第三部份:以整合素 integrin αvβ3 動態顯影磁振造影標靶影像偵測腫瘤

1.3.1 背景、文獻回顧

本論文第二部份的成功，使我們確信利用動態顯影磁振造影實施標靶分子影

像的可行性，我們也已發展出一可行的藥物載體平台，以利其他標靶顯影劑的合 成。這時我們再回到第一部份完成時留下的問題，對於病灶血管新生現象的偵 測，磁振造影的能力還能不能更上一層樓?

血管新生(Angiogenesis)是指從已經存在的血管床產生新血管的過程

(Folkman, 1971)，和癌症的發展有密切的關係。當腫瘤剛形成的時後，癌細胞 本身，或周圍的結締組織，會分泌許多促使血管新生的物質(angiogenic substances)。這些物質會激活血管內皮細胞(endothelial cells)，而發生下列 變化：1) 腫瘤周圍結締組織的分解破壞； 2) 內皮細胞增生； 3) 內皮細胞向 分泌促使血管新生物質的地方移動； 4) 內皮細胞重新組合成新生血管。血管新 生是腫瘤細胞的浸潤、遷移、增殖的重要過程(Felding-Habermann, 2003;

Folkman, 1990; Kerbel, 2008; Varner, 1997)。

血管新生對腫瘤的生長也非常重要。當腫瘤只有 2-3 mm 大小時，它可依靠滲 透作用(diffusion)自外界取得養份。但是一旦超過這個大小，就必需新生血管 來獲取養份。在實驗室中，若將腫瘤細胞種在動物身上無血管的區域(如眼睛的 前房)，腫瘤呈休眠(dormant)狀態；但若種在血管豐富的虹膜區(iris)，腫瘤則 可快速生長(Gimbrone, Leapman et al., 1972)。

腫瘤血管生成不僅受到促血管生成的酶、生長因子及受體的控制，同時也受 到細胞粘附分子的調節(Folkman, 1971)。在血管生成的過程中，內皮細胞必須 先從周圍細胞中游離出來，然後進入到其他組織中。在浸潤和遷移的過程中，內 皮細胞與基底膜的相互作用是通過整合素蛋白(integrin)介導的，同樣在血管生 成的最後步驟，包括毛細血管的組建和內皮細胞極性的確定，都需要細胞-細胞，

細胞-基質間的相互作用來調節(Folkman, 1971)。

整合素 integrin α^vβ³是一種與腫瘤血管新生及腫瘤轉移相關的細胞黏著受 體(cell adhesion receptor)。由於在成熟的血管內皮細胞中幾乎測不

到 integrin α^vβ³的表達(Mahabeleshwar, Feng et al., 2006)，而在腫瘤

等引發的血管生成中 α^vβ³ integrin 的表達增高，使得整合素 integrin α^vβ³ 成為血管新生的重要生物指標(Brooks, 1996; Brooks, Clark et al., 1994; X.

Lu, Lu et al., 2008), 甚至成為標靶治療的目標(Abdollahi, Griggs et al., 2005; Brooks, Montgomery et al., 1994; Kumar, 2003; Landen, Kim et al., 2008)。Brook 等人將整合素 integrin α^vβ³單株抗體注入動物體內，觀察到雞 的絨毛膜尿囊上血管新生的內皮細胞發生凋亡現象（apoptosis） (Brooks, Montgomery et al., 1994)，甚至將與 integrin α^vβ³有親和力的 Arg-Gly-Asp (RGD)序列之胜肽注入體內也可觀察到同樣現象(Brooks, Montgomery et al., 1994)。目前已有抑制 α^vβ³ integrin 單株抗體的標靶治療藥物正在臨床試驗 階段(Hersey, Sosman et al.)。

具 Arg-Gly-Asp (RGD)序列之胜肽與 integrin α^vβ³與具有高度的結合性 (Y. J. Lu, Zhang et al., 2002; Ruoslahti, 2003; Ruoslahti & Pierschbacher, 1986)，有研究顯示環狀 RGD 分子(cRGD) 對整合素 integrinα^vβ³之親和力甚至 比直鏈 RGD 分子更多出一百倍 (Aumailley, Gurrath et al., 1991; Gurrath, Muller et al., 1992)，故 cRGD 目前已被視為一具有潛力的 integrin α^vβ³ 分子探針。迄今已有研究利用放射性標誌 cRGD 胜肽，被探討用於偵測 integrin α^vβ³，進而作為偵測 integrin α^vβ³的腫瘤造影劑(Beer, Haubner et al., 2006;

Janssen, Oyen et al., 2002)。但迦碼攝影機的解析度並不佳，也不能提供切 面呈像。 Chen 等人曾將 cRGD 與近紅外線螢光物質接合，作為偵測 integrin α^vβ³的螢光標靶顯影劑 (X. Chen, Conti et al., 2004)，在螢光攝影機下 觀察 integrin α^vβ³的表現。但光學攝影之缺點乃在於光線在活體組織內的穿 透力很差，在體內深部放出的光在很短的距離內就會被相鄰的水分或血色素等物 質大部分吸收掉，同時光線在組織內亦有散射（scatter）的問題。也有作者將 cRGD 與磁振造影顯影劑接合以評估腫瘤血管新生(Boles, Schmieder et al.;

Huo, Du et al.; Lee, Li et al., 2008; Mulder, Strijkers et al., 2005;

Schmieder, Winter et al., 2005; Winter, Caruthers et al., 2003)，Winter 等人曾將 RGD 與 Gd-DTPA 用 emulsion 方式注入動物體內以偵測腫瘤血管新生，

但該研究無法證實以 emulsion 型態注入體內的 RGD/Gd-DTPA 是否會再度解離 (Winter, Caruthers et al., 2003)。在本論文第二部分與工研院材化所合作開 發葉酸接受體標靶磁振造影顯影劑(W. T. Chen, Thirumalai et al.)的計劃中，

我們成功證實了此藥物可以作為分子影像之藥物平台，並利用比較動態顯影磁振 造影之顯影模式與三十分鐘顯影劑流失百分比可以成功辨別出有表現葉酸接受 體的腫瘤。目前想在此基礎上進一步發展 integrin α^vβ³標靶磁振造影顯影劑，

將數個 RGD 與 GD_DTPA 分子接合於此藥物平台，此藥物具有在血流中停留較久的 優勢，在同一分子上可接合多個 Gd-DTPA 亦可以獲得更大的 T1 鬆弛性(T1 relaxicity)以及在同一分子上可接合多個 RGD 胜肽，並利用比較動態顯影磁振 造影顯示腫瘤血管新生內皮細胞表現 integrin α^vβ³的情形。

使用 cRGD 作為分子探針評估腫瘤血管新生有額外的好處。我們知道ＲＧＤ 並不是只與整合素 integrinα^vβ³有高吸附力，他與整合素家族的許多成員都有 高的吸附力，其中包括整合素 integrin α⁵β¹ (D'Souza, Ginsberg et al., 1991)，而 integrin α⁵β¹也被發現大量表現於血管新生中活化的內皮細胞，

卻不表現於正常組織內的內皮細胞(Bayless, Salazar et al., 2000; Bello, Francolini et al., 2001; Boudreau & Varner, 2004)。故使用 cRGD 作為分子 探針可以同時標定在血管新生中表現 integrin α⁵β¹的內皮細胞，一舉兩得。

許多實體腫瘤本身(如：腦瘤、肺癌、乳癌、消化道及泌尿道腫瘤)與血液惡 性疾病癌細胞(如：淋巴瘤、多發性骨髓瘤及白血病)都有血管內皮細胞生長因子

（vascular endothelial growth factor, VEGF） 過度表現的現象；由於 VEGF 對腫瘤血管新生扮演重要的角色，因此許多抗血管新生藥物的設計為阻斷 VEGF 的訊息傳遞。 Bevacizumab(Avastin®）是最具代表性的血管新生抑制劑，自老 鼠身上所得對抗 VEGF 的單株抗體，利用基因工程的方式，將大部份的結構改造 成人類蛋白質。如此，注射到人體後， 較不會因為物種的不同而產生對抗

bevacizumab 的中和抗體。Kabbinavar 等人用 Bevacizumab 合併

fluorouracil/leucovorin 治療大腸癌轉移病灶有較高的反應比例(Hurwitz, Fehrenbacher et al., 2004)。Rini 等人用 Bevacizumab 合併 interferon-alpha 治療腎細胞癌轉移病灶有較高的存活率(Polverini, 2002)。Bevacizumab 在 1994 年取得 FDA 核准上市，合併第一線標準療法用於治療轉移性結腸直腸癌；

1996 年 10 月獲得核准與 carboplatin 及 paclitaxel 併用，作為對無法切除、

局部進展、復發性或轉移性非麟狀細胞非小細胞肺癌的第一線治療用藥。雖然抗 血管新生藥物為癌症病人帶來新的治療契機，但治療費用卻是非常昂貴；同時抗 血管新生藥物治療也帶來一些副作用（如高血壓，消化道出血，…等）。故若是 有一非侵入性診斷方法，不僅可以偵測出腫瘤血管新生的多寡，甚至可以評估患 者對抗血管新生藥物治療是否有反應(responder)，或當患者已經開始有抗藥性 時能以影像方式診斷出來，這將對抗血管新生藥物治療帶來許多助益。

Kim等人曾用 bevacizumab抑制兔子角膜血管新生，從而發現bevacizumab 會抑制整合素家族的基因表現，其中包括整合素integrin α^vβ³與整合素 integrin α⁵β¹(Kim, Chung et al., 2009)。此發現使得我們所欲合成的接合 cRGD的磁振造影顯影劑，也有機會用來評估bevacizumab抗血管新生藥物治療後 腫瘤反應的評估。

1.3.2 欲研究的問題及其重要性

血管新生是腫瘤細胞的浸潤、遷移、增殖的重要過程，對腫瘤的生長也非常 重要。而如今抗血管新生治療已在臨床應用於轉移性結腸直腸癌與轉移性非麟狀 細胞非小細胞肺癌，但現今抗血管新生治療治療費用非常昂貴，需要患者自行負 擔；可是因多數之抗血管類藥物之作用機轉被認為主要是cytostatic；而不太可 能導致腫瘤快速、明顯之減小。若是患者已經發生抗藥性而我們將過一段時間等 腫瘤變大方能得知，不僅無謂增加患者經濟負擔，更耽誤了調整治療的最佳時 機。若有一非侵入性診斷方法，不僅可以偵測出腫瘤血管新生的多寡，使我們可 以挑選適合接受抗血管新生治療的患者，甚至可以評估患者對抗血管新生藥物治

療是否有反應(responder or nonresponder)，或當患者已經開始有抗藥性時能 以影像方式診斷出來，這將對抗血管新生藥物治療及其他標靶治療帶來許多助 益。

1.3.3 研究的假說

基於 cRGD 與整合素 integrinα^vβ³有高吸附力的特性，我們若能將多個 cRGD 和多個磁振造影 T1 顯影劑 Gd-DTPA, 一起接合在聚乙二醇樹枝狀分子載體 上，使其成為一具有搜尋整合素 integrinα^vβ³能力的磁振造影標靶顯影劑， 我 們就有機會運用動態顯影磁振造影在老鼠腫瘤模式下評估腫瘤血管新生表現整 合素 integrinα^vβ³的情形。同時，由於整合素 integrinα^vβ³是腫瘤血管新生 的重要生物指標(biomarker)，我們也有機會運用此具有搜尋整合素

integrinα^vβ³能力的磁振造影標靶顯影劑來早期評估抗血管新生藥物治療（如 使用 integrinα^vβ³單株抗體或ＶＥＧＦ單株抗體）後腫瘤是否發生反應。

1.3.4 研究的目的

本研究的目的,想利用化學合成方式獲得 PEG dendrimer-(Gd-DTPA)^m- (cRGD-DTPA)n，使之成為具有搜尋整合素 integrinα^vβ³能力的磁振造影標靶顯 影劑，此標靶顯影劑同時具有在血流中停留較久的優勢(分子量約 10000

dalton)，將其運用在 athymic nude mice 鼠的腫瘤動物模式上, 利用動態顯影 磁振造影分析顯影模式與血液灌流參數，看 PEG

dendrimer-(Gd-DTPA)^m-(cRGD-DTPA)ⁿ是否能聚集於表現 integrinα^vβ³所在的 血管新生處而被磁振造影偵測出來，並分析其顯影模式；同時我們也計畫將此搜 尋整合素 integrinα^vβ³能力的磁振造影分子探針用於評估抗血管新生藥物治 療後腫瘤的反應。此計劃對於未來篩選抗血管新生腫瘤標靶治療患者、以及之後 腫瘤臨床治療效果的觀察均具有重要的臨床意義。

第二章 第一部份:以動態顯影磁振造鑑別良性與病理性脊椎壓迫性骨折