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临床前成像和生物标志物在药物发现与开发中的应用/healthcare 目录无创成像在药物发现与开发中的应用始于何处？J. P. Shea3药物发现中使用的成像生物标志物W. Digby5临床前成像和提高药物研发效率P. D. Acton8在临床前抗肿瘤药物研发中综合应用药理学和成像技术O. Duchamp, X. Tizon, O. Raguin, C. Berthet, P. Provent, D. Kukuk, C. Remy, B. Lemasson, P. Walker, P. Genne和B. Pichler12编者按Santosh Arcot博士西门子医疗分子成像部营销经理作为下面四篇介绍在药物研发中发挥日益重要作用的分子成像的微型论文的赞助人，西门子备感自豪。目前，从构思到监管机构审批，一种药物的上市成本可高达10亿美元，而且这个成本还在不断上涨！最终，这笔成本会转嫁给消费者，为医疗成本与日俱增的全球趋势推波助澜。（预计，2020年仅美国的医疗费用将占GDP的30%！）分子成像正开始从先导消费阶段，逐渐成为一种成熟的、经济高效的方法，帮助降低药物研发成本，而不会影响这个过程的安全性和药效。在第一篇论文中，J. Paul Shea博士概述了与在药物研发过程中采用分子成像相关的基本问题，包括临床前阶段（小动物）和临床阶段。在第二篇论文中，Ward Digby博士介绍了生物标志物的发展，生物标志物在药物研发过程中的重要作用以及当前最先进的分子成像技术，让我们一窥药物研发的未来。在第三篇论文中，Paul Acton博士从一家大型制药企业的视角，解释了分子成像的优越性。而在第四篇论文中，Olivier Duchamp从CRO的角度，阐述了分子成像的应用。最后这两篇论文也探讨了在成为一项完全成熟的技术，被药物研发细分市场完全接受之前，分子成像仍需应对的挑战、面临的需求和未来的发展方向。感谢作者分享他们关于这个主题的独到见解和观点。西门子将继续提供最完备的分子成像产品组合，不断追求卓越创新。从回旋加速器、放射性同位素分布和生物标志物，到小动物和临床成像扫描仪，我们可提供在药物发现与开发中应用成像技术必不可缺的所有工具。希望这些论文能让您开卷有益。无创成像在药物发现与开发中的应用始于何处？J. Paul Shea博士QSA Global Inc., 40 North Avenue, Burlington, MA 01803. USA.导言关于无创成像技术在药物发现与开发中的作用，各种宣传和讨论络绎不绝。和许多人一样，我也认为这些是转变药物研发过程的技术，将从根本上改变药物研发者应对当前挑战的方法。在与治疗学研发领域的同事交流探讨这些技术的过程中，我发现了一些共通的问题。 从长远看，在治疗学的发展中，这些技术会起到什么效用？ 首先应投资于哪一项技术？ 这些技术处在发现-发展的哪个阶段？ 当前这些技术在治疗学发现领域的应用情况如何？从长远看，在治疗学的发展中，这些技术会起到什么效用？过去几年，药物发现与开发领域出现了诸多新技术，包括计算机辅助药物设计、组合化学、高通量筛选、高灵敏度分析工具和一系列“组学”。每一项新技术的问世都会经历从开始的让人欣喜不已，纷纷预测其革命性影响，到让人感到沮丧和怀疑，最终，起到其应有作用的过程。鉴于这些工具最初产生于学术环境，其初衷比应用科学单纯得多，这样的发展是合乎逻辑的。一开始，精确度、可复制性、耐用性和是否适用于药物研发过程等都是未知的问题。那么，无创成像会不会是个例外？临床使用解剖成像和功能成像技术已有数十年历史。事实上，在当前的临床实践中，诸如X光扫描、计算机断层扫描（CT）、超声成像和核磁共振成像（MRI）等解剖成像技术是主要的诊断手段。同样地，在心脏功能测试以及肿瘤疾病诊断和分期中，功能成像也得到了广泛的临床应用。数十年的经验积累，加深了对这些成像技术在临床评价、监控病情进展和治疗反应方面的效用的理解。深刻的临床认识，加上设备性能方面的技术进步（速度、灵敏度、分辨率和图像重建软件等），改善了图像质量、可见度和对图像的解释。无创成像是一项成熟的技术，经历了临床应用的实践检验。创新之处在于以按物种比例与临床环境相当的灵敏度和分辨率，将该技术拓展用于像小白鼠这样小的活体标本。显然，这些技术可以直接用于应用医学。利用现有的临床基础设施，可以直接在临床开发计划的早期，采用成像技术。就用于应用医学而言，临床前环境非常适于在疾病、治疗与成像技术之间建立关系。应采用那种成像技术/生物标志物进行扫描，需要测定哪些参数，最优扫描协议等等问题全都可以通过精心设计的临床前成像方案予以解决。在临床前环境中，在晚期适当应用成像技术不仅能提供至关重要的临床计划数据，而且能在临床前安全性和药效数据库与相同的早期临床数据之间牢固地建立联系。另一个不那么明显的作用是将分子成像用于药物发现过程。虽然不那么明显，但这也可能对任何药物发现计划产生最重大的影响即，确定新生物靶的有效性和相关性。正如下面所讨论的，通量问题妨碍了将成像技术用于大规模化合物筛选，但并不阻碍其检测早期生物数据。药物发现计划，尤其是旨在发现独特、新颖的生物靶的计划的执行是以靶、靶细胞分化和对疾病的影响之间的关系为假设前提。借助功能成像，可以无创测定活体动物的生理过程，因此，功能成像无疑能够在证明靶的有效性和跨物种可比性方面起到重要作用。分子成像技术专注于测定靶细胞分化的结果，即，耐药性，非常有助于确保适当投资于未经验证的靶。虽然无创成像显然能够用于应用医学，这种技术也是确定新型治疗措施的有效性的独特又有效的方法。随着临床研究进一步确立分子成像在应用医学中的作用，需要更多的时间、努力和数据，来确定分子成像在整个药物研发过程中的最终功效。首先应投资于哪一项技术？创建内部分子成像中心涉及大笔投资，尤其是建设多模成像中心。强大的多模成像让人难以设想单一技术实验室。除专门的实验室空间之外，还要为购置设备和雇佣技术娴熟的员工花费大笔资金。如果目标是实现功能成像，则需在放射化学设施、训练有素的放射化学师和同位素发生器等方面进行高额投资。首先必须实现贵单位感兴趣领域的潜在应用，因为早期的价值证明将支持未来的增长和投资。解剖成像模式包括CT、MRI和超声成像。虽然超声成像是低成本切入点，但其适用性受穿透深度和成像质量的限制，并且不能与功能成像平台实现图像融合。CT是成本适中的选项，可以显示骨骼和软组织（利用造影剂）。CT成像提供的解剖参考数据也最常用于与PET（正电子断层扫描）或SPECT（单光子发射计算机断层扫描）设备提供的功能数据相融合。事实上，目前有多家制造商提供了能够采集PET/CT或SPECT/CT混合成像的单一平台。MRI的成本最高，可实现最高空间分辨率和最佳软组织成像。当前市场上还没有能够执行单通MRI/PET或MRI/SPECT成像的设备，但可以利用图像融合软件，创建这些图像。功能成像模式包括光学成像（生物发光和荧光）、PET和SPECT。光学成像成本低，能够对啮齿动物执行高效率、高通量功能测定。光学成像技术很好地体现了分子成像的基础概念，但在穿透深度和二维成像方面具有局限性，并且不适用于应用医学研究。核素成像模式（PET和SPECT）是高分辨率、高灵敏度的功能成像，非常适于从小白鼠到人类的转化应用。PET和SPECT各有千秋。相比于SPECT，PET同位素和示踪剂更难以获得，但正是由于其可用的同位素，PET是小分子药物成像不可或缺的成像模式。另一方面，SPECT可以采用更容易获得的、衰减周期更长的同位素，非常适于标记较大的生物分子（肽和抗体）。分子成像有力地展示了功能成像的强大性能。CT与PET或SPECT相融合最适用于大多数普遍应用，PET可进行小分子成像，而SPECT更适于以大生物分子为主的实验室。由于不确定、焦虑或资金不足等原因，商业机构和大学可能选择通过外包服务，在任何临床前研发项目中采用成像技术。这些技术处在发现-发展的哪个阶段？随着化合物选择过程的进行，发现-发展时间线有很不同的要求。在先导发现阶段，需要筛选的化合物数量可能高达105或106。虽然高通量筛选可以与这种数量阻抗匹配，但分子成像技术不能。动物操作、图像采集次数和图像处理均造成了成像技术有限的吞吐量。成像不宜用作普通的筛选工具。然而，成像技术确实是用于早期系统生物学测定的理想平台。药物发现计划融合了治疗学、疾病和靶三种要素。基因组或蛋白质组研究提出的新颖的靶往往与特定疾病存在不确定的关系。此外，如果不具备耐药性，即，不能通过外部治疗调节其行为，那么，即使在生物学上非常适用的靶也没有什么价值。成像是用于评定这些关于靶的生物疑问的理想平台。通过专门对假定的靶效果执行功能成像，可以在临床试验的早期，跨物种检测靶在正常和疾病模式下的有效性。利用无创成像生成的纵向完整系统数据集，可以研究靶、疾病状态和治疗之间的时间进程关系。在解释早期临床效果方面，这些数据极具价值。在时间线的另一端，分子成像技术在临床应用方面的巨大潜力显而易见。随着药物研发计划的成熟，常常遇到药物动力学、药效和毒性等主要问题。药物研发计划的成败通常取决于这些问题以及回答这些问题的数据。 人类的剂量反应曲线与临床前模式生物的剂量反应曲线是否类似？ 临床前模式与临床疾病状态之间的剂量关系是什么？ 最适于在哪个疾病阶段（如果有）采取治疗措施？ 人类会不会像毒理学生物那样出现副作用？ 临床患者的选择准则是什么？疾病人口的一致性如何？精心设计的临床前成像计划可以设立可量化的终点，以回答这些关于应用医学的问题。在这个过程中，无创成像迟早将为治疗学发现做出独特、具体的贡献。当前这些技术在治疗学发现领域的应用情况如何？无创成像技术在治疗学发现领域的应用日益广泛。美国食品药物管理局（FDA）发起的关键路径计划（Critical Path Initiative）和探索性试验中新药准则，刺激了药物研发领域对无创成像技术的兴趣。大型制药企业纷纷投资兴建临床前和临床成像中心，以促进在药物研发过程中充分利用无创成像技术。用于监测基因表达的成像平台也许是功能最丰富的生物检测成像平台。该平台独一无二的灵活性得益于将分子生物学与定量可视化方法相结合。利用功能成像技术（光学成像和核素成像），可以直接监测特定酶的表达。可以将表达与特定启动区或感兴趣序列相联系。由于可视化方法是可重复使用的（即，荧光素酶或胸苷激酶表达），因此，利用单一示踪剂可以十分高效地检查多个过程。灵活性和靶向性是分子生物学的结果，而不是化学结果，因此，通过透彻理解基本的生物学知识，可以快速提出新的研究课题，而不会拘泥于化学问题（即，发现具有适当的生物制药学特性和成像信号的配体/基质）。在肿瘤学研究中，早期药效验证和后期临床计划均可采用临床前成像。主要利用功能成像（光学成像、PET），研究人员可以设立无创成像终点，用于测量治疗原发肿瘤和新陈代谢疾病的药效。在我们的实验室，我们已经对小白鼠执行了PET成像，以协助临床医生决定用于早期临床药效试验的最优放射性示踪剂和最优成像协议。利用解剖成像（CT、MRI），可以评定在骨骼疾病和其他从解剖学上定义的疾病的治疗中的药效。特别地，CT已被用于评定化合物在关节炎、骨质疏松症和骨愈合方面的药效。实验室正在研究将CT扫描用作胎儿骨骼分析工具。核素成像主要用于化合物分布和药代动力学研究。这些方法提供了可延伸到临床应用的独特的连续分布数据集。利用适当标记的化合物，可以在临床前环境和临床环境中迅速评定靶向抗体治疗法。带标记的小分子可以提供早期临床分布数据，以支持化合物选择，即，0期临床试验。带标记的小分子在中枢神经系统（CNS）研究中也有广泛应用，包括根据脑受体阻滞研究，制定临床给药方案。在我们的实验室，我们已经利用PET分布研究，快速评价了化合物在小白鼠体内的状态。利用这些数据，可以及时、经济高效地为更多传统的和/或详细的分布研究，确定关键时间点和器官。总结无创成像技术在药物发现和开发过程中的应用与日俱增。在不同治疗领域，在整个计划期间，成像技术能够量化测定化合物药效和疾病对治疗的反应。内部成像中心和合同研究组织（CRO）的兴起，促进了成像技术的应用。选择一个挑战，选择医学技术，开始收集数据。药物发现中使用的成像生物标志物Ward Digby博士西门子医疗分子成像部810 Innovation Drive, Knoxville, TN 37932. USA.导言对于在药物发现中采用临床前成像，成像生物标志物起着核心作用。成像生物标志物的生物化学特性，决定了所评定的分子过程的性质。在药物研发的多个不同方面，分子成像都具有重要作用，其中每个方面都可能要求示踪剂具备不同的特性。有多种不同的分子、放射性同位素标记和技术，可支持范围广泛的应用。联系紧密的行业分子成像是一项强大而又复杂的技术，要求多个不同方面的共同协作。开发和使用分子成像的实体之间形成了复杂的关系（图1）。在药物发现中应用分子成像尤其要求放射性同位素生产厂家与放射药剂合成企业之间的密切合作，以表征所希望的分子过程和支持临床前成像系统，从疾病的动物模型采集数据。增强在分子成像的一个领域的专业知识，有助于在其他相关方面实现创新。图1：分子成像行业构成可用于应用医学的核医学/ PET（正电子断层扫描）技术能够在药物研究中轻松从动物研究转化到人类应用，这一点十分重要。在同一个机构中进行所有相关联的开发活动所产生的协力作用，有助于将新的技术思路从小动物实验阶段，转化用于实际的成像系统。要推进整个行业的发展，必须在所有这些领域取得领先地位。特别地，在临床前成像系统中开发的新技术，可转化用于人类系统，并且在部分情况下，在研究中使用的示踪剂可以用于临床应用。对这些领域的相互联系的基本理解，也有助于更好地开发完备的解决方案。分子成像在药物发现中的作用在药物研发过程中，分子成像可以在多个方面发挥作用（请参阅表1）。从早期在心肌代谢方面的发现（1），到最近关于成瘾性与脑部关系的发现（2），在理解许多疾病过程方面，分子成像具有重要作用。先导化合物优化涉及新的候选药物。可以利用分子成像，通过直接标记药物（通常采用11C）并跟踪药物在身体中分布的时间进程，加深理解。如果放射性同位素可以直接替换分子结构中的稳定同位素，那么，其化学性质应当是完全相同的。临床前成像在生物分布研究中的关键优势之一就是，可以利用单独的动物来跟踪随着时间的推移，分布情况的发展。传统的方法需要使用许多动物，每一只动物仅用于特定时间点，以获得关于药代动力学的信息。另外，利用临床前成像，可以确定候选药物的清除途径和清除率，这也有助于早期药物开发。由于成像将显示药物在膀胱中的积聚（对肾清除而言），可以通过在一段时间内采集一系列图像，并分析活性水平，量化肾清除的药物。还可以通过测定成像生物标志物附着在感兴趣靶点的比率和表征去耦率（如果有），确定药物的结合情况。更进一步，可以利用竞争性结合，将其他传统的配体用于相同的受体系统，通过测定受体的相对“阻断”率，可以确定新药的结合亲和力。这个方法最常见的应用是神经受体结合，即，利用PET显像剂与药物竞争，从而确定血药浓度与受体占用率之间的关系。实现了相对较高的占用率之后，如果药效很低甚或无药效，则表明该候选药物不可用于该应用。在临床药物研发中，替代终点是一个引人关注的领域，该技术“有望根据流行病学、治疗学、病理生理学或其他科学证据，预测临床疗效（伤害或无效）”（4）。作为一种经验证的替代终点，生物标志物可以尽早提供关于药效的信息。包括利用FLT（18F氟代胸苷）来表征核苷转运，以测定细胞增殖（6）。许多制药企业都在临床研究中利用FLT来尽早获得关于新药有效性的信息。基础科学理解生物学，识别靶点新候选药物先导化合物优化在临床前研究中，掌握生物分布、药物清除和药物结合情况临床开发利用生物标志物和最终的替代终点，简化和加速临床试验商品化查明适当的患病人群临床应用检测治疗反应表1. 药物研发过程的各个阶段以及分子成像在各阶段的相应应用现在，在药物研发中使用成像生物标志物的一个“经典”例子是，默克公司对一种希望用于治疗抑郁症的药物进行的NK1受体占用率研究即使受体占用率很高，也没有显示出药效（7）。如果没有PET成像，就不可能直接将血药浓度与受体占用率联系起来。然而，这种药对控制化疗引起的恶心很有效，并且在药品说明书中提到了PET数据（8）。对于一种新药的商品化，选择最优患病人群，以最大限度地提高药物疗效十分重要。虽然组织检测的应用已经非常普遍（例如，在利用赫赛汀进行治疗之前，表征HER2），但是，对分子成像而言，这仍是一个新兴领域。也可能在某一点，表征原发性乳腺癌和多种不同部位的乳腺癌扩散转移（9）的雌激素受体状态，或者根据血管生成率，确定患者是否适于接收抗VEGF治疗（10）。随着FDG（氟代脱氧葡萄糖），一种用于PET的葡萄糖类似物变得随处可得，治疗监测越来越多地用于临床应用。实践证明，这种成像生物标志物可以在多种癌症治疗中提供重要的反馈信息，尽管仍需就协议规范和形式验证取得一致意见（11）。一些尚处在研发阶段的新示踪剂也有望在治疗期间提供重要信息，例如，组织缺氧或血管生成状态、细胞增殖以及细胞凋亡。成像生物标志物大多数常见的PET放射性同位素是利用安装在现场或附近的供应商提供的低能回旋加速器生产的（表2）。同位素半衰期生产方式124I4.1天回旋加速器64Cu12.8小时回旋加速器18F110分钟回旋加速器11C20.4分钟本地回旋加速器13N9.96分钟本地回旋加速器15O120秒本地回旋加速器68Ga (64Ge)68分钟（278天）发生器82Rb (82Sr)75秒（25天）发生器62Cu (62Zn)9.7分钟（9.3天）发生器表2. 常见的PET同位素最常用的PET放射性同位素是18F，其将近两个小时的半衰期允许在美国的大多数市区内部及周边配送。国际市场上有许多小规模供应商，因此也很容易买到。半衰期较短的放射性同位素必须在靠近成像系统的地方利用回旋加速器生产，并且将同位素附着在感兴趣分子上的化学反应必须迅速、高效。除著名的13NNH3之外，大多数放射性同位素仅用于研究中心。一台发生器可以生成多种PET同位素，因此，定期供应母体化合物，并可随时利用发生器生成所需的子体产物用于心肌灌注研究的82Rb就是通过这种方式生产的。利用发生器生成其他产物尚未获得FDA审批，并未上市。大多数单光子核素医用同位素的半衰期一般比较长，可以向供应商购买（表3）。同位素半衰期能量131I8.1天364 keV67Ga3.3天93, 185, 300 keV201Tl3.0天60-80 keV x-rays111In2.8天172, 247 keV123I13小时159 keV99mTc6.0小时140 keV表3. 常见单光子放射性同位素最常见单光子同位素是99mTc，尽管对于临床前研究，半衰期更长的123I和111In更有价值。有时候，放射性同位素可单独使用，例如，PET使用的82Rb和18F负离子以及SPECT使用的201Tl，但一般而言，放射性同位素是混合到生物学上相关的分子中的。既可以利用自动化放射化学合成系统（PET）进行混合，也可以基于冻干的前体，利用工具包（单光子）进行混合。可以制造大量感兴趣分子，以表征几乎任何生物系统。美国国家卫生研究院维护了一个包含了许多显像剂的特征的数据库（3）。当前成像生物标志物的可用性西门子旗下的PETNET Solutions公司为全球50家配备了回旋加速器的放射性药物研制机构提供FDG。FDG是功能强大的显影剂，在药物研发领域应用广泛（5）。PETNET公司也在一些选定地区（表4）提供其他成像生物标志物，助力其药物发现计划。生物标志物应用18F-NaF灵敏度高于MDP平面骨骼扫描，成像质量也更好18F-F-DOPA*帕金森症、神经内分泌肿瘤和脑瘤成像18F FLT试验中新药，用于测定肿瘤增殖、检测治疗82Rb心肌灌注成像表示4. 除FDG之外，PETNET公司提供的其他PET成像生物标志物，取决于地区及其应用* 用于诊断帕金森症的安全性和有效性尚未获得FDA认可。挑战在药物研发中利用PET进行分子成像的关键优势包括： 利用容易获得的C、N、O和F*的正电子同位素，可以制备化学成分与实际药物或关键基质接近或完全相同的标记药物 高灵敏度意味着PET仅需很少量的示踪剂，允许将有价值的动物实验技术，转化到人类研究中 新一代临床前成像系统可实现按比例与用于人类的临床系统相当的性能* F通常替代原始分子中的H原子，改变化学属性。然而，在药物发现过程中使用PET面临着下列挑战： 同位素生产、放射化学和活体成像都要求使用复杂的设备和专业的技术 由于PET同位素的半衰期比较短，所有这些专业领域必须高效地合作 只有领先的学术机构和大型制药厂才具备全部技术能力除FDG之外，目前不能通过商业途径获得其他示踪剂未来的解决方案西门子致力于提供应对这些挑战的解决方案，以促进在未来的药物发现中，增加在临床前成像中使用分子成像生物标志物。我们积极开拓美国国内市场和国际市场，通过PETNET Solutions公司以及当地的合成解决方案，增加提供具有吸引力的新的成像生物标志物。近日，西门子宣布，美国国家癌症研究所（NCI）已经为西门子为其试验中的3Deoxy-318F 氟代胸苷（18F-FLT）成像生物标志物向美国食品药物管理局提交的II型药物主文件， 出具了一份交叉参考函。得益于这份交叉参考函，西门子/ PETNET公司获准生产18F-FLT，并且NCI多中心临床试验的任何主试验者均可使用18F-FLT。此外，经NCI许可的独立试验者也可以使用这种成像生物标志物。西门子医疗系统集团（美国）公司的子公司西门子分子影像生物标志物研究公司（MIBR）与PETNET Solutions公司负责生产F-18 FLT。这种成像生物标志物曾用于癌细胞增殖活性监测研究，目前，有多家研究机构将之用于I期临床试验。对于临床前成像，西门子MIBR集团在多个分支机构提供了许多其他研究化合物。我们还为希望利用18F在现场生产感兴趣化合物的用户提供了全自动放射化学合成系统。我们认为，在药物发现领域，临床前成像的前景十分光明，我们将矢志不渝地开发杰出的解决方案，为制药企业和学术机构助一臂之力。参考资料1. Schn HR, et al. C-11 labeled palmitic acid for the noninvasive evaluation of regional myocardial fatty acid metabolism with positron-computed tomography. II. Kinetics of C-11 palmitic acid in acutely ischemic myocardium. Am Heart J 1982; 103:548-561.2. Volkow ND, et al. Moderate doses of alcohol disrupt the functional organization of the human brain. Psychiatry Res. 2008; 162:205-213.3. Molecular Imaging and Contrast Agent Database (MICAD) database online. Bethesda (MD): National Library of Medicine (US), NCBI; 2004-2008. Available from: 4. /ohrms/dockets/ac/04/slides/2004-4079S2_03_Woodcock.ppt5. Kelloff GJ, et al. Progress and promise of FDG-PET imaging for cancer patient management and oncologic drug development. Clin Cancer Res. 2005; 11:2785-2808.6. Shields AF, et al. Imaging proliferation in vivo with F-18FLT and positron emission tomography. Nat Med 1998; 4:13341336.7. Keller M, et al. Lack of efficacy of the substance p (neurokinin1 receptor) antagonist aprepitant in the treatment of major depressive disorder. Biol Psychiatry. 2006; 59:216-223.8. /product/usa/pi_circulars/e/emend/emend_pi.pdf9. Linden HM, et al. Quantitative Fluoroestradiol Positron Emission Tomography Imaging Predicts Response to Endocrine Treatment. J Clin Oncol 2006; 24:2793-279910. Cai W, et al. PET of vascular endothelial growth factor receptor expression. J Nucl Med. 2006; 47:2048-2056.11. Weber WA. Positron emission tomography as an imaging biomarker. J Clin Oncol 2006; 24:3282-3292.临床前成像和提高药物研发效率Paul D. Acton博士强生制药研发公司L.L.C., Welsh & McKean Roads, Spring House, PA 19477. USA.导言成像的经典角色是临床诊断工具，特别是对于像癌症这样的基本，成像可以用于对肿瘤进行检测和分期，还可以测定治疗反应。最近，分子成像技术的进步，以及专门的小动物成像设备的发展，使成像的角色发生了巨大的转变。除用于临床诊断之外，现在分子成像的一个主要作用是在疾病的动物模型研究中进行临床前成像。人类疾病的转基因模型的快速进步，是促进作为临床成像的补充的临床前成像设备发展的驱动力。制药行业是临床前成像最大的应用领域之一。制药行业的领先企业很早就认识到了无创活体成像对新药研发的巨大作用。制药行业对降低成本和提高成功率的追求，推进了成像技术在药物发现中的应用。随着新药研发成本达到20亿美元（1），以及新药提交监管机构审批的成功率降至十二分之一，许多制药企业纷纷借助成像技术来提高成功率，同时降低成本。这要求治疗学专业人士转变思维范式，在开发过程中尽早应用成像技术，以产生影响，并确保研发成果切实有效。然而，必须谨慎选择适当的靶点和适于使用成像技术的应用，务必牢记，成像有时不一定适用。在药物研发中，可以利用适当的放射性标记配体，通过成像测定药物靶向表达和靶活度。或者，采用“标记药物”方法，直接测定药物的生物分布和药代动力学（PK）。可以检测药物与靶之间的相互作用，推导出剂量反应关系，在未来的临床试验中为剂量优化提供依据。在药效学（PD）方面，可以利用成像来测定新疗法的早期反应，提供药效的生物标志物，以及监测随着时间的推移，疾病的进展或对治疗的反应。分子成像影响药物研发过程的关键在于，仅需很少甚至无需修改，就能将这些结果直接转化到临床应用。分子成像的这种堪称独一无二的从临床前直接转化到临床应用的过程，有助于弥合动物研究与人类研究之间的隔阂。药物发现和开发是一个本质上低效率的过程，要求试验和验证数以百计的靶点，有时候还要筛选数百万化合物的靶活度（2）。在被筛选的化合物中，只有很少一部分表现出靶活度，而在疾病的动物模型中显示出药效的则更少。药物安全和耐受性要求使这个数字减少到屈指可数的几个，最终可能只有一两种化合物可用于人类试验。在药物研发过程中，临床试验的成本最高，需要花费多年的时间和成百上千万美元，候选药物才能提交监管机构审批。大多数不能通过最后的这一道关卡。现在，可以制定成像计划，在药物研发过程中，同时利用成像技术测定药物在靶点的活动状态。必须认识到，成像不是“高通量”技术，永远不能替代用于筛选化合物的传统的高通量筛选（HTS）方法。然而，在这个过程中采用成像技术有助于改善靶点的选择和验证。仅需相对很低的成本，就能开发出专用于该靶点的分子成像探头。在接下来的活体研究中，可以利用该探头来测试候选药物在靶点的相互作用，并且可以为日后的临床试验提供新的生物标志物。当高通量筛选将候选药物的数量减至少量分子之后，可以再制定一个成像计划，标记药物以测定其生物分布。在药代动力学和安全性两方面，这对药物研发的进展具有巨大影响。在药物研发的早期阶段采用成像技术的优势是，只要候选药物一进入活体动物模型试验，就能利用成像获得关于药代动力学、药效学、靶相互作用、作用机理、安全性和剂量反应等方面的重要信息。提早制定成像计划存在一定风险，但代价相当低。到后期再制定成像计划的缺点是，成像计划始终在“追赶”药理学计划，不太可能对药物研发产生巨大影响。最终，临床前成像应当对试验者有信心进入临床试验的候选药物提供充足的信息，或者可以作出决定，在开展临床试验之前，否决该药物。此外，一旦开始对人类进行临床试验，成像也随药物进入临床阶段。临床成像将在临床试验的每个阶段提供至关重要的信息。现在的目标是，提高药物的安全性和药效，或者快速确定其未能实现预期药效。与临床前成像一样，临床成像研究可以提高成功率，或者防止开展不必要而且成本不菲的临床试验。在药物研发中应用成像技术举例生物分布和药代动力学利用分子成像监测药物的生物分布和药代动力学的标准方法是，利用放射性同位素替代或者荧光标签，标记药物。通过这种方法，可以利用PET（正电子断层扫描）成像或光学成像技术，测定药物在整个身体或特定组织或感兴趣器官中的分布情况。在一段时间内，对麻醉状态的动物采集数据，并且通常要采集血样并进行代谢分析。图1. 放射标记的TAA气雾剂沉积情况的三维可视化图形。绿色区域表示在PET成像中显示的吸入后气雾剂的分布情况，其上覆盖了根据CT数据渲染而成的上半身躯干表面。图片由俄亥俄州克利夫兰西储大学Marc Berridge博士、3D Imaging公司、Little Rock、AR和Zhenghong Lee博士提供。这项技术的一种有意思但有点反传统的应用是，研究气雾剂在肺部的分布，如用于治疗哮喘的类固醇（3、4）。用于气雾剂时，由于很难将局部给药与全身血浆暴露相关联，因此，测定活体药代动力学和药效学的传统方法产生的结果往往不确定。利用成像技术，可以直接对气雾剂在活体的分布进行三维的定量测定。这些研究开发了一种经放射标记的醋酸曲安奈德（TAA），这是一种利用11C局部治疗过敏性鼻炎和哮喘的吸入型类固醇（5）。PET成像结合CT（计算机断层扫描）解剖成像数据，精确地显示了11C-TAA在支气管树中的分布（6）。这项研究最重要的发现是，吸入器中内置的储雾罐对肺部给药具有显著影响，可将11C-TAA的沉积效果提高2-5倍（图1）。因此，制造商能够清楚地演示如今已成为标准护理的储雾罐的益处。值得强调的是，仅执行了五次PET扫描，就获得了完全改变该产品的气雾剂给药方式所需的数据。尽管这些研究是在人类对象上执行的，但如果在开发周期的早期利用临床前成像执行了类似的研究，那么，可能早已大幅改善了患者使用该产品的方式。图 2. 利用18F-fallypride和PET测定的，在大鼠纹状体中非典型抗精神病药氯氮平占用多巴胺D2受体的情况（十字准线位于纹状体中部位置）。随着药物剂量的增加，将占用更多受体，PET示踪剂可结合的受体相应地减少，直至达到最高剂量，纹状体中几乎没有PET信号。拟合的ED50（占用50%纹状体受体所需的剂量）约为50 mg/kg。受体占用率测定在不同的药物剂量，靶结合位置或受体的占用率是分子成像最重要的应用之一，可以高度精确地确定有效剂量。这能优化剂量的药效，而不是优化耐受性，从而降低剂量，减少暴露。如果能在临床前执行这种类型的研究，那么，可以早在将药物用于人类对象之前，确定有效的剂量范围，并且可以以动物研究的结果为指导，在临床试验中执行同样的剂量-占用率成像研究。得益于适用的多巴胺D2受体（D2R）放射性配体（18, 19）随处可得，抗精神病药物一直是利用PET和SPECT（单光子发射计算机断层扫描）成像，在临床前（7、8）和临床（9-17）试验中研究最广泛的药物。利用亲和力更强的D2R示踪剂，如18F-fallypride（20），可以显示纹状体内部和外部的受体占用情况。图2所示为对经典的非典型抗精神病药氯氮平进行临床前受体占用测定的典型例子。众所周知，要实现药效，纹状体中必须达到一定的占用率，而占用率过高又会导致锥体外副作用（9）。根据成像提供的关键数据，可以确定实现最优药效的剂量，而不是可接受耐受性的剂量。作用机理和药效学在某些情况下，药物可以在特定疾病的动物模型中显示药效，但没有已知或显而易见的药物与之相互作用的靶点。事实上，药物可以对多个靶点显示出低亲和力，但不能明确表明与任何特定靶点的结合。然而，从整体看，对多个靶点的微小作用会合并成较大的药效反应。此外，由于与多个结合靶点的这种复杂的相互作用，不同剂量的药物可以对多种不同的疾病显示出药效。因此，利用成像生物标志物来测定作用机理和药效学反应可以提升药物研发计划的价值，缩短研发周期。确定药物在靶点对血脑屏障的穿透性的常规方法是标记药物再测定其生物分布。然而，这不一定表明靶接合，或展示脑部反应治疗而发生的任何功能改变。因此，可以提供关于血脑屏障通透性和功能反应的信息的成像技术能大幅提升药物研发计划的价值，提供作用机理的线索。图3所示例子是，利用PET和18F-FDG（氟代脱氧葡萄糖），测定小白鼠反应疼痛刺激而发生的脑葡萄糖代谢变化。这些图像表明，丘脑（负责处理疼痛的脑区）中的代谢活动增加，而刺激对侧的体感皮层中的代谢活动减弱。这可以用作测定新型镇痛药减弱疼痛反应的效果的成像生物标志物。虽然这是一种非特异性技术，不能精确表明接合了哪些靶点，但这种技术能提供关于疼痛刺激的兴奋和抑制作用机理，以及镇痛剂需要以之为靶区的脑区的重要信息。没有这些信息，就无法了解药物作用的靶点或作用机理，从而难以证明这种镇痛剂可以进入下一阶段试验。图3. 小白鼠脑部反应疼痛刺激摄取18F-FDG的统计参数图（SPM）。该图像是脑部的一个冠状面切片（灰色显示），覆盖了彩色显示的反应疼痛刺激，葡萄糖代谢发生显著变化的脑区（红色表示代谢增强，蓝色表示代谢减弱）。已知麻醉对PET示踪剂的摄取和滞留（21-26）以及动物的基础生理机能具有巨大影响，利用18F-FDG和PET的一个额外益处是，可以在动物尚在清醒状态时注射示踪剂，并将在几分钟内锁定脑部活动模式。当示踪剂分布稳定后，可以麻醉并扫描动物最大限度地降低对18F-FDG分布的影响。这有效地消除了麻醉对测定结果的干扰，有助于缩小临床前成像和临床成像研究的差距。药物间相互作用和药物安全分子成像最重要的应用之一是评价药物安全和潜在的药物间相互作用。在药物研发过程中，将测试药物与多种不同的肝酶（细胞色素P450）之间的相互作用，以查明药物与其他药物的新陈代谢相互作用的可能性。同样地，如果某种药物是特定转运体的基质，例如，p-糖蛋白（P-gp），那么，很有可能该药物将改变其他P-gp基质的摄取和滞留（27）。虽然与任何这些靶点反应可能引起药物间相互作用，但可以借助活体成像来测定药物与靶点的直接结合，或者这种相互作用在临床前动物模型中的效果。已经利用放射标记的P-gp基质，如11C-异搏定（28-31），对P-gp相互作用进行了PET成像。由于异搏定是一种已知的P-gp基质，因此，在转运体与其他药物相互作用将导致脑部增加摄取经放射标记的示踪剂。所以，可以将脑部摄取更多11C-异搏定解释为药物与P-gp结合并进行量化。不进行活体测试P-gp活性而采用这种技术的优势是，在现实条件下对活动物执行测定，这与未来的临床试验很相似。如果活体成像检测到P-gp相互作用，那么，这很可能在未来引起药物间相互作用的问题。精简和标准化成像操作步骤的未来需要虽然成像技术是用于研究药物及其靶点在活体中的状态的极其强大的工具，但如前文所述，成像不是高通量过程。此外，购置成像设施的初始成本很高，尤其如果包含放射化学成本。因此，强烈要求提高成像效率，增加研究的动物的数量，最大限度地提高投资回报。图4. 大孔径小动物PET扫描仪可以同时扫描多只小动物，图中为以22安排同时扫描了4只小白鼠通过同时扫描多个小动物，可以提高小动物成像的通量许多大孔径PET扫描仪可以同时扫描4只小白鼠（图4）。这样做的另一个益处是，用一剂示踪剂，注射多只小动物，考虑到11C标记的示踪剂的半衰期比较短，这一点尤为重要。必须注意扫描仪射野中的放射剂量，并且应按光子衰减和散射修正数据。这样做的好处十分明显，能将典型的成像研究的周期从数周缩短至几天，并且可以将PET示踪剂的成本降低四倍。现在，这种增加扫描动物数量的方法将通量压力转移到了动物操作上，而不是执行扫描所用的时间。然而，即使动物操作中的微小改变也会对PET示踪剂的摄取和滞留产生深刻影响（25）。从驯化、操作、麻醉和注射动物的方式到使动物保持在扫描仪中的方式，整个成像过程的标准化至关重要（24, 26, 32, 33）。实际上，采用临床前成像最大的障碍是缺乏标准统一的成像操作方法。必须利用从群体中采集的样本（34），通过基于模板或图谱的方法（35-37），或者自动化技术，如SPM（统计参数图）（37-39），进一步使临床前成像数据分析实现标准化。只有按照公认的标准执行并分析成像，才可能对多个场所或不同中心的成像结果进行比较，从而避免重复研究，提高效率。结论尽管尚未完全成为现实，成像将对药物研发过程产生巨大影响。成像研究可以提供关于靶接合、安全性、药效、药代动力学、药效学和可能的药物间相互作用的信息。通过谨慎选择成像靶点和探头，临床前成像的结果将影响是否对某种极具潜力的候选药物进行下一阶段试验，或者在研发过程的早期否决某种可能的药物。对于进入临床试验阶段的药物，成像几乎是利用临床前阶段开发的相同技术，跟踪药物在人体中的活动状态的唯一工具。然而，成像行业，特别是在临床前研究中，缺乏标准化可能阻碍在药物研发中普遍采用成像技术。致谢本文作者特别感谢Marc Berridge博士、3D Imaging公司提供的肺部成像，以及Raymond Colburn博士、强生制药研发公司提供的18F-FDG PET数据。参考资料1. 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