小动物PET在生物医学研究中的应用

1、小动物PET在生物医学研究中的应用

小动物 PET可以测定正电子核素标记示踪分子在同一活体实验动物体内的空间分布、数量及其时间变化。每只动物都可以重复进行研究,可以自身为对照,避免了组内差异,大大减少了动物的使用数量。小动物PET扫描装置的另一个优点是可以将动物实验结果和临床研究统一起来。因此,这种非侵人性动态显像技术不仅给药物开发和研究提供了新的手段,还可用于人类疾病动物模型研究、基因表达显像等方面。

1.1 小动物PET在药物寻找和开发中的应用

现在研制成功一个一类新药仍然需要12-15年左右,耗资25亿美元左右。人类基因测序的完成又提出了大量的药物可能作用的生物靶点,为现代创新药物的研究创造了新的条件,结果导致先导化合物的数量大大增加,尽管体外实验证明有活性,但还没有合适的方法证明在活体内也有效。这也是药物开发中的一个主要瓶颈,非常需要一个从发现前药到用于人体、从动物实验的结果外推到临床的合理程序,大大缩短药物开发的时间,并减少花费。活体非侵人性动态显像技术PET的出现(临床用PET和动物PET)将有效解决新药开发中的这一难题,将极大地推进药物开发的进程。

1.1.1 用于药物研究和开发的正电子放射性核素标记化合物利用 PET进行药物研究和开发使用的正电子核素标记化合物一般可分为4类

(1)正电子核素直接标记药物。大部分药物分子中含有碳原子,因此 11C是最常用的正电子核素, 18F可取代药物中的氟或氢原子, 13N也可用于标记某些药物,可用于研究药物的生物学分布和其他药代动力学参数以及药效动力学。

(2)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-H2O研究区域性血流速度; 18F-FDG和 18F-FLT分别是葡萄糖和胸昔的类似物,可以反映体内糖代谢状态或DNA复制情况。通过观察药物对这类标记示踪剂的影响,可研究药物对生物体生理和生化参数的影响。

(3) 正电子核素标记配体和抗体。正电子核素标记的配体与特异性受体有很高的结合亲和力,既可用于测定体内特异性受体的分布、浓度和特性,也可用于研究未标记药物对该受体的作用;正电子核素标记抗体或抗体片段可用于定位和监测肿瘤,观察抗体是否能特异性与肿瘤细胞受体结合,抗体在动物体内分布,代谢和排泄。

(4)正电子核素标记生物标志物。这类生物标志物能与生物通路中的某一组份相互作用,可用于探测某系统通路的状况,如中枢神经系统中的多巴胺能通路。

1.1.2 小动物PET在药物研究和开发中的应用

小动物 PET能在药物开发的早期就完成活体动物实验,监测药物的药代动力学和药效学以及其他有关生物信息。小动物PET可用于从候选药物中筛选先导化合物,同时获得候选药物在体内各组织器官的药代动力学参数。此外,知道了药物在靶点的占有率还能帮助随后的人体实验研究确定初始剂量。小动物PET的开发成功也为评价那些正在应用的药物提供了机会。

1.2 小动物PET在人类疾病研究中的应用

用小动物PET研究动物模型的一大优点是能够测定正电子核素标记分子在同一实验动物体内的时间和空间分布及变化,可以在数日或数周或数月后对同一只动物重复进行实验。这非常有利于研究慢性病动物模型或监测一系列干预措施的效果,而且所用的体内显像参数与临床用PET相同,可以进行直接比较。因此,小动物PET可作为研究人类疾病的一个平台,将加快动物实验研究到临床研究的进程。

1.2.1小动物PET在神经系统疾病研究中的应用

目前,小动物PET的空间分辨率已经能够清晰辨识动物脑内结构,如丘脑、纹状体、皮层亚结构等。利用小动物PET对动物模型进行活体显像,对脑血管疾病、帕金森病、老年痴呆、脑肿瘤、癫痛等神经系统疾病的研究具有独特的价值。

1.2.2 小动物PET在肿瘤研究中的应用

肿瘤模型在两只动物之间可能会有较大差异,而小动物PET的优点之一就是可对同一只动物重复进行实验,以避免这种差异。而且,肿瘤动物模型中,肿瘤一般接种于动物的四肢、肩部或背部,这些部位的本底值远低于主要器官,因此容易进行定量分析。此外,小动物PET可很好观察和监测转移性肿瘤的侵袭和蔓延。

1.2.3 小动物PET在心血管疾病研究中的应用

大鼠和小鼠的心脏相对来说很小,而目前研制的小动物PET的空间分辨率大大提高,已被用于测定心肌缺血和梗死模型中葡萄糖代谢( 18F-FDG)和心肌血流速度( 13N-氨),这些研究显示了小动物PET用于心血管疾病的潜力。

1.3 小动物PET在基因表达显像中的应用

近年来,随着分子生物学、分子遗传学等相关学科的发展和渗透,基因诊断和基因治疗发展很快。对转染基因的定位和表达进行量监测,基因显像是最有效的方法。用PET在活体动物和人体进行基因表达显像引起了研究者的广泛兴趣。用 PET 进行基因显像需要有PET报告基因以及正电子核素标记的与报告基因相匹配的报告探针。目前报告基因系统主要有两类:一类是酶介导的报告基因,报告基因转录成酶产物,捕集报告探针,并将其转化为可捕集的代谢物,报告探针不能离开细胞而在细胞内积累产生信号放大作用,可以测定报告基因表达的部位、量及持续时间,如单纯疤疹病毒胸腺嘧啶核苷激酶基因及其报告探针 18F-阿昔洛韦、 18F-甘昔洛韦等;另一类是受体介导的报告基因,报告基因转录成位于细胞表面、细胞内或细胞外的受体蛋白,受体与报告探针(配体)结合产生信号放大作用,可以测定报告基因表达的部位、量及持续时间。