谷珊珊，卢 洁，2*

(1.首都医科大学宣武医院放射与核医学科，北京 100053；2.磁共振成像脑信息学北京市重点实验室，北京 100053)

心脑血管疾病是我国老年人的主要死亡原因，2016年我国心脑血管疾病死亡率居首位，农村地区心血管疾病死亡率占全部死亡的45.50%，城市为43.16%[1]。70%的心脏急性事件是由动脉粥样硬化(atherosclerosis, AS)易损斑块破裂所致[2]，且其冠状动脉的“罪犯血管”无明显狭窄[3]。AS为脂质紊乱所致慢性炎症性病变，由最初的血管内皮功能障碍发展至炎症细胞聚集，伴随血管平滑肌细胞数量减少和功能减弱，细胞外基质合成与分泌减少，并形成薄纤维帽，而巨噬细胞逐渐凋亡，形成巨大坏死核心，发展为易损斑块，最终发生破裂[4]。易损斑块破裂和AS血栓形成是发生急性心脏事件和脑卒中的主要原因，而区分易损斑块和稳定斑块是临床诊疗AS面临的巨大挑战。近年来，分子影像学飞速发展，采用PET可直接检测和量化斑块的代谢过程。越来越多的放射性示踪剂用于AS易损斑块不同代谢过程的分子成像，包括巨噬细胞炎症改变、乏氧、微钙化及新生血管等，加深了临床对疾病发生发展的理解，且有助于监测治疗AS效果。本文就PET检测AS易损斑块的原理、斑块乏氧的病理生理机制以及乏氧显像的应用进行综述。

1 PET检测AS易损斑块的原理

PET自2002年开始作为一种无创分子成像技术用于探索AS病理生理过程，随后开发了多种新型PET放射性示踪剂用于动物模型及人体研究，以揭示AS的疾病过程。针对AS形成过程中的炎症、微钙化、乏氧、凋亡及新生血管形成等成像靶点，研发制备其正电子标记配体；利用PET扫描仪探测正电子在ROI聚集产生的γ光子而完成显像。然而PET所示示踪剂摄取区必须与CT或MRI配准，即PET/CT或PET/MRI才能将斑块的代谢情况与解剖结构相结合。PET的主要优点是灵敏度高，通过检测示踪剂浓度,可量化ROI生物过程，常规检测指标包括标准化摄取值(standardized uptake value, SUV)和组织本底比(tissue to background ratio, TBR)，动态研究参数包括动力学分析中的注入速率常数Ki等[5]。根据AS演变过程，针对易损斑块PET成像的关键靶点，现已开发出分别针对易损斑块炎症、巨噬细胞内转位蛋白(translocator protein, TSPO)、新生血管进行显像以及用于乏氧显像和微钙化显像的18F-氟脱氧葡糖(fludeoxyglucose,18F-FDG)[6]、N-[11C]甲基-N-(1-甲基丙基)-1-(2-氯苯基)异喹啉-3-氨甲酰(11C-PK11195)[7]、18F-fluciclatide[8]及18F-氟咪索硝唑(18F-misonidazole,18F-FMISO)[9]和18F-氟化钠(18F-sodium fluoride,18F-NaF)[10]等分子探针。

2 AS乏氧的病理生理机制

正常情况下，动脉壁通过血管腔与血管外膜之间的氧扩散获得营养，而氧扩散的极限距离为100～200 μm[11]。随着AS斑块厚度增加，氧扩散效率明显降低，同时增厚的内中膜对氧需求量急剧增加，导致距离血管外膜150～300 μm处斑块的巨噬细胞聚集区严重缺氧，此为导致AS乏氧的主要原因[12]。

2.1 AS乏氧促进斑块炎症进展 低密度脂蛋白(low-density, LDL)在动脉内中膜积聚、氧化、修饰，导致AS；乏氧环境能增强LDL氧化，促进甘油三酯合成和装载泡沫细胞[13]，大量泡沫细胞在斑块积聚、凋亡，形成富含脂质的坏死核心。另外，乏氧使巨噬细胞表达的大量低氧诱导转录因子1α(hypoxia-inducible transcription factors, HIF-1α)增强炎症反应，HIF-1α通过激活100多个不同基因表达调节细胞对乏氧的反应[14]。HIF-1α在颈动脉AS病变的巨噬细胞聚集区及乏氧区高水平表达，且与疾病严重程度呈正相关[15]。

2.2 AS乏氧促进斑块内新生血管生成 人体AS病变相关研究[16]表明，乏氧与斑块新生血管显著相关，且可能促进血管生成，以恢复斑块组织的氧合作用，以此修复斑块。斑块乏氧环境中，HIF-1α通过诱导血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)促进内皮细胞生长并形成新的管腔，以提供代谢所需养分，维持斑块内氧的供需平衡，但这种情况下形成的血管管壁薄弱，极易堵塞，使氧扩散效率低下[17]。乏氧条件下新生血管生成是易损斑块的重要特征。

2.3 AS乏氧诱导三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)耗竭 氧的核心作用是维持线粒体产生ATP。为适应乏氧环境，AS的巨噬细胞通过厌氧糖酵解产生ATP[18]，其每产生1个ATP分子消耗的葡萄糖是线粒体的15倍。研究[19]表明，相比无症状颈动脉粥样硬化患者，有症状颈动脉粥样硬化患者葡萄糖消耗量更高，提示乏氧诱导ATP耗竭可能是促进巨噬细胞凋亡和AS坏死核心形成的关键因素[18]。

3 PET显像在AS乏氧显像中的研究进展

3.118F-FMISO乏氧显像18F-FMISO是目前PET乏氧显像中应用最广泛的硝基咪唑类放射性示踪剂。体外细胞实验及体内动物实验研究[9,20]均表明，18F-FMISO是PET较理想的乏氧显像剂，能选择性滞留于乏氧组织和细胞中，且为唯一用于临床研究的乏氧显像剂，已广泛用于临床肿瘤PET显像。18F-FMISO在细胞内的滞留程度取决于细胞内氧浓度，其用于检测乏氧组织具有无创、全面、可靠等优点，且心脏摄取低，是AS易损斑块乏氧显像的首选显像剂。

MATEO等[9]对18只兔AS模型分别于高脂饲养6～8个月(诱导期)及12～16个月(进展期)行18F-FMISO和18F-FDG PET显像，并以4只标准饮食饲养兔为对照组，观察其腹主动脉放射性示踪剂摄取，结果显示18F-FMISO摄取量随高脂饲养时间延长而增高，兔AS模型诱导期SUVmean为0.20±0.03(P=0.002)、进展期为0.25±0.03(P<0.001)，均高于对照组(0.10±0.01)；兔AS模型诱导期18F-FDG的SUVmean(0.43±0.02)亦高于对照组(0.35±0.02，P=0.031)，而进展期与对照组差异无统计学意义(P=0.046)；且免疫组织化学(免疫组化)显示18F-FMISO摄取与巨噬细胞富集区域基本一致，与巨噬细胞、HIF-1α表达和内膜新生血管相关；而18F-FDG炎症摄取主要于斑块形成早期，随时间延长，18F-FDG摄取变化不明显。JOSHI等[21]对16例颈动脉粥样硬化患者行18F-FMISO及18F-FDG PET/CT显像，结果显示短暂性脑缺血发作(transient ischemic attack, TIA)或脑卒中患者颈动脉斑块乏氧较无症状AS患者更明显，且有症状患者斑块18F-FMISO PET摄取值高于无症状患者,其18F-FMISO摄取与FDG摄取呈正相关。但18F-FMISO亦存在不足：脂溶性高，有一定神经毒性；特异性欠佳，在乏氧细胞内摄取相对较低，在正常组织中清除较慢，需延长显像时间；半衰期过短(1.85 h)，成像效果欠佳；肝、肾及肠道本底摄取较高，影响观察腹部血管[22]。

3.218F-2-(2-硝基-1H-咪唑-1-基)-N-(2,2,3,3,3-五氟丙基)-乙酰胺(18F-EF5)乏氧显像18F-EF5是另一种硝基咪唑类放射性示踪剂，通过标记的免疫组化乏氧标志物EF5而识别乏氧区域。肿瘤乏氧显像中，EF5与肿瘤细胞内的血氧分压(partial pressure of oxygen, PO2)呈负相关，具有较强通透性和在乏氧组织中蓄积的能力[23]。EF5被18F标记后可用于PET成像，为广泛用于基础及临床研究的组织乏氧示踪剂之一[22]。SILVOLAN等[24]将18F-EF5用于低密度脂蛋白受体基因缺乏、仅合成载脂蛋白B100(LDLR-/-ApoB100/100)的AS小鼠模型及胰岛素样生长因子Ⅱ基因过度表达的IGF-Ⅱ/LDLR-/-ApoB100/100糖尿病AS小鼠模型，于高脂饲养3～4个月后行PET/CT显像，以C57BL/6N小鼠为对照组，发现注射后90 min，LDLR-/-ApoB100/100AS小鼠模型[(1.88±0.35)%IA/g]主动脉18F-EF5摄取浓度明显高于对照组[(1.10±0.23)%IA/g],而IGF-Ⅱ/LDLR-/-ApoB100/100糖尿病AS小鼠模型[(1.18±0.17)%IA/g]主动脉18F-EF5摄取浓度与对照组差异无统计学意义；离体主动脉放射自显影结果显示，AS斑块区18F-EF5摄取高于邻近正常血管壁2倍。但18F-EF5缓慢的血液清除率和周围本底组织高摄取限制了其在体内AS成像中的应用。

3.318F-4-(2-硝基-1H-咪唑基)甲基-1H-1,2,3-三唑-3-(2-硝基苯磺酰氧基)丙醇乙酯(18F-HX4)乏氧显像18F-HX4是新一代硝基咪唑类示踪剂，具有较好的药代动力学和血液清除能力，血浆半衰期约3 h[25]。一项临床研究[26]将18F-HX4用于8例颈动脉狭窄患者，先行颈部MRI，以计算标准化壁指数(平均壁面积/外壁面积)，而后行PET/CT显像，计算颈动脉及主动脉有斑块与无斑块血管18F-FDG及18F-HX4摄取；结果显示AS斑块18F-HX4摄取与颈动脉壁厚度显著相关，且18F-HX4摄取与18F-FDG摄取相关，提示斑块区18F-HX4摄取增加与动脉壁厚度和斑块区域葡萄糖代谢活性相关。

3.464Cu-双乙酰-双(N4-甲基氨基硫脲)[64Cu-diacetyl-bis(N4-methylthiosemicarbazone),64Cu-ATSM]乏氧显像64Cu-ATSM是一种金属螯合物，是目前研究较多的非硝基咪唑类显像剂。Cu是一种对细胞膜具有高渗透性的小分子，存在4种正电子放射性同位素(60Cu、61Cu、62Cu和64Cu)，适用于PET显像。64Cu-ATSM通过异常线粒体还原机制选择性滞留于乏氧细胞内[27]。相比18F-FMISO及18F-EF5，64Cu-ATSM具有高效摄取和洗脱动力学特性，显像时间更短，可作为PET乏氧显像的一种更快速、更具选择性的方法。NIE等[28]采用64Cu-ATSM对21只载脂蛋白E基因敲除(Apolipoprotein E-/-, APOE-/-)小鼠行PET显像，其中6只接受高脂饲养(high-fat diet, HFD)，其余接受标准饮食(standard-chow diet, SCD)饲养，另以13只SCD饲养野生型小鼠为对照组，结果显示SCD-APOE-/-小鼠主动脉弓摄取64Cu-ATSM明显增高[主动脉弓SUV/肌肉SUV：HFD-APOE-/-小鼠(5.66±0.23)vs对照组(3.87±0.22)，P<0.000 1]；与对照组相比，HFD-APOE-/-小鼠主动脉弓放射性摄取亦明显增高；HFD及SCD-APOE-/-小鼠离体主动脉弓吡咪唑染色显示组织乏氧，且与CD68染色阳性区同时定位于AS坏死核心深部的巨噬细胞富集区。以上结果提示，64Cu-ATSM可作为一种潜在的PET乏氧示踪剂用于AS易损斑块成像。此外，有研究者[29]将64Cu-ATSM用于兔AS模型PET/MRI显像，发现免疫组化吡咪唑染色阳性区域与RAM-11及HIF-1α染色阳性区域共同表达于巨噬细胞富集区，提示兔AS模型存在乏氧。64Cu-ATSM在AS易损斑块成像方面拥有巨大潜力。

综上所述，PET利用不同分子靶点进行成像，为探索AS病理生理机制及识别易损斑块提供了强有力的工具。目前肿瘤PET乏氧显像的临床应用已相对成熟，而AS易损斑块的PET乏氧显像尚处于初步探索阶段，图像信噪比差及放射性示踪剂成本较高限制了其广泛应用。相信随着高特异性、高灵敏度新型分子探针的开发，PET乏氧显像将成为检测AS易损斑块的重要临床手段。