廖光星，李宁，何正中，肖国有

广西医科大学附属肿瘤医院 核医学科 广西影像医学临床医学研究中心 广西临床重点专科（核医学科、医学影像科）广西医科大学附属肿瘤医院优势培育学科（医学影像学科），广西 南宁 530021

引言

在目前精准医疗的时代大背景下，金属正电子核素64Cu标记的放射性64Cu-二乙酰基-双（N4-甲基硫代半碳酮）（64Cu-ATSM）分子探针能为精准医学提供重要的数据支撑，通过大型医疗影像设备正电子发射断层扫描成像（Position Emission Tomography，PET）技术，将疾病诊断和治疗技术提升到细胞和分子水平，实现人体内部生理和病理过程的快速、无损、实时成像。从分子水平上认识疾病，为临床诊断、治疗和医学研究提供分子水平信息，帮助临床医生提高PET的诊断效率、诊断准确性及临床预测价值。

64Cu是一种具有合适衰变性质和潜在应用价值的金属正电子放射性核素。1997年McCarthy等[1]研究开发了一种使用医用回旋加速器高效生产高比活度64Cu的方法。随着医疗设备技术的不断发展，当前应用医用回旋加速器可以对放射性核素64Cu进行有效生产[2]，通过自动化学合成模块，能够快速合成放射性药物64Cu-ATSM。由于医用回旋加速器制备64Cu成本较高，且国内配备医用回旋加速器的医院和科研机构较少，使得广泛开展64Cu-ATSM的临床科学研究较为困难。但其作为一种新型的PET正电子显像剂在肿瘤乏氧显像中具有潜在的研究价值，同时作为抗肿瘤治疗药物，利用其特异性摄取聚集于靶向细胞，释放出的高能射线，达到靶向放射治疗的目的。因此64Cu-ATSM在疾病预后判断、疗效评价、靶向药物治疗等方面具有广阔的应用前景[3-4]。

1 64Cu与其标记的64Cu-ATSM

64Cu的半衰期为12.7 h，既能进行β+（17.9%）衰变，又能进行β-（37.1%）衰变[5]。应用β+衰变湮灭辐射后产生能量为511 keV的光子对，能够进行PET，β-衰变产生的射线可进行肿瘤的放射性治疗。金属正电子核素64Cu衰变过程中放出可利于诊断的射线，又释放利于治疗的粒子，在肿瘤、心脑血管、乏氧组织等疾病的诊断与靶向精准治疗领域发展前景广阔[6-9]。64Cu可以通过反应堆64Zn（p，n）64Cu反应生产，但需配备高能的核反应堆，成本极高，不符合临床实际应用需求[10-11]。为实现64Cu的大量生产，满足临床应用，国内外已经开展应用医用回旋加速器来高效制备64Cu的研究，近年来最常使用的是基于64Ni（p，n）64Cu核反应，使用回旋加速器产生的质子束流轰击金箔上薄层64Ni靶，分离纯化制得放射性核素64Cu[12-13]。64Cu（Ⅱ）原子结构的外层轨道电子排布（3p63d9）决定其易与含N、S、O等原子的配体形成稳定的化合物,且反应条件较温和[14]。二价铜较好地配位化学性质使其能够与各种化合物（小分子、多肽及蛋白等）偶联[15]。

乏氧现象是恶性实体肿瘤组织存在的一个重要生物学特征，当肿瘤细胞生长的速度超过了其血管生长的速度，血流减少，供氧的能力随之减弱，局部肿瘤组织的氧分压降低，就形成了乏氧区域。从而导致肿瘤细胞对放疗及化疗的抗拒，很大程度上降低射线和某些化疗药物对肿瘤细胞的杀伤力，达不到理想的治疗效果。乏氧显像是将放射性核素标记的生物分子探针即乏氧显像剂引入患者体内，这些被标记的分子探针特异性地滞留在肿瘤组织的乏氧区域，通过单光子发射计算机断层成像（Single Photonemission Computed Tomography，SPECT）或PET无创性地探测肿瘤乏氧组织，并进行定性和半定量分析，从而进行疾病的鉴别诊断、评价预后及指导治疗[16-19]。

在乏氧显像研究中，乏氧显像剂是至关重要的，64Cu-ATSM是一种亲脂性小分子。ATSM与Cu(Ⅱ)络合后具有水脂双亲性、膜通透性强和氧化还原能力低等特点。各国研究者纷纷以Cu(Ⅱ)-ATSM作为探针显像剂，应用在肿瘤标记、乏氧组织研究、生命科学和临床医学等多个领域[20-24]。在国内，64Cu-ATSM的化学合成以及相关的科学研究已经开展。孙筠等[25]利用小型医用回旋加速器以富集64Ni为靶材料，根据64Ni（p，n）64Cu核反应，应用Comecer ALCEO固体靶系统：EDL电化学/溶解/转移/沉积模块、PRF电化学纯化模块、TADDEO放射性药物合成模块，分离纯化制得金属正电子核素64Cu。通过化学标记合成64Cu-ATSM，合成路线如图1所示。

图1 64Cu-ATSM合成路线

应用γ能谱仪以及高效液相色谱进行放射核纯度、放化纯度、稳定性监测。结果显示产率为60%，放射性核纯度＞99%，放化纯度＞95%，稳定性＞6 h。

2 64Cu-ATSM在肿瘤方面的应用

2.1 基础研究

乏氧细胞存在于几乎所有的实体瘤中，与肿瘤的组织学类型和增长速度有关，并随肿瘤体积增大而增加。同时，乏氧细胞对化疗药物及射线不敏感，会诱导肿瘤细胞产生血管皮生长因子，导致肿瘤新生血管形成，促进肿瘤生长、侵袭和转移。糖酵解、缺氧和增殖是肿瘤微环境中导致抗药性的重要因素，对这些因素进行成像可以潜在地指导癌症患者的诊断和治疗。

近年来，64Cu-ATSM PET的临床研究已在全球范围内进行，并且该试剂的有效性得到了认可。Li等[26]对荷瘤小鼠进行90 min动态PET扫描，将不可逆和可逆的两个组织隔室模型拟合到从整个肿瘤体积获得的时间活动曲线，并使用Akaike信息标准进行比较。研究结果表明在体内药代动力学分析中，提取相关参数用于作为缺氧特异性PET示踪剂对64Cu-ATSM进行临床前验证是可行的。肿瘤缺氧即低组织氧合是实体瘤环境的不利条件，伴有恶性进展。Liu等[27]研究报道64Cu-ATSM对小鼠进行放射治疗效果积极，肿瘤体积显著减小并提高了小鼠生存率，为64Cu-ATSM放射性药物进行PET成像和治疗低氧性肿瘤提供了新的证据。Nie等[28]通过空气干燥对新西兰白兔右股动脉进行内皮剥脱术，诱发动脉粥样硬化样病变，并对左股动脉进行假手术，注射约111 MBq的64Cu-ATSM后，进行了0～60 min的动态全身PET/MR显像，结果显示与假手术股动脉相比，兔的受损的股动脉中64Cu-ATSM的摄取增加。64Cu-ATSM成像显示，损伤后第4周和第8周，受损的股动脉与假手术股动脉SUV的平均比率分别为1.75±0.21和2.30±0.26。该结果表明该兔动脉粥样硬化模型中存在缺氧现象，64Cu-ATSM PET/MR是检测人类受试者缺氧和潜在易损动脉粥样斑块的潜在有前途的方法。同时在Nie等[29]另一项关于小鼠主动脉弓中64Cu-ATSM的摄取的研究报导中表明，64Cu-ATSM是用于动脉粥样硬化低氧显像的潜在PET示踪剂。

Jin等[30]的研究提出了一种靶向放射性核素治疗的新概念，使用皮下αVβ3阳性的U87MG胶质母细胞瘤异种移植物的小鼠，应用18.5 MBq或37 MBq的64Cu-RaftRGD或64Cu-ATSM或组合（每种药物18.5 MBq）治疗小鼠，评估了放射性药物的肿瘤体积、肿瘤细胞增殖、肿瘤重量、存活率以及肿瘤和器官摄取，结果显示结合使用64Cu-RaftRGD和64Cu-ATSM可获得更均匀的放射性分布，两者的组合（每种为18.5 MBq）与37 MBq的任何一种药物相比，均显示出对肿瘤生长和肿瘤细胞增殖的持续抑制作用，并延长了小鼠的存活期。64Cu-RaftRGD和64Cu-ATSM的结合应用使得肿瘤内放射性的分布更加均匀而提高了抗肿瘤效果。McMillan等[31]在低氧条件下，将中国仓鼠卵巢野生型和DNA修复缺陷型xrs5细胞暴露于64Cu-ATSM，证实了64Cu衰变引起的高线性能量传输（Linear Energy Transfer，LET）俄歇电子导致DNA的双链断裂和簇破坏，并且在64Cu-ATSM暴露后观察到了典型的高LET辐射复杂的染色体像差类型，大多数细胞死亡是由高LET辐射引起的。这项研究提供了有力的证据，证明64Cu-ATSM通过高LET俄歇电子来破坏DNA，支持进一步研究和考虑64Cu-ATSM作为低氧肿瘤的癌症治疗方法。氧化还原代谢的疗法在抵抗化学疗法和放射治疗的癌症中具有潜力。同时氧化还原成像标记物，将有助于鉴定易受氧化还原定向疗法治疗的癌症。Floberg等[32]研究了人宫颈癌和结肠癌细胞中64Cu-ATSM信号与氧化还原状态之间的关系，应用宫颈癌的小鼠模型用于评估64Cu-ATSM信号与体内还原分子水平之间的关系，以及评估氧化还原活性药物治疗后64Cu-ATSM信号的变化。研究结果表明64Cu-ATSM信号反映了氧化还原状态，而改变氧化还原状态会影响64Cu-ATSM的代谢，这些发现对于将64Cu-ATSM用作氧化还原疗法的预测标记具有暗示意义。

2.2 64Cu-ATSM与乏氧显像

利用金属正电子核素标记的64Cu-ATSM进行PET显像，对乏氧进行定性和定量检测，是目前64Cu-ATSM肿瘤乏氧显像的热点之一。

64Cu-ATSM是用于缺氧肿瘤成像非常有前途的PET放射性药物。与其他缺氧示踪剂相比，该化合物的优势之一是提供了高的肿瘤背景信号，该信号可以促进对肿瘤的描述。Lopci等[33]应用64Cu-ATSM对18例局部晚期非小细胞肺癌或头颈癌的患者进行PET显像。结果显示：所有患者均显示肿瘤病变中64Cu-ATSM的摄取有中度至高度增加，缺氧肿瘤体积（Hypoxic Tumor Volume，HTV）＞160.7 cm3（AUC，0.61；敏感性，55.6%；特异性，75%）和缺氧负荷（Hypoxic Burden，HB）＞160.7（AUC，0.67；敏感性，58.3%；特异性，83.3%）。表明在64Cu-ATSM PET/CT上定义最佳的半定量和定量参数似乎是可行的。Lopci等[34]进行了另一项对5例癌症患者64Cu-ATSM PET/CT显像的研究，方法是根据体型静脉注射64Cu-ATSM，并在PET/CT上60 min（早期）和16 h（延迟）成像。结果显示所有肿瘤病变在早期评估中均显示出对64Cu-ATSM的摄取增加，在1 h获得的所有半定量数据均与延迟成像获得的参数一致（P＞0.05），证实早期和延迟获取的64Cu-ATSM PET/CT图像在评估肿瘤病变方面的一致性。Grassi等[35]纳入11例头颈部放化疗患者，获得治疗前后的64Cu-ATSM和18F-FDG PET/CT扫描。1 h（早期）和16 h（晚期）后进行64Cu-ATSM扫描，结果显示64Cu-ATSM扫描在预测新辅助放化疗反应中显示出高敏感性，但特异性较低，早期和晚期扫描之间没有差异。

Nie等[36]对9名经多普勒超声诊断为直径狭窄百分比至少50%的颈动脉粥样硬化患者，进行64Cu-ATSM PET显像。研究结果显示：6例无症状的颈动脉粥样硬化患者中获得64Cu-ATSM PET/MR成像数据，具有良好的图像质量。同时在颈动脉斑块和椎骨斑块中摄取64Cu-ATSM的患者中，观察到的目标背景的SUV比率是2倍。研究结果表明64Cu-ATSM PET/MR成像可能是一种临床诊断方法，帮助医生诊断易受伤害的颈动脉粥样硬化。Li等[37]将64Cu-ATSM和64CuCl2在肿瘤组织中的积累和分布与氧气分压探针测量结果进行比较，对患有皮下人头颈部肿瘤和人结肠直肠肿瘤的裸鼠进行1 h动态PET扫描。结果显示64Cu-ATSM和64CuCl2在肿瘤中显示出不同的摄取。在人的头部和颈部异种移植物中，64Cu-ATSM反映了氧气分压的测量结果，表明64Cu-ATSM是这种肿瘤类型中缺氧特异性的标志物。

2.3 64Cu-ATSM与脑胶质瘤

胶质瘤起源于脑的胶质细胞，主要包括星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤、室管膜瘤和混合型胶质瘤。根据胶质瘤的组织学和生物学特征分级为良性和低度恶性（WHO Ⅰ级、WHO Ⅱ级）和恶性以及高度恶性（WHO Ⅲ级、WHO Ⅳ级）。

恶性脑瘤多形性胶质母细胞瘤（Glioblastoma Multiforme，GBM）的预后往往很差。治疗方法以手术、放疗和化疗为主。缺氧是导致GBM和其他癌症放疗和化疗效果下降的因素。Gangemi等[38]报道通过使用64Cu-ATSM放射性示踪剂PET显像的1例报告，在PET/CT图像显示缺氧部位从早期采集到后期采集放射性示踪剂的摄取增加，并且64Cu-ATSM PET/CT结果与缺氧标记物HIF-1α的表达高度相关，认为64Cu-ATSM PET/CT是揭示GBM病变体内缺氧区域的有效机制，可以指导临床医生选择GMB患者的治疗方案。胶质母细胞瘤中经常发现缺氧区域，缺氧水平升高与胶质母细胞瘤患者的临床效果差有关。Yoshii等[39]研究了64Cu-ATSM在带有U87MG胶质母细胞瘤肿瘤的小鼠中的治疗功效，通过64Cu-ATSM的单剂量和多剂量的使用，观察到在高剂量组中单次施用64Cu-ATSM抑制了肿瘤的生长并延长了生存期，同时出现了轻微和逆向的不良反应迹象。而实施多种64Cu-ATSM剂量的方法显著抑制肿瘤生长并延长生存期，但是并没有观察到不良反应的迹象。该研究发现表明多次使用64Cu-ATSM在胶质母细胞瘤中具有有效的抗肿瘤作用，其可以对这种疾病进行治疗。

缺氧在胶质母细胞瘤等恶性脑肿瘤的预后中起着重要作用，因为缺氧会引起药物传递缺陷和在肿瘤细胞中诱导缺氧诱导因子-1α。Matsumoto等[40]报道了以缺氧为目标的内部放疗剂64Cu-ATSM的多次给药（间隔1或2周），显示对胶质母细胞瘤具有抗肿瘤作用。该研究还通过对小鼠进行了7 d的静脉内毒性研究，未观察到小鼠的不良反应。研究结果表明：以64Cu-ATSM治疗，包含64Cu-ATSM和ATSM的研究药物制剂可以安全地每周1次向患者给药，同时由于临床病例较少，还需要更多的临床数据进行验证。Pérès等[41]在小鼠接种C6细胞后14 d（18F-FMISO），15 d（64Cu-ATSM和64Cu-Cl2）和 16 d（64Cu-ATSM 和64Cu-Cl2）进 行 μPET显像。此后，对小鼠大脑进行进一步的放射自显影和免疫组织化学检查。研究表明64Cu-ASTM和64Cu-Cl2即铜络合物会在肿瘤的低氧区域积聚。这种摄取可能是对氧化还原代谢直接依赖性的反映，也是低氧诱导的转运蛋白过度表达的反映。

2.4 64Cu-ATSM与肿瘤放射性治疗

肿瘤乏氧是放射治疗效果差、肿瘤复发及转移的重要影响因素。乏氧显像引导的调强放疗能够在不影响正常组织的情况下，做到更明确的生物靶区的细化，并确定对放射治疗不同敏感程度的区域，制定个体化的放射治疗方案。

应用64Cu-ATSM乏氧显像与放射治疗精密结合，能够实现放射治疗过程的优化，其在肿瘤靶区的勾画方面比传统的解剖学影像更准确，且更具优势。Martinez等[42]提出利用正电子金属64Cu-ATSM靶向缺氧区域，由于其在还原的组织中沉积铜金属的能力而作为放射增敏剂的新用途，证明高浓度低能量光子的64Cu-ATSM可以增加缺氧肿瘤区域的剂量沉积。Clausen等[43]进行64Cu-ATSM在犬肿瘤中摄取3 h和24 h的临界值和剂量区域定义具有不同的区域剂量递增水平定位的研究，表明在放射疗法治疗计划中使用剂量绘画策略时，应当考虑不同时间点提供的不同生物学信息。Zornhagen等[44]使用18F-FDG、64Cu-ATSM和18F-FLT在10份4.5 Gy放射治疗前、中、后，分别对患有纤维肉瘤的狗进行成像。所得PET图像显示，在治疗期间，所有示踪剂的摄取均下降，每个示踪剂提供了有关肿瘤异质性和治疗反应的独特信息，该研究表明个性化治疗计划和监测的重要性。

Yoshii等[45]通过使用抑制核酸抗代谢物修复DNA来增强64Cu-ATSM内部放射治疗疗效的策略，发现在体内64Cu-ATSM治疗研究中，抑制核酸抗代谢药和64Cu-ATSM的共同给药协同抑制肿瘤生长，几乎没有毒性，并有效减少CD133（+）癌干样细胞。同时64Cu-ASTM治疗人类结肠癌HT-29模型中具有靶向激活DNA修复高浓度CD133（+）细胞的恶性肿瘤区域。Yoshii等[46]另一项研究表明64Cu-ATSM治疗可有效增强贝伐单抗引起的血管减少和缺氧的肿瘤抗肿瘤作用，表明64Cu-ATSM治疗可能是抗血管生成治疗的一种新方法。

3 总结与展望

金属正电子分子探针64Cu-ATSM在乏氧显像中对肿瘤治疗前疗效预测及预后评估、早期疗效评估、优化治疗方案等方面发挥重要临床应用价值。通过64Cu-ATSM的乏氧显像与放射治疗精密结合可以实现放射过程的优化，即乏氧靶向调强放疗，使临床可以选择性地对乏氧区域进行高剂量照射而不增加正常组织的照射和损伤。同时作为肿瘤的靶向治疗药物，64Cu-ATSM在脑胶质瘤的治疗中显示出了积极的治疗效果。

现阶段，64Cu-ATSM尚未进行大量的临床试验研究，处于临床前期研究阶段，相关的临床试验病例样本数据较少。随着核医学和分子生物学等交叉学科的不断发展，核医学影像设备的不断推陈出新，更多的临床试验开展，金属正电子核素标记的64Cu-ATSM在核医学分子影像领域前景广阔，在疾病诊断、治疗方面都有着巨大的潜能。同时也可以优化医疗决策，对临床学科的发展起到更大的促进作用。