钆类造影剂用于肿瘤靶向性成像.pdf

第 23 卷 第 4 期 2011 年 4 月 化学进展 PROGRESS IN CHEMISTRY Vol 23 No 4 Apr 2011 收稿 2010 年 7 月 收修改稿 2010 年 10 月 上海市科委项目 SKW0403 同济大学青年优秀人才培养行动计划 上海市自然科学基金项目 No 10ZR1432100 和上海 市博士后基金项目 No 10R21415700 资助 Corresponding authore mail yongyong li tongji edu cn tongjipjwang vip sina com 钆类造影剂用于肿瘤靶向性成像 沈爱军董海青温惠云徐梦李永勇 王培军 同济大学先进材料与纳米生物医学研究院上海 200092 同济大学附属同济医院医学影像科上海 200065 摘要核磁共振成像 MRI 是肿瘤诊断的重要手段 特别是各种造影剂的使用加速了临床应用范围 目前临床 MRI 检查所用各类造影剂如 Gd DTPA BMA Gd DOTA 等均为小分子造影剂 存在组织特异性低 体内停留时间短等缺点 构建具有组织特异性的新一代高效 低毒 MRI 造影剂成为材料界 医学界的研究 热点之一 本文在综合最新文献的研究基础之上 重点关注含钆类造影剂在肿瘤靶向成像中的应用及发展 关键词核磁共振成像造影剂钆肿瘤靶向成像 中图分类号 O614 33 R914文献标识码 文章编号 1005 281X 2011 04 0772 09 Gadolinium Based Contrast Agents for Tumor Targeting Imaging Shen AijunDong HaiqingWen HuiyunXu MengLi Yongyong Wang Peijun Institute for Advanced Materials Nano Biomedicine Tongji University Shanghai 200092 China Department of Medical Imaging Tongji Hospital Tongji University Shanghai 200065 China AbstractMagnetic resonance imaging MRI is an important technique of medical imaging for the tumor diagnosis due to its high spatial and temporal resolutions and excellent soft tissue contrast especially after the usage of various contrast agents However the current contrast agents for MRI such as Gd DTPA BMA Gd DOTA etc are all small molecules which are associated with the intrinsic drawbacks such as nonspecificity for the interesting tissue rapid excretion in vivo To address the above questions the novel specific MRI contrast agents with high efficiency and low toxicity are thus becoming research hot spots in both material and medical fields In this review particular attention is paid on the recent progress of gadolinium based MRI contrast agents for tumor targeting imaging by summarizing the relevant research papers Both passive and active approach for tumor targeting imaging are involved in this review The synthesis principle and determined factors of MRI contrast agents for tumor targeting imaging and their in vitro or in vivo effects on the interesting tissue are discussed Key wordsmagnetic resonance imaging MRI contrast agents gadolinium tumor targeting imaging Contents 1Introduction 2Principle and determined factors of gadolinium based MRI contrast agents 3Research of clinical MRI contrast agents 4Gadolinium based MRI contrast agents for tumor targeting imaging 4 1Passive approach for tumor targeting 4 2Active approach for tumor targeting 第 4 期沈爱军等钆类造影剂用于肿瘤靶向性成像 773 5Prospects 1引言 1976 年 Lauterbur 等首次报道利用核磁共振原 理成像的技术后 核磁共振成像 MRI 检查作为现 代医学影像学的一个重要组成部分被迅速应用于临 床 并得到了长足发展 1 与传统的影像学检查方 法相比 X 射线 CT PET ECT 等 MRI 表现出了出 色的优越性 如较高的空间分辨率 良好的软组织对 比度 无电离辐射损害 以及可以进行功能成像等 目前关于磁共振成像技术的研究主要集中在两个方 面 一是研制高灵敏度的磁信号分子探针 提高成像 的组织分辨力 二是加快成像速率 2 磁共振造影 剂 contrast agent for magnetic resonance imaging MRICA 就是前者研究的内容之一 即通过缩短周 围水质子的 T1 T2弛豫时间 加速弛豫速率 提升组 织之间的图像对比 达到提高 MRI 诊断的敏感性与 特异 性 3 1988 年 二 乙 三 胺 五 乙 酸 合 钆 Gd DTPA 作为第一个临床应用的 MRI 造影剂通过美 国 FDA 认证 并被广泛应用于临床 其后又有一些 造影剂相继被合成并成功应用于临床 现今 约 30 的磁共振检查需要使用造影剂 而且这个比例 还在扩大 目前临床应用的造影剂 主要是小分子 钆螯合物 存在着诸多缺点 如非特异性 体内存留 时间短 弛豫效能低等 提高造影剂的组织特异性 增强其弛豫效能 降低总体用药量等成为临床应用 的内在要求 例如在提升造影剂弛豫效能研究方 面 富勒烯金属包合物的高产率合成与高效提取使 这方面的研究向前迈进了一大步 将 La 系金属如 钆形成内嵌金属富勒烯后 作为造影剂表现出了许 多优点 如弛豫效能明显高于目前临床用钆螯合物 且由于 Gd3 被全碳笼保护而不与外界发生化学反 应 避免了裸露 Gd3 的毒性 Mikawa 等 4 以直流 电弧法合成的钆内嵌金属富勒烯 Gd C82 OH 40不 仅毒性低 而且弛豫效能明显提高 约为 Gd DTPA 的 20 倍 动物实验证实其能被网状内皮系统吞 噬 卢兴等 5 制备的 Gd C82 OH 22弛豫效能也 比 Gd DTPA 高出约 10 倍 组织特异性造影剂的研 制则是开发低毒高效 MRI 造影剂的另一重要途径 本文从肿瘤靶向成像的角度出发 以不同的靶向途 径分类 重点阐述国内外在钆类靶向性磁共振造影 剂领域的研究现状及发展方向 2钆类 MRI 造影剂应用原理及影响因素 钆类 MRI 造影剂主要通过影响组织中水质子 的弛豫率 缩短组织纵向 T1 与横向 T2 弛豫时 间 从而改变组织的 MR 信号 提高图像对比度 且 Gd3 浓度在临床剂量内 约 0 1mmol kg 以影响质 子 T1弛豫时间为主 故主要用于 T1加权成像 1 MRI 造影剂改变组织弛豫率能力的大小称为弛豫效 能 relaxivity r 其计算符合公式 1 1 Ti 1 Ti0 ri Gd i 1 2 1 其中 Ti0为造影剂注入前的组织弛豫时间 Ti为造影 剂注入后的组织弛豫时间 MR 信号强度的大小与 1 T1呈正比 因此由式 1 可知 MR 信号的强度与 造影剂的浓度及其弛豫效能密切相关 钆类 MRI 造影剂 T1弛豫效能 r1 的高低主要受 3 个因素的 影响 q 即钆螯合物内结合水的数目 M 即钆螯合 物内结合水与周围水分子交换的速率 R 钆螯合物 自身的电子自旋 弛豫时间 改变其中任一参数 均 能有效改变钆类造影剂的 T1弛豫效能 r1 3临床 MRI 造影剂应用现状 1988 年 Gd DTPA 作为第一个 MRI 造影剂应 用于临床 从此核磁共振成像进入了造影剂检查时 代 能被临床应用的造影剂必须符合以下条件 水 溶性好 毒性低或没有毒性 体内稳定 能够完全被 排出体外 弛豫效能高 具有组织选择性等 图式 1临床用 MRI 造影剂 6 Scheme 1Clinically used MRI contrast agents 6 目前商业化并应用于临床的 MRI 造影剂主要 有 6 种 6 均 为 小 分 子 钆 类 螯 合 物 分 别 是 Gd DTPA Magnevist 及其二酰胺衍生物 Gd DTPA 774 化学进展第 23 卷 BMA Omniscan Gd DTPA BMEA OptiMARK Gd DOTA Dotarem 及 其 配 体 衍 生 物 Gd DO3A butrol Gadovist Gd HP DO3A ProHance 其 结构式如图式 1 6 以上 MRI 造影剂均为细胞外试剂 在体内呈非 特异性分布 且静脉注射后迅速漏到血管外并被肾 脏清除 因而检查所需剂量高 特别是对于肝 脾等 组织病变及肿瘤缺乏特异性 有时为了诊断的目的 不得不加大用药剂量 从而增加了机体出现不良反 应的风险 4钆类肿瘤靶向性 MRI 造影剂 1960 年 Ehrlich 提出了药物靶向的思想 其中 心内容是将治疗药物选择性地分布到病变部位 从 而提高病变部位药物浓度 增加药物利用率 同时又 降低药物对正常组织的毒副作用 7 MRI 造影剂 的研究借鉴了以上思想 设计合成具有组织特异性 的水溶性顺磁性配合物成为近年来 MRI 造影剂的 研究热点 其研究主要集中在肿瘤靶向 心血管靶向 等领域 尤以肿瘤靶向研究得较多 而钆类造影剂的 研究则是后者的主要内容之一 如何才能使 MRI 造影剂准确到达肿瘤组织并表现出较高的弛豫效 能 研究者们根据肿瘤组织病理生理的特点 设计出 了两种实现途径 即被动靶向和主动靶向途径 4 1肿瘤被动靶向途径 肿瘤被动靶向途径的实现 主要是通过设计合 适粒径或分子量的顺磁性配合物 或通过修饰现有 水溶性小分子钆螯合物 从而使造影剂能够被特定 组织识别 并在其内富集 4 1 1网状内皮系统特异性钆类 MRI 造影剂 肝脏是最早被用于药物靶向研究的器官 在正 常肝组织中存在着大量的属于网状内皮系统的单核 巨噬细胞 kupffer 细胞 其主要功能是清除血浆中 的异源颗粒 当颗粒的粒径大于 200nm 时倾向于被 其识别 吞噬和清除 8 因此将钆螯合物的粒径设 计在大于 200nm 时 将迅速被 kupffer 细胞吞噬 在 肝组织中富集 9 12 而肝肿瘤中缺乏 kupffer 细胞 没有或很少有造影剂停留 最终提升了肿瘤组织与 正常 组 织 之 间 的 图 像 对 比 使 肿 瘤 组 织 阴 性 显像 6 George 等 11 通过化学方法将钆与含两条烷基 侧链的 DTPA 衍生物相结合 制得了具有两亲性的 化合物 Gd DTPA 硬酯酰胺 Gd DTPA SA 并进一 步制得了 Gd DTPA SA 双膜脂质体 图 1 其平均 粒径为 440nm 通过对正常小鼠活体磁共振 T1加权 成像 获得了肝脏及脾脏明显的增强成像效果 110 肝脏和 66 脾脏 4 180 肝脏 37 陈智金等 13 用溶剂乳化挥发法制备出了表面荷正 电的固体脂质纳米粒 通过与带负电荷的 Gd DTPA 自组装 制备出了平均粒径为 196 1 2 01nm 的具 有肝脏靶向性的 Gd DTPA 脂质体纳米粒 图 1Gd DTPA SA 双膜脂质体示意图 11 Fig 1SchemeofGd DTPA SAbilayermembrane lipsome 11 4 1 2肝细胞特异性钆类 MRI 造影剂 正常肝肾细胞胞液中存在着一种被称为谷胱甘 肽 S 转移酶的酶类 共有 5 种亚型 谷胱甘肽 S 芳 基转移酶为 5 种亚型之一 存在于肝细胞胞液内 主 要催化含有卤基或硝基的芳烃类或其他环状化合物 的谷胱甘肽结合反应 在肝脏解毒功能中发挥作用 将现有小分子钆螯合物用含苯环的亲脂性基团修 饰 使其能够被谷胱甘肽 S 芳基转移酶识别 增强 肝细胞对其吞噬的能力 达到在肝组织内积聚的目 的 而肝肿瘤细胞因缺乏谷胱甘肽 S 芳基转移酶 吞噬造影剂的能力较弱 最终增加了其与正常肝组 织之间的图像对比度 Gabriele 等 14 将苯乙氧基 EOB 共价连接于二乙三胺五乙酸 DTPA 上 制 得具有两亲性的小分子钆螯合物 MRI 造影剂 Gd EOB DTPA 图式 2 测得其在小鼠肝组织中的 r1 值 为16 6mM 1 s 1 明 显 高 于 Gd DTPA 7 5mM 1 s 1 且其在肝组织维持时间较长 注 射 60min 后信号降低约 25 进一步将其注入荷 肝细胞癌肿瘤的 Han Wsitar 小鼠内 并进行磁共振 T1加权成像 肿瘤组织在增强的肝组织映衬下明显 被凸显 图 2 Vttadini 等 15 用苄氧基修饰 DTPA 制得 Gd BOPTA 图式 3 体外试验证实具有明显 肝脏特异性 目前这两类造影剂已通过临床试验 并作为肝胆选择性造影剂应用于临床 商品名分别 为 Eovist 和 MultiHance 第 4 期沈爱军等钆类造影剂用于肿瘤靶向性成像 775 图式 2肝细胞特异性 MRI 造影剂 Gd EOB DTPA 14 Scheme 2Liver targeted MRI contrast agent Gd EOB DTPA 14 图 2小鼠肝脏注射造影剂前后 MR 图像对比 14 Fig 2MR image contrast between pre injection a and b post injection with contrast agents in rat liver 14 图式 3肝细胞特异性 MRI 造影剂 Gd BOPTA 15 Scheme 3LivertargetedMRIcontrastagentGd BOPTA 15 4 1 3穿血管内皮特异性钆类 MRI 造影剂 所谓穿血管内皮 是指血浆中的某些小分子物 质能够穿透血管壁进入细胞外间隙 目前临床用的 MRI 造影剂就是这类小分子物质 注入人体后迅速 从血管中漏出进入细胞外间隙 如肌肉组织内等 而被肾脏清除 因而增强持续时间短 特异性差 大 分子造影剂 MMCM 由于具有较大的分子尺寸 无 法穿过血管内皮间隙漏到血管外 因而在血管内停 留时间延长 表现出了持续的增强效应 被广泛应用 于诸如血管成像 血管介入 组织血容量和血流量定 量估算 以及微血管完整性检测的实验研究 16 19 肿瘤新生血管发育很不完全 内皮细胞连接松散 基 底膜不完整 因而血管通透性高 这使得某些不能通 过正常血管壁的大分子物质 却能很轻松地穿过肿 瘤血管壁 漏到血管外肿瘤组织中 20 设计能穿透 肿瘤血管壁而不能透过正常血管的肿瘤特异性 MRI 造 影 剂 成 为 MMCM 的 又 一 应 用 研 究 方 向 Raatschen 等 21 以不同分子量的聚乙二醇 PEG 为 内核 3 400Da 6 000Da 12 000Da 氨基被保护的 L 赖氨酸为单节单位 the monomeric unit Gd DTPA 为影像探针 制备了 4 种不同分子量的含钆类聚合 物 72kDa 82kDa 106kDa 132kDa 其结构示意图 如图式 4 用磁共振 T1加权成像 分别检测 4 种造 影剂注入前后的兴趣组织 小鼠脊柱旁肌肉组织与 荷人类乳腺癌肿瘤组织 信号变化值 r1 然后用软 件换算成造影剂在特定组织内的血管漏出值 KPS 结果显示 两个较小分子的造影剂被检出漏到肌肉组 织中 KPS 204 和 56 l min 100cm3 而两个较大 分子量的造影剂未在肌肉组织内检测到 KPS 0 l min 100cm3 但在肿瘤组织中被检出 KPS 68 27 和 16 8 l min 100cm3 Cyran 等 22 用 Gd DOTA 作为影像探针 不同分子量 PEG 12 000Da 20 000Da 为核 制得三种不同分子量的含钆聚合物 161kDa 194kDa 323kDa 通过与 Raatschen 等相似 的实验方法 获得了肿瘤血管特异性漏出的 MR 成像 效果 图式 4穿血管内皮特异性造影剂示意图 21 Scheme 4Schematicstructureofpolyethyleneglycol PEG core cascade polymer contrast agents 21 4 1 4pH 敏感性钆类 MRI 造影剂 肿瘤组织代谢明显异于正常组织 进而造成其 周围环境的特异性改变 pH 值变化就是其中重要参 数之一 因为肿瘤细胞的能量供给来源于无氧糖酵 解 同时肿瘤血管具有高通透性 决定了肿瘤细胞外 微环境呈酸性 pH 值低于生理正常值 pH 6 8 6 9 23 24 因此 检测肿瘤 pH 值改变 有望为肿瘤 早期诊断提供帮助 目前用于估定组织 pH 值变化 的方法都欠理想 如31P NMR 波谱检测 具有有创 性 检测所需样本量大的缺点 pH 敏感性荧光制剂 检测 虽较敏感 但受限于人体深部组织及器官 25 776 化学进展第 23 卷 最近 研究者将目光转向 MRICA 研究领域 26 28 其中以 GdDOTA 4AmP5 图式 5 最为理想 28 其 基本原理是 GdDOTA 4AmP5 在正常组织 pH 值范 围内 复合物内结合水与周围水质子交换速率 M 较慢 约为 Gd DTPA2 的 1 100 表现较低的 T1弛 豫效能 r1 当在酸性环境中 螯合物上的 4 个磷酸 基团被质子化 进一步影响并大幅提升复合物内结 合水与周围水质子的交换速率 表现出较高的弛豫 效能 r1 通过 GdDOTA 4AmP5 弛豫效能的变化 r1 来反应肿瘤组织 pH 值的改变 考虑到单个 GdDOTA 4AmP5 的 r 1 值 有 限 Ali等 29 将 GdDOTA 4AmP5 用苯甲基衍生物侧链修饰后连接 于 5 代聚酰胺 胺树形分子上 每分子聚合物上能连 接 96 分子的 GdDOTA 4AmP5 通过增加单位体积 内 GdDOTA 4AmP5 单体的有效分子数 以及利用聚 合物自身弛豫率改变具有 pH 敏感性的特点达到提 升 r1值的目的 见图式 6 结果显示 r1值明显放 大 大于 96 倍 表现出了较好的生物应用潜能 图式 5pH 敏感性 MRI 造影剂 GdDOTA 4AmP5 28 Scheme 5pH Sensitive MRI contrast agent GdDOTA 4AmP5 28 图式 6GdDOTA 4AmP5 共聚物示意图 29 Scheme 6SchematicstructureofGdDOTA 4AmP5 dendrimer 29 4 2肿瘤主动靶向途径 肿瘤主动靶向途径主要是通过配受体结合反 应 实现造影剂定向到达肿瘤靶组织的目的 30 肿 瘤主动靶向途径的关键是选择合适的靶点 制备具 有 MRI 信号增强功能的合适配体 一直以来肿瘤 细胞被认为在推动肿瘤生长与进展中占据主导地 位 最近研究发现肿瘤间质细胞及肿瘤组织中的一 些小分子物质在肿瘤的生长过程中亦起着关键性的 作用 31 33 因而对于肿瘤主动靶向途径中靶点的选 择 既可以是肿瘤实质 肿瘤细胞 也可以是肿瘤 间质 肿瘤血管或其他间质细胞 4 2 1肿瘤细胞特异性钆螯合物 MRI 造影剂 随着肿瘤研究向分子水平的深入 肿瘤细胞表 面过表达的一些受体相继被发现 其在肿瘤细胞生 长增殖及代谢中起着关键性的作用 可与特异性的 抗体或配体相结合 诱导细胞内化 34 设计针对肿 瘤细胞表面特异性受体的选择性造影剂 是目前肿 瘤主动靶向 MR 成像的基本思路之一 肿瘤细胞表 面过表达受体按功能分 主要有两类 代谢性受体 和营养性受体 34 4 2 1 1代谢性受体特异性钆类 MRI 造影剂 受体酪氨酸激酶超家族 如表皮生长因子受体 epithelial growth factor receptor EGFR 人类表皮 生 长 因 子 受 体 2 human epidermal growth factor receptor 2 HER 2 叶酸受体 folate receptor FR 以及各种激素类受体等是这类受体的代表 将以上 受体的配体或配体类似物直接与钆螯合物连接 或 间接连接于造影剂载体的表面 如脂质体 胶束 树 突状大分子等各种纳米载体 有望制得具有肿瘤 选择性的钆类 MRI 造影剂 HER 2 与 EGFR 等同属 类受体酪氨酸激酶超 家族 在多种恶性肿瘤细胞表面过度表达 如乳腺 癌 卵巢癌 肺癌等 针对 HER 2 的人源化单克隆 抗体赫塞汀 herceptin 于 1998 年通过美国 FDA 认 证 并被广泛应用于 HER 2 表达阳性的乳腺癌的临 床治疗 表现出较好的抗肿瘤效果 35 36 单克隆抗 体赫塞汀的出现也为 HER 2 特异性 MRI 造影剂的 研究提供了可能 Artemov 等 37 用生物素化的抗 HER 2 抗体赫塞汀去标记 HER 2 表达阳性的肿瘤 细胞 接着将 MRI 造影剂 Gd DTPA 亲合素化 利用 生物素 亲合素之间高度的亲合力 将造影剂定向于 HER 2 表达阳性的肿瘤细胞表面 图 3 叶酸受体 FR 是介导细胞胞外摄取叶酸用于 合成 DNA 的主要途径 38 在多数恶性肿瘤 主要是 上皮组织源性肿瘤 组织中过表达 而正常组织中 呈低 表 达 因 而 可 被 用 于 肿 瘤 靶 向 造 影 剂 的 研 究 39 基于 FR 的各种肿瘤特异性成像方法被广泛 研究 如细胞成像 放射显像 光学成像以及磁共振 第 4 期沈爱军等钆类造影剂用于肿瘤靶向性成像 777 图 3HER 2 特异性 MRI 造影剂原理示意图 37 Fig 3Scheme of the principles of HER 2 targeting MRI contrast agents 37 成像等 40 以 FR 为靶点的钆类 MRI 造影剂研究 也多有报道 Corot 等 41 以两分子的 Gd DOTA 为 影像探针 以叶酸为药效团 以叶酸的 羧基基团 为结合点 制得具有 FR 特异性的 MRI 造影剂 P866 分 子 量 9kDa 大 小 2 8 0 3nm 弛 豫 效 率 50mM 1 s 1 图 4 通过表达 FR 阳性的人鼻咽癌 细胞 KB cell line 体 内外实验 与对照组 只含影 像探针 不含叶酸药效团的 MRI 对比剂 比较 实验 图 4叶酸受体特异性 MRI 造影剂结构示意图 41 Fig 4Schematic structure of FR targeting MRI contrast agents 41 组取得了明显的肿瘤靶向成像效果 Swanson 等 42 以 G5PAMAM 树形分子为载体 将叶酸通过酰胺键 接于 PAMAM 表面 平均每分子上约 4 5 分子叶 酸 然后用无水乙酸将 PAMAM 表面的部分氨基乙 酰化 约每分子 PAMAM 所含 110 个氨基中的 50 个 再将化合物 DOTA NCS 通过 PAMAM 表面剩余 的氨基结合于 PAMAM 上 最后将复合物与 GdCl3 6H2O 反应 制得基于 G5PAMAM 的叶酸受体特异 性 MRI 造影剂 Gd DOTA G5 FA 通过叶酸受体表 达阳性的肿瘤细胞体内外实验 取得了明显高于对 照组 Gd DOTA G5 的肿瘤靶向成像效果 Wiener 等 43 以 G4PAMAM 为载体 叶酸为靶向 剂 Gd DTPA 为影像探针制得的 MRI 造影剂亦取得 了明显的肿瘤靶向效果 4 2 1 2营养性受体特异性钆类 MRI 造影剂 低密 度 脂 蛋 白 受 体 low density lipoprotein receptor LDLR 转 铁 蛋 白 受 体 transferrin receptor TfR 葡萄糖受体 glucose receptor GR 等是这类受体的代表 LDLR 功能主要是协助细胞内吞胆固醇以获得 脂类 受细胞对胆固醇需求量的调节 肿瘤细胞的 快速增殖需要更多的胆固醇用于细胞膜的合成 而 LDLR 介导途径是其获取胆固醇的主要途径 且肿 瘤细胞失去正常的调节机制 因而其细胞表面常表 达过多的 LDLR 34 这些过表达的 LDLR 为靶向肿 瘤细胞研究提供了又一重要靶点 Corbin 等 44 用 LDL 纳米粒为载体 以两亲性的 Gd DTPA 衍生物为 影像探针 每分子 LDL 约含 150 496 个 Gd3 进 行了定向于 LDL 受体的 MRI 成像研究 首先以硬 脂酰胺 SA 与 DTPA 双酐反应获得两亲性的化合 物 DTPA 双硬脂酰胺 DTPA SA 接着将纯化的 DTPA SA 插 入 到 LDL 外 层 阿 朴 脂 蛋 白 B 100 ApoB 100 构成的磷脂单层中 最后用 Gd3 标记 DTPA SA LDL 螯 合 物 获 得 终 产 物 Gd DTPA SA LDL 图 5 分 别与 人 肝癌 细 胞 HepG2 细胞株 LDLR 和鼠卵巢细胞 IdIA7 细胞株 LDLR 作靶 向成像实验 结果显示 HepG2 细胞实验组使用 Gd DTPA SA LDL 前后 MRI 信号明显改变 23 IdIA7 细胞实验组使用前后无明显变化 Li 等 45 以 类似方法将制备的双功能成像剂 PTIR267 钆双棕 榈酰和荧光基团复合物 标记 LDL 以人黑色素瘤 B16 细胞株为靶向研究对象 通过细胞共聚焦荧光 显微成像 及鼠肿瘤模型活体 MRI 成像试验 取得 了明显的肿瘤靶向效果 TfR 主要功能是介导含铁蛋白进入细胞内 用 于满足细胞铁代谢的需要 许多肿瘤细胞表面 TfR 常呈过表达 用于满足细胞快速生长对铁的需求 如 乳腺癌 胰腺癌 前列腺癌 肺癌等 针对 TfR 的肿 瘤靶向药物近年来研究较多 以钆螯合物为成像剂 的 TfR 特异性 MRI 造影剂就是其中之一 Pirollo 等 用抗 TfR 单链抗体片段 TfRScFV 与阳离子脂质体 DOTAP DOPE 室温反应制得 TfRScFV 脂质体复 合物 接 着 将 临 床 用 顺 磁 性 造 影 剂 Gd DTPA Magnevist 加入复合物内反应制得 TfRScFV 脂 质体 Magnevist 46 47 将 其 分 别 应 用 于 荷 胰 腺 癌 778 化学进展第 23 卷 图 5LDL 受体特异性 MRI 造影剂结构示意图 44 Fig 5Schematic structure of LDL receptor targeting MRI contrast agents 44 CaPan 1 和前列腺癌 DU145 肿瘤裸鼠体内 通过 磁共 振 T1加 权 成 像 肿 瘤 MR 信 号 明 显 提 升 CaPan 1 99 DU145 215 明显高于单纯 用 Magnevist 对 照 组 CaPan 1 34 5 DU145 70 46 国内王秩秋等 48 以转铁蛋白 Tf 为 靶向 剂 阳离 子脂 质体 DOTAP DOPE 为 载 体 Magnevist 以及近红外荧光剂 Alexa 680 为成像探 针 制备 TfR 特异性 MR 造影剂 通过高表达 TfR 的 人乳腺癌 MDA MB 231 luc 体外和活体内荧光及 MR 双成像试验 结果该合成制剂表现出了极高的 肿瘤检测特异性和敏感性 葡萄糖是细胞内能量供给的主要物质 葡萄糖 受体 1 又称葡萄糖转运蛋白 1 GLUT 1 是介导细 胞摄取葡萄糖的主要载体 与其他营养性受体一样 恶性肿瘤细胞由于高糖代谢的需要 表面常常过表 达 GLUT 1 这使其成为又一新的肿瘤标记物 49 Luciani 等 50 用 胆 固 醇 表 面 活 化 剂 与 钆 贝 葡 胺 Gd BOPTA 制得 Gd BOPTA 类脂质体 然后用合 成的 N 棕榈酰葡萄糖胺 NPG 以及 PEG4400对 Gd BOPTA 类脂质体行表面修饰 制得糖基化 PEG4400 Gd BOPTA 类脂质体 通过前列腺癌 PC3 体外及活 体成像试验 结果显示 糖基化的 Gd BOPTA 类脂质 体比非糖基化 Gd BOPTA 类脂质体具有更明显的肿 瘤细胞特异性 且在活体内 PEG4400修饰过的糖基化 Gd BOPTA 类 脂 质 体 比 非 PEG 化 的 糖 基 化 Gd BOPTA 类脂质体具有更长的血浆存留时间和更好 的肿瘤靶向性 PEG 修饰后的类脂质体具有更好的 组织相容性 避免了被网状内皮吞噬细胞吞噬 国内姜树红等 51 用类似方法 以钆喷酸葡胺 Gd DTPA 为影像探针 NPG 为靶向基团 通过体外细 胞试验 验证了将 GLUT 1 作为 MRI 肿瘤成像标记 物的可行性和潜在价值 另外 有研究发现 出于快速生长增殖对氨基酸 的需求 恶性肿瘤细胞表面氨基酸转运体呈过表达 以谷氨酰胺转运体最为明显 因为谷氨酰胺 GLn 是肿瘤细胞中氮的主要来源 52 53 用谷氨酰胺修 饰钆离子螯合物 如 Gd DTPA 使其能够被肿瘤细 胞表面的谷氨酰胺转运体识别 并介导细胞内化 是 提高 钆 类 MRI 造 影 剂 肿 瘤 靶 向 性 的 又 一 新 思路 54 4 2 2肿瘤血管特异性钆类 MRI 造影剂 实体肿瘤在生长过程中营养物质的获取方式在 早期 体积 1 2mm3 主要依赖于肿瘤血管供给 因此肿瘤血管的生成在肿瘤的生长增殖以及远处转 移过程中起着至关重要的作用 55 初期肿瘤新生 血管主要是窃取正常组织血管内皮细胞形成 然后 以此为基础 在各种影响因子的共同促进下 如血 管内 皮 细 胞 生 长 因 子 VEGF 血 小 板 衍 生 因 子 PDGF 不断生成新的肿瘤血管 20 研究发现 肿瘤 血管内某些受体 如血管内皮细胞生长因子受体 VEGFR 血小板衍生因子受体 PDGFR 以及某 些整合素家族分子 主要是 v 3 呈高表达 以满足 肿瘤血管生成的需要 切断肿瘤血管生成的各种因 素 如受体阻滞 生长因子拮抗等成为近年来肿瘤靶 向治疗的研究热点之一 而针对肿瘤血管的特异性 MRI 成像也不断被研究和报道 目前肿瘤血管特异性 MRI 造影剂靶点的选择 主要集中在肿瘤血管内皮细胞表面过表达的整合素 分子上 主要是 v 3亚型 因为较其他整合素相 比 v 3在肿瘤血管生成过程中的作用最为重要 且只在新生血管内皮细胞表面表达 v 3的配体 主要是含 RGD 序列 精氨酸 甘氨酸 天冬氨酸 的 基质蛋白酶分子 将含 RGD 序列的缩氨酸连接于各 种不同的钆螯合物上 有望制得能被 v 3特异性识 别的肿瘤血管特异性 MRI 造影剂 Park 等 56 用 DOTA 1 4 7 10 四氮杂环十二烷 1 4 7 10 四乙 酸 与 RGD 环肽五聚体 RGDYK 反应 制得 DOTA RGD 接着将 DOTA RGD 与 GdCl3 6H2O 在水相里 反应制得终产物 Gd DOTA RGDYK 图式 7 通过 荷肝细胞癌的 H ras12V 转基因小鼠活体 MR 成像 试验 肿瘤组织在注射了 Gd DOTA RGDYK 后信号 第 4 期沈爱军等钆类造影剂用于肿瘤靶向性成像 779 明显增强 且通过 RGD YK 进行受体阻滞后 肿瘤 组织增 强 信 号 幅 度 明 显 减 低 证 明 了 Gd DOTA RGDYK 较好的肿瘤靶向成像效果 Zarabi 等 57 用 HPMA N 2 羟基丙基 甲基丙烯酰胺 共聚物与 RGD 环肽五聚体 RGDfK 及 Gd DOTA 制得复合物 HPMA Gd DOTA RGDfK 通过荷乳腺癌小鼠活体 MRI 成像试验 以肿瘤组织 T1值改变为参数 结果 HPMA Gd DOTA RGDfK 组 注 射 前 2 435 236 8ms 注射 2 h 后 1 950 189 8 ms 明显高于 HPMA Gd DOTA 对 照 组 注 射 前 2 423 175 5ms 注射 2h 后 2 127 144ms E 选择素是 肿瘤血管内皮细胞表面富表达的另一受体 Mulder 等 58 用聚乙二醇 二 硬脂 酰磷脂 酰乙醇 胺 PEG DSPE 对脂质体膜进行改性修饰后合成了一种以 Gd DTPA 和荧光脂为成像探针 抗 E 选择素抗体为 靶向剂的可用于 MRI 和荧光显微镜成像的双功能 脂质体造影剂 通过体外实验研究 证实其具有良好 的肿瘤血管内皮细胞靶向结合作用 为肿瘤血管特 异性 MRI 成像提供了又一思路 图式 7肿瘤血管特异性 MRI 造影剂 Gd DOTA RGD 56 Scheme 7Tumor vasculature targeting MRI contrast agent Gd DOTA RGD 56 5展望 目前临床使用的钆类 MRI 造影剂存在着特异 性低 体内存留时间短的诸多缺点 设计组织特异性 强 弛豫效能高 组织相容性好 无细胞毒性的钆离 子复合物是钆类 MRI 造影剂在肿瘤诊断应用中的 发展方向 将其他成像介质如荧光探针与钆剂构建 于同一体系中 进行多功能成像 以提高肿瘤检测灵 敏度 或将各种抗肿瘤药物或干扰基因与钆剂构建 于同一体系内 使其具备诊断治疗双功能 正成为钆 类等 MRI 造影剂在肿瘤诊治应用研究中的进一步 拓展 随着研究的不断深入 相信在不久的将来 各 种具有肿瘤特异性 敏感性的多功能 MRI 造影剂有 望应用于临床 并在肿瘤早期诊断与治疗中发挥巨 大的作用 参 考 文 献 1 陈星荣 Chen X R 沈天真 Shen T Z 段承祥 Duan C X 等 全身 CT 和 MRI Whole Body CT and MRI 上海 上海 医科 大 学 出 版 社 Shanghai Shanghai Medical University Press 1994 18 2 谢敬霞 Xie J X 核磁共振新技术研究与临床应用 NMR study and clinical application of new technologies 北京 北京 医科大学出版社 Beijing Beijing Medical University Press 2001 1 3 罗毅 Luo Y 卓仁禧 Zhuo R X 史玉亭 Shi Y T 国外 医药 Foreign Medicine 1995 16 200 208 4 Mikawa M Kato H Okumura M Narazaki M Kanazawa Y Miwa N Shinohara H Bioconjug Chem 2001 12 510 514 5 卢兴 Lu X 徐建勋 Xu J X 施祖进 Shi Z J 孙宝云 Sun B Y 顾镇南 Gu Z N 刘洪东 Liu H D 韩鸿宾 Han H B 高等学校化学学报 Chemical Journal of Chinese Universities 2004 25 697 700 6 Zhang Z D Nair S A McMurry T J Curr Med Chem 2005 12 751 778 7 Ehrlich P The Collected Papers of Paul Ehrlich M Oxford Pergamon Press 1960 3 510 8 Li S D Huang L Mol Pharm 2008 5 496 504 9 Mulder W J M Strijkers G J van Tilborg G A F Griffioen A W Nicolay K NMR Biomed 2006 19 142 164 10 Kostarelos K Emfietzoglon D J Liposome Res 1999 9 429 460 11 Kabalka G Buonocore E Hubner K Moss T Norley N Huang L Radiology 1987 163 255 258 12 Suzana T Maria I M Lothar H et al NMR Biomed 2008 21 322 336 13 陈智金 Chen Z J 张娜 Zhang N 中国新药杂志 Chinese Journal of New Drugs 2009 18 1443 1447 14 Schuhmann Giamperi G Schmitt WillichH PressWR Negishi C Wenimann H J Speck U Radiology 1992 183 59 64 15 Vittadini G Felder E Tirone P Lorusso V Invest Radiol 1988 23 S246 S248 16 Simon G H Fu Y J Berejnoi K Fournier L S LucidiV Yeh B Shames D M Brasch R C Invest Radiol 2005 40 614 620 17 Bjornaes I Rofstad E K Magn Reson Imaging 2001 19 723 730 18 Axel G Yoshitaka O David M S Thomas H H Timothy P L Michael F W Sabine H Robert C B Radiology 1999 213 265 272 780 化学进展第 23 卷 19 Preda A van Vliet M Krestin G P Brasch R C Van Dijke C F Invest Radiol 2006 41 325 331 20 Davis I D Desai J Curr Cancer Drug Targets 2008 8 498 508 21 Raatschen H J Fu Y J Shames D M Wendland M F Brasch R C Invest Radiol 2006 41 860 867 22 Cyran C C Fu Y J Raatschen H J Rogut V Chaopathomkul B Shames D M Wendland M F Yeh B M Brasch R C J Magn Reson Imaging 2008 27 581 589 23 Tannock I F Rotin D Cancer Res 1989 49 4373 4384 24 Vaupel P Kallinowski F Okunieff P et al Cancer Res 1989 49 6449 6465 25 Khramtsov V V Curr Org Chem 2005 9 909 923 26 Lowe M P Parker D Reany O Aime S Botta M Castellano G Gianolio E Pagliarin R J Am Chem Soc 2001 123 7601 7609 27 Aime S Botta M Crich S G Giovenzana G Palmisano G Sisti M Chem Commun 1999 1577 1578 28 Zhang S R Wu K C Sherry A D Angew Chem 1999 111 3382 3384 29 Ali M M Woods M Caravan P Opnia A C L Spiller M Fettinger J C Sherry A D Chem Eur J 2008 14 7250 7258 30 Moghimi S M Hunter A C Murray J C Pharmacol Rev 2001 53 283 318 31 Jain R K Cancer Metast Rev 1990 9 253 266 32 Hanahan D Weinberg R A Cell 2000 100 57 70 33 Tannock I F Lee C M Tunggal J K Cowan D S Egorin M J Clin Cancer Res 2002 8 878 884 34 张莉 Zhang L 潘 俊 Pan J 陆伟跃 Lu W Y 国外医药 Foreign Medicine 2002 23 359 362 35 Wang S C Zhang L Hortobagyi G N Hung M C Semin Oncol 2001 28 21 29 36 Hortobagyi G N Semin Oncol 2001 28 43 47 37 Artemov D Mori N Ravi R Bhujwalla Z M Can