述问题。不管是小分子化合物,还是大分子化合物如多肽类、蛋白、抗体乃至于细胞等,都可以利用PET分子影像技术在活体中直观、形象、定量观察到这些药物的生物分布及PK变化。此外,PET分子显像技术可克服组织中抗体药物检测时内源性物质干扰的问题。

      米度生物采用89Zr标记程序性细胞死亡蛋白1配体(programmed cell death protein 1 ligand, PD-L1)抗体,观察其在黑色素瘤荷瘤小鼠体内的肿瘤靶向和分布特征,结果显示,Micro PET扫描可以清晰地看到放射性物质在肿瘤组织处有明显的特异性浓聚,而在其他非靶脏器中的摄取相对较低、清除较快[17]。该结果提示89Zr-PD-L1具有良好的肿瘤靶向性,为药效评价实验提供了依据。类似的研究,如刘现忠等[18]使用Micro PET显像检测叶酸受体靶向性放射性药物 68Ga-1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸-赖氨酸-叶酸(68Ga-DOTA-lys-FA)在荷瘤鼠体内的生物学分布。尽早检测肿瘤对治疗的反应对于及时发现有效的治疗方案至关重要。派姆单抗是一种人源化单克隆抗体,作用于T细胞或B细胞前体上的程序性细胞死亡蛋白1。England等[19]研究结果显示,89Zr标记派姆单抗在大鼠和小鼠体内的生物学分布和PK性质相似,经血液运输后稳定聚集在肝脏和脾脏。同时在人源化小鼠模型中,在T细胞浸润的唾液腺和泪腺也能成功显像。也有研究者将PET扫描与光学成像结合,研究89Zr-西妥昔单抗-红外荧光探针(89Zr-cetuximab-IR)在表皮癌A431荷瘤裸鼠体内的组织分布[20]。此外,PET显像技术还可以应用于干细胞活体分布研究,米度生物[21]采用89Zr标记干细胞研究其在正常SD大鼠体内的分布特征,研究结果显示,标记后的细胞体外增殖能力接近未标记细胞。体内示踪显示89Zr-干细胞经注射进入动物体内后,主要分布于肺脏、肝脏和心脏等脏器。T细胞、嵌合抗原受体T细胞(CAR-T细胞)等也可以实现标记进行体内示踪。

      目前临床给药剂量和间隔只能通过动物药效数据推导,人体中也只能通过血药浓度与最终药效关联,通过药效结果反推血药浓度暴露量,缺乏直接发挥药效作用的靶器官药物暴露量这一关键数据。PET分子显像可以将血药浓度、靶器官暴露量、药效指标3者紧密关联,精准地制定临床给药剂量和给药间隔,为后续建立PK/药效学模型、药物给药剂量和给药间隔的制定奠定基础,也为血药浓度与毒性靶器官及人体安全性相关模型的研究提供支持。Burns等[22]利用特异性示踪剂18F-MK-9470观察其在恒河猴和人体内的PK行为,结果发现,恒河猴被注射示踪剂60~120 min后,18F-MK-9470主要分布在大脑灰质[与大麻素受体1(cannabinoid receptor 1,CB1R)相结合],在脑白质中的分布明显较少。在120 min时通过静脉推注和输注给予MK-0364(与18F-MK-9470结合相同位点),可以观察到放射性显像剂在壳核、枕皮质、小脑和丘脑等部位迅速降低,这说明18F-MK-9470与CB1R的结合可逆。利用PET显像和影像分析软件观察不同MK-0364给药剂量对18F-MK-9470的CB1R占有率的影响可获得两者关系图。18F-MK-9470在人体试验中与恒河猴体内的PK行为相似,并具有良好的重现性。采用此方法建立的PK/药效学模型可以推广到临床,通过检测患者血浆中的MK-0364浓度即可预测药效。

      PET分子显像技术应用于组织代谢方面的研究也越来越多,尤其是肿瘤代谢研究。在肿瘤治疗中,采用代谢肿瘤体积计算临床靶标体积比总肿瘤体积计算更精确,可以指导靶向性评价和给药剂量的确定,疾病复发也与代谢肿瘤体积相关。Frosina[23]报道了PET用于高级别神经胶质瘤的研究。18F-氟胸苷(18F-fluorothymidine,18F-FLT)是应用于神经胶质瘤分级的细胞增殖示踪剂,PET/CT成像可以观察患者肿瘤代谢体积,还可研究核苷转运体在鼻腔到脑的生物学分布[24]。Palner等[25]18F-C-SNAT(C-SNAT为半胱天冬酶敏感的纳米聚集示踪剂)为示踪剂,利用PET技术研究荷瘤鼠注射阿霉素化疗后肿瘤细胞凋亡变化情况。Lamichhane等[26]18F标记的卡铂衍生物(18F-fluorinated carboplatin,18F-FCP)为示踪剂利用PET技术研究药物在不同肿瘤模型内的分布。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-氟丙酰基)-L-谷氨酰胺(18F-FPGLN)等PET示踪剂已被广泛应用于肿瘤诊断检测[27-30]。钠碘转运体(sodium-iodide symporter, NIS)可以介导甲状腺滤泡细胞的碘浓聚,从而成为多种甲状腺良恶性疾病诊断和治疗的分子生物学基础。Jiang等[31]用NIS的特异性显像剂18F-四氟硼酸盐(18F-TFB)进行研究结果发现,NIS在甲状腺、唾液腺和胃组织的相关细胞中呈特异性高表达。Boumezbeur等[32]分别使用18F-FDG进行PET扫描和13C磁共振波普研究猴脑糖酵解速率和三羧酸循环流出率。还有研究使用6-18F-氟代-L-3, 4-二羟基苯丙氨酸(18F-FDOPA)建立多房室模型模拟食蟹猴体内多巴胺的合成、存储和新陈代谢变化[33]。Mukai等[34]利用PET成像技术研究核酸药物在体内的PK及其传输系统,进行代谢物分析。此外,5-(2′-18F-氟乙基)氟马西尼(18F-FETNIM)具有较低的外周代谢,几乎不脱氟,且易被乏氧组织摄取,可用作乏氧显像[35]

    • 在药物研发阶段,新药和其他药物的相互作用是药物安全性和有效性评价的一部分。当药物作为酶和(或)转运体的底物,而同时使用的另一种药物是该酶和(或)转运体的抑制因子,此时药物血浆暴露量将显著改变。PET分子显像技术在药物相互作用研究中也被应用。

      Traxl等[36]使用PET研究酪氨酸激酶抑制剂11C-埃罗替尼(11C-erlotinib)在正常小鼠和Mdr1a/b(-/-)Bcrp1(-/-)小鼠的体内分布。在缺乏P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)和乳腺癌抗性蛋白(breast cancer resistance protein,Bcrp)的情况下11C-erlotinib在肝脏的清除率下降了3倍,肝脏的保留时间延长,但是血浆的暴露量不变,表明P-gp和Bcrp介导了肝脏中11C-erlotinib或其代谢产物的清除[37]。Bauer等[38]也报道了11C-erlotinib可以用于药物相互作用的研究。另一项研究中,11C-SC-62807在Bcrp基因敲除的小鼠体内肾清除率降低了99%,同时肾脏暴露量增加了7倍[39],这说明小鼠体内肾小管分泌11C-SC-62807主要由Bcrp介导。Takashima等[40]使用PET观察11C标记(15R)-16-m-甲苯基-17,18,19,20-四环异碳环素甲酯(15R-11C-TIC-Me)的肝脏摄取和胆汁排泄过程,(15R)-11C-TIC-Me是一种中枢性前列腺素受体的示踪剂,在正常人体试验中,口服利福平会导致15R-11C-TIC-Me示踪剂在肝脏摄取和胆汁排泄的降低,其原因是利福平抑制了基底外侧阴离子转运蛋白和多药耐药相关蛋白2。Wanek等[41]应用PET技术对P-gp(ABCB1/Abcb1a)介导的药物相互作用进行研究,同时关注底物对ABCB1亲和力、放射性代谢产物的脑摄取情况、麻醉和脑血流量等。

    • PK研究是了解药物作用的基石,也是药物开发中必不可少的环节。基于PET分子成像技术的PK研究可同时在时间和空间上提供药物在血液和组织中的浓度,是一种有效的药物动力学分析工具。通过标记药物,PET可以直接监测组织中的药物浓度,并定义组织与血浆PK模型中的交换参数,从而建立PK/药效学模型的第一部分。通过微分方程描述浓度变化及不同房室间的药物交换,并将计算得出的曲线拟合到实际组织曲线对其进行优化获得该模型的参数[42]。临床前研究可以动态、定量、精准获取小动物体内PK/药效学数据,降低药研成本、缩短研发周期、加快新药上市。临床研究方面,利用人体PET等分子影像技术开展临床0期研究及指导个体化医疗实践,加快药物研发,降低失败风险,服务人类健康,为科研成果直接转化开辟出新途径。此外,PET显像在药物不良作用、药物给药途径、药物剂量学、药物立体结构和动物种类对药物疗效影响、移植治疗监测及中医药学研究中也具有重要价值。

      分子成像技术是全球生物医学战略研究热点之一,主要包括PET、SPECT、MRI、光学成像、超声影像等,不同成像模式各具备一定的优缺点。多模态显像可以相互取长补短,也是未来发展的重要方向。其中PET可使用多种生物探针进行精准定量,应用于PK/药效学、受体结合、细胞代谢、基因表达等多方面研究[43]。总体上说,PET是这其中灵敏度和定量能力最高的技术,也是目前应用于临床的最高端的医学影像技术。

      利益冲突 本研究由署名作者按以下贡献声明独立开展,不涉及任何利益冲突。

      作者贡献声明 李新平负责论文的撰写及最终版本修订;王燕、卢国负责案例的获取、提供与分析;李艳静、于雪、侯文彬负责论文审阅与修改;刘昌孝负责论文撰写思路的指导、观点的阐述。

参考文献 (43)

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