功能影像和生物靶区：实验与临床研究进展

于金明  陈少卿

转载自《中国癌症杂志》2006年第16卷第6期443～447页

摘要

功能影像已经逐渐应用于靶区勾画，并导致了生物靶区及生物适形调强放疗等概念的产生。本文对生物靶区和生物适形调强放疗的研究进展进行了综述，着重介绍了葡萄糖显像、氨基酸显像、核酸显像、乏氧显像、基因显像及分之影像的现状，探讨和展望了功能影像和生物适形调强放疗的发展方向。

功能影像和生物靶区：实验与临床研究进展

随着影像技术的迅速发展，单光子发射计算机断层（single photon emission computed tomography,SPECT）、正电子发射断层（positron emission tomography,PET）等功能影像已经逐渐应用于靶区勾画，为更全面地了解肿瘤和正常组织的功能状态提供了更好的手段。功能影像能够确定靶区内癌细胞分布以及靶区内不同区域放疗敏感性的差异，从而对靶区的确定有了新的认识。由于功能影像的快速发展，直接导致了生物靶区（biological target volume,BTV）及生物适形调强放疗（biological IMRT,BIMRT）等概念的产生。生物靶区指由一系列肿瘤生物学因素决定的靶区内放射敏感性不同的区域，这些因素包括：乏氧及血供、增殖、凋亡及细胞周期调控、癌基因和抑癌基因改变、浸润及转移特性等。它既包括肿瘤区内的敏感性差异，也应考虑正常组织的敏感性差异，而且均可通过分之影像学技术进行显示。BIMRT则是指利用先进的IMRT技术，给予不同的生物靶区不同剂量的照射并达到最大程度地杀灭肿瘤和最大限度地保护敏感组织。本文结合我院的工作将BTV和BIMRT的研究进展综述如下。

1  葡萄糖显像

1.1  概述  ¹⁸F-FDG是目前临床应用最广泛的正电子显像剂，它是葡萄糖结构的类似物，通过细胞膜上的转运蛋白进入细胞内经已糖激酶催化生成6－磷酸－FDG，此产物滞留细胞内但并不参与进一步代谢，可以反映体内葡萄糖的利用状况。绝大多数恶性肿瘤具有高代谢的特点，因此，¹⁸F-FDG可用于恶性肿瘤的诊断并了解其累及范围。研究表明，¹⁸F-FDG对于肺癌、乳腺癌、淋巴瘤、头颈部等肿瘤的诊断和定位均有重要意义。通常放疗计划的制定通常是以CT定位为基础，但随着近年来PET/CT的临床应用，PET/CT融合影像已越来越多地用于恶性肿瘤靶区勾画，有研究表明PET/CT融合影像能明显改善放疗计划的制订。于金明等对148例恶性肿瘤治疗前行PET/CT扫描，对扫描前后检出病灶进行定性分析，重新确定期别和治疗方法。结果发现恶性或可疑病灶79个，25个病灶排除或修正诊断。52例检出病灶与检查前不符，28例重新分期，12例修正诊断，57例治疗方法发生改变。结果提示放射治疗前行PET/CT检查可以提高诊断准确性和定位的精确性，减少病灶的遗漏，对制订合理有效的治疗方案具有指导价值。

1.2  非小细胞肺癌  用CT勾画非小细胞肺癌（NSCLC）靶区常会将转移淋巴结遗漏，而FDG PET从代谢水平对淋巴结进行检测，能检出在CT上看来是正常大小的转移淋巴结，使GTV勾画更加准确。Erdi等将FDG PET与CT图像融合，制定NSCLC的3-DCRT放疗计划，11例患者中7例PTR增大5％～46％（平均19％），主要是因为PET发现了更多的转移淋巴结；4例PTV减小2％～48％（平均18％）。我院巩合义等对58例确诊的NSCLC患者进行了PET/CT检查，并以CT图像、PET/CT融合图像勾画大体靶区，以相同参数制订3-DCRT计划，评定两个计划的优劣。结果显示PET/CT使21例（36.2％）患者的临床分期发生改变、16例（27.6％）患者的治疗计划发生改变。在进行手术的32例患者中，术后病理结果与PET/CT分期一致者29例，假阴性1例，假阳性2例。由PET/CT与由CT制订的放疗计划的V_GTV、V₂₀和MLD之间的差异均有非常显著性（P均＜0.01），前者小于后者，而D_S、TCP、NTCP（左肺、右肺、皮肤、脊髓）的差异无显著性（P＞0.05）。结果说明应用PET/CT勾画靶区，在伴有肺不张和阻塞性肺炎时可明显减少GTV，可更好地保护周围正常肺组织；PET/CT可在保证D_S、TCP和NTCP符合临床要求的前提下，更精确地确定NSCLC放疗靶区和制订放疗计划。另外，我院李万龙等对12例NSCLC患者数千行PET/CT检查，以术后病理作为金标准进行比较，结果发现PET/CT检测纵隔淋巴结的敏感性为83.3％，特异性为95.7％，准确性为94.7％，阳性预测值为62.5％，阴性预测值为98.6％。尤其对短径为5～10mm的纵隔淋巴结是否转移的判断比较准确，因此我们认为FDG PET/CT对NSCLC患者治疗方案的制订有较高的临床价值。

1.3  食管癌  功能影像技术也在逐渐应用到食管癌放疗计划制订过程中。FDG PET/CT可在一定程度上更精确地确定食管病变长度，从而能更有效地确定GTV大小和区域淋巴结转移情况，并修正解剖影像制订的放疗计划。Moureau-Zabotto等研究了34例食管癌患者，PET扫描发现2例因有远处转移而从根治性放疗转为姑息性放疗。PET/CT融合图像使12例（35％）患者的GTV缩小，7例（21％）增大，其中4例GTV减少≥25％，2例GTV增加≥25％，PET/CT融合图像改变了18例患者的治疗计划，25例（74％）V₂₀发生改变。我院对32例食管癌患者进行了术前食管镜、食管X线钡餐、CT和FDG PET/CT检查，检查结果与手术标本比较。食管镜、食管X线钡餐、CT、PET/CT及手术标本所示食管癌原发灶的平均长度分别是（3.797±1.447）cm、（4.140±1.460）cm、（4.375±1.596）cm、（5.328±1.856）cm及（4.734±1.746）cm。由于标本的回缩使手术标本与实际长度存在一定差异，手术标本与实际长度的平均比值为0.8359，以此值校正手术标本后，实际病变长度为（5.663±2.089）cm，PET/CT所示食管癌原发灶与实际病变长度最接近。PET/CT有助于指导放疗靶区的精确确定。

1.4  头颈部肿瘤  FDG PET影像亦用于头颈部肿瘤的靶区勾画并改善了放疗计划的制订。Paulino等对40例头颈部患者进行了CT和PET扫描，并分别勾画GTV，制订放疗计划。结果30例（75％）的GTV_PET＜GTV_CT，7例（18％）患者GTV_PET＞GTV_CT。GTV_PET和GTV_CT的平均体积分别为20.3cm²和37.2cm³。如果用PET图像勾画靶区实施IMRT，大约只有25％的患者GTV_PET受到的照射剂量小于95％处方剂量。Rahn等报道34例头颈部鳞癌患者，其中22例原发，12例复发，均在制订放疗方案前用FDG PET进行计划修订，发现原发患者中9例、复发患者中7例FDG PET发现了新的病灶，需要改变治疗策略或修改放疗靶区。对于原发肿瘤较大（T₃、T₄期）及颈部淋巴结转移较严重（N₂、N₃期）的患者，治疗计划需要更多修改，作者认为在放疗前进行¹⁸F-FDG PET检测用于头颈肿瘤的制定放疗计划有重要意义。

1.5  其他研究  将PET与CT图像进行异机和同机融合，用于精确放疗的研究已得到了肯定，但FDG PET影像精度和进一步开发应用仍将是生物靶区显像研究的重点。我院王学涛等用不同浓度¹⁸F-FDG灌注体模上的标志点和不同尺寸的圆柱体并进行PET和CT扫描，比较圆柱体的PET影像体积和CT影像体积，以及PET/CT的融合精度，结果显示圆柱体PET影像体积和CT影像体积有较好的一致性，PET/CT同机融合的精度完全符合放疗的临床要求，¹⁸F-FDG PET影像可用于照射靶区的勾画。虽然FDG PET/CT融合图像有助于肿瘤靶区的勾画，但呼吸运动等生理运动仍会对融合精度和放疗计划产生较大影响。我院邢力刚等对13例非小细胞肺癌患者分别采用几何中心法（COG）及体积法测定PET/CT同机图像融合精度并分别用PET、CT及PET/CT融合图像制订放疗计划，结果显示3组治疗计划中，肺的受量（V₂₀、肺平均受量）、脊髓最大剂量、心脏平均和最大受量的差异均有显著性（P＜0.05），建议采用融合图像制定放疗计划时必需对融合精度进行测定并采用呼吸门控等措施降低融合误差。

2  氨基酸显像  从理论上说，几乎所有的氨基酸均可进行放射性标记，但从研究的可行性和获得高质量图像出发，目前仅对蛋氨酸（MET）、酪氨酸（TYR）等集中氨基酸显像研究较多。¹¹C-MET是目前用于PET最多的氨基酸类显像剂之一，它能反映体内氨基酸的转运、代谢及蛋白质的合成，它在正常脑组织中的摄取明显低于FDG，故可更好地用于胶质瘤的研究，尤其是低度恶性胶质瘤的靶区勾画具有优势。Ogawa等对10例脑瘤患者（5例高分化胶质瘤、4例低分化胶质瘤、1例脑膜瘤）术前分别行¹⁸F-FDG PET和¹¹C-MET PET，并进行CT和MRI检查。结果发现，4例低分化的胶质瘤中均显示可见的代谢灶，其FDG SUV为6.5±2.8，MET SUV为3.8±1.5；5例高分化胶质瘤的FDG SUV为3.0±0.9，MET SUV为2.0±0.6，（P＜0.02）。¹¹C-MET PET能清楚地将肿瘤的浸润范围显示出来。因此，¹⁸F-FDG PET在检测恶性脑瘤很有帮助，而¹¹C-MET PET在勾画肿瘤的轮廓方面有其独到价值，两者对脑瘤的靶区勾画互相补充。Nuutinen等采用¹¹C-MET PET与MRI进行融合制定放疗计划，发现在27％（3/11）的病例中¹¹C-MET PET有助于GTV勾画，同时定量¹¹C-MET PET    还具有一定的预后指导意义。

3  核酸显像  放射性核素标记的核酸代谢前体及其类似物在淋巴瘤、头颈部肿瘤、小细胞肺癌、软组织肉瘤、脑瘤中有很高的摄取，并可预测肿瘤的侵犯程度。目前研究较多的显像剂包括¹¹C标记的甲基－¹¹C-胸腺嘧啶、2－¹¹C-胸腺嘧啶、¹⁸F-胸腺嘧啶（FLT）以及⁷⁶Br、¹⁸F、¹²³I、¹²⁴I等标记的脱氧尿嘧啶，临床前期和临床研究均表明利用这些显像剂进行PET或SPECT显像可反映肿瘤的增殖状态，但与放射治疗计划制定相结合的报道目前还较少。

Buck等对30名CT证实具有肺结节的患者行FLT PET显像，SUV作为半定量分析指标，显像后2周内行外科切除术或穿刺活检，取出肿瘤组织，用Ki-67特异性单克隆抗体MIB-1进行免疫组化染色，对肿瘤细胞的增殖活性进行定量评估。分析FDG和FLT与肿瘤细胞增殖活性的相关性。结果显示：22名患者为恶性肿瘤，平均增殖指数为30.9％；8名患者为良性，平均增殖指数＜5％。除1例NSCLC原位癌和1例低增殖指数（10％）的高分化大细胞肺癌患者外，其余11例NSCLC患者的FLT SUV均显著升高。FLT SUV和增殖活性有显著相关性（r＝0.87，P＜0.000 1）。结果表明恶性病灶对FLT的摄取有较高的特异性，会有助于的良恶性鉴别诊断、增殖情况的评估以及预后的判断。Pio等最近对11名初诊为乳腺癌的患者分别于化疗前、首次剂量后2周、化疗结束后2周进行了FDG-PET和FLTPET显像比较，结果表明FLT能够较FDG更准确的预测化疗后乳腺癌特异性抗原的最终变化以及肿瘤治疗的最终疗效。

4  乏氧显像

肿瘤乏氧一直是放射生物学领域研究的热点，利用简便、准确的方法确定活体肿瘤的乏氧状态，既能有效地解决乏氧抵抗问题，又能根据肿瘤乏氧状态勾画BTV，从而进一步提高放疗疗效。如果能在放疗前确定肿瘤的乏氧区域和乏氧状态，可以有针对性地采取措施，如①给予乏氧区高剂量照射，即乏氧影像引导的生物调强放疗；②通过了解再氧合情况和规律调整治疗分割方式，即乏氧适应性适形调强放疗；③结合乏氧增敏剂，并作为其作用的评价手段。从已经进行的研究看，乏氧显像研究主要集中再硝基咪唑类（MISO）乏氧显像和非硝基咪唑类乏氧显像上。

4.1  硝基咪唑类（MISO）乏氧显像  MISO类物质由于具有还原性硝基，能与乏氧细胞特异性结合，可以反映肿瘤乏氧区域分布情况。常见的MISO显像剂包括¹⁸F-MISO、¹⁸F-ETNIM等多种化合物及其衍生物。¹⁸F-MISO为放射性卤素标记的硝基咪唑化合物，是第一个用于临床诊断研究的硝基咪唑类化合物，能较好地反映肿瘤乏氧情况。Rasey等利用¹⁸F-MISO观察了37例肿瘤患者，在36例中观察到了乏氧情况，其中21例NSCLC乏氧比例平均为47％。Tochon-Danguy等在C6胶质瘤动物模型研究中发现，肿瘤的¹⁸F-MISO吸收明显高于正常脑组织，肿瘤与脑组织的比值为1.9，研究显著显示¹⁸F-MISO有助于肿瘤的乏氧研究。虽然¹⁸F-MISO能较好地反映肿瘤的乏氧情况，但¹⁸F-MISO存在注射和显像时间间隔长等缺点。¹⁸F-ETNIM为¹⁸F-MISO的改进产物，乏氧显像效果优于¹⁸F-MISO。Lehtio等利用¹⁸F-ETNIM检测头颈部肿瘤患者乏氧状态，3h的肿瘤/肌肉吸收比在1～4，优于¹⁸F-MISO，¹⁸F-ETNIM显像有可能用于生物靶区的勾画。

4.2  非硝基咪唑类乏氧显像  非硝基咪唑类物质为另一大类乏氧显像物质，主要包括酮肟（AO）类化合物和Cu标记的BTS（二硫半卡巴胂）衍生物。①酮肟（AO）类化合物：以^99mTc-HL91的研究最为引人注目，^99mTc-HL91是放射性金属核素标记的乏氧显像剂，多种实体瘤动物显像试验验证了^99mTc-HL91探测乏氧组织的可行性。我院李玲等对30例NSCLC患者进行了^99mTc-HL91 SPECT显像，采集注射^99mTc-HL91后2h、4h及6h肿瘤的各方向平面图像，分别勾画各时相肿瘤和对侧相应部位感兴趣区，计算靶/非靶（T/N）比值。结果显示^99mTc-HL91选择性地浓集于肿瘤组织，浓集区域与CT显示肿瘤区域一致。研究提示^99mTc-HL91显像是一项有价值的肺癌检查手段。②Cu标记的BTS衍生物：主要包括⁶²Cu-PTSM和⁶²Cu-ATSM等。本类化合物具有较高细胞摄取量和更快的从正常氧合组织清除速率，而铜核素的半衰期也较长，从而可以提供更高质量PET图像，是一类较有希望的显像剂。进一步研究显示，本类物质乏氧显像指导调强放疗可使乏氧组织的受照剂量增加而减少影响正常组织。Chao等以⁶²Cu-ATSM进行PET乏氧显像，并与CT图像融合勾画靶区，将⁶²Cu-ATSM摄取高于正常组织2倍定义为乏氧肿瘤区，给予乏氧肿瘤区80Gy/35次，大体肿瘤靶区70Gy/35次，临床靶区60Gy，初步结果证明了⁶²Cu-ATSM显像指导IMRT的可行性。

5  基因显像和分子影像  基因显像包括两部分，即基因表达显像和反义显像，前者是指将功能基因（即报告基因）转移至靶细胞而赋予新的功能，再以核素标记来显示其基因表达的显像；后者是指利用核酸碱基互补原理，用放射性核素标记人工合成或生物体合成的特定反义寡核苷酸，与肿瘤的癌基因mRNA相结合显示其过度表达的靶组织的显像。野生型HSV1-tk或突变型HSV1-tk基因（HSV1-sr39tk）及p53基因是目前PET分子显像研究最常用的基因，其表达情况和肿瘤的发生密切相关。Jacobs等报道在复发性胶质母细胞瘤的临床I/II期试验中，采用¹²⁴I-FIAU PET检测HSV1-tk表达活性，在报道的5例患者中，1例患者PET显示肿瘤内有FIAU的特异性摄取，给予鸟嘌呤（GCV）后，FDG-PET和MET-PET显示该区域有坏死，说明发生了基因治疗反应。而其他4例患者未观测到FIAU的摄取，这4例患者组织病理学检测发现其增殖活性均较低，提示FIAU PET显像需要一定数量的细胞转染报告基因即有一定的阈值。Doubrovin等将HSV-tk和增强绿色荧光蛋白（egfp）融合基因重组至p53特异性反应元件内，构建特定的双报告基因系统（Cis-p53/TKeGFP）。DNA损伤（BCNU化疗）诱导p53基因转录活性上调，从而导致p53依赖型的下游基因（包括p21）的表达，可通过基因显像进行分析。在U87（p53+、/+）细胞和移植瘤上均可观察到特异性显像，而在SaOS（p53－/－）细胞株则无显像。

表皮生长因子受体（EGFR）显像是近年来研究的另一个热点。表皮生长因子受体在人类的多种实体瘤中过度表达，与肿瘤细胞的生长、分化、血管生成、侵袭转移、放射治疗抗拒以及肿瘤患者的不良的预后密切相关。EGFR作为分子靶向治疗的靶标已成为人们关注与研究的热点，但EGFR的显像研究在国内尚未开展。自2005年以来，我院通过合成¹¹C-PD153035进行EGFR PET/CT分之显像研究，在活体内无创的检测肿瘤细胞EGFR的表达水平。我们首先筛选不同EGFR表达水平的MDA-MB-468、A549、MDA-MB-231 3种细胞株，在裸鼠皮下种植肿瘤细胞形成荷瘤，利用PD153035前体通过系统合成¹¹C-PD153035，注射¹¹C-PD153035后在PET下进行图像的采集和分析。结果发现荷瘤对¹¹C-PD153035摄取与EGFR表达的水平密切相关，并存在显著差异。并且¹¹C-PD153035在肿瘤内的浓度保持相当的稳定性，因此EGFR显像对肿瘤放射治疗具有积极的指导作用。

6  展望  综上所述，功能性影像和生物靶区研究已取得了很大进展，虽然这些技术目前尚未能常规应用于临床，但却有从根本上改变治疗方式的趋势。放射诊断学、放射治疗学和核医学都是利用了放射性物质的不同特性，随着科学的发展，这三门学科各自成为相对独立的学科，然而近年来随着计算机技术和分子生物学的飞速发展，上述三门科学以生物学为纽带出现了融合的趋势，所谓的BIMRT便是这些学科融合的结果。目前，IMRT的发展使放疗剂量分布的物理适形达到了相当高的程度，而功能性影像则开创了一个生物适形的新时代，由物理适形和生物适形紧密结合的多维适形调强放疗必将成为二十一世纪肿瘤放疗的发展主流。

[参考文献]：略

作者介绍

于金明，男，研究院，博士生导师。现任山东省肿瘤医院院长兼放疗科主任，中国癌症研究基金会常务理事，中国癌症研究基金会无创伤治疗研究中心主任、中华放射肿瘤专业委员会理事，山东省抗癌协会副理事长，山东省医学会放射肿瘤专业委员会主任委员、山东省肿瘤放射治疗中心主任、天津医科大学肿瘤学专业博士生导师、东南大学生物医学工程系兼职博士生导师、华中理工大学兼职博士生导师、山东省医学科学院硕士研究生导师。于金明教授1988年赴浓眉国弗吉尼亚大学医学院放射肿瘤中心学习，在美国期间在《美国癌症杂志》、《美国放射肿瘤学杂志》、《美国细胞分析学杂志》、《哈佛大学学报》等世界著名学术杂志上以第一作者发表论文多篇，多次出席学术会议并宣读论文。1993年回国后在国内率先开展了乳腺癌保留乳房术后半野切线照射、头颈部肿瘤的半野照射、肿瘤放疗CT定位技术、胸膜间皮瘤的复合照射技术、恶性肿瘤的全身照射和全身淋巴结照射、颅脑和体部肿瘤的立体定向放疗、适形放疗和调强放疗等多项新放疗技术。目前致力于肿瘤立体定向放疗、适形放疗和调强放疗。