活体成像在药物研发研究领域的应用

PerkinElmer 小动物活体光学成像技术已在生命科学基础研究、临床前医学研究及

药物研发等领域得到广泛应用。药物研发是科研机构和医药公司的重点研究领域。在活体光学成像实验中，常用于药物研发的方法包括：1. 使用构建好的生物发光转基因疾病动物模型，应用小动物活体光学成像技术观测给药后疾病信号的改变，从而评价药物对疾病的治疗效果。2. 通过注射功能性荧光探针，观测疾病发展过程中分子事件，从而反映药物对疾病的治疗效果。下面结合一些具体实例阐述应用小动物活体光学成像技术进行药物研发的七个方面：1. 抗肿瘤癌症药物研发。 2. 关节炎治疗药物研发。 3. 感染性疾病的药物研

发。 4. 抗炎症的药物研发。 5. 抗病毒药物的研发。6. 神经系统疾病的药物治疗。7. 构建新型老鼠模型。

一．抗肿瘤癌症药物研发

肝细胞性肝癌是肝癌的主要形式，而且每年死亡多达598,000人以上。索拉非尼

（Sorafenib ）是一种合成的多酪氨酸激酶抑制剂，而且用于治疗30%的肝细胞性肝癌患者和肝硬化，因此研究人员开发其他类型的药物用于治疗肝癌患者。表观遗传变换能够引发肝癌和促进肿瘤的发展，表观遗传变换而且是药物可逆的，因此转录后调控可用于肝癌的治疗。DNA 异常甲基化是早期和晚期肿瘤癌症的重要事件，因此研究异常甲基化对于癌症风险性评估，治疗和化学预防都有积极的作用。 抑制DNA 甲基转移酶1（DNMT1，DNA methyltransferase 1） 能够再激活表观遗传沉默的肿瘤抑制基因，抑制肿瘤细胞生长，而且促进细胞分化，凋亡和提高免疫监督。研究者在免疫缺陷的小鼠（NOD/SCID）脾内移植萤火虫荧光素酶标记的敏感人肝癌肿瘤细胞株（Huh7-luc ），从而建立人异种移植肝细胞性肝癌肿瘤模型。使用PerkinElmer 的IVIS 系统成像显示小鼠服用低毒性的Zebularine （第二代稳定的亲水性DNA 甲基转移酶1抑制剂）后，生物发光强度明显降低（下图）。结果说明Zebularine 能够抑制肝癌肿瘤细胞的生长，减轻肿瘤负载而且延长肝癌肿瘤小鼠存活时间（下图）。结果说明 Zebularine 可以通过去甲基化从而治疗肺癌，因此Zebularine 是治疗原发人肝癌的潜在药物。

比给药和对照组的定量生物发光总强度。（C ）对比给药和对照组的小鼠体重在服药后的变化。（D ）对比给 药和对照组的肿瘤细胞转移到肺部的生物发光强度。（E ）对比给药和对照组的肿瘤细胞转移到大脑的生物发光强度。（D ）对比给药和对照组人异种移植肝细胞性肝癌肿瘤小鼠的存活时间。 上图：人异种移植肝细胞性肝癌肿瘤模型服用Zebularine （A 左）和对照组（A 右）的生物发光成像。（B ）对

多发性骨髓瘤是一种恶性血液系统疾病，并且积累不同基因损伤的恶性浆细胞。

Myc 基因是细胞增殖的主要调节因子，而且对于癌症肿瘤细胞分裂，新陈代谢和存活都有重要作用。JQ1用来抑制BET 溴区结构域的小分子，而且向下调节Myc 基因转录。腹腔注射JQ1到移植萤火虫荧光素酶标记的多发性骨髓瘤，PerkinElmer 的IVIS 系统成像显示JQ1可以抑制骨髓肿瘤细胞生长而且提高肿瘤小鼠的存活率（下图）。结果说明应用JQ1能够缓解骨髓瘤癌症症状。 (Delmore et al, Cell, 2011)

转变生长因子β (transforming growth factor-β, TGF- β) 通路对乳腺癌转移起了重要作

用。研究者使用多重荧光素酶标记异种移植小鼠乳腺癌肿瘤模型，心脏内注射海肾荧光素酶报告基因标记MDA-MB-231人乳腺癌细胞株和萤火虫荧光素酶报告基因标记TGF-β-SMAD 信号通路（下图A ）。利用帕米膦酸二钠（Pamidronate ）治疗能够有效的抑制乳腺癌肿瘤发展和转移负担，减少骨骼发病率和骨损伤，而且降低TGF- β通路信号活性（下图

B ）。

A B

(Korpal et al, Nature Medicine, 2009)

二．关节炎治疗药物研发 小分子APO866是 前B 细胞集落增强因子（Pre-B cell colony-enhancing factor, PBEF ）/烟酰胺磷酸核糖转移酶（nicotinamide phosphoribosyltransferase, NAMPT ）抑制剂。为了研究前B 细胞集落增强因子/烟酰胺磷酸核糖转移酶在炎症性关节炎疾病中的调节作用，研究者将胶原蛋白诱导的小鼠灌输APO866药物。静脉注射MMPSense750靶向的荧光试剂，监测基质金属蛋白酶活性而反映疾病炎症。PerkinElmer 的IVIS 系统成像显示服用APO0866的小鼠金属蛋白酶活性下降，说明APO886能够通过抑制前B 细胞集落增强因子/烟酰胺磷酸核糖转移酶治疗炎症性关节炎。

（Evans et al, J. Arthritis and Rheumatism, 2011）

三．感染性疾病的药物研发

研究者在健康和粒细胞减少CD-1小鼠腹腔注射细菌荧光素酶标记耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus， MSSA）建立腹腔炎小鼠模型。应用不同抗生素治疗腹腔炎小鼠，PerkinElmer 的IVIS 系统成像显示服用达托霉素（Daptomycin ）小鼠的生物发光强度显著下降。结果说明达托霉素相对于其他抗生素药物（包括萘夫西林，万古霉素，利奈唑胺）显示更强和更快地杀菌活性，对腹腔炎的治疗效果更显著。

（A ）

Mortin et al., Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 2007

四．抗炎症药物的研发 Nuclear factor-κB (NF- κB) 是细胞内转录因子，NF- κB 对细胞凋亡，肿瘤发生，自体免疫疾病和炎症有重要作用。牛樟菇(Antrodia camphorate) 是产自台湾的一种传统中药，牛樟菇可以治疗食物中毒，药物中毒，痢疾，腹痛，高血压，皮肤瘙痒和肝癌。利用转基因技术建立萤火虫荧光素酶标记标记NF- κB 基因的炎症小鼠模型。小鼠腹腔内注射脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS ）后，使用PerkinElmer 的IVIS 系统成像显示小鼠生物发光强度提高，说明脂多糖诱导NF- κB 活性而且引发炎症反应（下图A ）。小鼠服用牛樟菇后，炎症反应活体小鼠的生物发光强度下降（下图A ）。体外验证显示小肠，牛樟菇治疗后肠系膜淋巴结，肝脏，脾脏和肾脏的生物发光强度下降（下图B ）。结果说明牛樟菇能

够抑制脂多糖引发的炎症反应。

（A ） (Hseu et al, Food and Chemical Toxicity, 2010)

上图：（A ）应用LPS

（脂多糖），LPS+A. camphorate （脂多糖和牛樟菇），Mock （阴性对照）后小鼠生物发光和定量结果。(B) 体外Spleen （胰脏）Liver （肝脏）Kidney （肾脏），Mesenteric lymph nodes (肠系膜淋巴结) ，Small intestine (小肠) 的生物发光成像。

五．抗病毒药物的研发

人乳头瘤病毒（Human papillomavirus, HPV ）诱导引发宫颈癌。萤火虫荧光素酶标记人乳头瘤病毒皮肤感染的BALB/c小鼠模型，PerkinElmer 的IVIS 系统成像显示病毒的生物发光强度在皮下接种TA-CIN 和GPI-0100疫苗的小鼠中明显消失，说明这两种疫苗能够极大地抑制人乳头瘤病毒的生长（下图）。

六．神经系统疾病的药物治疗 帕金森症是一种神经退化型疾病，神经炎症被认为在神经细胞的损伤和凋亡过程中起了很大作用。在大脑的黑质致密部递送抗炎症和抗氧化剂可以有效的抑制神经炎症和增加细胞活性，然而血脑屏障是进行大分子和蛋白质递送到大脑的主要屏障。研究人员使用MPTP 帕金森小鼠模型，进行纳米制成的过氧化氢酶（Nanozyme, 抗炎试剂）负载骨髓巨噬细胞的递送。PerkinElmer 的IVIS 成像系统结果显示，在骨髓巨噬细胞的帮助下，过氧化氢酶可以成功的穿过血脑屏障进入到大脑，从而治疗帕金森症。

（Brynskikh et al, Future Med, 2011）

七．构建新型老鼠模型

人源化小鼠模型对研究人生理有非常重要的作用。构建人源化肝脏模型的一般方法是人肝脏细胞移植到免疫缺陷小鼠，但是这种方法的缺陷是移植后肝脏细胞再增的时间和多样化。为了提高细胞移植在临床上的应用水平，研究者开发一种基于组织工程的人肝脏移植小鼠模型。使用聚合物支架包膜萤火虫荧光素酶标记的人原代肝细胞，从而制造了可供移植的人造肝脏（tissue-engineered human ectopic artificial livers, HEALs ）。人造肝脏放入免疫缺陷（Athymic Nude ）或免疫活性小鼠（C57/BL6, Swiss-Webster ），PerkinElmer 的IVIS 系统成像显示移植人造肝脏后的免疫活性小鼠8天内无肝脏损伤（下图）。使用此人源化肝脏模型能够更好的模拟药物在人体的新陈代谢和毒性，它对于药物的发展和研究应用都有重要价值。