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核医学炎症显像病原菌特异性示踪剂研究进展

发布时间:2020-01-15 16:06    点击次数:122次   

  感染性疾病一直是困扰人类健康的重要疾病。随着近年来细菌耐药现象的日益严重及免疫抑制患者的增多,感染性疾病的诊断及治疗也变得越发困难。影像学技术的发展为感染灶定位诊断及早期疗效观察提供了有效的可视化手段,其中以SPECT及PET检查为代表的核医学显像表现突出,显像机制为示踪剂在体内感染病灶中异常浓聚,浓聚原因与感染机制有关。因此根据感染性疾病致病机制,示踪剂可以分为2类:一种与宿主应答反应有关,另一种则直接反映病原菌类型。

  第1类与宿主应答有关示踪剂,反映机体对外来病原菌刺激产生的炎症过程,是较早进入感染显像领域的放射性示踪剂。代表示踪剂为67Ga-citrate,此外还包括放射性核素标记的白细胞、IgG、抗粒细胞抗体、细胞因子、趋化因子、生物素(VitH)、纳米胶体、脂质体、18F-FDG等。这些示踪剂共同特点是可以较为敏感地反映机体的炎症过程,从而间接地反映感染灶的情况,但正是因为“间接”这个特点,也决定了它们存在一些不可避免的缺陷:①依赖于机体的免疫状态,如白细胞、淋巴细胞的数量及活性等,免疫抑制患者可能出现假阴性;②不能鉴别感染性病变与无菌性炎症。

  第2类示踪剂又称病原菌特异性示踪剂,不再把焦点聚集于宿主应答反应过程,而是直接投向病原菌。通过各种方法直接标记病原菌,以便更直观地观察其在感染灶的分布情况。本文按各种药物的作用机制回顾病原菌特异性示踪剂的发展过程,包括部分已进入临床试验的示踪剂,以及一些近期研发仍需要临床试验支持的病原菌示踪剂,以期为充分发挥核医学显像在感染性疾病诊治中的作用提供依据。

  各类抗感染药物均需要与病原菌发生特异性结合方能发挥杀菌或抑菌效果。若放射性核素标记过程不影响抗感染药物的生物化学活性,则放射性核素标记的抗感染药物亦可进行特异性结合而成为感染源特异性分子显像示踪剂,这是此类药物的研发依据。此类示踪剂中,已经进入临床研究的有99Tcm标记及18F标记的环丙沙星。其他放射性核素标记的抗感染药物还处于临床前研究阶段,包括氟康唑(抗真菌药物)、异烟肼与乙胺丁醇(抗结核药物)以及甲苯达唑(抗寄生虫药物)等。尽管体外及动物实验表明99Tcm标记的环丙沙星可以与多种细菌有效结合鉴别细菌性感染与无菌性炎症,但99Tcm标记的环丙沙星对炎症诊断灵敏度和特异性临床研究报道结果不一。

  Britton等对879例疑似感染患者进行诊断效能分析,敏感性和特异性可分别达到85.4%和81.7%;但Dumarey等和Sarda等研究认为其在鉴别感染性及无菌性骨关节炎中,特异性仅37.5%~54.5%。18F标记的环丙沙星在患者感染病灶中的浓聚程度亦不同于动物实验中所得到的结果,示踪剂在感染灶和非感染区域内达峰时间[分别为(40±9)min及(51±8)min]和洗脱速度[T1/2分别为(87±24)min及(98±41)min]几乎一致,提示示踪剂与病原菌的结合更多是因为感染引起的局部血流及血管通透性增加所致,而非特异性结合。此类显像剂的研究还有待进一步深入。

  抗菌肽(antimicrobial peptide,AMP)是一类具有抗菌活性的多肽,广泛存在于细菌、真菌、动物乃至人类中,因抗菌活性高、抗菌谱广、种类多、可供选择的范围广以及靶菌株不易产生耐药性突变等原因,被认为将会在医药工业上有着广阔的应用前景。这类多肽发挥抗菌作用的机制是其所带的电正性基团可与病原菌表面电负性基团进行特异性结合,故对此类多肽进行放射性标记即可用于感染源显像。

  99Tcm-UBI(ubiquicidin)29-41是此类示踪剂中的代表。UBI29-41是一种人工合成肽,氨基酸序列为TGRAKRRMQYNRR,也是天然UBI中第29到41个氨基酸排列顺序。大量动物实验表明99Tcm-UBI29-41可以有效鉴别感染性病灶及无菌性炎症(T/NT值1.7~4.4比1.1~1.2),并可用于抗感染疗效监测,抗生素组鼠治疗后2h显像感染灶浓聚程度显著低于未治疗组(T/NT1.2~2.0比2.5~3.0)。其在临床应用中亦表现出良好的诊断效能,包括FUO、骨髓感染、骨关节感染、假体感染、心脏术后的纵膈感染等,敏感性83%~100%、特异性80%~100%,准确性92%~100%。但Salber等通过放射自显影及免疫荧光方法研究99Tcm-UBI29-41在S.aureus脓肿病灶中的分布情况发现,UBI肽段与细菌分布位置并不一致,提示感染灶对UBI肽段的摄取可能为非特异性。具体显像机制及方法有待进一步研究。人乳铁蛋白及防御素是另2类抗菌肽,由于其在放射性核素标记后仍保留了相当一部分抗菌活性,故并非理想的感染显像示踪剂,目前仍处于动物实验研究阶段。

  氟-碘阿糖基脲嘧啶[1-(2-deoxy-2-fluoro-β-D-arabinofuranosyl)-5-Iiodouracil,FIAU]是一种核苷类似物,可自由出入细胞。其显像原理为FIAU可被多种病原菌摄取,进入细胞后被胸腺嘧啶激酶(thymidinekinase,TK)识别并磷酸化,从而滞留于病原菌细胞内;而人类细胞的TK不能识别FIAU,故感染灶因异常浓聚而被检出。动物实验显示125I标记的FIAU可以清晰显示感染病灶(T/NT值在24h显像时为14∶1),且灵敏度高(细菌浓度在2×106CFU/g水平即可被检出);缺点是对某些细菌感染病灶无效,如铜绿假单胞菌,其原因在于该类感染菌内不存在可以识别FIAU的胸腺嘧啶激酶。临床试验方面,Diaz等利用124I标记的FIAU的8例肌肉骨骼系统感染显像发现2h显像时,多种细菌感染均可见明显的示踪剂摄取,而正常对照(无菌性感染)均为阴性。

  主要用于侵袭性曲霉菌感染显像。侵袭性烟曲霉感染时铁代谢过程(包括摄取及转运)异常活跃会激活并产生铁载体。铁载体与铁元素有较强的亲和力,与铁结合后成为载体铁而被烟曲霉摄取。由于68Ga(III价)和铁元素(III价)的化学性质相近,故68Ga标记的铁载体作为曲霉菌内载体铁类似物可被病灶内烟曲霉菌特异性摄取。该类示踪剂目前均处于体外实验阶段,代表药物是68Ga-triacetylfusarinine C(68Ga-TAFC)。细胞学研究结果表明,仅烟曲霉对68Ga-TAFC有明显摄取[90min摄取百分数(23.5±15.1)%],肿瘤细胞、体细胞、普通细菌及白色念珠菌几无摄取(90min摄取百分数0.1%~1.0%)。Lewis鼠模型显像也证实了肺部烟曲霉感染灶摄取异常增高[2h显像感染灶摄取(0.95±0.37)%ID/g],且浓聚程度与感染严重程度呈正相关。

  主要用于真菌感染病灶显像。甲壳质(Chitin)是真菌表面的一种特异性多糖,而哺乳动物细胞及细菌表面均无表达。甲壳酶(Chitinase)及甲壳结合蛋白(Chitin-binding protein,CBP)均可特异性结合甲壳质,从而成为真菌的特异性显像示踪剂。代表药物是123I-ChiB_E144Q及99Tcm-HYNIC-CBP21。此类示踪剂仍处于体外实验及动物实验阶段,在白色念珠菌及烟曲霉等真菌病灶中的浓聚明显高于普通细菌、哺乳动物细胞及无菌性炎症(24h显像T/NT值15.2~20.6比3.0~5.3)。与放射性铁载体是烟曲霉特异性显像剂的不同之处在于,此类示踪剂为真菌的广谱示踪剂。

  此类示踪剂可以特异性示踪所有以麦芽糖为代谢底物的细菌,包括革兰阳性菌及革兰阴性菌,机制是麦芽糖探针(maltodextrin-based probe,MDP)与细菌细胞表面特有的麦芽糖复合物转运体(maltodextrin transporter)特异性结合,并通过内化(internalization)进入细胞体内。代表药物18F-maltohexaose(MH18F)前期基础试验结果较为理想,缺点在于合成产率太低,经过衰减校正后的产率不超过8%,需提高合成效率才能进行临床转化。基础荧光研究及MH18F动物实验认为,MDP可以显示105CFU细菌浓度水平的感染灶,70min显像T/NT值可达2.7。而其他示踪剂探测的感染病灶含菌量一般需在107~108CFU。在相同菌浓度条件下,MH18F70min显像时T/NT值可达8.5。

  MDP是迄今最灵敏的病原菌示踪剂,这与细菌对MDP选择性摄取比哺乳动物细胞高(1000倍以上),穿透荚膜被细菌摄取后迅速内化到胞体内不被排出等原因有关。体内本底低是另一重要原因,这与哺乳动物细胞表面缺乏麦芽糖复合物转运体,MDP亲水性使其不能自由通过细胞膜(包括皮肤及肠道黏膜表面细胞)避免了皮肤及肠道正常菌群产生的干扰以及在非感染部位示踪剂清除速度快有关。感染灶的高摄取与体内低本底的特点保证了MDP感染显像的敏感性及特异性。另外有研究认为MDP还可以鉴别感染及无菌性炎症并监测疗效。动物实验表明,MDP在大肠杆菌感染灶所产生的信号强度比无菌性炎症高17倍;在氨苄西林治疗后,耐药性大肠杆菌比敏感性大肠杆菌的信号强度高10倍。18F标记的麦芽糖(6-[18F]-Fluoromaltose)与MH18F显像原理类似,实验表明此示踪剂可被多种细菌所摄取,并可以鉴别感染及无菌性炎症。

  针对肠杆菌科细菌感染灶设计的示踪剂,其显像原理为山梨醇是肠杆菌科细菌特有的代谢底物。利用放射性核素标记山梨醇或其类似物即可以显示肠杆菌科细菌感染灶。代表性示踪剂为18F标记的脱氧山梨醇(18F-fluorodeoxysorbitol,FDS),是细菌显像中唯一一个细菌种类特异性示踪剂。其优点为合成简便,经18F-FDG由一步简单的还原反应即可获得。目前仅有基础研究数据,曾用于中枢神经系统肿瘤显像。基础研究认为多种肠杆菌科细菌,包括大肠杆菌及肺炎克雷伯菌等均可以特异性摄取示踪剂;而非肠杆菌科细菌,如金黄色葡萄球菌、粪肠球菌等,几乎不摄取示踪剂。体外实验表明,大肠杆菌对FDS的摄取比哺乳动物细胞及肿瘤细胞高102~103数量级。动物实验进一步支持以上结果。2h显像时,大肠杆菌感染灶产生的信号强度比无菌性炎症(灭活菌或LPS诱导)及正常组织高7.3倍,且显著高于金黄色葡萄球菌的信号强度。此外,FDS亦可用于抗生素疗效监测。实验表明,应用抗生素后,敏感型细菌感染灶信号强度显著下降,而耐药型细菌感染灶信号强度维持不变甚至增高。

  从文献报道来看,目前病原菌显像剂的临床应用领域主要包括寻找感染灶、感染与肿瘤的鉴别、感染灶内是否有细菌存活(感染性炎症与无菌性炎症的鉴别)及抗感染治疗疗效评估(抗生素的选择)。值得注意的是,由于人体致病菌存在多样性及复杂性特点,故病原菌显像剂的设计不可能涵盖所有致病菌。如果探针能够显示的细菌谱过窄,特异性提高,将在已知病菌与无菌性炎症的鉴别诊断及抗感染治疗疗效评估中发挥作用,但限制了其在寻找感染灶及感染与肿瘤的鉴别中的临床应用。如何兼顾病原菌探针在感染病灶探测中的特异性和广谱性是临床应用研究的难点。另外,国内真菌和结核杆菌的感染诊疗在临床遇到的问题较多,特别是与肿瘤的鉴别诊断。及时有效的疗效评估,以避免抗菌药物使用周期长、毒性大所带来的副作用成为临床研究的热点。以细菌代谢底物为靶点的新型示踪剂MDP及FDS为感染显像引入了新的思路,并有可能为真菌、结核杆菌等其他病原菌显像剂的研发提供新的方向。


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