小动物PET在药物研究中的应用.pdf

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1、小动物 PET 在药物研究中的应用 方红娟，杜延荣，李 方， 陈 方 （中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院核医学科， 北京 100730） 收稿日期： 2005 -10 -08， 修回日期： 2005 -12 -17 作者简介： 方红娟 （1979 - ） ， 女， 硕士生， 研究方向： 放射性药物， Tel： 010-65295510， E-mail： fanghj sohu. com； 李 方 （1957 - ） ， 男， 主任医师， 硕士生导师， 研究方向： 临床核医学， Tel： 010-65295502 中国图书分类号： R-332； R 814. 42； R 817； R

2、91 文献标识码： A 文章编号： 1001 -1978 （2006） 03 -0270 -04 摘要： 小动物 PET 是一种定量显像技术， 能够无创伤地、 动 态地显像正电子核素标记的放射性药物在活体内的分布， 为 药物研究和评价提供了一个新的研究方法和途径。这篇文 章主要介绍了小动物 PET 的一些基本知识及其在药物开发 和研究中的应用。 关键词： 小动物 PET； 分子显像； 药物研究 药物研究过程需要监测药物在实验动物体内的 药代动力学和药效学 1， 目前常用的方法是在不同 的时间点处死实验动物测定血药浓度， 不能提供活 体内的动态信息， 而且需要牺牲大量实验动物， 因而 迫切需要一

3、种能在活体体内进行分子研究的新的方 法。正电子发射断层显像技术 （Positron Emission Tomography， PET） ， 是利用正电子核素标记的示踪 剂进行活体显像， 能够无创伤地、 动态地、 定量地从 分子水平观察活体生理生化变化特点的一种定量显 像技术。小动物 PET 是基于 PET 临床诊断技术发 展起来的专门用于小动物的断层显像装置， 它具有 灵敏度高， 可定量以及实验结果可直接类推至临床 等优点 2， 因而受到了广大医药研究者的重视。就 PET 而论， 虽然可以在现代人体 PET 扫描仪上获得 小鼠肿瘤的显像， 但在费用上是极大的浪费， 效果也 欠佳， 专门的小动物

4、 PET 扫描仪能大大提高灵敏度 和空间分辨率。 小动物 PET 用于药物的开发和研究， 引起了全 球医药界的极大关注， 目前世界上至少有 200 个科 研机构和动物显像实验室常规使用小动物 PET 进 行药物研究。小动物 PET 用于药物研究典型的例 子就是 11F FDG 用于评价细胞的葡萄糖代谢， 其代 谢异常增高是恶性肿瘤细胞转移的主要特征 3。 1 小动物 PET 及其用于药物研究的优势 小动物特别是小鼠， 在研究人类生物学和疾病 过程中起至关重要的作用， 小鼠和人类有着几乎相 同 （约 95%） 的基因组， 这为研究人类基因功能提供 了平台 4。小动物 PET 能清晰识别小动物的器

5、官 结构， 研究者可以通过将药物分子中的某些基团用 发射正电子的核素标记， 利用小动物 PET 观察药物 在活体内的药代动力学、 生物分布、 药效学等随时间 的变化， 了解抗癌药物的早期反应和基因治疗等方 面的信息。 1. 1 小动物 PET 及其原理 小动物 PET 扫描仪， 最初在加利福尼亚大学洛杉矶分校克伦普研究所研 制， 现在已有许多不同的型号， 最近研制成功的小动 物 PET 扫描仪其空间分辨率已能达到 1 mm 5。小 动物 PET 是由封闭多环型探测器， 电子前端放大与 符合系统、 计算机系统以及检测台构成。小动物 PET 显像的基本原理是将正电子核素标记的药物引 入体内并定位于

6、靶器官， 利用它们发射的正电子与 体内的负电子结合释放出一对伽玛光子， 被成对符 合探测器采集， 采集的信息通过计算机图像重建处 理成断层图像， 显示带正电子核素的药物在体内的 分布情况 6 8。 1. 2 用于小动物 PET 的正电子标记药物 利用小 动物 PET 进行药物开发和研究的正电子标记核素 主要有以下四种 6， 9， 一是正电子核素直接标记药 物， 如18F 取代药物中的氟或氢原子。二是正电子核 素标记人体本身具有或需要的化合物或类似物， 如 15O 标记的 H 2O 研究区域性血流速度。三是正电子 核素标记配体或抗体， 如 11C -CFT 可用于帕金 森早期诊断的显像。四是正电

7、子核素标记生物标志 物， 如 11C -PIB 用于评估淀粉样斑块， 诊断 AD。 1. 3 小动物 PET 用于药物研究的优势 小动物 PET 能够无创伤地、 动态地、 定量地显像正电子标记 的放射性药物在活体内的分布， 从而可以大大提高 新药研究的准确性和有效性， 缩短新药研究的周期， 减少新药研究的投入资金， 加速创新药物进入临床 应用的时间。 小动物 PET 用于药物研究的优势主要有以下 几个方面： 体外研究并不能直接推导到体内应 用， 而小动物 PET 显像的方法和结果可类推到人体 072中国药理学通报 Chinese Pharmacological Bulletin 2006 Ma

8、r； 22 （3） ： 270 3 研究， 提供了从动物研究到人体研究的桥梁， 因此加 速了药物和医学发展的步伐 8， 10， 缩短了新化合物 进入临床应用的时间。 可以在同一动物身上进 行无损伤的反复实验， 减少实验动物的使用， 节约了 实验费用 11， 无论在动物伦理学还是在减少实验研 究经费上更能让人接受。正如华盛顿大学放射学科 主任迈克尔韦尔奇所说， 小动物 PET 最大的优势 在于可以对同一只动物在不同时间点进行研究， 消 除种属差异。 能获得动态的数据资料， 以往的研 究方法在动物实验阶段， 多数数据的获得都是在处 死并解剖动物后离体测量， 一方面降低了测得数据 所反应的时值效应，

9、 另一方面使实验的连续性受到 影响， 不能在同一动物身上体现连续的动态测定， 而 小动物 PET 显像可以对实验动物进行动态扫描 11。 可对整个动物进行有效的测量和在体外快速的 扫描， 从而对整个实验过程进行纵向研究， 可以观察 动物体内疾病的发展状况以及药物对疾病的治疗效 果， 快速得出更加明确的结论 13。 2 小动物 PET 在药物开发和研究中的应用 新药研究可分为药物的开发、 研究和临床试用 3 个阶段。在第一阶段， 大量合成的有机化合物或 天然产物的有效成分， 在药理模型上进行随机筛选， 从而发现有进一步研究价值的先导化合物。在第二 阶段， 优化的先导化合物经过药效学、 药代动力学

10、和 毒理学等实验， 完成临床前的各项研究。第三阶段 进行一系列的临床试验， 并经药管机构审批同意后， 才能成为新药。 在药物的研究过程中， 我们必须解决以下几个 问题 14 16： 药物在血液和靶组织中的浓度能否 达到所需要的生物浓度， 即生物分布。药物与靶 点的结合情况即特异性。药物是否能达到特定的 生物效果， 如抑制增生扩散或减少组织乏氧， 即间接 评价。药物的代谢速率是否合适。只有这些问题 能在动物模型上得到满意的解决， 才有可能进入临 床研究。小动物 PET 能够很好解决这些问题， 提供 定量动力学、 体内药代动力学和药效学数据， 加速药 物开发和研究进程。 2. 1 新药的筛选 在新

11、药研究的第一阶段， 小动物 PET 是一个最理想的药物筛选的平台技术。高通量 的合成系统只有配置小动物 PET， 才能真正地达到 高通量地筛选先导化合物。小动物 PET 显像能在 候选药物中选择先导化合物。在体外检测能结合到 特定靶点的候选药物， 使候选药物的数量减少到一 个容易控制的范围内， 找出与靶器官亲和力最好并 具有高效性的先导化合物。例如， 在神经系统新药 的研究中， 利用小动物 PET 的定量示踪技术和一种 特定的核受体分子探针就可对单一受体进行大量的 化合物筛选。 2. 2 药代动力学、 药效学和临床前药理学 小动物 PET 可以获得放射性标记药物或者类似药物详细的 药代动力学信

12、息， 如药物分布清除率和对靶受体的 效果； 还可获得药物在机体内的组织分布； 是否穿越 血脑屏障； 是否有器官特异性； 药物代谢速率； 血药 浓度； 血浆与组织中药物含量比值及其他动力学参 数 17， 18。如 11C WIN35428， 一个可以与多巴胺受 体结合的可卡因类似物。在小鼠大脑左右纹状体， 3 mm 大小的肿瘤都可被清晰分辨。时间活性曲线显 示小鼠大脑的多巴胺丰富区域 （纹状体） 和多巴胺 贫乏区 （小脑） 有明显区别 19。 通过标记一个示踪剂评价药物的效果， 这种类 型的研究是通过药物干扰生物过程显像生理改变或 功能变化， 如可用 PET 显示葡萄糖、 氨基酸、 脂质代 谢，

13、 血管增生， 凋亡， 血流， 乏氧和骨代谢等 20， 21， 作 用机制都可通过受体占领， 酶抑制直接评估。这种 方法的优势在于能显像作用过程并定量分析。 监测药物治疗全过程， 提供活体动态信息， 并对 比治疗前后疾病状况； 药物摄取的组织特异性和药 物活性间的关系， 还可以知道可能产生的组织损伤 并进行人与动物的对比研究。监控传统化疗方法的 效果是小动物 PET 在显像药效学倍受关注的一个 重要应用， 如通过使用小动物 PET 监控雄激素治疗 前列腺肿瘤的效果就是这个原理， 可以发现利用雄 激素治疗前列腺肿瘤代谢的早期变化， 结果表明在 治疗 24 h 内血清中睾丸甾酮水平可影响前列腺内 的

14、葡萄糖新陈代谢。Lewis 等 22已经用小动物 PET 成功监测了雄激素治疗前列腺肿瘤的效果。 2. 3 竞争结合 小动物 PET 可以显示药物是否与 特定的分子靶点相结合。PET 显像能确定药物在体 内被转运并结合到靶组织以及在体内的药代动力 学， 如用 18F galacto-RGD 来研究它对 v3 的竞争 结合。v3是一个细胞支持受体， 在有活性的内皮 细胞层表达， 可诱导转导， 它能识别并结合到一个特 异的三肽序列 R00GD 配体。用专门的小动物 PET 显像可显示 18F galacto-RGD 与老鼠模型皮下肿瘤 v3结合的数量， 得出随着 v3拮抗剂环五肽 cy- clo

15、（-Arg-Gly-Asp-Phe-Val-） 数量的增加， 18F galac- to-RGD 与 v3的结合减少。这些研究可无创伤性 的评价药物对其他生物学位点的抑制作用， 而且可 用于肿瘤病人优化治疗剂量， 利用适量的 v3拮抗 剂， 保证与 18 Fgalacto-RG 适当程度的竞争结 172中国药理学通报 Chinese Pharmacological Bulletin 2006 Mar； 22 （3） 合 23。 2. 4 基因显像和基因治疗药物的研究 用小动物 PET 进行基因表达显像， 对转染基因的定位和表达 进行监测可用于小动物活体显像和药物研究， 引起 了研究者广泛的兴趣

16、， 如疾病的转基因模型。用一 个 PET 报告基因和用放射性核素标记的与之匹配 的报告探针， 主要是用于示踪基因定位和转基因的 表达。PET 报告基因和治疗基因通过启动子连接。 启动子激发治疗基因和报告基因的转录， 报告基因 的 mRNA 转译成一个蛋白变成显像 PET 报告探针 的靶点。比如， 放射标记的胸腺嘧啶脱氧核苷或尿 嘧啶类似物作为一个特定的酶， 单纯疱疹病毒 1 型 被其磷酸化， 报告基因就可表达胸苷激酶的活性。 Miyagawa 等 24已经成功应用 2-氟-2-去氧-1-D-ar- abinofuranosyl-5- 124I 碘标尿嘧啶对表达 HSV-1-tk 的乳腺癌老鼠进

17、行显像。 基因治疗是为了治疗某种基因性、 遗传性疾病 而采取的新的治疗手段， 通常利用修复某些损伤了 的基因或通过改变某些基因而破坏细胞增殖， 达到 治疗目的。近几年来， 随着分子生物学、 分子遗传 学、 免疫学等相关学科的渗透， 基因治疗特别是遗传 病和肿瘤基因治疗发展很快。在基因药物的研究 中， 利用小动物 PET 进行的放射性基因显像具有不 可替代的作用， 包括基因诱导受体显像、 转导基因表 达显像， 反义 DNA 或 RNA 对靶基因的直接显像等。 2. 5 肿瘤细胞多药耐药性和逆转成分的研究 临 床上肿瘤化疗失败主要是由先天性和获得性肿瘤细 胞多药耐药引起的。获得性多药耐药由多种病理

18、机 制形成， 例如 DNA 拓朴异构酶、 细胞谷胱甘肽升高、 P-糖蛋白 （P-gp） 表达异常等。小动物 PET 是研究 体内功能性转运的有效技术。因此， 在肿瘤细胞多 药耐药的基础研究和多药耐药逆转成分的研究中， 可发挥独到的作用。例如， 11 C-colchicine （秋水仙 素） 可用于肿瘤 P-gp 功能显像。进而为研究肿瘤细 胞多药耐药性和逆转成分提供了实验手段。 2. 6 中药学的研究 在现代中医药的研究领域， 小 动物 PET 提供了一个最新的研究方法和途径。特 别是对天然药物、 仿生药物以及中医药复方的研究 将是一场革命。成为传统中医药走向现代化、 全球 化的快通道和核心平

19、台。 3 结束语 小动物 PET 用于医药工业是药物发展的必然 趋势。医药工业可通过组合化学， 高通量筛选技术 和化学实验， 促进更多特定靶点分子显像探针的研 究； 同时， 通过小动物 PET 获得新药在动物体内的 生物分布， 特异性和药代动力学数据， 为将来药物临 床实验提供临床前数据， 节约了研究经费， 缩短了药 物从研发到进入临床应用的周期 20。综上所述， 小 动物 PET 将在开发和研究治疗人类疾病更多有效 靶点药物中起关键作用。 参考文献： 1 Weissledor R，Mahmood U. Molecular imaging J . Rradiology， 2001， 219：

20、316 -33. 2 Burns H D，Hamill T G，Eng W S， et al. Positron emission tomo- graphy neuroreceptor imaging as a tool in drug discovery，research and development J . Curr Opin Chem Biol，1999， 3 （4） ： 388 - 94. 3 King M A，Pretorius P H，Farncombe T， et al. Introduction to the physics of molecular imaging with

21、 radioactive tracers in small ani- mals J . J Cell Biochem Suppl， 2002， 39： 221 -330. 4 Roselt P，Meikle S，Kassiou M. The role of positron emission tomography in the discovery and development of new drugs；as studied in laboratory animals J . Eur J Drug Metab Pharmacoki- net， 2004， 29 （1） ： 1 -6. 5 Gr

22、een M V，Seidel J，Johnson C A， et al. Towards high perform- ance small animal positron emission tomography J . IEEE，2002 （4） ： 369 -72. 6 Maclean D，Northrop J P，Padgett H C， et al. Drugs and probes： The symbiotic velationship between pharmaceutical discovery and imaging science J . Mol Imaging and Bi

23、ol，2003， 5 （5） ： 304 - 11. 7 Paans A M，Vaalburg W. Positron emission tomography in drug development and drug evaluation J . Curr Pharm Des，2000， 6 （16） ： 1583 -91. 8 Hume S P，Myers R. Dedicated small animal scanners：A new tool for drug development J ？Curr Pharm Des，2002， 8 （16） ： 1497 -511. 9 Hersch

24、man H R. Small animal PET imaging and small animal models of disease J . Curr Opin Immunol， 2003， 15 （4） ： 378 - 84. 10唐刚华. 小动物 PET 及其在医药学中的应用 J . 中国药理学 通报， 2004， 20 （5） ： 486 -91. 11Balaban R S，Hampshire V A. Challenges in small animal nonin- vasive imaging J . ILAR J， 2001， 42 （3） ： 248 -62. 12Sol

25、omon B，Mcarthur G A，Cullinane C ， et al. Application of positron emission tomography in the development of molecular tar- geted cancer therapeutics J . Biological Imagine， 2003， 17 （16） ： 339 -54. 13Funk T，Sun M，Hasegawa B H. Radiation dose estimate in small animal SPECT and PET J . Med Phys， 2004，

26、31 （9） ： 2680 -6. 14Wu J C，Chen I Y， Wang Y L， et al. Molecular imaging of the ki- netics of vascular endothelial growth factor gene expression in is- chemic myocardium J . Circulation， 2004， 110 （6） ： 685 -91. 15Rowland D J， Lewis J S，Welch M J. Molecular imaging： The ap- plication of small animal

27、positron emission tomography J . J Cell Biochem Suppl， 2002， 39： 110 -5. 272中国药理学通报 Chinese Pharmacological Bulletin 2006 Mar； 22 （3） 论 著 二萜类化合物 excisanin A 诱导人结肠癌 SW620 细胞凋亡及机制研究 邓 蓉1， 朱孝峰1， 周军民1， 高幼衡2， 冯公侃1， 梅玉屏1， 王 一1， 谢冰芬1， 刘宗潮1 （1.中山大学肿瘤防治中心华南肿瘤学国家重点实验室， 广东 广州 510060； 2. 广州中医药大学中药学院， 广东 广州 5104

28、05） 中国图书分类号： R 282. 71； R 284. 1； R 329. 25； R 73-351； R 735. 350. 22； R 735. 350. 53 文献标识码： A 文章编号： 1001-1978 （2006） 03 -0273 -05 摘要： 目的 本文研究大萼香茶菜有效单体 excisanin A 诱导 人结肠癌 SW620 细胞株凋亡及其分子机制。方法 MTT 法 检测细胞增殖抑制作用， AnnexinV/ PI 双染法检测细胞早期 凋亡率， Western blot 法检测 excisanin A 对 PARP、 caspase-3、 caspase-9 剪切片

29、断的影响， 及对 MAPKs 通路相关蛋白， 包括 p-ERK、 ERK、 p-JNK、 JNK、 p-p38、 p38、 c-Jun 表达的影响。结 收稿日期： 2005 -10 -18， 修回日期： 2005 -12 -31 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （No 30472037） 作者简介： 邓 蓉 （1976 - ） ， 女， 硕士生， 研究方向： 信号转导与抗癌 药物， Tel： 020-87343150，E-mail： dengrongtj126. com； 朱孝峰 （1970 - ） ， 男， 副教授， 硕士生导师， 研究方向： 信 号转导与抗癌药物， Tel： 020-

30、87343150，E-mail：xfzhu603 yahoo. com. cn 果 Excisanin A 对结肠癌 SW620 细胞株生长具有明显的抑 制作用， 并呈浓度依赖性， 其 IC50值为 8. 22 molL -1。用 8. 71 molL -1 excisanin A 处理 SW620 细胞 12、 24、 36 h， AnnexinV/ PI 双染检测细胞的早期凋亡， 其凋亡率分别为 17. 2%、 20. 5%、 13. 8%， 而对照组细胞的凋亡率仅为 1. 9% （P 0. 05） 。不同浓度的 excisanin A 作用于 SW620 细胞 48 h 后， Weste

31、rn blot 法检测发现 PARP、 caspase-3， caspase-9 3 种蛋白均出现断裂片断， 并随着浓度的增加断裂更明显。进 一步研究发现， excisanin A 处理 SW620 细胞后， JNK、 p38 的 磷酸化水平明显升高， c-Jun 的表达亦增高。结论 Excisa- nin A 具有明显的细胞毒作用， 能诱导 SW620 细胞凋亡， JNK 和 p38 途径的激活可能是其诱导凋亡的分子机制之一。 关键词： excisanin A； SW620 细胞； 细胞凋亡； 信号转导 唇形科香茶菜植物在我国分布广泛， 民间多作 16Aboagye E O. Positro

32、n emission tomography imaging of small ani- mals in anticancer drug development J .Mol Imaging Biol， 2005， 7 （1） ： 53 -8. 17Yoshinaga K，Chow B J， Dekemp R A， et al. Application of cardi- ac molecular imaging using positron emission tomography in evalua- tion of drug and therapeutics for cardiovascul

33、ar disorders J . Curr Pharm Des， 2005， 11 （7） ： 903 -32. 18Weber S， Bauer A. Small animal PET： Aspects of performance as- sessment J . Eur J Nucl Med Mol Imaging， 2004， 31 （11） ： 1545 -55. 19Chatziioannou A F. PET scanners dedicated to molecular imaging of small animal models J . Mol Imaging Biol， 2

34、002， 4 （1） ： 47 - 63. 20Myers R. The biological application of small animal PET imaging J . Nucl Med Biol， 2001， 28 （5） ： 585 -93. 21Cherry S R. Fundamentals of positron emission tomography and applications in preclinical drug development J . J Clin Pharma- col， 2001， 41 （5） ： 482 -91. 22Lewis J S，A

35、chilefu S， Garbow J R ， et al. Small animal imaging current technology and perspectives for oncological imaging J . Eur J Cancer， 2002， 38 （16） ： 2173 -88. 23Schafers M，Ametamey S，Schubiger P A. Sensitivity or resolution - or both J ？Eur J Nucl Med Mol Imaging，2003， 30 （3） ： 482 -3. 24Miyagawa T，Tju

36、vajev J G，Oku T， et al. Assessment of treatment response by autoradiography with 14C-aminocyclopentane carboxyl- ic acid，67Ga-DTPA，and 18F-FDG in a herpes simplex virus thy- midine kinase/ ganciclovir brain tumor model J . J Nucl Med， 2003， 44 （11） ： 1845 -54. The application of small animal PET in

37、drug development FANG Hong-juan， DU Yan-rong， LI Fang， CHEN Fang （Dept of Nuclear Medical， Peking Union Medical College Hospital， Beijing 100730） Abstract：Small animal PET is a quantitative imaging technique that can noninvasive and dynamically image the distribution of positron-labeled radiopharmac

38、euti- cals in vivo，therefore representing a new means of pro- viding information for drug development and evalua- tion. This article reviews the fundamental basis of PET imaging and their application in preclinical drug dis- covery and development. Key words：small animal PET； molecular imagine； drug discovery and development 372中国药理学通报 Chinese Pharmacological Bulletin 2006 Mar； 22 （3） ： 273 7