河北医大核医学讲义06分子核医学概论

第六章

分子核医学概论

分子核医学(molecularnuclearmedicine)是核医学和分子生物学技术的进一步发展和相互融合而形成的新的核医学分支学科。分子核医学是应用核医学的示踪技术从分子水平认识疾病，阐明病变组织受体密度与功能的变化、基因的异常表达、生化代谢变化及细胞信息传导等，为临床诊断、治疗和疾病的研究提供分子水平信息。分子核医学为观察机体某一特定病变部位的生化过程变化提供了一个窗口，人们可以通过此窗口，将以某种生化过程变化为表型的疾病与其相应的基因型联系起来。当今的分子核医学已不仅限于显像诊断领域，也包括分子水平的体外分析技术以及由受体、抗体或基因等介导的核素靶向治疗等。1992年1月美国能源部主持召开了一次分子核医学座谈会，会上主要由一些分子生物学家、生化学家等报告了与核医学发展有关联的分子生物学的进展。1995年Reba在美国核医学杂志“分子核医学”增刊序言中写道：“分子生物学的进展从现在起将生动地影响今后的医学实践。由于核医学的特点是以示踪原理为基础的，而示踪本来就是‘分子的’，所以我们应毫不迟疑地担起未来医学发展的重要使命”。经过近几年的发展，分子核医学又取得了长足的进步，某些方面已经进入临床应用阶段，但是作为分子核医学这门分支学科还处于发展的初始阶段，还有待进一步完善，许多重要的技术和方法要应用于临床还有很长的路要走，还需要多学科的共同协作和相互融合。

一、分子核医学的理论基础对于分子核医学来说，分子识别是这一新兴领域发展的重要理论基础。在分子核医学有关的技术中，尽管不同的技术和研究手段，其依据的方法学原理各不相同，但是其共同的理论基础就是“分子识别”；例如抗原与抗体的结合是分子识别的结果；配体与受体结合的本质也是分子识别；许多多肽类药物与相应靶细胞的结合也是建立在配体与受体之间的分子识别基础上；反义探针与癌基因的分子识别则是建立在核苷酸碱基互补上；酶与底物的识别也同样具有分子基础。因此，分子识别是分子核医学的重要理论依据之一。分子核医学开发新的放射性药物的理论基础主要是分子识别，因为核医学诊断与治疗的本质都是建立在放射性药物与靶器官或靶组织特异性结合基础之上的，用这些放射性药物进行显像，不仅可以反映解剖形态的改变，更是功能性的影像，这是核医学影像诊断和核素靶向治疗赖以生存和发展的基本条件，也是有别于其它影像诊断和治疗的关键所在。分子核医学研究的内容十分广泛，但最重要的研究领域有两个方面，一是受体研究，二是基因研究。在临床上以代谢、功能以及解剖学结构异常为表现的各种疾病其实都是在受体或基因水平变化（或生化变化)基础上的具体表现。受体显像是分子核医学的基础，用放射性配体显像受体，是分子核医学开拓的一种更精巧的诊断领域，它可以“为观察细胞间和细胞内的生物学过程提供窗口”，特别是观察执行基因编码指令的蛋白质生化过程。受体的研究涉及细胞之间和细胞与其它分子之间的识别，信息跨膜转导（或传递)和细胞的生理病理反应等生命基本现象。疾病的发生往往反映在受体数目和亲和力的改变、信息转导功能的异常，而这些均与受体基因缺陷和突变有关。分子核医学不仅可以通过体外受体放射分析测定生物样品中受体的含量及其活性，还可应用显像仪器在活体内直接探测到受体的密度、功能与分布，这也是目前在活体内获得受体功能与分布信息的唯一方法，并且适当的放射性配体与受体的特异性结合不会引起副作用。病人的基因型总是可以由生化过程来表达的，分子核医学利用放射性示踪药物不仅可以观察到体内生化过程的变化（Wagner教授称之为“化学型”)，而且有可能将这种以某种生化过程的变化为表型的疾病与其相关的基因型联系起来，从而使人们对于疾病的认识以及诊断和治疗提高到一个崭新的水平。如何与基因型相关联，目前的分子核医学研究已提供了希望。有动物实验表明，用放射性核素标记的反义探针可以显像\t"/kecheng/2013/_blank"乳腺癌、白血病的癌基因。发生在\t"/kecheng/2013/_blank"慢性粒细胞性白血病或\t"/kecheng/2013/_blank"急性淋巴细胞白血病的BRC与ABL的融合基因mRNA，正由许多实验室用反义探针进行检测研究。尽管如此，即使许多疾病都可以溯源到基因异常或基因损伤，但是代谢显像仍然是当前分子核医学中最重要的内容之一，也是分子核医学中最成熟的领域。

二、分子核医学的主要研究内容分子核医学所研究的内容非常广泛，而且正在不断发展和逐步走向成熟。当今分子核医学研究较多且具有应用前景的技术主要有受体显像、代谢显像、标记反义探针基因显像、重组单抗片段放射免疫显像、肽类放射性药物的研究等。不仅如此，由这些显像技术的进一步发展和深入而衍生出来的新的治疗药物和治疗方法的形成，将使以诊断为主的分子核医学逐步发展成为诊断与治疗并重的新的领域，尤其是受体介导的核素治疗、基因介导的核素治疗以及抗体介导的核素治疗等，在不久的将来会得到迅速发展。（一)代谢显像(metabolismimaging)

代谢显像是核医学显像的一项重要内容，可以说，在分子核医学研究领域中，代谢显像是目前最为成熟的技术，并已广泛应用于临床诊断。最重要的代谢显像剂为18氟-脱氧葡萄糖（18F-FDG)，由于它的重要性及其应用前景，Wagner教授在美国第43届核医学年会上将FDG命名为“世纪分子”（moleculeofthecentury)，而为DNA取名为“千年分子”。18F-FDG代谢显像在临床上的主要用途，一是肿瘤的早期诊断与分期、转移与复发监测、疗效评价等；二是神经、精神疾病以及脑功能的研究，代谢显像能准确了解正常情况下和疾病状态的神经细胞的活动及代谢变化，并可用于研究不同的生理条件刺激下或思维活动状态大脑皮质的代谢情况，是大脑行为研究的重要方法，可谓是一种“活体自显影”；三是研究心肌细胞的活性，可以区别心肌的病变是坏死，还是可逆性缺血（如冬眠心肌)，为冠心病患者血运重建治疗的成败提供重要的依据，被认为是判断心肌细胞活性的“金标准”。（二)受体显像（receptorimaging)

受体是指细胞膜或细胞内的一些能首先与生物活性物质（例如药物、神经递质、激素和抗体等)相互作用的生物大分子。而受体显像是利用放射性核素标记的某些配体能与靶组织中某些高亲和力的受体产生特异性结合，通过显像仪器显示其功能与分布的技术。由于体内受体的含量极少，例如脑内的受体含量仅占全脑的百万分之一，因此，目前应用其它的显像技术无法显示出来。而核医学受体显像为在生理情况下，研究人体受体的分布（定位)、数量（密度)和功能（亲和力)提供了唯一的、无创伤性手段。特别是神经受体显像已经成为某些神经精神疾病（如Parkinson病)诊断和研究的重要手段。受体显像的发展也促进了受体介导的放射配体治疗的研究。配体与相应的膜受体结合，除了能传递细胞信息、引起细胞发生生理、生化改变等生物效应外，还可通过内在化(internization)过程与受体一起不断地进入细胞内。进入细胞浆的配体和受体可在溶酶体酶的作用下被降解，而受体也可再循环返回至胞膜，成为影响和调节细胞膜受体浓度的重要环节。某些配体与受体之间的结合还可诱导细胞凋亡，若用合适的放射性核素标记能抵抗生物降解的特异性配体，则放射性配体通过与受体结合而聚集在细胞浆内，利用其放射性核素衰变时发射的射线，便可有效地杀伤细胞，达到治疗肿瘤疾病的目的。近年来，应用多肽类放射性药物进行受体显像也是分子核医学研究的重要课题。在生物进化过程中，氨基酸始终起着枢纽作用，它是包括分子信息、信息转导以及识别/转化单元等在内的一个巨大阵列的结构单元。小至一个氨基酸，大至一个多肽、蛋白质分子，在生物学信息网络中都起着重要的作用。各种配体都有相应的受体，在与受体结合后，通过信号转导系统与某些细胞的生化过程或生理过程相联系，配体与受体的相互作用则是一种重要的分子识别系统。肽类放射性药物的优点是：分子量小、在血中清除快、穿透能力强、与受体的亲和力较高，容易得到较清晰的显像；此外，肽比较容易合成（小的可用肽合成仪，大的可用基因重组技术)，用于显像只需取大分子肽与结合有关的部分肽段，并可根据标记的需要将其与受体结合无关的羧基端延长，为放射标记提供方便，在核医学显像与治疗中有重要的发展前景，将有可能成为21世纪放射性药物发展的支柱。（三)反义与基因显像

应用放射性核素标记人工合成的反义寡核苷酸，引入体内后，通过体内核酸分子杂交而与相应的靶基因结合，应用显像仪器便可观察其与病变组织中过度表达的目标DNA或mRNA发生特异性结合过程，显示特异性癌基因过度表达的癌组织，定位和定量特异的靶基因，从而达到在基因水平早期、定性诊断疾病的目的，这种以显示癌基因为基础的反义显像（antisenseimaging)，使肿瘤显像进入了基因水平，成为核医学显像中具有发展前景的技术，也有可能成为未来“分子影像学”的重要组成部分；而另一方面，利用聚集于靶基因局部的放射性核素发射的射线，破坏相应的致病基因，引起DNA链的断裂和损伤，以达到基因放射治疗目的。自从DNA的研究开始至今，分子生物学已经有了巨大的发展，近年的研究已基本阐明，哪些分子进行哪些反应，人类基因库计划已描绘出人类基因的初步草图，以提供人类基因学中90％的碱基配对序列。然而，人类还需要进一步弄清楚这些基因与蛋白质制造之间的关系，以及所制造的蛋白质有何功能？基因的突变或缺失与导致疾病之间的关系？通过改变某些基因进一步探讨机体所产生的生化反应或表现，从而了解其表现与基因间的关联，为疾病的分子诊断和生物治疗计划的制定与监测提供重要信息。在这些研究领域中，分子核医学将会发挥愈来愈重要的作用。基因重组技术将可以产生治疗疾病机制的特殊蛋白质制造基因联接在病毒的DNA上，利用携带治疗基因的病毒“感染”病人，从而将治疗基因感染到病人细胞的染色体DNA上，并转录到mRNA，进而制造此特殊蛋白质用以治疗疾病。而分子核医学将有可能监测携带治疗基因的病毒是否成功感染病人以及是否会成功转录到mRNA上，作为监测基因治疗的重要手段。人们可以在重组治疗基因的病毒DNA上同时插入一段报道基因(reportgene)，治疗基因与报道基因共表达，这样只要能探测到报道基因的表现出现在病人体内，就能推论治疗基因的成功植入与表达。在基因显像方面，多药耐药基因的显像研究可以说是一个典型的例子。加拿大多伦多的研究学者发现，某些癌症病人对于化疗产生抗药性，这些病人的癌细胞具有一共同特点，就是体内有超过正常人许多的某种蛋白质，他们将这种特殊的蛋白质称之为p-醣原蛋白（p-glycoprotein)。这种蛋白质存在于癌细胞的细胞膜，会将细胞内的抗癌药物排到细胞外，以致降低这些抗癌药物的疗效。后来他们发现，这种蛋白质之存在乃是由一种称之为多药耐药基因所表现出来的。这种基因在某些病人身上是在抗癌药物治疗之前就已存在的，在逐步发生抗药性的过程中逐渐被引发出来。后来人们也发现，临床常用的心肌灌注显像剂99mTc-MIBI也与有耐药性的抗癌药物相同的途径从癌细胞内排到细胞外，这一信息对于癌症的化疗计划与监测相当有用，人们通过99mTc-MIBI显像能够见到这种多药耐药基因的表达。（四)放射免疫显像研究

放射免疫显像(RII)与放射免疫治疗(RIT)曾经引起核医学界的广泛关注，并寄托了无限的希望，但近些年的临床实践表明，该法还有许多技术难题尚未解决而影响到进一步的发展，如产生HAMA、分子量大血液清除慢、T/NT比值低、穿透能力差、靶组织分布不均匀等缺点。人们逐步将视线转移到Fab’、F(ab’)2、Fab、ScFv（单链抗体)，甚至超变区肽段（分子识别单元)。ScFv是由重链可变区与轻链可变区联接起来的多肽链，分子量大约为Fab的一半，但其亲和力和特异性与Fab相同。ScFv的肿瘤穿透能力为完整抗体分子的100多倍，F(ab,)2和Fab的穿透力居中，在血中的半减期仅0.5h，其清除速率为Fab’、Fab的5倍。ScFv能均匀分布于肿瘤，而完整抗体分子则主要聚集于接近血管部分。ScFv的T/NT高达40，为Fab‘的3倍和Fab的2倍。此外，利用基因工程重组技术合成双价的微型抗体，以及生物素(biotin,B)-亲和素(avidin,A)预定位技术被引入放射免疫显像技术，可望克服放射免疫显像与治疗的某些不足。（五)凋亡显像（apoptosisimaging)

程序性细胞死亡又称细胞凋亡，是近些年人们关注的话题，凋亡细胞的死亡与细胞坏死不同，凋亡是一种可诱导的有机组织死亡的能量需求形式，其细胞的消失不伴有炎症反应出现，而坏死则是混乱无序的，没有能量需求，导致局部炎性改变，常常继发于突发的细胞内成份释放；凋亡可以由于细胞核受到严重损伤、如g或X射线照射或线粒体内受到各种病毒侵袭等诱导产生，此外，也可通过外部的信号诱导，如fas配体与fas受体之间的相互作用诱导。过去对细胞凋亡的监测主要是通过流式细胞仪在体外进行，而通过仪器对活体组织的凋亡细胞进行显像则是近年发展起来的新技术，对于某些疾病治疗药物的设计与研究、治疗效果监测是非常有用的。细胞膜上磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine)的异常表达是用于凋亡监测目的的靶物质，而35KD的生理蛋白磷脂蛋白（AnnexinV，又称膜联蛋白)对细胞膜上的磷脂酰丝氨酸微分子具有很高的亲和力。AnnexinV可以通过螯合剂HYNIC(hydrazinonicatinamide)和N2S2与99mTc直接耦合到巯基基团上进行放射性标记。在体外实验中，99mTc-AnnexinV可与凋亡的细胞结合，实验动物显像也可显示其凋亡过程。目前，凋亡显像主要用于肿瘤治疗效果监测、心脏移植排异反应监测、急性心肌梗死与\t"/kecheng/2013/_blank"心肌炎的评价等。

三、分子核医学的主要技术问题分子核医学还处在发展的初期阶段，分子核医学的成熟与发展有赖于相关学科的进步和支持，同时也包括自身方法的逐步完善，其中分子生物学技术的发展、放射性药物的研制和放射性核素标记技术的改进以及核医学探测仪器分辨率的改善是分子核医学发展与成熟的关键。1．分子生物学技术的进步

没有分子生物学技术的支持就不可能有分子核医学的形成，同样，没有分子生物学技术的进步，分子核医学就不可能走向成熟。因此，现代分子生物学研究成果是分子核医学的理论源泉。有了分子克隆技术，人们才有可能弄清细胞膜受体和核受体的结构，从而阐明受体与配体结合的机制以及受体影响细胞生化过程的分子机制。没有这些基础的研究，也就不可能成功地建立受体显像技术。分子生物学的发展促进了反义显像与基因显像技术的建立，可以说，当今分子核医学面临的难题也正是分子生物学要解决的关键问题，如反义寡核苷酸进入体内受核酸酶破坏问题等；放射性核素标记单克隆抗体进行肿瘤放射免疫显像诊断与治疗的成熟和应用于临床还需要依赖生物医学工程技术研制出人源性抗体、重组单抗片段或微型抗体等。2．放射性药物的研究

放射性药物的研究一直是核医学研究的方向之一，也是制约核医学发展特别是分子核医学发展的重要因素。无论是分子水平的显像诊断，还是分子水平的核素治疗都必需有高质量的放射性药物。当然用于分子核医学显像和治疗的药物研制，在很大程度上取决于生物学技术的进步。分子核医学常用的放射性药物主要包括放射性核素标记反义寡核苷酸、放射性配体、放射性核素标记的单克隆抗体、放射性核素标记的多肽类药物以及某些代谢底物等。在分子核医学中，理想的放射性药物需具备的条件主要包括药物进入体内后靶与非靶的比值、血中清除速度、射线的种类、能量的高低、药物在病变组织停留的时间、药物来源是否方便等。而且用于显像诊断和用于治疗目的的药物要求也不一样。3．标记技术的研究

放射性药物的制备过程中，放射性核素标记技术是制备的重要环节，无论是分子核医学诊断还是治疗用药物，其药物的化学、物理学和生物学性能是决定分子核医学成败的重要因素。特别是涉及分子核医学的放射性药物，被标记物质多为小分子物质，如配体、核苷酸、代谢底物、单抗片段以及多肽类物质等，应用常规的标记技术常难以达到理想标记的目的，需要对待标记物进行适当的化学修饰和使用适当的螯合剂。化学修饰的目的是为了增加标记物在体内的稳定性，避免在体内受到破坏、分解，改善标记药物在体内的功能。而在标记过程\t"/kecheng/2013/_blank"中使用螯合剂的目的是将放射性核素与被标记的分子能牢固地联结起来，提高标记率。例如在标记反义寡核苷酸时，常使用DTPA、MAG3、联肼尼克酰胺衍生物（SHNH)等作为螯合剂。因此，标记技术成为分子核医学研究的重要内容之一。4．显像仪器分辨率的改善

核医学的影像是一种功能影像，不可能达到如解剖学影像一样的高分辨率，但是PET的应用使核医学影像的分辨率有了显著提高，常规临床PET的空间分辨率可达4～5mm，但是与MRI和CT相比仍有较大差距。高分辨PET的研制将推动分子核医学的进步，特别是在基础医学研究方面。据报道，美国新近推出的动物显像用Micro-PET其显像分辨率为1.8mm，为临床PET的10倍，灵敏度也大为提高，达200cps/mCi，新一代Micro-PET预计目标分辨率将达1mm。因此可以预料，高分辨率的核医学分子影像技术的应用，将为核医学研究活体动物的生化与功能变化、药物的药理作用、预期副作用、药物与靶组织之间的作用、监测药物在体内的吸收、分布代谢过程开辟了一条新的途径，将大大缩短新药的研究周期、降低研究成本，提高新药研究的效能，无创性的获得其它方法无法得到的动物与人类活体的生化与生理信息。

四、21世纪的分子核医学与分子影像什么是“分子影像”(molecularimage)？目前还没有统一的定义，根据其研究的目的及含义，分子影像可以理解为“显示正常与病变组织细胞的生理与生化变化信息的影像”，因此，可以认为分子影像实质上就是“生化影像”。在疾病的形成过程中，病变细胞基因的异常表达、受体密度的变化以及代谢活性的异常，都是细胞某种生化改变的过程，由生化的改变导致功能改变，继而产生解剖学结构与形态的改变，因此，分子水平的变化是疾病发生的最早期信息。随着分子生物学和医学影像技术的研究进展，人们预料，在新的世纪，影像医学的发展将从解剖学或病理学的影像