科学与运输医学。作者手稿;PMC 2015年8月11日发布。
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美国国立卫生研究院:NIHMS682428
基于谷氨酰胺的PET成像有助于增强胶质瘤的代谢评估体内
,1,* ,2,* ,三,* ,4 ,5 ,6 ,7 ,4 ,8 ,9 ,4,6 ,10 ,13 ,5,11 ,2,三 ,12 ,6,10 ,9 ,三,7,8,#和4,6,#
斯里拉姆·维内蒂
1密歇根大学病理学系,密歇根州安娜堡,41809
马克·邓菲
2分子成像与治疗服务,放射科,MSKCC,纽约州纽约市,10065
张汉文(Hanwen Zhang)
三分子药理学和化学项目,MSKCC,纽约州纽约市,10065
肯尼思·皮特
4癌症生物学和遗传学项目,MSKCC,纽约,NY,10065
帕特里克·赞佐尼科
5医学物理,MSKCC,纽约州纽约市,10065
卡尔·坎波斯
6人类肿瘤和病理学计划,MSKCC,纽约州纽约市,10065
肖恩·卡林
7放射化学和成像科学服务,放射科,MSKCC,纽约州纽约市,10065
加斯帕尔·拉罗卡
4癌症生物学和遗传学项目,MSKCC,纽约州纽约市,10065
谢尔盖·利亚什琴科
8放射化学和分子成像探针核心,MSKCC,纽约州纽约市,10065
卡尔·普洛塞尔
9宾夕法尼亚大学放射和药理学系,宾夕法尼亚州费城,19104
丹尼尔·罗勒
4癌症生物学和遗传学项目,MSKCC,纽约州纽约市,10065
6人类肿瘤和病理学计划,MSKCC,纽约州纽约市,10065
安东尼奥·奥穆罗
10神经科,MSKCC,纽约,10065
贾斯汀·克罗斯
13Donald B.和Catherine C.Marron癌症代谢中心,MSKCC,纽约,10065
卡梅隆·布伦南
5医学物理,MSKCC,纽约州纽约市,10065
11神经外科,MSKCC,纽约,10065
沃尔夫冈·韦伯
2分子成像与治疗服务,放射科,MSKCC,纽约州纽约市,10065
三分子药理学和化学项目,MSKCC,纽约州纽约市,10065
埃里克·C·霍兰德
12华盛顿大学人类生物学部、弗雷德·哈钦森癌症研究中心和阿尔沃德脑瘤中心,西雅图,邮编98109
英戈·K·梅林霍夫
6人类肿瘤和病理学计划,MSKCC,纽约州纽约市,10065
10神经科,MSKCC,纽约,10065
汉克·F·孔
9宾夕法尼亚大学放射与药理学系,宾夕法尼亚州费城,19104
杰森·刘易斯
三分子药理学和化学项目,MSKCC,纽约州纽约市,10065
7放射化学和成像科学服务,放射科,MSKCC,纽约州纽约市,10065
8放射化学和分子成像探针核心,MSKCC,纽约州纽约市,10065
克雷格·汤普森
4癌症生物学和遗传学项目,MSKCC,纽约州纽约市,10065
6人类肿瘤和发病机制项目,MSKCC,纽约州纽约市,10065
1密歇根大学病理学系,密歇根州安娜堡,41809
2分子成像和治疗服务,放射科,MSKCC,纽约,NY,10065
三分子药理学和化学项目,MSKCC,纽约州纽约市,10065
4癌症生物学和遗传学项目,MSKCC,纽约州纽约市,10065
5医学物理,MSKCC,纽约州纽约市,10065
6人类肿瘤和病理学计划,MSKCC,纽约州纽约市,10065
7放射化学和成像科学服务,放射科,MSKCC,纽约州纽约市,10065
8放射化学和分子成像探针核心,MSKCC,纽约州纽约市,10065
9宾夕法尼亚大学放射与药理学系,宾夕法尼亚州费城,19104
10神经科,MSKCC,纽约,10065
11神经外科,MSKCC,纽约,10065
12华盛顿大学人类生物学部、弗雷德·哈钦森癌症研究中心和阿尔沃德脑瘤中心,西雅图,邮编98109
13Donald B.和Catherine C.Marron癌症代谢中心,MSKCC,纽约,10065
#通讯作者:Craig B.Thompson,医学博士,总裁兼首席执行官,地址:Z-1245,408 East 69th street,Memorial Sloan Kettering Cancer Center,New York,NY 10065,电话:212-639-6561,传真:212-717-3299,CnospmohT的gro.ccksmJason S.Lewis,放射化学和成像科学服务博士,放射科,纪念斯隆-凯特琳癌症中心,1275 York Ave.,New York,NY 10065。gro.ccksm@2jsiwel *这些作者为这项研究做出了同等贡献。
- 补充资料
Venneti增补剂。
制导:0D5F9F95-3E0F-4D29-8180-C890AAC13D86
摘要
葡萄糖和谷氨酰胺是癌细胞用来增殖和生存的两种主要营养素。许多癌症表现出葡萄糖代谢的改变,这是体内正电子发射断层成像18氟脱氧葡萄糖(18F-FDG)。然而,18由于脑内背景摄取量高,F-FDG在评估胶质瘤方面无效。谷氨酰胺代谢在许多癌症中也发生改变,我们证明PET成像体内谷氨酰胺类似物4-18F-(2S,4R)-氟谷氨酰胺(18F-FGln)在胶质瘤中的摄取量较高,但背景脑摄取量较低,有助于清晰地描绘肿瘤。减少化学/放射治疗18F-FGln-肿瘤亲和力,与肿瘤负担降低相对应。18在具有可渗透性血脑屏障或神经炎症的动物中未观察到F-FGln的摄取。我们将这些发现转化为人类受试者,其中18在患有进展性疾病的人脑胶质瘤患者中,F-FGln显示出较高的肿瘤/背景比率,在周围大脑中的摄取量最小。这些数据表明18F-FGln被神经胶质瘤强烈摄取,可用于评估神经胶质瘤的代谢营养摄取体内,在胶质瘤的临床治疗中可能是一个有价值的工具。
介绍
癌细胞通常会进行代谢再编程,从而增加营养吸收和代谢(1). 葡萄糖和谷氨酰胺是癌细胞赖以生存和增殖的关键营养素(1,2). 通过Warburg效应,肿瘤通过有氧糖酵解增强了葡萄糖的摄取和代谢(1,2). 可以评估葡萄糖摄取的增加体内使用葡萄糖类似物的正电子发射断层扫描(PET)成像18氟脱氧葡萄糖(18F-FDG)。18F-FDG PET成像是一种有价值的临床工具,通常用于癌症的诊断、分级和分期以及评估治疗效果(三). 然而,18F-FDG对评估胶质瘤无效体内因为正常大脑中的高糖代谢导致了次优的肿瘤检测和描绘(4,5). 神经破坏性胶质瘤是最致命的癌症之一。因此,迫切需要开发更有效的临床成像方法,以有效、无创地评估胶质瘤中营养物质摄取和代谢的改变,这一需求尚未得到满足体内.
谷氨酰胺是肿瘤细胞使用的另一种主要营养素。它是血浆中最丰富的氨基酸,许多癌症都依赖谷氨酰胺生存。神经母细胞瘤、淋巴瘤、肾癌和胰腺癌等癌症使用改变的谷氨酰胺代谢来支持其生长和生存。谷氨酰胺代谢有助于肿瘤细胞增殖、ATP合成和生物分子(如蛋白质、脂质和核酸)的产生(6,7). 我们最近开发了4个-18F-(2S,4R)-氟谷氨酰胺(18F-FGln),一种被癌细胞吸收的谷氨酰胺类似物在体外并在小鼠异种移植模型中显示PET成像的特异性摄取体内(8).
我们假设神经胶质瘤中的谷氨酰胺成瘾可以用于神经胶质瘤的成像体内通过PET18F-FGln用于评估肿瘤中营养吸收的改变。原发性胶质母细胞瘤(GBM)表现出多种遗传改变,如血小板衍生生长因子受体A(PDGFRA公司)扩增、磷酸酶和张力蛋白同源物(PTEN公司)损失和表皮生长因子(表皮生长因子受体)变更(9). 这些分子异常集中于PI3K/AKT/mTOR通路的放松调控(9). 继发性GBM和约70%的中间粒型胶质瘤存在异柠檬酸脱氢酶1(IDH1)突变,IDH1是TCA循环中的一种酶,导致肿瘤代谢物2-羟基戊二酸(2-HG)的产生(10). 因此,从代谢的角度来看,胶质瘤可分为两大类:一类是由增强的PI3K/AKT/mTOR信号驱动的胶质瘤(原发性GBM),另一类是携带IDH1突变的胶质瘤。
为了解决我们的假设,我们使用PET成像18F-FGln公司体内评估PDGF驱动的PTEN缺失胶质瘤模型(用增强的PI3K/AKT/mTOR信号模拟原发性GBM)和IDH1-突变(IDH1m)胶质瘤模型中谷氨酰胺的摄取。数据表明18F-FGln在两种胶质瘤模型中均表现出高摄取,但在正常大脑中的摄取量最小,使肿瘤清晰可见。此外,18F-FGln特异性描绘胶质瘤体内通过在动物模型和有疾病进展的人类神经胶质瘤患者中的PET成像。结果表明18F-FGln可能是评估胶质瘤代谢营养摄取的一种有价值的临床工具体内使用PET成像。
结果
18F-FGln在胶质瘤中高摄取,但在正常大脑中可忽略不计
由于谷氨酰胺是许多癌症中TCA循环代谢物(称为回补)的重要补充来源,我们首先评估了谷氨酰胺对含多种致癌基因的胶质瘤细胞系中TCA周期回补的贡献:U87-MG(PTEN−/−)、TS543(PDGFRA,PTEN−/−,和TS603(IDH1m)。谷氨酰胺是所有测试细胞系中TCA循环回补的主要底物(图S1),强调谷氨酰胺作为胶质瘤关键营养素的重要性,以及开发基于谷氨酰胺的胶质瘤PET成像的原理。为了确定含氟谷氨酰胺是否代谢为谷氨酸,我们比较了19F-FGln(等同于18F-FGln,除了那个18F被更稳定的氟同位素取代19F启用GC-mass光谱分析)和[U-13C] -上述细胞系中的谷氨酰胺代谢。鉴于[U-13C] -谷氨酰胺代谢为[U-13C] -谷氨酸,无19检测到的F-谷氨酸(与标准相比)表明19F-FGln未转换为19F-谷氨酸(图S2). 这些在体外具有的数据19F-FGln类似于18F-FGln数据体内,其中只有一小部分18F-FGln(动物肿瘤异种移植中约9%(8))已转换为18F-谷氨酸,表明18F-FGln PET成像主要是测量谷氨酰胺摄取。
评估谷氨酰胺摄入体内在胶质瘤中,我们使用谷氨酰胺类似物的PET成像18F-FGln公司(). 生物分布研究18正常小鼠的F-FGln(图S3)表明了这一点18F-FGln跨越血脑屏障(BBB),但与胰腺和肠道等其他器官相比,正常大脑对F-FGlns的摄取量最小(和第3章). 因此,我们推测胶质瘤中谷氨酰胺的高利用率(图S1)再加上正常大脑的最低摄取量(和第3章)会导致较高的肿瘤背景比。为了测试这一点,我们进行了比较18F-FGln和18胶质瘤异种移植物在正常小鼠脑中的F-FDG摄取。通过皮下注射TS543建立异种移植模型(PDGFRA公司,PTEN公司−/−),TS603(IDH1m),TS598(表皮生长因子受体)和U87-MG(PTEN公司−/−)胶质瘤细胞转化为SCID小鼠。异种移植物的组织病理学与人类胶质瘤相似(9) (图S4A–D). 禁食或灌注对18胶质瘤皮下移植中F-FGln的摄取(图S5). 此外,18联合注射过冷后,异种移植物对F-FGln的摄取显著降低(p=0.0088)19F-FGln公司(图S3). 所有胶质瘤皮下异种移植物均表现出明显的(p<0.0001)高摄取18F-FGln与正常大脑相比(和图S6,全身图像)。18与所有测试的胶质瘤皮下异种移植物相比,F-FDG在正常大脑中的摄取量较高或相当(和图S6,全身图像)。
18F-FGln在胶质瘤异种移植中高摄取,在正常脑中低背景A。结构示意图18F-FGln公司。
B。的比较18神经胶质瘤异种移植物在正常脑中注射后0.5、1和2小时的F-FGln摄取(黑色条,所有时间点n=6):具有EGFR扩增的TS598(绿色条,所有时间点n=6),具有PTEN缺失的U-87 MG(深蓝色条,所有时间点n=5),TS543具有PDGFRA扩增和PTEN缺失(淡蓝色条,0.5和1小时时间点n=5,2小时时间点n=4),TS603具有IDH1 R132H突变(橙色条,所有时间点n=5)。%ID/cc:注射剂量百分比/立方厘米。通过双侧方差分析确定统计显著性;***表示p<0.001。
C、。的比较18注射后0.5、1和2小时,F-FDG在正常脑内的摄取(黑条,所有时间点n=6),胶质瘤异种移植物:TS598,EGFR扩增(绿色条,0.5和1小时n=3,2小时n=6,PTEN缺失的U-87 MG(深蓝色条,所有时间点n=5),TS543具有PDGFRA扩增和PTEN缺失(淡蓝色条,0.5小时n=6,1小时和2小时n=4),TS603具有IDH1 R132H突变(橙色条,所有时间点n=5)%ID/cc:注射剂量百分比/立方厘米。
D。将异种胶质瘤移植到小鼠肩部的图示,显示了PET图像的冠状面和横切面。
E.公司。正常颅骨和大脑的典型冠状PET图像描绘18F-FGln和18F-FDG摄取。
F、。典型的横向PET图像(参见图S5全身日冕图像)显示18F-FGln和18TS603(IDH1 R132H)胶质瘤异种移植物的F-FDG摄取(用红色箭头表示)。
G.公司。代表性横向PET图像(参见图S5全身冠状图像)显示18F-FGln和18TS543(PDGFRA,PTEN−/−)胶质瘤异种移植物中F-FDG的摄取(用红色箭头表示)。
对于所有图表,数据均表示为平均值±标准偏差。
在IDH1-突变胶质瘤细胞中,我们发现[U-13C] -谷氨酰胺被代谢生成肿瘤代谢物2-羟基戊二酸。这被shRNA敲除总量印尼盾1(突变型和野生型)或IDH1m特异性抑制剂(IDH35)(11)在体外(图S1 I和S7). 携带shRNA对抗总IDH1的胶质瘤异种移植物在18与对照组相比F-FGln摄取(图S7). 这表明18F-FGln摄取体内在TS603 IDH1m细胞中,当产生2-HG的突变IDH1的活性被抑制时,不会改变(图S7).
18F-FGln可清晰描绘胶质瘤体内
接下来,我们使用由PTEN阴性背景的PDGF驱动的RCAS/tv-a系统(RCAS-PDGF,PTEN公司−/−),在组织学上形成与人类GBM相同的GBM(图S4E和G) (12). 这些动物的PET成像显示18通过MRI检测并通过放射自显影和组织病理学证实,在与肿瘤直接对应的区域,F-FGln摄取具有不同的肿瘤轮廓(与周围的大脑相比)(). 肿瘤背景比18F-FGln的范围为4:1至6:1,而肿瘤与背景的比率为1:118F-FDG公司(). 在PTEN野生型背景下的RCAS-PDGF动物中也观察到类似的结果(图S8A–D)在原位IDH1m胶质瘤模型中(和S8 E–G系列).
18与胶质瘤背景相比,F-FGln显示出较高的肿瘤摄取率A。描述基因工程RCAS-PDGF,PTEN−/−小鼠肿瘤的典型冠状MRI(红色箭头)。
B。冠状18F-FGln PET图像显示与周围非肿瘤性脑相比肿瘤摄取率高(红色箭头)(白色星号)。
C、。冠状18来自同一动物的F-FDG PET图像。
D。ex-vivo代表18来自RCAS-PDGF PTEN−/−动物的F-FGln放射自显影图。
E.公司。同一动物的组织切片如图D所示,显示肿瘤区域(黑色虚线)。比例尺代表1000μM。
F、。时间-活性曲线显示肿瘤与背景比18F-FGln(蓝色)与18RCAS-PDGF PTEN阴性动物中的F-FDG(红色)(n=6只)。黑色虚线表示肿瘤与大脑的比例为1:1。统计显著性通过双边、非配对、Student t检验确定;***表示p<0.0001。
G.公司。典型的冠状MRI显示小鼠原位植入TS603(IDH1 R132H)胶质瘤细胞的肿瘤(红色箭头)。
小时。冠状18来自同一动物的F-FGln PET图像,显示与周围非肿瘤性大脑相比,肿瘤摄取率高(红色箭头)(白色星号)。
一、。冠状18来自同一动物的F-FDG PET图像。
J。Ex-vivo公司18来自同一只动物的F-FGln自动放射自显影。
英国。同一动物的组织切片。比例尺代表1000μM。
L。时间-活性曲线显示肿瘤与背景比18F-FGln(蓝色,36分钟成像时间点n=4,所有其他时间点n=3)与18直接植入TS603(IDH1 R132H)神经胶质瘤细胞的小鼠中的F-FDG(红色,所有时间点n=3)。黑色虚线表示肿瘤与大脑的比例为1:1。统计显著性通过双边、非配对、Student t检验确定;*表示p<0.05和**p<0.01。
对于所有图表,数据均表示为平均值±标准偏差。
18神经炎症或BBB破坏时未观察到F-FGln摄取
评估炎症细胞是否参与18摄取F-FGln,我们建立了小鼠神经炎症模型(). 脑内注射脂多糖(LPS)导致注射半球远超出注射部位的IBA1免疫反应性小胶质细胞/巨噬细胞的整体激活(和S9A–D系列). 我们还使用干扰素-γ(将巨噬细胞/小胶质细胞极化为经典活化)和白细胞介素-4(介导类似肿瘤相关巨噬细胞的替代活化表型)(13). 病理组织学证实存在严重的神经炎症(和图S9A–D). 在神经炎症高峰期对小鼠进行成像18F-FGln和18F-FDG公司(和S9E–G公司).18F-FDG PET通常是测量小鼠大脑神经炎症的一个较差的指标体内因为大脑中的高背景摄取(14). 与此一致的是,没有发现与18F-FDG聚酯(和S9F系列). 相反,18在神经炎症模型中,F-FGln在损伤部位没有被摄取,而在胶质瘤中则被高摄取(和图S9E).
18F-FGln在患有神经炎症或BBB受损的动物中未被摄取A。通过脑室内注射LPS或干扰素-γ和IL4的组合建立神经炎症动物模型。
B。注射LPS(n=3)或IFN-γ/IL4(n=3.)的动物在病变同侧(黑条)或病变对侧(白条)的IBA1阳性活化小胶质细胞/巨噬细胞的定量。统计显著性通过双侧非配对Student t检验确定;*表示p<0.05和**p<0.01。
C、。代表性冠状18LPS注射动物的F-FGln PET图像。
D。代表18来自同一动物的F-FDG PET图像。
E.公司。ex-vivo代表18来自同一只动物的F-FGln自动放射自显影。
F、。通过使用NECA[1-(6-氨基-9)治疗动物,血脑屏障被破坏(通过脑外IV右旋糖酐测定)H(H)-嘌呤-9-基)-1-脱氧-N个-乙基-β-D-核糖呋喃尿酰胺],一种结合A1和A2腺苷受体激动剂,通过增加内皮细胞之间的间隙增加BBB通透性。
G.公司。NECA治疗或车用治疗动物脑外静脉注射右旋糖酐的测量(n=3,每种情况)。通过双侧非配对Student t检验确定统计学显著性;*表示p<0.05
小时。代表性冠状18来自NECA注射动物的F-FGln PET图像。
一、。代表18来自同一动物的F-FDG PET图像。
J。ex-vivo代表18来自同一只动物的F-FGln自动放射自显影。
英国。的比较18F-FGln摄取和18RCAS-PDGF中的F-FDG摄取,PTEN−/−(黑色条,n=618F-FGln和n=518所有时间点的F-FDG),动物细胞内注射LPS(蓝条,两种情况下均如此18F-FGln和18F-FDG n=5(0.5小时),n=4(1小时),n=4(2小时)或IFN-γ/IL4(红色条,n=618所有时间点的F-FGln;对于18F-FDG,0.5 h时n=5,1 h和2 h时n=6),或静脉注射NECA(绿色条,n=518F-FGln和n=418所有时间点的F-FDG)。黑色虚线表示等效病变与大脑的比例为1:1。
通过双侧方差分析确定统计学显著性。对于所有图表,数据均表示为平均值±s.e.m.***表示p<0.001。
解决BBB渗透性作为导致增加的因素的问题18将F-FGln输送到大脑,我们使用了腺苷受体激动剂,这是一种通过增加脑毛细血管内皮细胞之间的间隙来增加血脑屏障通透性的既定方法(15,16). NECA[1-(6-氨基-9H(H)-嘌呤-9-基)-1-脱氧-N个-乙基-β-D-核糖呋喃尿酰胺]是一种结合A1和A2腺苷受体激动剂,通过测量荧光标记右旋糖酐向大脑的渗出量,显著增加了小鼠的血脑屏障通透性(p=0.034)(). 我们没有看到增加18NECA治疗动物的F-FGln脑内转运()表明BBB渗透性增加本身并没有人为增加18F-FGln输送到大脑。这表明使用NECA的神经炎症或BBB破裂对18F-FGln摄取。
18化疗/放疗后胶质瘤中F-FGln的摄取减少
评估是否18F-FGln可以监测治疗效果并将肿瘤与治疗后的变化区分开来,我们研究了一种特性良好的放射/化疗RCAS-PDGF-PTEN空白小鼠模型(17) (和S10A–C型). 在治疗前和治疗后用MRI对同一只小鼠进行成像,18F-FGln,以及18F-FDG公司(). 从人类患者治疗后的变化可以看出,治疗前扫描与治疗后扫描相比,T2加权MRI没有明显差异(18). 相反,18放射自显影术证实,治疗后F-FGln的肿瘤摄取显著减少(p=0.0078)().
18化疗/放疗后胶质瘤中F-FGln的摄取减少A。在RCAS-PDGF、PTEN−/−小鼠中的治疗方案包括5天的化疗(替莫唑胺50 mg/ml)和放射治疗(155 cGy)。
B。同一只动物被拍摄到18F-FGln或18治疗前的F-FDG(黑色条,n=818F-FGln和n=618所有时间点的F-FDG)和治疗后(灰色条,n=918F-FGln为0.5和1小时,n=6为2小时,n=6为18所有时间点的F-FDG)。黑色虚线表示肿瘤与大脑的比例为1:1。对于所有曲线图,数据均表示为平均值±标准偏差。统计显著性由Wilcoxon匹配配对符号秩确定t吨测试(因为在治疗前后对同一只动物进行了成像),*表示p<0.05,**p<0.01。
C、。具有代表性的MRI治疗前图像,18F-FGln PET,以及18F-FDG PET(红色箭头表示可识别的病变)。
D。MRI典型的治疗后图像(红色箭头表示治疗后的变化),18F-FGln PET,以及18F-FDG聚酯。
E.公司。Ex-vivo公司18治疗前不同动物的F-FGln放射自显影。
F、。Ex-vivo公司18治疗后另一只动物的F-FGln放射自显影。
评估化学/放射治疗导致18我们比较了治疗前和治疗后胶质瘤脑组织的F-FGln摄取。治疗后肿瘤负担显著减轻,Olig2阳性肿瘤细胞减少(p=0.031)(图S10A-B). 治疗后的脑组织表现出GFAP阳性星形细胞增多和大量IBA1阳性巨噬细胞/小胶质细胞形式的反应性胶质增生增加(图S11A–B). 内皮细胞CD31染色和血管壁胶原染色显示,CD3阳性淋巴细胞浸润或血管内未见明显变化(图S11C-E). 此外,治疗后残留肿瘤细胞中谷氨酰胺转运体SLC1A5的表达与治疗前肿瘤细胞中的表达无显著差异(图S11F). 这些数据表明18化疗/放疗后F-FGln的摄取是由于肿瘤负担减少。此外,这些数据表明18F-FGln在肿瘤细胞中特异性地被摄取,可以监测治疗反应,并可能在胶质瘤动物模型中与肿瘤区分治疗后的变化。
18F-FGln在进展期人脑胶质瘤中显示出较高的瘤脑摄取率
为了确定我们的发现是否可以转化为除所研究的动物模型之外的人类胶质瘤谱,我们评估了谷氨酰胺转运体SLC1A5的表达,其部分介导18F-FGln摄取(8,19)如siRNA敲除和药物抑制所示(图S12A-B). 正常脑组织样本的免疫组织化学(n=8,图S12C)表现出最少的表情,反映出低背景18F-FGln摄取。相反,SLC1A5在各种胶质瘤中的表达较高(n=64),与18F-FGln-胶质瘤摄取(图S12 C–D). 此外,我们查询了GBM癌症基因组图谱SLC1A5型mRNA表达,在所有GBM亚型中均有发现(图S12E). 这些数据表明18F-FGln摄取并不局限于所测试的动物模型胶质瘤基因型,在评估谷氨酰胺作为胶质瘤关键营养素的摄取方面可能具有更广泛的用途。
我们翻译了这些发现体内对人脑胶质瘤受试者的初步研究18人类癌症患者的F-FGln PET显像(第一阶段研究,,S13、S14 A-C和S15 A-C). 作为本研究的一部分,我们比较了183例临床进展期和3例稳定期胶质瘤患者的F-FGln摄取(表S1和S2). 正常脑实质显示最小18F-FGln摄取,以及18在这3名患者中,所有显示进展的肿瘤(肿瘤与脑的比值范围:3.7–4.8,和S14标准和表S2–S3). 相比之下,临床上稳定的肿瘤很少或没有18PET上的F-FGln-亲和力(图S15和表S2). 这些患者的正常脑组织显示18F-FDG亲和力,大脑正常18F-FDG浓度(SUV)等于或大于肿瘤SUV值(肿瘤:脑比值范围:0.9-1.0,和表S2). 例如,在5号患者中,18F-FDG可以区分肿瘤的后部(,红色箭头),但不是前部(2个红色箭头,). 相反,肿瘤的两个区域都显示出高摄取18F-FGln公司(). 考虑到胶质瘤的浸润性,这是一个重要问题。此外,该患者的肿瘤在钆增强MRI上表现出轻微的对比度增强(),但很高18F-FGln亲和力()和保留18F-FGln在血液中的快速清除率(). 这些胶质瘤患者的全身PET图像、血浆和血液时间活性曲线、生物分布、示踪剂代谢物分析和剂量测定都在补充信息(图S14–S16和表S3–5)这些在人类受试者身上的发现概括了我们的18F-FGln PET和18F-FDG PET在小鼠模型中的发现并证明18F-FGln PET可评估高度胶质瘤体内并且可能有助于识别正在转化的肿瘤。
18F-FGln在进展期人脑胶质瘤中的摄取A–F。来自患者#5的图像
A。一名42岁IDH1-突变型少突胶质瘤患者的T1加权MRI增强扫描显示肿瘤沿手术腔(用白色虚线表示)有轻微的钆强化(红色箭头)。
B。融合18F-FGln PET-CT显示18肿瘤对应区域的F-FGln摄取(红色箭头)。
C、。
18来自同一患者的F-FDG PET图像显示肿瘤后部(3个红色箭头)具有较高的背景脑亲和力和肿瘤摄取率,但前部没有(2个红色箭头所示)。
D。CT扫描用于生成B中的PET-CT融合图像。
E.公司。
18F-FGln PET显示肿瘤中的高摄取,而周围大脑中的摄取量最小。
F、。时间-活性曲线,表示肿瘤(黑色方块)和血液(透明圆圈)对应的标准摄取值(SUV)。
G–K公司。来自患者#6的图像
G.公司。57岁胶质母细胞瘤患者的T1加权MRI增强扫描显示肿瘤有钆强化(红色箭头)。
小时。融合18F-FGln PET-CT显示18肿瘤对应区域的F-FGln摄取。
一、。
18来自同一患者的F-FDG PET图像显示了高背景脑活力和肿瘤摄取。
J。CT扫描用于在H中生成PET-CT融合图像。
英国。
18F-FGln PET显示肿瘤中的高摄取,而周围大脑中的摄取量最小。
L。的比较18F-FGln(蓝色条)和18F-FDG(红色条)显示了3名临床稳定的胶质瘤患者和3名临床进展性疾病的胶质瘤病人在正常大脑(顶部面板)和瘤脑比率中与两种配体的背景摄取差异(底部面板)(参见表S1和S2详细信息)。对于所有图表,数据均表示为平均值±标准偏差。
讨论
癌症所依赖的两种主要营养素是葡萄糖和谷氨酰胺,这些营养素通过糖酵解和谷氨酰胺水解的代谢对癌症的生存和生长至关重要(1,2). 我们的目的是开发一种非侵入性评估神经胶质瘤营养吸收的方法。18F-FDG作为代谢葡萄糖摄取的一种测量方法在胶质瘤中是无效的,因为周围大脑的背景值很高。为了解决我们知识中的这一差距,我们研究了是否可以利用许多癌细胞显示的谷氨酰胺成瘾来检测胶质瘤中的谷氨酰胺摄取体内使用18F-FGln公司。基于我们对18F-FGln公司(8)在目前的研究中,我们:(1)证明神经胶质瘤由于其谷氨酰胺成瘾,表现出高摄取18F-FGln,并且正常大脑显示出最小的摄取量,从而能够清楚区分肿瘤,(2)报告使用18人类患者中的F-FGln,和(3)表明18F-FGln可以监测临床前胶质瘤模型的治疗反应。我们并不认为谷氨酰胺优于当前的成像标准,但基于谷氨酰胺的PET成像能够评估代谢营养物质的摄取,从而提供关于胶质瘤代谢状态的补充信息。
肿瘤高亲和力18F-FGln在周围大脑中的摄取量最小,可在所有受试的胶质瘤动物模型中清晰地描绘肿瘤轮廓。不18在BBB受损模型或多种神经炎症动物模型中观察到F-FGln摄取。18F-FGln的摄取主要由氨基酸转运体SLC1A5介导(8,19)在正常大脑中表达最低,但在胶质瘤中显著增加。GC-mas光谱分析表明FGln未代谢为F-谷氨酸。此外,我们之前已经表明18F-FGln并入蛋白质(8,19),我们现在建议一个模型,其中18F-FGln主要由SLC1A5摄取,并通过并入蛋白质而被困在胶质瘤细胞中。
作为人类试验的一部分18F-FGln用于临床PET成像,高18与低背景脑摄取相比,在进展期胶质瘤中发现F-FGln亲和力。此外,对比度增强与18F-FGln亲和力。例如,轻度对比度增强的5号患者表现出最高水平18F-FGln的亲和力和保留18F-FGln与血液中的快速清除相比。如果PET上的肿瘤活性仅仅是由于BBB分解所致,那么数据图将显示示踪剂从肿瘤区域的逐渐清除,与从血库中清除示踪剂平行。虽然我们不能完全排除血脑屏障改变的影响,但人类和动物数据共同表明,血脑屏障相对较高18胶质瘤中F-FGln的亲和力不仅仅是肿瘤BBB破坏的功能。
本研究的局限性在于,同位素显示动物模型和人类的骨吸收(包括轴向吸收),所有患者的血液中都检测到游离氟-18,这意味着体内发生脱氟。与轴向摄取相比,外周骨摄取最小,表明骨髓细胞摄取。评估游离氟对小鼠器官摄取的影响18F-FGln,我们比较了18氟氟化钠作为对照18F-FGln公司。18氟-氟化钠在骨骼中的摄取量很高,但在包括大脑在内的各个器官中的游离氟摄取量很低。相反,18与对照组相比,F-FGln的骨吸收较低,但在所有器官中的吸收较高18F-氟化钠。这些数据表明,游离氟化物并不主要影响18不同器官内的F-FGln。此外,颅骨中的示踪剂摄取并没有掩盖神经胶质瘤18F-FGln PET评估,因为胶质瘤局限于大脑,不会侵犯颅骨或转移到骨骼。另一个限制是所评估的神经胶质瘤受试者样本量较小。然而,尽管样本量很小,但人类受试者的数据与胶质瘤细胞系和动物模型的数据非常相似,高18周围脑内F-FGln胶质瘤摄取和低亲和力。此外,FDA批准的人类微剂量开放标签I期试验的先决条件之一是每个患者在成像之前都要进行组织诊断。这排除了对任何手术无效患者进行成像。尽管存在这些局限性,但所提供的数据支持一个探索性的原则证明概念,即18F-FGln可能被用作脑胶质瘤患者的显像剂。
非侵入性成像是胶质瘤患者临床治疗的一个组成部分。T1加权MRI加或不加钆是目前评估胶质瘤的神经影像标准(20). MRI提供了重要的解剖和结构信息,有助于使用FLAIR表征肿瘤,并使用钆对比度增强评估BBB破坏,但它不能提供有关营养吸收和代谢的信息。诸如磁共振波谱或灌注/弥散加权磁共振成像等新的成像方式开始解决这些局限性(21,22). PET显像剂,如[11C] 蛋氨酸(MET)[18F] 氟胸苷(FLT)[18F] -DOPA,以及[18F] 氟乙基左旋酪氨酸(FET)也被用于胶质瘤的成像(23,24). 我们不建议这样做18F-FGln优于目前的许多神经成像方法,但18F-FGln可能提供补充的生物学信息,特别是与胶质瘤病理学相关的代谢营养摄入。最近,18F-标记谷氨酸(4秒)-4-(3-18氟丙基)-l-谷氨酸(拜耳配体BAY 94-9392/18F-FSPG)作为PET示踪剂已在临床前模型和人类受试者中进行了描述(25,26). 这种示踪剂依赖于x(C)(−)半胱氨酸/谷氨酸交换系统,被认为可以标记细胞内的谷氨酸池(25). 我们的目标是将与胶质瘤病理学生物学相关的特定营养代谢途径转化为临床有用的成像方式。的确,18F-FGln PET显像可利用胶质瘤中谷氨酰胺成瘾的优势,并可作为评估胶质瘤中代谢性谷氨酰胺摄取的有用工具体内正常大脑的低摄取也可能有助于评估中枢神经系统转移。
接受化学/放射治疗的小鼠的18治疗后F-FGln的摄取,对应于肿瘤体积的减少。脑血管系统(CD34阳性和IV型胶原阳性血管壁)在治疗前后没有差异。尽管这些数据表明,该模型中的血管系统可能没有改变,但我们不能完全排除血管系统或血脑屏障中可能导致血管减少的其他变化18治疗后F-FGln摄取。然而,神经炎症模型显示没有18F-FGln摄取以及治疗后摄取减少表明18F-FGln可能有助于区分肿瘤的非肿瘤性、治疗后和炎症变化。我们的小样本患者数据表明18F-FGln也可能有助于监测胶质瘤的进展,因为它们转化为代谢更活跃和更具侵袭性的肿瘤。总之,研究表明基于谷氨酰胺的PET成像与18F-FGln可能是胶质瘤谷氨酰胺摄取的重要指标体内在胶质瘤的临床治疗中可能是一个有价值的工具。
材料和方法
研究设计
本研究的目的是解决评估胶质瘤代谢营养摄入的临床未满足需求体内。该目标由(1)通过PET成像评估临床相关胶质瘤动物模型中胶质瘤对谷氨酰胺的摄取(2)评估基于谷氨酰胺PET的成像是否可以监测胶质瘤动物模型的治疗反应,以及(三)将这些发现转化为人类受试者。
所有动物实验均在MSKCC机构动物护理和使用委员会批准后进行,并按照NIH动物福利指南进行。在胶质瘤动物模型中,使用标准的化学/放射治疗方案评估基于谷氨酰胺的PET成像在监测治疗反应方面的效用。以盲法将动物随机分配到不同的试验组。处理动物和进行动物手术和治疗的个人对实验设计一无所知。评估18以非盲的方式进行动物F-FGln PET摄取测量。因为18F-FGln微PET成像是一种新的成像技术,很难用足够的功率估计样本大小。在连续研究中,这些控制良好的模型选择了一个n=3-9,误差较低(<10%)。细胞培养研究使用三个独立的实验进行(27). 数据分析中没有排除任何样本或动物。
对人脑胶质瘤受试者进行了人体内微剂量开放标签I期试验18F-FGln PET由机构审查委员会批准,并在FDA批准的试验新药申请的支持下按照诊断研究的诊断准确性研究报告标准(STARD)指南进行(试验注册于网址:www.clinicaltrial.gov; NCT01697930)。成像前获得知情同意。
胶质瘤动物模型
皮下胶质瘤异种移植物是通过接种SCID小鼠(4-6周龄,雄性和雌性,NOD-SCID,Taconic Farms Inc.)1×106U87-MG、TS603、TS543或TS598细胞再次悬浮在200μL 1:1体积的细胞培养基和基质凝胶(BD Biosciences)中。当异种移植瘤体积接近200 mm时,对动物进行成像三使用RCAS/tva系统生成转基因胶质瘤模型。4-6周龄,雄性或雌性C57BL6内斯汀-电视-a/墨水4a-Arf使用氯胺酮(0.1 mg/g)和甲苯噻嗪(0.02 mg/g)麻醉具有或不具有PTEN fl/fl背景的−/−小鼠,并使用立体定向固定装置(Stoelting)进行注射(17). 1μL RCAS-PDGF或4×10的1:1混合物4RCAS-PDGF和RCAS-Cre转染的DF1细胞通过连接在Hamilton注射器上的30号针头进行输送。将细胞注入右侧额叶皮层(立体定向坐标:前角+1.7 mm(前),侧角-0.5 mm(右),深度2.5 mm)。对于胶质瘤细胞的原位注射,除了TS603 IDH1m(1×106细胞)植入右侧额叶皮层(与上述坐标相同)。进行植入和立体定向注射的个体对实验设计一无所知。
小动物PET成像
动物被成像18F-FDG和18通过将200μCi的放射性示踪剂注入侧尾静脉,F-FGln(间隔24小时以允许放射性示踪剂完全衰变)。在2%异氟烷麻醉下,使用专用小动物微型PET扫描仪(协和微系统)进行PET成像,肿瘤位于视野中央。动态成像是通过获得60分钟的采集,能量窗为350–750 keV,同时时间窗为6 ns。对于静态成像,分别在注射后0.5 h、1 h和2 h收集采集数据。在每只动物中,直接比较MRI和PET图像。使用ASIPro软件(Siemens)以非盲的方式对采集的图像进行区域感兴趣(ROI)分析,观察到的最大像素值表示为注射剂量/立方厘米百分比(%ID/cc)。通过将肿瘤摄取量与周围脑摄取量标准化来确定肿瘤与脑的比率。
18F-FGln合成
前体的合成18F-(2S,4R)4F-Gln(18F-FGln)按照说明进行(8,28). 简言之,放射性标记程序类似,只是放射性标记是在90°C下进行的,最后的化合物(在盐水中)通过C18卡式瓶和AG11A8树脂配制注射用最终溶液。纯度18用手性柱(Chirex 3126(d)-青霉胺,1 mM CuSO)分析F-FGln4溶液,1 mL/min)。对于人体受试者,18F-FGln是根据美国食品和药物管理局(US FDA)认可的研究新药申请(IND)在MSKCC放射化学和分子探针核心设施制造的。对每批最终药品进行测试,以确保符合药品验收规范,包括放射化学纯度(≥80%)和特性、残留溶剂含量、内毒素含量、放射性核素特性、pH值和外观。125MBq足以对大脑感兴趣区域进行成像,并提供令人满意的PET图像质量和计数统计。
18F-FGln PET-CT协议
微量18通过单次外周静脉注射125 MBq(1分钟持续时间),将F-FGln示踪剂以5-10 mL的体积缓慢注射给患者18使用Discovery DSTE PET-CT扫描仪(GE Healthcare),患者仰卧在扫描床上,在注射后约30、90和160分钟获得F-FGln的生物分布。扫描X光后,用140kvp获取CT数据;70毫安;节距1.75:1;重建层厚3.75mm;每转0.8秒。利用滤波反投影算法在512×512矩阵中重建CT数据。PET发射扫描从大腿近端区域开始,到头部区域结束;所示脑肿瘤视野的发射扫描是在3-D模式下以持续35分钟的单床位置进行的。使用有序子集期望最大化迭代算法重建PET图像。在注射后60分钟和150分钟的时间点获得的PET/CT扫描也使用相同的X射线/CT和PET发射数据采集和重建跨越大腿到颅骨。使用有序子集期望最大化迭代算法重建PET发射数据。针对随机探测器的不均匀性、散射、衰减、死区时间和衰减,对发射数据进行了校正。使用集成的GE PACS AW Suite工作站(GE Healthcare)生成显示的PET、CT和融合PET-CT图像。使用HERMES工作站(HERMES Medical Solutions)分析PET数据。
统计分析
统计分析是在与斯隆-凯特琳生物统计机构协商后进行的。除非另有规定,否则数据表示为平均值±标准误差(s.e.m.)。使用Prism软件(版本6,Graphpad)绘制图表并进行统计分析。所有统计检验都是双向的。未付、双尾、学生的t吨使用测试或单向方差分析,然后进行事后Bonferroni、Dunnett或Tukey的多重比较分析来分析数据。威尔科克森配对签约军衔t吨当在任何给定的实验中对同一只动物进行相同的参数评估时(化疗/放疗时,在治疗前后用给定的放射配体对同一动物成像),使用测试。数据被认为是重要的,如果第页数值低于0.05(95%置信区间)。
致谢
我们感谢MSKCC放射化学和分子成像探针核心的Eva M.Burnazi和Shande Cai博士;MSKCC小动物成像中心的Valerie Longo;MSKCC细胞学核心设施的Dmitry Yarilin;流行病学和生物统计项目、Pooja Desai、Yusuke Koike和Anson Ku的Joanne Chou和Katherine Panageas博士提供技术援助;Alicia Pedraza用于维持和分布胶质瘤细胞系和MSKCC有机合成核心。我们还感谢Alicia Lashley和Bolorsukh Gansukh为人类研究提供便利,感谢Carl Le博士、Mihaela Lupu博士和Dov Winkleman为动物MRI研究提供便利。我们感谢Tullia Lindsten、Dennis Pozega和汤普森实验室成员对手稿的批判性阅读。
基金
由挺身而出抗癌梦想团队转化研究资助,资助号SU2C-AACR-DT0509(C.B.T.)。勇敢面对癌症是美国癌症研究协会管理的娱乐业基金会的一个项目。这项工作得到了MSKCC脑瘤中心(S.V.和H.Z.)、NCI K08 CA181475(S.V.)、MSTP GM07739(K.L.P.)、F31 NS076028NCI(K.L.P.)、P50 CA086438(J.S.L.)、NIH R01 NS080944(I.K.M.)和NCI R01-CA164490(H.F.K)的资助。MSKCC核心由NIH癌症中心支持拨款P30 CA08748(C.B.T.)支持
脚注
作者贡献
S.V.、J.S.L和C.B.T构思了实验并撰写了论文。S.V.和H.Z.进行了动物实验并分析了数据。M.P.D.在A.M.O.的指导下进行了人体研究,W.A.W.M.P.D.、B.B.和P.Z分析了人体数据。K.L.P.、C.C.、S.C.、D.R.、I.K.M.、G.L.R和E.C.为动物实验做出了贡献。M.P.D.、H.Z.、K.L.P、W.A.W、I.K.M.和H.K.提供了关键见解。J.R.C.帮助进行代谢实验,C.W.B.帮助建立细胞系。S.L.、K.P.和H.F.K.能够合成放射性配体。
竞争性利益
C.B.T是Agios Pharmaceuticals的联合创始人,对Agios有财务利益。这项研究的其他作者声明,他们没有相互竞争的利益。
参考文献和注释
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