L-5-[11C]-谷氨酰胺PET成像揭示乳腺癌代谢特征：临床前模型中的谷氨酰胺代谢动力学与GLS抑制效应研究

本研究针对谷氨酰胺代谢在侵袭性肿瘤中的关键作用，利用L-5-[11C]-谷氨酰胺PET探针，在乳腺癌小鼠模型中探究了谷氨酰胺酶（GLS）抑制下的代谢动力学。研究发现，高谷氨酰胺解活性肿瘤中11C标记的谷氨酸大量滞留，干扰了GLS活性的无创评估，提示L-5-[11C]-谷氨酰胺PET在肿瘤GLS活性监测中的局限性，为代谢成像策略提供了重要依据。

　　

谷氨酰胺（Glutamine, GLN）作为人体血浆中最丰富的氨基酸，在多种侵袭性肿瘤——尤其是三阴性乳腺癌（TNBC）——的代谢中扮演着至关重要的角色。这类肿瘤细胞高度依赖谷氨酰胺，将其作为能量来源和生物合成的原料，这种现象被称为“谷氨酰胺成瘾性”。谷氨酰胺代谢途径中的第一步关键反应是由谷氨酰胺酶（Glutaminase, GLS）催化，将谷氨酰胺转化为谷氨酸（Glutamate, GLU），进而进入三羧酸循环或其他生物合成通路。由于GLS在肿瘤代谢中的核心地位，它已成为癌症治疗中的一个重要靶点。CB-839（telaglenastat）作为一种GLS1选择性抑制剂，已在多种难治性实体瘤（包括TNBC）的I期研究中显示出良好的安全性，但在肿瘤反应方面未能达到预期疗效，这表明需要更精准的生物标志物来评估其靶向作用。

为了无创、动态地监测肿瘤中的谷氨酰胺代谢活性，研究者开发了多种正电子发射断层扫描（PET）示踪剂，包括谷氨酰胺类似物4-(2S,4R)-[¹⁸F]氟代谷氨酰胺（[¹⁸F]F-GLN）以及放射性标记的天然谷氨酰胺L-5-[¹¹C]-谷氨酰胺（[¹¹C]GLN）。其中，[¹¹C]GLN具有与天然谷氨酰胺完全一致的代谢途径，为研究谷氨酰胺代谢通量提供了理想工具。然而，与葡萄糖、胸苷等代谢底物类似，谷氨酰胺在体内会迅速转化为多种下游标记代谢物，这使得PET图像中的总放射性信号无法区分示踪剂本身与其代谢产物的贡献，因此对图像解读带来巨大挑战。

为此，研究团队利用两种人乳腺癌小鼠异种移植模型——高三阴性乳腺癌细胞系HCC1806（具有高谷氨酰胺解活性）和激素受体阳性（HR+）细胞系MCF-7（低谷氨酰胺解活性）——开展了临床前研究。他们在给予GLS抑制剂CB-839或对照溶剂后，对小鼠进行动态[¹¹C]GLN PET成像，并在注射后不同时间点采集血液和肿瘤组织样本，进行放射性代谢产物分析。通过高效液相色谱（HPLC）和酸碱提取法，研究人员量化了血液和肿瘤中[¹¹C]GLN、[¹¹C]GLU、[¹¹C]CO₂以及其他¹¹C标记代谢物（¹¹C-OTH）的相对比例，进而推算出各类代谢物特定的时间-活性曲线，以揭示GLS抑制下的代谢动力学变化。

本研究主要采用了以下关键技术方法：

利用小型动物PET系统进行动态成像，获取血液和肿瘤的时间-活性曲线；通过放射性代谢分析技术（包括HPLC和γ计数）定量血液与肿瘤中¹¹C标记代谢物的分布；使用酸碱提取法分离并测定[¹¹C]CO₂含量；借助¹³C稳定同位素标记的谷氨酰胺在细胞培养模型中验证代谢趋势；运用数学模型对代谢物比例进行插值和拟合，生成代谢物特异性曲线。

研究结果方面：

Image-derived, whole blood clearance and tumor curves：

血液清除曲线在不同肿瘤模型和治疗条件下均相似，总肿瘤放射性信号在组间未见显著差异，表明单纯依靠总PET信号无法有效区分GLS活性或抑制状态。

Analysis of non-volatile labeled metabolites in blood and tumor tissue：

代谢分析显示，注射后30分钟内，高谷氨酰胺解的HCC1806肿瘤中放射性主要存在于[¹¹C]GLN和[¹¹C]GLU形式，下游代谢物包括[¹¹C]CO₂占比较低。CB-839处理使HCC1806肿瘤中的[¹¹C]GLU比例下降，[¹¹C]GLN比例上升，而MCF-7肿瘤中[¹¹C]GLN始终占主导，且对CB-839响应不明显。

Carbon-13 glutamine in vitro studies：

细胞培养实验证实，[¹³C]GLN主要转化为[¹³C]GLU，CB-839处理降低了HCC1806细胞中的GLU/GLN比值及TCA循环中间产物的标记，与体内数据一致。

[¹¹C]CO₂ estimation: in vivo studies：

体内外实验均显示[¹¹C]CO₂对总信号贡献较小（10%-35%），且变异性较大，表明肿瘤[¹¹C]CO₂信号可能主要来源于血浆交换而非局部代谢。

Estimated metabolite-specific time-activity curves：

通过计算得到的代谢物特异性曲线表明，在未经治疗的HCC1806肿瘤中，[¹¹C]GLU信号迅速上升并超过[¹¹C]GLN，而CB-839处理后则始终以[¹¹C]GLN为主。MCF-7肿瘤的代谢曲线与CB-839处理的HCC1806肿瘤相似，再次印证其低GLS活性特征。

研究结论与讨论部分强调，[¹¹C]GLN PET在反映肿瘤GLS活性方面存在显著局限性。由于[¹¹C]GLU在细胞内池中的大量滞留，导致总放射性信号无法准确体现GLS的抑制效果。这一现象在高度谷氨酰胺解的肿瘤中尤为明显，使得[¹¹C]GLN PET难以用于评估药物如CB-839对GLS的特异性抑制。相反，非代谢型谷氨酰胺类似物（如[¹⁸F]F-GLN）可能更适合该用途。此外，研究发现谷氨酰胺解产生的谷氨酸大部分保留在细胞内池，提示细胞内谷氨酸与细胞外谷氨酸库之间存在不完全交换，这为了解肿瘤代谢调控提供了新视角。该研究不仅揭示了[¹¹C]GLN在肿瘤GLS成像中的不足，也为发展更精准的代谢成像方法和探讨靶向代谢治疗的策略提供了重要依据。