近日，北京大学医学部基础医学院医学同位素研究中心、北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所，核医学科，国家药监局放射性药物研究与评价重点实验室，恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室等团队的研究成果Galectin expression detected by ⁶⁸Ga‑galectracer PET as a predictive biomarker of radiotherapy resistance（⁶⁸Ga-galectracer PET检测的半乳凝素表达作为放疗抵抗的预测性生物标志物）在学术期刊European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging（影响因子10.057）发表。平生公司的Super Nova^® PET/CT 产品在论文中提供了重要的小鼠肿瘤图像和定量分析。

该研究的通讯作者为刘昭飞教授。第一作者为卢德华、周昊毅、李囡主任医师。

文献信息

实验目的:乏氧是实体肿瘤的标志，与放射治疗耐药有关。由于半乳糖凝集素-1和半乳糖凝集素-3等成员与肿瘤缺氧有关，本文旨在研究正电子发射断层扫描(PET)对半乳糖凝集素表达的成像是否可以有效地定位肿瘤乏氧，并预测放疗抵抗。

实验方法：作者通过对硫二半乳糖苷衍生物进行放射性标记，合成了半乳糖苷靶向放射性示踪剂，命名为⁶⁸Ga-galectracer。以三种小鼠肿瘤乏氧模型为实验对象，研究了⁶⁸Ga-galectracer对肿瘤乏氧PET成像的特性。另外，作者对2例肺癌患者进行了初步的PET/CT检查，以探讨⁶⁸Ga-galectracer在临床影像学上的潜在应用。

实验结果：采用⁶⁸Ga-galectracer对小鼠急性乏氧肿瘤模型、A549自然乏氧模型和索拉非尼诱导的乏氧4T1肿瘤模型进行PET高对比成像。事实上，⁶⁸Ga-galectracer对4T1肿瘤的乏氧检测优于18F-米索硝唑。此外，通过⁶⁸Ga-galectracer PET检测到，与低半乳凝素表达水平的肿瘤相比，高半乳凝素表达水平的肿瘤对后续放疗的反应明显较低。在肺癌患者中，使用⁶⁸Ga-galectracer的PET成像提供了与葡萄糖代谢PET放射性示踪剂¹⁸F -氟脱氧葡萄糖互补的数据。

结论：⁶⁸Ga示踪剂是一种较有前途的pet示踪剂，可用于肿瘤乏氧的活体显像。因此，低氧PET结合⁶⁸Ga电极可以为前瞻性预测放疗疗效提供一种无创的方法。

实验方法

乏氧肿瘤模型中⁶⁸Ga-galectracer的小动物PET成像

使用Super Nova PET/CT扫描仪(平生医疗科技有限公司)进行小动物PET成像和数据分析。简单地说，用夹子将止血带放置在BALB/c小鼠右后肢4T1肿瘤上2小时。然后给小鼠静脉注射3.7 MBq的⁶⁸Ga-galectracer，并在注射0.5和1小时后获得10分钟的静态PET扫描。阻断组小鼠共注射3.7 MBq的⁶⁸Ga-galectracer和过量的冷TDGd (30 mg/ kg体重)。另设双4T1小鼠肿瘤模型，分别接种2 × 106 4T1于左、右后肢。当肿瘤大小达到约200 mm3时，使用上述相同的方案对右侧肿瘤进行急性乏氧。然后给小鼠静脉注射3.7 MBq的68Ga-galectracer，并在注射0.5 h后获得PET扫描。PET成像后立即对小鼠实施安乐死，收集小鼠左腿(对照组)和右腿(急性乏氧)的肿瘤。然后进行Western blotting测定HIF-1α、Gal-1和Gal-3的表达。

此外，4T1荷瘤小鼠每天口服对照或索拉非尼(60 mg/kg/day, 1:1丙二醇/水)，连续5天。然后给小鼠静脉注射3.7 MBq的⁶⁸Ga-galectracer，并在注射后0.5、1和2小时进行10分钟静态PET扫描。阻断组小鼠共注射3.7 MBq的⁶⁸Ga-galectracer，同时过量注射冷TDGd (30 mg/kg体重)或冷TDG (30 mg/kg体重)。重建PET图像，并计算感兴趣区每克组织注射剂量百分比(%ID/g)。

实验结果

小动物⁶⁸Ga-galectracer PET检测体内肿瘤乏氧

鉴于TDGd与半乳糖苷结合的作用及其改善肿瘤缺氧的作用，作者分别研究了⁶⁸Ga-galectracer PET在急性乏氧模型、A549自然乏氧模型和索拉非尼治疗乏氧模型下对肿瘤乏氧成像的可行性。与肿瘤生长所需氧相比，血管供氧不足是肿瘤乏氧的原因。作者首先在急性缺氧模型中验证了⁶⁸Ga-galectracer的PET成像，该模型是由肿瘤周围血管短暂闭塞引起的。⁶⁸Ga-galectracer注射0.5 h后在急性缺氧肿瘤中的摄取明显高于对照组(P < 0.01;图3 a, b)。低温TDGd阻断实验显示，急性缺氧肿瘤对68Ga-galectracer的摄取显著降低(P < 0.01;图3a,b)，显示⁶⁸Ga-galectracer在缺氧肿瘤中的特异性靶向作用。

为了验证缺氧状态，研究急性缺氧4T1肿瘤模型中galectin的表达，作者在BALB/c小鼠身上建立了两种4T1肿瘤的急性缺氧肿瘤模型。其中一个肿瘤受到急性缺氧，短暂的血管闭塞，而另一个没有治疗。在急性缺氧肿瘤中观察到68Ga-galectracer的摄取明显高于对照肿瘤(图3c)。PET扫描后立即对小鼠实施安乐死，定量检测肿瘤组织中HIF-1α、Gal-1和Gal-3的表达。与对照组相比，急性缺氧肿瘤中HIF-1α表达明显增加(图3d)，提示急性缺氧模型建立成功。与对照组相比，缺氧肿瘤中Gal-1和Gal-3表达均上调，从而证实了缺氧时Gal-1和Gal-3表达增加。值得注意的是，4T1肿瘤组织的western blotting无法区分肿瘤细胞内表达的半乳糖凝集素和分泌到肿瘤微环境中的半乳糖凝集素。

图3 ⁶⁸Ga-galectracer在急性缺氧肿瘤模型中的小动物PET成像。(a) ⁶⁸Ga-galectracer在BALB/c小鼠体内注射0.5 h(含或不含过量TDGd用于阻断)或1 h后的代表性冠状PET图像，BALB/c小鼠携带4T1肿瘤，带或不带止血带诱导的缺氧。(b)在BALB/c小鼠缺氧4T1肿瘤0.5小时(有或没有阻断)定量⁶⁸Ga-galectracer在BALB/c小鼠缺氧4T1肿瘤0.5小时(0.5小时对照)。数据以平均值±标准差表示，n = 4-5。**， Tukey’s事后检验的单因素方差分析P < 0.01。(c) 68Ga-galectracer在BALB/c小鼠中注射0.5 h后具有代表性的冠状PET图像(左:常氧4T1肿瘤;右:4T1肿瘤伴止血带引起的急性缺氧)。(d) PET扫描后立即对对照4T1肿瘤或双肿瘤小鼠(c组)急性缺氧肿瘤中Gal-1、Gal-3和HIF-1α丰度的Western blotting检测。PET图像中未治疗的肿瘤用白色箭头表示，急性缺氧的肿瘤用红色箭头表示。

索拉非尼是一种被批准用于转移性肾细胞癌和晚期肝细胞癌的抗血管生成药物。然而，长期暴露于索拉非尼会由于抑制肿瘤血管而导致缺氧。在作者之前的研究中，证实索拉非尼在4T1肿瘤模型中治疗可以诱导肿瘤缺氧，HIF-1α和Gal-1表达增加。因此，作者进一步评估了⁶⁸Ga-galectracer PET是否也能敏感地检测索拉非尼治疗的肿瘤模型中的缺氧。为此，用索拉非尼治疗小鼠由于这种肿瘤模型中固有的索拉非尼耐药性，4T1肿瘤未观察到生长抑制。在未接受索拉非尼治疗的对照肿瘤中，⁶⁸Ga-galectracer的肿瘤摄取相对较低。而在注射索拉非尼1 h后的4T1缺氧肿瘤中，⁶⁸Ga-galectracer的肿瘤摄取和肿瘤-肌肉比显著升高(P < 0.05;图4 a, b;图S5)。在索拉非尼治疗的肿瘤模型中，⁶⁸Gagalectracer在注射后0.5 h和1 h的肿瘤摄取量较高，在注射后2 h的肿瘤摄取量降低。
 

使用冷TDGd或半乳糖凝集素识别TDG的阻断研究证实了⁶⁸ga -半乳糖凝集素在缺氧肿瘤中的特异性(图4a,b)。为了进一步研究⁶⁸Ga-galectracer在肿瘤缺氧无创成像中的作用，作者采用缺氧激活的TH-302治疗缺氧肿瘤，TH-302是一种可以在体内减少肿瘤缺氧的前药。接受索拉非尼治疗的4T1肿瘤小鼠在接受基线⁶⁸Ga-galectracer PET成像后，随机接受PBS或TH-302治疗如图4c,d所示，PBS处理后⁶⁸Ga-galectracer的肿瘤摄取相对没有变化(P = 0.189)。而TH-302治疗低氧肿瘤后⁶⁸Ga-galectracer的肿瘤摄取明显降低(P < 0.05;图4 d)。体外肿瘤组织分析显示，索拉非尼治疗的肿瘤中HIF-1α表达上调;此外，TH-302处理显著逆转索拉非尼诱导的HIF-1α上调(图4e)。

图4 ⁶⁸Ga-galectracer在索拉非尼缺氧肿瘤模型中的小动物PET显像。(a) ⁶⁸Ga-galectracer在索拉非尼处理小鼠0.5 h、1 h(使用或不使用过量TDGd或TDG进行阻断)和注射后2 h，以及注射后1 h未使用索拉非尼处理的对照小鼠中的代表性PET图像。(b)各组⁶⁸Ga-galectracer肿瘤摄取定量(n = 3-5)。(c)使用TH-302或对照(对照)治疗前使用索拉非尼的4T1荷瘤小鼠的基线和治疗后的小动物PET图像。白色箭头表示肿瘤。(d) ⁶⁸Ga-galectracer在治疗前后的肿瘤摄取定量(n = 4-5)。(e)小鼠4T1肿瘤组织中HIF-1α的Western blotting检测。(f) ⁶⁸Ga-galectracer在经TH-302处理的索拉非尼处理4T1荷瘤小鼠或PBS对照组(n = 4-6 /组)和对照(载体预处理)4T1荷瘤小鼠中的生物分布。所有数值数据均以平均值±标准差表示。*， p < 0.05;**， P < 0.01通过单向方差分析后的Tukey检验(b, f)，和双尾配对的Student t检验(d)

⁶⁸Ga-galectracer示踪剂在缺氧肿瘤中表现出优于18F-FMISO的成像对比度

鉴于⁶⁸Ga-galectracer在无创检测肿瘤缺氧方面的作用，作者进一步将⁶⁸Ga-galectracer与¹⁸F-FMISO进行了比较，¹⁸F-FMISO是临床PET显像缺氧时使用最广泛的放射性示踪剂。由于放射示踪剂体内药代动力学的差异可能导致在注射后不同时间的最佳成像对比度不同，作者比较了⁶⁸Gagalectracer和¹⁸F-FMISO在注射后对应的肿瘤成像对比度最高的时间点的PET成像对比度。¹⁸F-FMISO的生物分布研究显示，其肿瘤摄取在0.5到2小时之间保持在相似的水平(图S6)。但考虑到¹⁸F-FMISO在正常器官中的表达随时间的推移而降低，作者认为注射后2 h为¹⁸F-FMISO成像对比度最佳的时间点。鉴于⁶⁸Ga-galectracer在注射0.5小时后肿瘤/肌肉比例最高(图S5)，作者将同样的4T1荷瘤小鼠在注射¹⁸F-FMISO后1小时和2小时与注射⁶⁸Ga-galectracer后0.5小时的PET成像并排进行比较。在5个索拉非尼诱导的缺氧肿瘤中，¹⁸F-FMISO在注射后1到2小时内的肿瘤摄取略有增加(图5a)。同样的小鼠在第二天接受⁶⁸Ga-galectracer PET成像。2 h后¹⁸F-FMISO可检测低氧肿瘤，影像学对比良好;然而，由于¹⁸F-FMISO的亲脂性，在小鼠的腹部也观察到大量的积累。在注射后1小时和2小时，⁶⁸Ga-galectracer的肿瘤摄取与¹⁸F-FMISO相当(图5b,c)。然而，在注射后1 h和2 h, ⁶⁸Gagalectracer的肿瘤造影剂(肿瘤背景比)均显著高于¹⁸F-FMISO(图5b,c)。与传统的缺氧成像放射性示踪剂¹⁸F-FMISO相比，更高的成像对比度和下腹部PET信号表明⁶⁸ga示踪剂具有更有利的潜力。尽管⁶⁸Ga-galectracer和¹⁸F-FMISO都可以检测缺氧肿瘤，但由于成像缺氧的不同机制，它们在肿瘤组织内的摄取区域不同(图5a)

图5比较¹⁸F-FMISO和⁶⁸Ga-galectracer的PET成像，以及⁶⁸Ga-galectracer PET成像来预测肿瘤对rt的反应。(a)在相同的5只使用sorafenib预处理的4T1小鼠(M#1 - M#5)中，¹⁸F-FMISO在注射后1和2小时以及⁶⁸Ga-galectracer在注射后0.5小时的小动物PET图像。(b, c) 18F-FMISO定量的肿瘤摄取和计算的肿瘤背景比(b，注射后1 h;c，注射后2 h)和⁶⁸Ga-galectracer。(d) ⁶⁸Ga-galectracer PET成像和RT的时间轴。(e)索拉非尼处理的4T1荷瘤小鼠在注射0.5 h后⁶⁸Ga-galectracer肿瘤摄取量高和低(截点为2.5%ID/g)的代表性PET图像。(f, g)对照组或RT组中⁶⁸Ga-galectracer肿瘤摄取量高或低的4T1荷瘤小鼠个体(f)和平均(g)肿瘤体积。

白色箭头表示所有肿瘤。面板g数据以平均值±标准差表示。*， p < 0.05;**，P < 0.01通过双尾配对Student t检验(b,c)和双向方差分析(g)，

文献结论

作者成功地合成了一种PET示踪剂，命名为⁶⁸Ga-galecer，在体内靶向galectin。⁶⁸Ga-galectracer能够对肿瘤乏氧进行无创检测，并有助于早期预测肿瘤RT的反应。⁶⁸Ga-galectracer易于合成，成本低，初步临床PET成像证明了其成功。⁶⁸Ga-galectracer的进一步优化将能够高度敏感地识别含有显著缺氧水平的肿瘤患者，然后将这些患者转换到替代治疗方案或添加额外的药物，如抑制细胞对乏氧反应的药物，以克服缺氧细胞诱导的RT耐药性。此外，使用⁶⁸Ga电极的PET还可用于放疗治疗计划和肿瘤放疗剂量的优化。注意表达式Gal-1或Gal-3也与纤维化、类风湿关节炎、心血管疾病和其他疾病有关;因此，⁶⁸Ga电极也可以扩展到PET以外的肿瘤成像。

使用设备

Super Nova^® Micro PET/CT（III 代外观图）