1、第十一章 分子核医学概述,核医学与分子生物学的关系甚为密切，在分子生物学的发展过程中，核素示踪技术起了非常重要的作用；反过来，分子生物学的进展和取得的成果向核医学的渗透，又有力地推动了核医学的发展，并形成了核医学的发展方向-分子核医学（molecular nuclear medicine）。由于核医学的本质特点是以示踪原理为基础，而示踪本身就是分子的，所以核医学应毫不迟疑地担负起未来医学发展的重任”。,第一节 分子核医学的理论基础,一、分子核医学的特点,分子核医学是根据当代分子生物学的理论研究成果，利用放射性核素标记的示踪剂，从分子水平去认识生命现象以及疾病发生、发展及其变化规律，从而进行疾病
2、的诊断、治疗的一门综合性的边缘学科。分子核医学的主要特点是：,1、分子核医学不再从器官定向（organ-oriented）的角度，即从大小、形态结构和功能的角度去认识疾病，而是从问题定向（problemoriented）即从生理、生化的角度，并深入至分子水平去认识疾病，它要回答的是有关细胞信息传导、基因表达、生化代谢等方面的问题。因此，在临床上出现明显的解剖和功能改变之前的几周或几个月，分子核医学就能提供疾病变化的分子信息。,2、通过利用特定的放射性示踪剂，分子核医学可为我们提供一个观察体内特定病变部位生化过程变化的窗口。通过这个窗口，可将以某种生化过程变化为表型的疾病与其相应的基因型联系起来
3、，从而使我们对疾病的认识、诊断和治疗提高到一个新的水平。如随着分子核医学的发展，我们对疾病的分类和诊断可能不再主要根据临床指征和病人的主观症状，而可能主要依据疾病的生化代谢改变及其基因的异常或基因的损伤，而基于上述认识的疾病治疗也将更具针对性。,二、当代分子生物学研究成果是分子核医学理论的源泉,分子生物学进展及相关技术的研究成果已渗透到医学的各个领域，从而全面地带动当今基础医学和临床医学的发展，分子核医学的出现是分子生物学向核医学渗透的必然结果。例如，利用分子克隆技术，分子生物学家已基本弄清了多种细胞膜受体和胞内受体的结构，并初步阐明了配体与受体结合的机制和受体影响细胞生化过程的分子机制，在多
4、种疾病的发生过程中既可有受体数量的改变，也可见受体结构的改变，从而影响细胞的生化代谢过程，这就为我们从核医学的角度选用放射性核素标记的相应受体的放射性核素标记配体进行受体的显像诊断提供了可能。,肿瘤的分子生物学研究表明，癌基因的突变、癌基因的扩增和染色体的畸变等在肿瘤的发生、发展过程中起着非常重要的作用。据此，我们可以利用核酸分子杂交的原理，设计合适的放射性核素标记的核酸分子探针进行肿瘤的基因显像诊断或基因治疗。因此，分子核医学理论是建立在分子生物学及相关技术最新研究成果基础之上的，分子生物学的进展还将会不断地为分子核医学的发展提供新方法和新思路。,三、分子识别是分子核医学理论的基石,高等生物
5、是由亿万个已分化的具有特殊结构与功能的各种细胞组成，细胞间和细胞内的信息传递是协调各种细胞功能、维持机体内、外环境的稳态和生命活动的基础。在细胞间传递的信息分子主要有神经递质、激素和细胞因子等，它们的化学本质包括氨基酸及其衍生物、多肽、蛋白质、生物碱等。这些信息分子通过神经或液递途径从某种细胞传递至另一种细胞，并通过与细胞受体的结合而将信息进一步传递至细胞内，引起细胞产生多种生理效应乃至基因的表达。不同的受体传导信息的机制不同，目前主要有以下几种类型的受体：,1、受体-离子通道型 受体本身构成离子通道，如乙酸胆碱受体、甘氨酸受体。GABA受体等，这些受体的结合域与相应的配体结合后，相应的离子通
6、道被打开或切断，导致细胞膜的超极化或去极化，引起细胞的兴奋或抑制效应。2、受体-G蛋白-效应蛋白型 目前已有约200多种这类的受体被克隆，能与之结合的配体分别为肽类激素、神经递质、细胞因子等。配体与受体结合后，促进受体与多种杂三聚体G蛋白结合成复合物，随后G。亚基自复合物中解离，通过激活（或抑制）相应的蛋白酶而发挥其调节作用。,3、受体-酪氨酸蛋白激酶型 如胰岛素受体、一些生长因子受体等。已知三分子生长激素与2分子受体胞外结构域结合，形成受体二聚体，继后其自身的酪氨酸蛋白激酶活性被活化，作用于细胞信号传导系统而引起有关的生化代谢过程和基因的表达。4、受体-转录因子型 这类胞内受体是具有转录调节
7、作用的反式因子，包括留体类激素和甲状腺激素的受体、维甲酸受体等。已知糖皮质激素的受体的氨基端区域与激活转录有关，中间区域与结合DNA有关，也有转录激活功能，羧基端为结合糖皮质激素的区域。位于胞浆的受体与激素形成复合物后受体被活化后进入胞核，与基因的顺式作用元件结合，启动基因的转录。,由上可见，细胞间和细胞内信息传递过程中，广泛涉及到受体与配体、蛋白质或多肽与蛋白质、蛋白质与核酸、酶与其配体（底物）的相互作用，分子识别是它们相互作用的结构基础。此外，抗原分子表面决定簇与抗体可变区的抗原结合部位的结合，反义核酸与癌基因的结合，粘层蛋白与纤维蛋白的结合均是分子识别的结果。因此，可以说，分子识别是生命
8、过程中的基本现象。以分子识别作为其理论基础的分子核医学，目前正在致力于开发各种能与特定分子部位结合的放射性分子探针，如放射性标记的多肽类药物、核酸分子探针等。理论上，它们与“靶”的结合应具有很强的特异性和稳定性，更为理想的药物代谢动力学特性，而这对于疾病的诊断和治疗无疑是十分重要的。,四、生化代谢的评价是分子核医学理论的重要组成部分,引起疾病的原因多种多样。因基因缺陷而引起或与之有关的疾病中，生化代谢的改变常为其基本的表现，如遗传性疾病等。由于基因的多效性（pleiotropism）和遗传的异质性（genetic heterogeneity，又可使得相同类型疾病的临床表现千差万别，而病人的生化
9、代谢往往有其共同的规律。以恶性肿瘤为例，尽管其种类繁多，临床表现各异，但它们均存在糖酵解增强、蛋白质和核酸的合成加强、氨基酸和核苷酸的分解减弱等特征。因此，生化代谢过程的评价，是我们分析、认识疾病的重要途径，是联系疾病表型和基因型的桥梁，同时也可为我们选择治疗方案、判断疗效提供重要依据。,第二节 当前分子核医学的几个重要研究领域,一、放射受体显像和受体介导的放射配基治疗,近年来，通过分子生物学家、基因工程学家的共同努力，越来越多的受体分子结构被阐明，在已知配体结合位点结构的基础上研制开发的亲和力高、特异性强、体内稳定的多肽类放射性药物为受体显像和受体介导的放射配体治疗提供了非常便利的条件。受体
10、显像和受体介导的放射配体治疗已成为近年来的研究热点，并将成为21世纪分子核医学发展的主要方向之一。,（）放射受体显像 细胞间的信息通过受体而传递至细胞内，并产生一系列的生物学效应。用放射性配体进行体内受体的显像是分子核医学开拓的一种独特的、新的诊断领域，它为我们观察由受体所介导细胞内特定的生化过程提供了窗口，这是目前MRI等显像手段所无法实现的。,1、肿瘤受体显像：由于基因扩增或基因突变等原因，肿瘤细胞膜上常有一些受体的过度表达，利用放射性配体与肿瘤细胞上的特异性受体结合而使肿瘤显像既是一种敏感性和特异性较高的检测方法，同时对于指导治疗和进行疗效评价也具有重要价值。目前研究较多的是对一些调节性
11、肽类受体，如促生长抑制素受体。血管活性肠肽受体、P物质受体等进行显像。,二、放射免疫显像和放射免疫治疗,(一）放射免疫显像 以放射性核素标记的单克隆抗体（MCAb）进行的放射免疫显像（RII）一直是核医学的研究热点，并取得了不少的成绩。例如，在广泛实验研究的基础上，1992年美国FDA正式批准了111In标记的抗CEA单抗B72.3的临床应用，Oncoscint CR/OV的药盒也相继问世。RII除了在肿瘤方面的研究外，在心肌坏死灶的定位诊断、检测动静脉血栓的形成、炎症病灶的探测等方面也取得了一定的进展。,80年代中期，在RII定位诊断的基础上，又发展起来称为放射免疫导引手术（radioimm
12、unoguided surgery， RIGS）一项新的实用技术。该技术在注射放射性核素标记的McAb后，以手持式 探测仪（handheld gammadetecting probe，GDP）代替 相机于术中探测肿瘤病灶，指导对肿瘤的手术清除。已有的研究资料显示，该技术不仅能准确地显示原发灶，而且还可灵敏地检出转移灶，尤其是微转移灶，因而可在术中及时准确地对肿瘤进行分期，采取更为合理的治疗方案。,（二）放射免疫治疗 目前，放射免疫治疗（RIT）临床研究和应用情况远不如 RII，存在的主要原因是：肿瘤对标记单抗的摄取率不高，且标记抗体是结合在细胞膜上，而射线作用的主要靶分子为位于核内的DNA，被
13、射线随机击中的机率低，肿瘤细胞难以获得致死性照射剂量；其次，RIT所需注射的抗体用量远较RII为大，且又需反复注射，成为制约RIT的一个突出问题。因此，临床上仅用RIT治疗一些血液系统疾病如白血病、T细胞性淋巴瘤和通过间质内或腔内给药治疗一些实体瘤如肝癌、结直肠癌、卵巢癌等，疗效也较有限。随着越来越多的高性能多肽类放射性药物的出现，RIT目前所面临的局面可望得到改善。,三、放射基因显像和基因的放射治疗,（）反义技术与放射基因显像、基因的放射治疗的概念 反义技术（antisense technology）是近年来在癌基因研究基础上发展起来基因治疗新技术，它利用人工合成或生物合成的反义寡核苷酸通过
14、碱基互补的原理特异地结合到靶基因上，抑制相应基因的转录和翻译而达到治疗肿瘤等疾病的目的。广义的反义技术依使用的反义寡核苷酸的生化性质与作用对象不同而分为三种：,反义RNA技术：此即为通常意义上的反义技术，该类反义RNA与胞浆内的mRNA互补结合，通过阻断mRNA的翻译而抑制基因的表达。核酶(ribozyme）技术：该类反义RNA具有核酸酶的活性，当其与特定的靶RNA互补结合后，便可发挥其酶活性而对靶RNA进行专一性的切割，将其降解。反基因（anti-gene）技术：利用反义的寡脱氧核苷酸（oligodeoxyribonucleotides，ODN）与基因组上双螺旋DNA的特定序列（主要是一些D
15、NA结合蛋白如转录因子、转录酶、甲基化酶等的识别位点）结合，并形成三链螺旋（triplex）DNA，从而阻断基因的转录，达到“反基因”的目的。,反义技术的理论基础在当代分子生物学最新进展上得到确立后，便迅速付诸医学研究和临床实践，并成为现代肿瘤基因治疗的重要手段之一。反义技术的发展和应用为放射基因显像和放射基因治疗提供了必要的理论基础和技术保证。放射基因显像和基因的放射治疗是将放射性核素标记的反义寡核苷酸注入受试者体内，通过体内核酸分子杂交而与相应的靶基因结合，放射性核素放出的射线一方面可用作显像，以定位和定量显示特异性靶基因，从而可进行基因的诊断，另一方面，核素衰变时射线的能量可沉积于靶基因
16、的局部，引起DNA链的断裂和损伤，破坏相应的致病基因，以达基因治疗的目的。放射基因显像和基因的放射治疗是分子生物学和核医学相互交叉渗透产生的一个新的、独特的研究领域，并可能成为今后分子核医学的重要发展方向。,（二）基因显像和基因治疗对放射性标记寡核苷酸的基本要求1对标记用放射性核素的选择用作显像或治疗的目的不同，对所标记的放射性核素有不同的选择。若标记的寡核苷酸是用来显像的，应选择放射线的放射性核素如99mTc、111In等，而123I则既可用于显像也可用于治疗。若标记的寡核苷酸是用作基因治疗的，应选择以电子俘获（EC）为衰变方式并发射俄歇电子（Auger）的放射性核素，如125I、123I等
17、。,2对放射性标记寡核苷酸的基本要求 理想的标记寡核苷酸应满足以下基本要求：（1）标记的寡核苷酸必须易于大量合成：根据识别基因组中单一特异序列所需的最小数目的理论计算，反义寡核苷酸一般为11-15碱基对。反义RNA及三链形成的寡脱氧核苷酸（TFO）均可由人工自动化合成，反义RNA也可利用重组DNA技术在适宜的启动子和转录终止子之间反向插入一段靶基因，构建反义核酸的表达性载体而获得，并可通过对反义表达载体的修饰和改造，使转录产生的反义RNA具有核酶活性。寡核苷酸的碘和111In标记技术已比较成熟，99mTc的标记技术尚在探索中。,（2）标记的寡核苷酸在体内必须稳定：无论是进行显像或治疗，靶部位都
18、应有足够的标记寡核苷酸，这就要求标记的寡核苷酸在体内必须稳定。其包括两方面的含义：一是寡核苷酸本身在体内应稳定，二是寡核苷酸的标记物质体内应比较稳定。而寡核苷酸中的磷酸二酯键在体内很容易被血浆和组织中的核酸酶所降解，为提高寡核苷酸的体内稳定性，目前常采用多种方法对寡核苷酸进行修饰、改造，修饰的产物有硫代磷酸酯。甲基磷酸酯等，而肽核酸（PNAs）可能是一种比较有前途的方法。所谓PNAS就是以多肽骨架结构替代寡核苷酸中的糖-磷酸骨架后形成的核酸模拟物。PNAS除具有与寡核苷酸相同的与特定的靶基因结合形成二聚体和三股螺旋而发挥作用外，还有许多优点，如可抗拒核酸酶和蛋白酶的降解；良好的水溶性和稳定性；
19、在抑制效果相同的情况下，PNAS 比DNA所需的序列长度为短；与DNA的结合仅需低盐反应条件等。,（3）标记的寡核苷酸必须能进入靶细胞中：一般认为细胞对带有大量负电荷的寡核苷酸有通透性。最近，有人在细胞膜上发现一种能与寡核苷酸结合并介导其摄入细胞内的80kD蛋白质。（4）标记的寡核苷酸必须能被靶细胞截留：对于显像来说，胞浆中含有足够浓度的mRNA基因产物是进行显像的前提。目前已在多种肿瘤细胞中发现有癌基因的扩增或过度表达。（5）标记的寡核苷酸必须能与靶序列特异地结合：在对致病靶基因结构及在致病过程中所处的地位等相关特性充分认识基础上，进行反义寡核苷酸合成的设计是关键。肿瘤分子生物学研究、基因表
20、达调控研究和基因组计划的进展可为我们提供大量有用的信息。（6）标记的寡核苷酸不能与其它大分子物质发生非序列性、特异性结合。,（三）从反义技术到基因的放射治疗,1、125I等核素的辐射生物效应研究为基因的放射治疗提供了理论依据 以电子俘获方式衰变的一些放射性核素，在其衰变过程中能级联放射出许多低能的Auger电子和CK（Costar- Curing电子，如125I在每次衰变中平均约可产生 20个能量在 15eV-24keV的电子，具有高传能线密度（linear energy transfer，LET）特征。125IUdR参入培养细胞的DNA后，细胞存活曲线与高LET辐射相似，为无肩的直线；与25
21、0keV X线相比，其相对生物效应系数可达 7.3。,若125I的衰变发生在胞浆，则产生低LET细胞存活曲线。有人经过实验和理论推算后指出，125I参入DNA产生的上述生物效应，是由于衰变时产生的Auger和CK电子，围绕其衰变位点约10埃（DNA链上约10bp以内）的范围内形成高度局限性能量沉积（335keV），引起DNA的双链断裂等难以修复的损伤所致；而在DNA上沉积100eV的能量就足以引起高LET生物效应。因此，有人形象地把125I比作是能对DNA局部进行精细切割的“分子手术刀”。,2、反基因技术的实践推动和促进了基因的放射治疗研究反义RNA技术虽然已在肿瘤的基因治疗等方面取得很大的进
22、步，但其自身也存在着一些缺陷。由于反义RNA技术面对源源不断、滚滚而来的mRNA拷贝难以一一阻断或剪断，也就难以达到完全的抑制，从而促使人们将注意力转向mRNA的源头，即如何从转录水平进行抑制，由此而引出了反基因技术，并已在反基因技术的作用机理、ODN的设计与合成等方面已取得显著的进展。随着研究的深入，人们又发现，TFO也只能是一张贴在有害基因上的“封条”，不能彻底消除有害基因。为此，将125I等类似核素的“分子手术刀”作用与反基因技术相结合，美国国立卫生研究院Neumann等人干1994年开始了基因放射治疗（gene radiationtherapy）的实验研究。,将125I标记的互补于人类
23、免疫缺陷病毒（HIV） nef基因的TFO与含有nef基因片段的质粒共孵育后发现：当形成三股螺旋DNA时，结合在 TFO上的125I确能引起 nef基因内的特定序列 DNA的双链断裂（donble-strand break，DSB）；当改变共孵育的离子条件不利于三股螺旋的形成或以32P代替125I对 TFO进行标记时，则检测不出 DNA DSB的断裂位点严格地局限于TFO的125IdC标记位点对侧双链DNA上10个bp的范围内；每一次衰变接近于产生一个DSB。据此，Neumann认为，只要我们知道某一基因的序列且其符合三链形成的条件，就有可能采用基因的放射疗法。进一步的深入研究目前正在进行中。
24、,四、代谢显像,代谢的示踪研究一直是核医学中的主旋律。80年代PET的问世，使我们可以利用人体组织天然的同位素13N、15O、11C和氢类似物18F等正电子核素标记物进行分子水平的显像，高精度地显示活体内代谢和生化活动，获取人体各种定量的生理参数。以PET为主要手段的代谢显像是当前分子核医学中非常活跃的一个研究领域。根据肿瘤组织、脑组织对葡萄糖利用的特点，以18F标记脱氧葡萄糖（18F-DG）作为示踪剂进行PET显像，在肿瘤的诊断、鉴别诊断、分级、分期、预后及疗效判断，大脑机能、颅内病灶的诊断和痴呆等方面的研究中均取得了显著的进展。,新一代全身PET的问世，利用18F-DG）进行代谢显像，可在052小时内得到肿瘤病灶和全身有无转移的影像，可以比MRI、CT等显像技术提供更早、更有价值的资料。因此，这一新技术的开发利用，为分子核医学的发展注入了新的活力。,
