第二章　分子成像靶点

第一节　成像靶点的选择

一、成像靶点所需具备的条件

分子影像技术有三个关键因素，即高特异性分子探针、合适的信号放大技术以及能够灵敏地获取高分辨率图像的探测系统。分子影像技术将遗传基因信息、生物化学特征与成像探针综合输入到人体内，该探针的“靶点”经分子影像技术被放大后，通过精密的成像技术检测以及一系列的图像后处理技术，以显示活体组织分子和细胞水平上的生物学过程，从而对疾病进行亚临床期诊断和治疗。由于不同疾病在机体内呈现出不同的特点，因此在分子影像技术中成像靶点（molecular imaging target）的选择至关重要。成像靶点，即分子影像生物标记物，为涉及生理学、解剖学、生物化学等方面的生物分子，可作为分子影像的在体分子靶点进行成像，使疾病分子水平的早期发现、精确诊断、靶向治疗及疗效监测成为可能。成像靶点的存在和应用为人们进行低成本、高效率的临床研究与临床应用提供了可能性。理想的成像靶点，需要满足3个基本条件，即：①靶点与目标疾病的发生、发展或转移过程密切相关，它的变化过程，例如靶点数量、靶点结构、靶点在细胞中位置以及靶点与其他分子的结合等变化，能够准确反映疾病进展或治疗效果；②靶点与探针有高度专一性和高度亲和力；③生物标记物的检测随着时间的推移依然能保持准确性、可重复性和可行性。

分子影像学中应用生物标记物进行疾病诊断的潜在优势早已受到科学界、政府管理层和企业的一致认可。1999年，中国卫生研究院和美国食品药品监督管理局联合举办了题为“生物标记物，替代终点效应”的研讨会，推进了生物标记物的临床研究和应用。大会议题中有一条为“生物标记物替代终点效应的评估”，鼓励临床试验企业开展创新性合作、在科学界和医学界强化评估新疗法有效性和安全性时使用生物标记物替代终点效应的意识。至此，合理应用成像靶点便在通往人类健康路上迈出了一大步。时至今日，分子影像利用成像靶点进行疾病的诊疗，已成为新医学诊疗的临床前和临床评估的主要手段，尤其对于肿瘤的早期诊断和及时治疗具有重要意义。

二、成像靶点的选择

生物体的代谢、生长、发育受遗传信息和环境变化信息的调控。细胞与细胞之间以及细胞内外环境之间存在着相互沟通、相互作用和相互依赖关系。细胞之间通过不断地接受和处理来自细胞内外环境的刺激信号，在细胞内发生各种分子活性的变化，并将这种变化依次传递至效应分子，以改变细胞功能，这个过程称为细胞信号传导。在高等动物机体内，神经、内分泌和免疫系统的运行都离不开细胞与细胞间的信号传导，如果机体细胞间（内）不能有效地进行细胞通讯和信号传导，就可能出现代谢紊乱而引起疾病或导致细胞癌变甚至死亡。阐明信号转导机制，掌握不同信号转导途径中的配体、受体、细胞内的信号传递体和该途径最终引起的生物效应，了解靶分子在信号转导途径中的位置，才能准确地选择成像的靶点。

（一）G蛋白偶联受体信号转导途径

G蛋白偶联受体信号转导途径主要分为AC-cAMP-PKA信号转导途径和PLCβ-IP3/DG信号转导途径两类。

1.AC-cAMP-PKA信号转导途径

cAMP信号途径有刺激型（stimulatory）信号途径和抑制型（inhibitory）信号途径。刺激型信号分子作用于刺激型受体（Rs）和刺激型G蛋白（Gs）；抑制型信号分子作用于抑制型受体（Ri）和抑制型G蛋白（Gi）。二者作用于同一效应器——腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC），前者刺激AC的活性，催化ATP生成cAMP，使细胞内cAMP水平升高；后者则抑制AC的活性，使细胞内cAMP的水平下降。两者相互制约，使胞内cAMP水平保持动态平衡。

腺苷酸环化酶是位于细胞膜上的G蛋白的效应蛋白之一，是cAMP信号转导途径的关键酶。在绝大多数真核细胞，cAMP的作用都是通过活化cAMP依赖性蛋白激酶A（protein kinase A，PKA），从而使其底物蛋白发生磷酸化来调节细胞的新陈代谢（图1-2-1-1）。在不同的组织中，PKA的底物大不相同，cAMP通过活化或抑制不同的下游信号分子，使细胞对外界不同的信号产生不同的反应，包括糖原的合成或分解、蛋白质的合成或分解及细胞的分泌反应等。

不同功能的G蛋白偶联受体抑或底物蛋白作为分子成像靶点，通过AC-cAMP-PKA信号转导途径的配体多为各类激素，包括属于多肽类的胰高血糖素、生长抑素、催产素、促黑素、促肾上腺皮质激素、促甲状腺素释放素、促黄体素释放素、降钙素；属于蛋白质类的促卵泡激素、促黄体素、胎盘促性腺激素、生长激素、促甲状腺素、甲状腺旁素；属于儿茶酚胺的肾上腺素等。

值得一提的是，cGMP信号途径与cAMP信号途径的作用过程相似，不同之处在于cGMP信号途径的第二信使为cGMP，是由鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase，GC）分解GTP产生。cGMP在不同的细胞中的作用底物各不相同。在视网膜光感受器上的cGMP能够直接作用于离子通道；血管平滑肌细胞cGMP增高通过cGMP依赖性蛋白激酶的活化，进而激活肌动-肌球蛋白复合物的信号途径，导致血管平滑肌的收缩。那么将该途径中的作用底物作为分子成像靶点，例如离子通道、蛋白激酶等，可选择的相应配体也是多样的，如乙酰胆碱、5-羟色胺、缓激肽、组胺、P物质、心房肽、脑钠肽以及精子活化肽等。

2.PLCβ-IP3/DG信号转导途径

G蛋白偶联受体与相应的信号分子结合之后，G蛋白活化磷脂酶C-β（PLCβ），催化质膜上的磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（phosphatidylinositol-4,5-biphosphate，PIP2）水解生成水溶性的二酰甘油（diacylglycerol，DG/DAG）和1,4,5-三磷酸肌醇（inositol 1,4,5-triphosphate，IP3）两个重要的第二信使，然后分别激发两个信号转导途径，即DG-PKC和IP3-Ca2+信号途径，因此又把这一信号系统称为“双信使系统”（图1-2-1-2）。刺激PIP2分解代谢的胞外信号分子，包括神经递质（如毒蕈碱型乙酰胆碱）、多肽激素（如促甲状腺素释放激素）和生长因子（如血小板生长因子）等，与之可特异的、高亲和结合的相应受体均可作为成像靶点。

DG-PKC信号途径中，DG可活化蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），使其对Ca2+的亲和力增加，实现其对底物蛋白酶的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化功能。PKC是Ca2+和磷脂酰丝氨酸依赖性酶，具有广泛的作用底物（如膜受体、膜蛋白和各种酶），参与众多生理过程，在调节细胞增殖与分化过程中起着不可或缺的作用。

IP3-Ca2+信号途径中，IP3通过与其受体结合调控Ca2+通道，使细胞质内Ca2+浓度升高。Ca2+浓度升高后，除了可与DG协同激活PKC外，还可以促使与钙调素（calmodulin，CaM）结合形成不同构象的Ca2+/CaM复合物，经CaM激酶激活各种效应蛋白，调节物质代谢、神经递质合成、细胞分泌和细胞分裂等生理活动。

DG-PKC和IP3-Ca2+信号途径中，各种膜受体、膜蛋白和酶可作为成像靶点，其配体包括乙酰胆碱、组胺、5-羟色胺、肾上腺素、加压素、缓激肽、P物质、内皮素、神经肽Y等。

（二）酶偶联受体信号转导途径

与G蛋白偶联受体信号转导途径不同，酶偶联受体胞内信号转导的主要特征是级联磷酸化（phosphorylation cascade）反应，通过蛋白质分子的相互作用激活细胞内蛋白激酶，蛋白激酶通过磷酸化修饰激活代谢途径中的关键酶和反式作用因子等，最终影响代谢途径、细胞运动，调节基因表达、细胞增殖和分化等。

1.受体酪氨酸激酶介导的信号转导

在酶偶联受体信号转导途径中，研究得最为清楚的是本身具有酪氨酸激酶活性的受体［受体酪氨酸激酶（RTK）］。与RTK结合的信号蛋白有些是作为RTK的底物被激活，有些只是连接上下游信号蛋白的衔接蛋白。不同信号转导蛋白可启动不同的信号途径，若以RTK作为成像靶点，可以了解细胞代谢、细胞增殖以及细胞存活等效应。常见的下游信号转导途径，简介如下：

（1）Ras-MAPK级联反应信号转导途径：

以丝裂原激活的蛋白激酶（mitogen-activation protein kinase，MAPK或MAP kinase）为代表的信号转导途径称为MAPK途径。在不同的细胞中，该途径的成员组成及诱导的细胞应答有所不同。其中了解最清楚的是Ras/MAPK途径（图1-2-1-3）。Ras/MAPK途径转导多种生长因子（包括表皮生长因子EGF、血小板衍生生长因子PDGF、血管内皮细胞生长因子VEGF和胰岛素生长因子）、细胞因子、淋巴细胞抗原受体和整合素等信号。

Ras GTP酶在细胞增殖过程中有着重要的作用，约30%人类肿瘤细胞中含有突变的Ras癌基因。受体与配体结合后形成二聚体，激活受体的蛋白激酶活性；受体自身酪氨酸残基磷酸化后结合衔接蛋白Grb2（growth factor receptor-bound protein 2）；鸟嘌呤交换因子（guanine exchange factor，GEF）经Grb2活化后，与Ras蛋白结合，促进Ras释放GDP、结合GTP，导致Ras活化（图1-2-1-3）。

（2）PLC-IP3/DG信号转导途径：

许多RTKs还能够通过其SH结构域上的酪氨酸磷酸化位点与PLCγ结合并激活PLCγ，类似于G蛋白偶联受体激活PLCβ/DG信号转导途径，PLCγ也能激活IP3-Ca2+和DG-PKC两个信号转导途径，引起与PLCβ/DG相似的细胞反应。

（3）PI3K/PKB信号转导途径：

磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）和蛋白激酶B（PKB）共同构成一条重要的信号转导途径。配体与受体结合可活化PI3K。PI3K催化产生的PIP3可活化PKB。PKB可磷酸化多种蛋白，介导代谢调节和细胞存活等效应。

2.酪氨酸激酶偶联受体介导的信号转导

酪氨酸激酶偶联受体（tyrosine kinase-linked receptor）的特点是受体本身无酶活性，而是与胞质内的酪氨酸激酶，如janus激酶（janus kinase，Jak）相偶联。该类受体的对应配体多为细胞因子（包括白介素、干扰素、细胞聚落刺激因子等），所以又称为细胞因子受体。不同细胞因子家族受体的亚基和多聚体的结构都有极大的差异，因此，不同的细胞因子受体亚家族可以募集大量的胞内信号转导蛋白，其中最重要的信号转导蛋白是非受体酪氨酸激酶（nonreceptor tyrosine kinase），如各种src家族激酶和Jak。

当细胞因子结合于受体后，受体二聚化导致其胞内段富含脯氨酸的蛋白质-蛋白质相互作用基序与Jak结合，Jak结合到配体-受体复合物上，相邻受体偶联的Jak互为底物而引发对方的酪氨酸残基磷酸化，Jak因此被活化，进而引起受体自身离细胞膜较远区域的酪氨酸残基磷酸化。这些磷酸化的位点可作为与其他含有SH2结构域的下游信号转导蛋白的识别和锚定位点，其中最重要的一类下游信号转导蛋白是信号转导子和转录活化子（signal transducer and activator of transcription，STAT），二者所构成的Jak-STAT途径是细胞因子信息内传最重要的一条途径。

3.受体丝氨酸/苏氨酸激酶介导的信号转导

转化生长因子 β（transform growth factor β，TGF-β）、激活素（activin）和骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）等，称为TGF-β家族，为拥有具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的受体。该家族除在发育过程中起重要作用外，还可以调节细胞的增殖、分化、黏附、移行及细胞凋亡，此类受体的突变会促使某些肿瘤的发生，若作为成像靶点可用于这些肿瘤的诊断。

TGF-β家族的受体介导的信号转导途径中最重要的信号转导分子是Smad，因而此途径称为Smad途径。TGF-β同时结合2个Ⅰ型受体和2个Ⅱ型受体，形成异源四联复合物，激活Ⅱ型受体，其激酶活性将Ⅰ型受体磷酸化并活化；磷酸化Ⅰ型受体激活Smad2和Smad3；磷酸化的Smad2和Smad3与Smad4形成三聚体并转移至细胞核内，与相应的基因调节蛋白结合，调控有关器官发育和组织分化的基因转录（图1-2-1-4）。

（三）依赖于受调蛋白水解信号转导途径

细胞上还存在一类既不偶联G蛋白或酶，本身也无酶活性，其信号转导的特点是在外来信号分子作用下，会引起某个潜在基因调控蛋白（latent gene regulatory protein）的受调蛋白水解（regulated proteolysis），受调蛋白水解过程能够调节相应靶基因的表达。这类信号转导途径包括Wnt信号途径、NF-κB信号途径和Hedgehog信号途径等，它们在胚胎发育中扮演着极为重要的角色。这类转导途径的配体，如肿瘤坏死因子-α（TNT-α）、IL-1、细菌脂多糖等。

（四）胞内受体信号转导途径

胞内受体位于细胞质或核基质中，其相应配体主要是疏水的小信号分子，如类固醇激素、甲状腺素和维A酸等。此类受体实际上是一类转录因子（基因表达的调控蛋白），当这些受体与进入细胞的信号分子结合后，可以直接传递信号，即直接调控基因表达。另有一些细胞内受体可以结合细胞内产生的信号分子（如细胞应激反应中产生的细胞内信号分子），直接激活效应分子或通过一定的信号转导途径激活效应分子。

还有一类特别的胞内受体是由一种小分子气体一氧化氮（NO）激活的，NO作为细胞内信号转导的信使是近20多年来生物医学领域的一个重要发现。血管内皮细胞和神经细胞里的精氨酸在NO合酶（NO synthase，NOS）的催化下能转化形成NO和瓜氨酸。NOS是一种Ca2+/CaM敏感酶，任何使细胞内Ca2+浓度升高的因素都可能增强NOS的活性，并通过NO调节细胞内代谢。除了NO以外，CO和H2S的第二信使作用近年来也得到证实。

除上述信号转导途径外，人体内还有一些特殊的信号转导途径，如以整合素为受体的信号转导途径、诱导细胞凋亡的死亡受体信号转导途径等，与疾病的发生、发展过程十分密切，也是开发新成像靶点的新领域。

（钱　隽　李　聪）