正电子显像技术在肿瘤免疫治疗个体化用药中的研究进展

王燕，边诣聪，缪丽燕

（苏州大学附属第一医院药学部临床药理研究室，江苏 苏州 215006）

恶性肿瘤是严重威胁人类健康和生命的重大疾病。国家癌症中心2019 年发布的癌情监测报告显示，我国恶性肿瘤年发病例约392.9 万例，年死亡病例约233.8 万例[1]。肿瘤免疫治疗是通过激活体内的免疫细胞和增强机体抗肿瘤免疫应答对肿瘤细胞进行清除的癌症治疗策略[2]，主要包括免疫检查点抑制剂、细胞因子治疗、癌症疫苗和细胞治疗等4 种[3]，其治疗效果均得到了临床证明，尤其是免疫检查点抑制剂和嵌合抗原受体T 细胞（chimeric antigen receptor T-cell，CAR-T）免疫疗法分别在治疗黑色素瘤、非小细胞肺癌、肾细胞癌等实体瘤和血液恶性肿瘤等方面均取得了革命性进展[3-4]。

在肿瘤免疫治疗过程中，一方面因为遗传、营养、生活方式和环境等不同，每个病人的免疫系统反应存在差异；另一方面，由于肿瘤存在异质性，一种肿瘤免疫治疗策略并非适合所有患者，因此，在肿瘤免疫治疗中的个体化治疗十分重要[5]。目前临床肿瘤免疫的个体化治疗主要结合病理标本免疫组织化学检测（immunohistochemistry，IHC）、血清药物浓度分析、电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）等手段实现，但这些方法在全身病灶抗原表达检测和疗效评估方面均存在一定的局限性。

核素示踪分子影像技术是利用放射性核素标记药物或特定前体化合物作为分子探针，实现对标记药物进行定性、定量和定位分析的先进技术手段。其中，正电子显像技术（positron emission tomography，PET）是利用正电子核素进行示踪的方法，也是目前较常用的分子影像技术之一，因具有空间分辨率高、灵敏度高、不受内源性物质影响等特点，可以在分子或细胞水平分析人类和其他生命体的生物学过程[6-7]。利用该技术可在活体无创的情况下对全身肿瘤的抗原表达实现分子水平上的动态监测，也可对免疫治疗后肿瘤细胞和免疫反应进行系统分析和精确定量，同时还可实现对肿瘤免疫治疗药物全身分布、代谢和排泄情况的定量和定位分析，是指导肿瘤免疫治疗个体化用药的有效方法[8-14]，近年来在肿瘤免疫治疗患者筛选、个体化治疗药物剂量优化、疗效预测和评估等方面得到了越来越多的应用。本文将综述近年来PET 显像技术在肿瘤免疫治疗个体化用药中的研究进展。

1 PET 显像在肿瘤免疫治疗患者筛选中的应用

肿瘤或免疫细胞上的抗原表达与肿瘤免疫治疗的疗效密切相关[5]。目前临床常用肿瘤抗原IHC 检测实现对适宜患者的筛选，但其在实际应用中具有一定的局限性[8,15-16]。肿瘤的异质性导致同一肿瘤不同部位的抗原表达情况不同；同一患者在肿瘤进展及治疗过程中，肿瘤抗原表达情况也不同；原发灶和转移灶肿瘤抗原表达也会存在差异，因此局部的活检标本并不能真正代表机体完整的肿瘤抗原表达情况[16]。程序性死亡受体-1/程序性死亡受体-配体1（programmed cell death-1/programmed cell death-ligand 1，PD-1/PDL1）是肿瘤免疫治疗的重要信号通路，T 细胞上的PD-1 与肿瘤细胞上的PD-L1 结合后会激活PD-1/PD-L1 免疫抑制信号通路，抑制T 细胞的增殖活化，下调细胞免疫功能，造成肿瘤的免疫逃逸[17]，而抗PD-1/PD-L1 单抗可通过特异性阻断PD-1/PD-L1 信号通路，恢复机体的免疫杀伤功能，发挥抗肿瘤作用。由PD-1/PD-L1 单抗的作用机制可知，该类抗体药物的治疗敏感性与肿瘤PD-L1 蛋白表达水平密切相关，检测肿瘤PD-L1 的表达，对于用药前的患者筛选具有重要意义[18-19]。一项针对16 个国家或地区的Ⅲ期临床试验统计分析发现，在应用派姆单抗治疗的154名肿瘤IHC 检测PD-L1 高表达的晚期非小细胞肺癌患者中，仅69 名患者达到缓解，缓解率约为45%[20]；而另一项在31 个国家和地区的194 个研究中心开展的Ⅲ期临床试验发现，肿瘤IHC 检测PD-L1 表达阴性的非小细胞肺癌患者在接受PD-L1 抗体治疗后缓解率仍可达10%[21]。由此可知IHC 检测可能存在“假阳性”或“假阴性”的情况，因此，应用组织活检方法进行患者筛选具有一定的局限性[8,15-16]。

PET 显像的方法可实现对肿瘤抗原的系统定量和动态监测，被越来越多的应用到肿瘤免疫治疗的适宜患者筛选中[22-27]。有研究表明，在PD-L1 表达水平不同的3 种非小细胞肺癌（H1703、H1993 和HC827）动物模型和2 种具有不同PD-L1 表达水平的同基因型（CT26 和B16F10）动物模型中，89Zr-DFO-6E11的PET显像可定量各肿瘤组织中PD-L1的表达情况，注射示踪剂72 h 时，上述5 种模型中每克肿瘤组织的摄取百分比（%ID/g）分别为：（1.35±0.1）、（2.32±0.2）、（5.1±0.6）、（8.26 ±0.6）和（10.78±0.9），在不同PD-L1 表达的3 种非小细胞肺癌模型之间，以及2 种同基因型的不同PD-L1 表达的肿瘤模型之间89Zr-DFO-6E11 在瘤组织摄取值均存在统计学差异，该结果同时得到体外组织分布、流式细胞术和免疫组织化学等检测方法的支持，提示89Zr-DFO-6E11 有望作为无创工具用于特异性检测PD-L1 表达及后续疾病诊断和预测[28]。Bensch 等[29]首次利用89Zr 标记抗PD-L1 单抗（阿特珠单抗）开展临床肿瘤患者PET/CT 显像研究，通过分析22 例3 种不同肿瘤类型的患者接受PD-L1 抗体治疗前的PET 扫描结果与治疗后的临床疗效发现，89Zr 标记PD-L1 抗体的PET 显像结果相较于免疫组织化学和RNA 基因测序，与患者预后具有更好的相关性，提示PET 显像方法有望用于肿瘤免疫治疗中适宜患者的筛选。

2 PET 显像在肿瘤免疫治疗药物剂量优化中的应用

肿瘤免疫治疗药物通过与作用靶点结合发挥药效，随着药物剂量的增加，靶点结合可能会出现饱和，而当靶点饱和后再增加剂量不会有更好的药效，反而会引发安全性问题，故临床试验中常采用“生物有效剂量”（biological effective dose，BED）作为肿瘤免疫治疗类抗体药物剂量选择的依据[30]。生物有效剂量的确定需要对靶点饱和程度进行评估，目前常采用的流式细胞术、酶联免疫吸附实验和质谱检测等方法均只能检测血液等循环系统中的抗体浓度，无法客观获得靶组织的结合情况[31-32]，而PET显像方法可以实现对药物靶标结合情况的动态监测。

GSK2849330 为抗人表皮生长因子受体3（human epithelial growth factor receptor 3， HER3）单克隆抗体，Alsaid 等[33]利用PET 扫描、近红外荧光（near-infrared fluorescence，NIRF）显像和核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等多模态显像方式在HER3 阳性表达的荷瘤鼠模型中开展了临床前剂量依赖的靶组织受体占有情况研究，结果显示瘤组织的摄取与抗体剂量呈依赖性。进一步在6 例HER3 阳性肿瘤患者中利用89Zr 标记GSK2849330 进行PET 扫描的临床研究结果显示，肿瘤组织中89Zr-GSK2849330 的摄取与剂量呈依赖性抑制，进而推算出靶标介导的90%剂量（ID90）为18 mg · kg-1，该饱和剂量显著低于利用传统方法确定的最大耐受剂量（maximum tolerated dose，MTD）（30 mg · kg-1）[34]。事实上，利用传统MTD方法确定抗体类药物临床剂量并不理想，一项针对82 种单抗首次临床实验（first-in-human，FIH）的调查显示，57%（47 项）的研究中未发现剂量限制性毒性（dose-limiting toxicity，DLT），仅13 项（16%）试验达到了MTD[30,35]，而利用PET 显像可以更好地实现抗体药物临床剂量的预测和优化。

双特异性抗体是目前肿瘤免疫治疗领域药物研发的热点。与单克隆抗体不同，双特异性抗体具有同时靶向2 个不同表位的能力，并能起到药效协同作用，利用传统方法研究靶点饱和程度难度较大。Wang 等[36]利用剂量递增爬坡89Zr 标记抗体PET 显像的方法在肿瘤高表达hCD47 和hPD-L1 的人源化B-hCD47 荷瘤鼠模型中，推算出CD47/PD-L1 双特异抗体IBI322 的靶点饱和剂量，该剂量的有效性也在后续药效学实验中得到了进一步的验证。

3 PET 显像在肿瘤免疫治疗早期疗效预测和药效监测中的应用

PET 显像技术在肿瘤免疫治疗的早期疗效预测和药效评估方面已有较多应用[8-9,37]。

3.1 PET 显像在肿瘤免疫治疗早期疗效预测中的应用

氟代脱氧葡萄糖（18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG）的PET/CT 扫描是目前临床常用的肿瘤患者诊断方法，其体内分布情况可反映细胞对葡萄糖的摄取和代谢活性，因此常根据肿瘤患者治疗前后18F-FDG PET 扫描时瘤组织摄取变化来评估疗效与疾病进展。瘤组织中18F-FDG 的摄取与葡萄糖转运蛋白1（glucose transporter 1，Glut1）有关，而Glut1 的表达与肿瘤组织中缺氧诱导因子-1 复合物（hypoxiainducible factor-1，HIF-1）及其上游信号转导通路磷脂酰肌醇3-激酶-蛋白激酶B（PI3k-Akt）通路参与调控的沃伯格效应（Warburg effect）有关[38]。深入研究进一步发现，缺氧可能是肿瘤细胞对杀伤性T 细胞（cytotoxic T lymphocyte，CTL）适应性免疫逃逸的新机制[39]。当人或小鼠癌细胞暴露于缺氧环境24 h 后，免疫抑制分子PD-L1（B7-H1）以依赖于中枢低氧诱导因子-1α（HIF-1α）的方式上调；体内研究也显示HIF-1α 和PD-L1 在肿瘤中的细胞共定位，低氧诱导的PD-L1 在癌细胞中的表达增加了其对CTL 介导的细胞毒效应的抵抗力；同时，临床研究也发现，在非小细胞肺癌中PD-L1 的表达与缺氧相关信号通路中HIF1-α 和Glut1 等表达相关[40]。因此，18F-FDG 也可用于如PD-L1 等肿瘤免疫检查点治疗的早期疗效评价，并有望作为潜在的疗效预测的生物标志物[41-44]。一项针对接受纳武单抗治疗的32 例转移性肺癌患者治疗前18F-FDG 扫描的回顾性分析发现，免疫治疗无反应的患者瘤组织摄取值明显高于有反应的患者（中位数分别为48.97 和20.8，P= 0.002）[41]，结果提示18F-FDG 的PET/CT可以预测转移性肺癌患者对PD-1 单抗免疫治疗的响应。

一项利用18F 标记的3'-氟-3'-脱氧胸苷（18F-FLT）PET 对14 例患有淋巴结转移的黑色素瘤患者淋巴结节内注射抗原负载的树突状细胞（dendritic cells，DC）疫苗治疗的研究发现，初次接种疫苗后第3 天即可在经过处理的结节中观察到18F-FLT 信号的增加，并且可持续长达3 周，而未经处理的对照淋巴结中未见明显18F-FLT 摄取，利用111In-oxine 和超顺磁氧化铁（superparamagnetic iron oxide，SPIO）标记对DC 细胞共定位研究也证实DC 分散到T 细胞区域，并激活了CD4+和CD8+T 细胞；进一步分析发现淋巴结中18F-FLT 示踪剂摄取水平也与循环抗原特异性IgG 抗体水平和外周血T 细胞的抗原特异性增殖水平呈显著相关[45]。提示18F-FLT PET 扫描提供了灵敏的工具来研究免疫疫苗接种后淋巴细胞亚群的早期免疫反应情况，早期区分抗癌疫苗接种中无反应的患者，并帮助医生进行个性化决策。

与非特异性示踪剂18F-FDG 和18F-FLT 相比，利用放射性核素如64Cu、89Zr 或124I 等对抗体标记后作为特异性示踪剂进行PET 扫描评估肿瘤免疫治疗疗效更客观也更早期。一项利用89Zr 标记贝伐单抗作为抑制血管内皮生长因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGF-A）的特异性示踪剂，对依维莫司治疗转移性肾细胞癌（metastatic renal cell carcinoma，mRCC）患者在治疗前、治疗后2 周和6 周进行PET 显像的结果发现，治疗前入组的13例患者94 个肿瘤病灶的最大标准摄取值（maximal standard uptake value，SUVmax）中位数为7.3（范围1.6 ～ 59.5），治疗2 周后SUVmax中位数为6.3（范围1.7 ～ 62.3），平均下降9.1%（P= 0.000 1），除3例患者早期停用依维莫司外，治疗6 周时，在其他10 位患者的70 个病灶处，SUVmax与基线相比平均降低了23.4%，SUVmax中位数为5.4（范围1.1 ～ 49.4，P= 0.000 1），传统CT 扫描评价疗效结果也显示所有10 例患者在治疗3 个月时病情稳定，提示89Zr 标记贝伐单抗PET扫描可预测依维莫司抗肿瘤疗效[46]。

3.2 PET 显像在肿瘤免疫治疗疗效评估中的应用

18F-FDG 也可以作为一种识别已获得初始良好反应但仍存在疾病复发风险患者的生物标志物。在一项针对免疫检查点抑制剂治疗1 年后的104 名黑色素瘤患者的回顾性分析发现，只有28%的患者用CT 显像实体瘤的疗效评价标准RECIST1.1 评估为完全缓解，而有75%的患者显示18F-FDG 扫描具有完全的代谢反应。在CT显像获得部分反应的患者中，利用18F-FDG PET 扫描能够进一步识别出疾病进展风险高的患者：对18F-FDG 扫描无代谢反应的患者5 年无进展生存率为48%，而对18F-FDG 扫描有代谢反应的患者5 年无进展生存率为93%，提示在免疫治疗后期通过18F-FDG PET-CT 可更准确地评价患者的疾病进展和缓解情况，有助于临床进一步发现需要强化治疗的患者[8]。

肿瘤浸润淋巴细胞（tumor infiltrating lymphocyte，TIL）是肿瘤免疫应答中重要的效应细胞[12,47-48]，目前在临床前研究中已有多种特异性示踪剂用于肿瘤微环境中CD8+[12]、CD4+[49]和CD3+[50-51]等T 细胞监测以评估患者接受肿瘤免疫治疗后的机体免疫情况。IAB22M2C 是与人CD8 具有高亲和力的抗体片段，一项在6 例实体瘤患者中进行的89Zr-IAB22M2C 首次临床试验的结果显示，不同患者肿瘤组织中89Zr-IAB22M2C 的摄取不同[52]。2 例正在接受派姆单抗和纳武单抗治疗的患者（黑色素瘤和肝细胞癌），注射示踪剂89Zr-IAB22M2C 后2 h 时肿瘤病灶即可见明显放射性摄取，且随着时间延长摄取逐渐升高，提示89Zr-IAB22M2C 在肿瘤病灶的高摄取可能与免疫治疗调节肿瘤浸润淋巴细胞引起的CD8+T 细胞增加有关；而另外4 例未接受过免疫治疗，或已停止免疫治疗较长时间的患者，肿瘤浸润淋巴细胞较低，瘤组织89Zr-IAB22M2C 摄取均呈阴性，提示89Zr-IAB22M2C 可实现CD8+T 细胞特异性的无创活体成像，进而考察淋巴细胞是否在肿瘤部位发挥作用，并有望用于肿瘤免疫治疗的疗效预测与评价。

3.3 PET 显像在CAR-T 细胞治疗中的应用

CAR-T 细胞疗法使用嵌合抗原受体基因改造过的T 细胞作为治疗药物是细胞治疗的重要组成部分，CAR-T 细胞作为一种“活”的药物，输入体内后能够在体内靶抗原的刺激下大量扩增，识别并攻击自身的肿瘤细胞，靶向杀伤具有特定抗原表达的肿瘤细胞[53]。在临床实践中发现，不同患者CAR-T 细胞治疗后的疗效个体差异大[54]，进一步研究表明，CAR-T 治疗效果与CAR-T 细胞体内扩增能力具有一定的相关性[55]，因此，通过对CAR-T细胞体内分布、迁移、归巢和增殖等监测，有望实现对CAR-T 细胞治疗疗效的评估。对CAR-T 细胞的理想监测应包括所有与疗效相关的必要步骤：跟踪T 细胞迁移，与携带抗原的肿瘤细胞的结合，在肿瘤部位的增殖和持久性等[56]。目前临床监测回输后CAR-T 细胞的方法主要有与T 细胞活化相关的细胞因子的血清分析、外周血中肿瘤特异性T 细胞的直接计数和肿瘤活组织检查等，但均无法实现对CAR-T 细胞的体内分布、药物代谢动力学、药效学及安全性的系统评价，PET 显像的方法有望突破活细胞研究中的瓶颈问题[11,56-59]。

Minn 等[57]利用基因工程技术将人前列腺特异性膜抗原（PSMA）转导至抗CD19 CAR-T 细胞后，利用特异性示踪剂2-（3-{1-羧基-5-[（6-[18F]氟-吡啶-3-羰基）-胺基]-戊基}-脲基）-戊二酸（2-(3-{1-carboxy-5-[(6-[18F]fluoropyridine-3-carbonyl)-amino]-pentyl}-ureido)-penta-nedioic acid，18F-DCFPyL）在急性淋巴细胞白血病Nalm6 动物模型中实现对CAR-T 细胞动态增殖和分布的PET显像。研究表明，无病变的小鼠模型在尾静脉注射CD19-tPSMA（N9del）CAR-T 细胞后未能检测到CAR-T 细胞，而荷瘤模型骨髓中可检测到较多的CAR-T 细胞，并且随时间推移逐渐分布至肿瘤部位。光学显像结果显示，随着CAR-T 细胞进入肿瘤组织，肿瘤细胞活性显著降低，而未经治疗的小鼠和注入模拟T 细胞的小鼠的PET 扫描均未检测到CAR-T 细胞，提示PET 信号特异性结合CD19-tPSMA（N9del）的CAR-T 细胞，免疫组织化学结果也进一步验证在PET 显像呈阳性的肿瘤部分存在浸润的CD19-tPSMA（N9del）CAR-T 细胞。该方法对CD19-tPSMA（N9del）CAR-T 细胞进行活体示踪的特异性强，且灵敏度高（最低可检测到2 000个细胞），有望用于临床转化。

Keu 等[58]使用9-（4-18F-3-羟甲基丁基）鸟嘌呤（18F-FHBG）作为特异性分子探针，考察经HSV1-tk报告基因修饰的CAR-T 细胞输入脑胶质瘤患者后的动态增殖和分布情况，首次实现了CAR-T 回输患者后的脑内动态监测。7 名患者接受细胞治疗后，肿瘤病灶中18F-FHBG 总活性显著增加（P= 0.014），该方法可监测CAR-T 细胞向肿瘤部位的迁移情况，有望应用于更多基于细胞治疗的临床研究。

4 PET 显像在肿瘤免疫治疗安全性评价中的应用

近年来免疫治疗取得了突破性进展[8]，但肿瘤免疫治疗药物亦存在非预期的体内分布和免疫系统过度激活等安全性问题。一项利用CAR-T 细胞疗法治疗难治性多发性结肠癌患者的报道显示，患者在静脉注射1 010 个CAR-T 细胞后第5 天出现死亡[60]，这可能与细胞治疗药物引发的细胞因子风暴有关。

抗体偶联药物（antibody-drug conjugate，ADC）是将高亲和力和特异性的抗体与细胞毒性药物结合，利用单抗作为载体将具有强细胞毒性的小分子药物靶向运输到目标细胞中起到抗肿瘤的作用。癌胚抗原相关细胞黏附分子6（carcinoembryonic antigenrelated cell adhesion 6，CEACAM6）是一种恶性肿瘤的潜在生物标志物和治疗靶标，在非人灵长类食蟹猴中的64Cu-CEACAM6 PET 显像结果显示，骨髓中放射性物质摄取最高，在使用ADC 进行治疗期间，所有食蟹猴中均出现贫血和血小板减少等症状，提示64Cu-CEACAM6 PET 成像通过对ADC 药物的体内分布的研究可以实现对药物不良反应的预测[61]。

CAR-T 治疗易引发细胞因子风暴和神经毒性等不良事件，研究表明在发生神经毒性的患者脑脊液中能检测到CAR-T 细胞[62]，而应用PET 显像可实现CAR-T 细胞体内分布、代谢、迁移和归巢等过程的动态监测，有助于预测不良事件的发生，进而研究不良事件的发生机制。

需要注意的是，在安全性评价的过程中，由于给药方式及药物代谢的情况不同，放射性分子探针在体内各组织器官的摄取能力也会不同，这将导致部分非代谢器官的毒性评价困难，因此常需要结合更多的技术手段进行药物安全性的评价。

5 展望

近年来，PET 显像在肿瘤免疫治疗个体化用药中得到越来越广泛的应用，但目前仍存在一些挑战：1）针对肿瘤患者诊断和疗效评估等，目前临床普遍使用的示踪剂为18F-FDG，该示踪剂在炎性部位也有阳性摄取，而免疫治疗过程中肿瘤发生发展往往伴随炎性反应，临床使用中需要开发更特异性的分子探针[8,56]；2）目前临床尚无基于PET 显像方法评估免疫治疗疗效的标准，现行标准有待结合免疫治疗的特性进一步优化；3）放射性核素可能会对人体产生额外的辐射，也限制了该技术更广泛的应用。然而，随着肿瘤治疗研究的深入和检测仪器的发展，微剂量的放射性核素即可满足示踪要求，在精准医疗的大背景下，PET 显像技术在个体化肿瘤免疫治疗中具有广阔的应用前景。