新型丙酮酸代谢PET分子探针的研制及其在肿瘤诊断中的基础研究

Aerobic glycolysis is the typical energy metabolism pathway for various malignant tumor cells. The metabolism of pyruvate as the intermediate product of glycolysis decides the difference of glucose metabolism in malignant tumor cells and normal cells, and the presence and the adaptive response of tumor hypoxia increase the pyruvate metabolism. Several techniques have been attempting to investigate pyruvate metabolism in tumor cells. 11C-pyruvate has been used in animal and human tumor PET imaging, which proves that the PET imaging of pyruvate metabolism is an effective strategy for the effective diagnosis of malignant tumor. Due to the short half time of 11C and the limitation on the preparation and application of 11C-pyruvate, 11C-pyruvate PET imaging has not been used widely in clinical. The aim of this study is to develop the new PET probe for pyruvate metabolism from the radiolabeled synthesis of pyruvic acid analogues using 18F. The uptake mechanism of the 18F radiolabeled pyruvic acid analogues in tumor cells are researched, and PET imaging are performed with these probes in various animal models, and the feasibility of 18F radiolabeled pyruvic acid analogues in tumor PET imaging are comprehensively assessed in combine with the immunohistochemistry and MR spectroscopy results. And the findings of this project would be very significant to identify the alteration of pyruvate metabolism to the oxygen status of tumor and the glycolytic enzyme related to tumor metabolic intervention.

丙酮酸代谢是恶性肿瘤细胞和正常细胞进行有氧糖酵解过程的主要不同环节，且肿瘤的乏氧及其耐受性的产生促使丙酮酸代谢增加，多种技术均在尝试通过监测丙酮酸的代谢变化以对肿瘤代谢及诊断的研究，其中11C-丙酮酸PET技术已实现对动物和临床肿瘤显像，证实了对丙酮酸代谢PET显像是肿瘤诊断的有效策略。由于11C-丙酮酸较短的半衰期和其酶法制备工艺不适于临床生产和应用，目前暂无可临床广泛应用的丙酮酸代谢PET分子探针。鉴于核素18F较适宜的半衰期和成熟的18F核素标记方法，本研究拟用18F标记丙酮酸类似物以研制可临床广泛应用的新型丙酮酸代谢PET分子探针。通过开展18F标记的丙酮酸类PET分子探针的肿瘤细胞摄取机制研究，用其对多种模型动物行PET显像，结合MR波谱分析和病理学结果、综合评估其用于肿瘤PET显像的可行性。本研究将对明确肿瘤含氧状态与丙酮酸代谢的关系和肿瘤代谢治疗相关的糖酵解酶具有重要意义。

丙酮酸和乳酸是葡萄糖代谢的重要中间体，丙酮酸代谢是肿瘤细胞和正常细胞进行葡萄糖代谢过程的核心不同环节，而且根据肿瘤组织中含氧状态的不同，肿瘤细胞对丙酮酸及其代谢物的利用情况不同。在乏氧区肿瘤细胞对葡萄糖糖酵解代谢产生的丙酮酸很快转化为乳酸并经单羧酸转运体MCT4转至细胞外，经细胞间间质到达含氧量较丰富的富氧区，富氧区肿瘤细胞则可以利用乳酸来作为能量底物，将乳酸经MCT1转运至细胞内后经与乳酸脱氢酶作用转化为丙酮酸，再进一步经三羧酸氧化提供能量。因此，丙酮酸和乳酸是肿瘤葡萄糖代谢实现对葡萄糖综合利用的关键中间体，通过检测丙酮酸或乳酸的利用情况则可为实现肿瘤代谢诊断和抗代谢治疗提供重要的方法。本项目研制了多个18F核素标记的酮酸类分子探针，包括各分子探针制备的工艺优化、细胞摄取及其机制、动物体内的生物分布、动物肿瘤模型PET显像、以及组织相关蛋白表达与放射性摄取的相关性研究。结果表明：18F-氟代丙酮酸、18F-氟代丁酮酸和3-18F-氟2-羟基丙酸三种酮酸类分子探针对肿瘤均具有一定的摄取性，并经过体外肿瘤细胞摄取和活体PET显像与细胞及组织的MCT1表达的相关性研究，确定了肿瘤对三种分子探针的摄取主要依赖于单羧酸转运，且与肿瘤含氧状态呈负相关。但三种分子探针在体内均有一定程度的脱氟，主要是18F标记的酮酸分子与乳酸脱氢酶作用时发生的脱氟。本研究确定了最具应用前景的分子探针为3-18F-氟2-羟基丙酸，并将开发更易于临床推广的制备工艺。本项目的研究为肿瘤酮酸代谢和抗代谢疗效评价的PET显像技术开发提供了新的思路和方法。此外，本项目还同时完成了其他几个分子探针的制备及应用评价，为肿瘤诊断及疗效评价提供了新的技术。