多模态正电子发射断层扫描(PET)推动临床前成像技术发展

【字体: 时间:2022年06月09日 来源:布鲁克

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  临床前成像对于从器官、组织、细胞和分子水平层面研究疾病状态背后的生物学过程至关重要,对于评估新疗法的疗效和安全性、了解药物在组织中的分布模式同样很有帮助。本文通过实例介绍了多模态PET成像在肿瘤、心脏病学中的应用和技术发展前景,很有启发意义,可别错过!

作者:Sonica Van Wyk,Bruker BioSpin核分子成像市场产品经理

临床前成像(PCI)对于从器官、组织、细胞和分子水平层面研究疾病状态背后的生物学过程至关重要。揭示身体对生理或环境变化的反应推动了寻找治疗药物对抗疾病的研究工作。新疗法的疗效和安全性也可以通过临床前成像进行评估,以便研究人员了解药物在组织中的分布模式。作为广泛应用于放射学、核医学、地球物理学和材料科学等领域的一种成像技术,断层扫描技术能根据物体的截面或投影提供有关物体的三维信息。常见的例子包括X射线、计算机断层扫描(CT)、正电子发射断层扫描(PET),以及单光子发射计算机断层扫描(SPECT)。

CT扫描可提供受测对象的解剖学信息,而PET则通过提供功能成像,显示生物分子活动在体内的空间分布。PET作为临床诊断以及临床前用途目的的技术,发展于20世纪50年代,其应用范围伴随放射性药物(一组能发出辐射的药物,通常包括放射性示踪剂)的开发而扩大。临床前研究用PET方便用户在同一个动物受测对象身上进行重复实验,以此提供强有力的有统计学价值的数据,从而减少研究所需的动物数量。因此,使用非侵入性活体成像技术提高每只动物的利用价值就变得越来越重要。

多模态成像
多模态断层扫描,如PET/CT,是将PET所获得的功能成像与CT扫描获得的解剖成像相关联。此外,PET还可以与其他技术相结合,如磁共振成像(MRI),使功能成像与软组织形态成像相结合。由于具有卓越的软组织对比度、成像时没有CT的电离辐射风险,并且能提供多参数数据,临床前成像应用越来越关注于PET/MR。多模态成像技术,如PET/CT、SPECT/CT、PET/MR和PET/SPECT/CT,在包括肿瘤学和心脏病学等各种研究应用中都表现出了极高的价值。

监测肿瘤发展
许多癌症与高于正常细胞的新陈代谢转换有关。葡萄糖摄取情况可通过PET以及注射放射性标记的葡萄糖类似物示踪剂——如氟-18(18F)-氟脱氧葡萄糖(18F-FDG)进行量化。这种方法还可用于检测肿瘤负荷和分子生物标记物,从而助力癌症检测和治疗反应评估。PET/CT以及最近的PET/MR,均被用于确定18F-FDG的聚集区域,以获得半定量标准化摄取值(SUV),辅助诊断肿瘤的恶性程度。

图1:PET/CT图像所示为治疗起始日和25天后,四种治疗组合中的18F-FDG肿瘤摄取。红色箭头表示起始日和第25天时的肿瘤位置,绿色箭头表示棕色脂肪组织(BAT)中典型的18F-FDG摄取部位。根据知识共享协议从参考文献 [1] 中复制。
(
https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/).

癌症联合治疗方法向来被寄予厚望,在于其能够处理多个分子靶点,并减少耐药性的风险。一项相关的研究使用了临床前PET/CT成像来监测不同治疗组合的18F-FDG肿瘤摄取情况,包括单独放疗(Rad)、Rad+替莫唑胺(Tmz)、Rad+米非司酮(Mife)以及Rad+Mife+Tmz。Rad+Tmz是胶质母细胞瘤的典型治疗方案,但研究发现,与其他治疗组合相比,使用Mife作为诱导剂更能抑制肿瘤生长1(图1)。虽然尚不能完全确定Mife的这种化疗辐射敏感效应的机制,但这类研究有助于研究人员朝着改善现有癌症疗法迈出重要的一步。

各临床前实验室越来越意识到PET/MR对肿瘤研究的好处。得益于MRI对软组织成像的独特能力,用户可以看到真正的肿瘤边缘,并评估单个肿瘤内的示踪剂分布,以生成所需的感兴趣体积(VOI),进而更准确地计算SUV。肿瘤边缘检测是对临床前癌症PET研究的一个独特而重要的增强。

心脏病学
临床前研究人员使用多模态PET成像来更深入地了解心血管代谢、炎症和灌注。高空间和时间分辨率心脏成像对于分辨小动物心脏疾病特征(包括斑块和缺血性病变)至关重要。心脏临床前成像的主要评估参数是心肌代谢活力和灌注,但炎症、神经支配、凋亡和新生血管等其它参数也可通过PET来实现2。

MRI、PET和microCT成像在心脏病的研究、诊断和治疗中已较为成熟。心肌PET被用于区分心脏疾病阶段与正常生理阶段,对评估治疗策略以及确定冠状动脉疾病(CAD)的成像生物标记物非常重要。分辨率是心脏成像的一个重要因素,因为血液浓度通常是从左心室获取的。分辨率越高,部分容积效应就越低,因此,心肌污染到成像所得的血液浓度的机会就越低。无论动物在视野(FOV)中的位置如何,均能保持高分辨率的PET扫描仪,如布鲁克的PET系统,为多动物成像提供了可能,使研究人员能够在最短的时间内获得低或超低的示踪剂活性、高诊断精度的结果。

先进的临床前PET扫描仪的分辨率达到了亚毫米水平,可精确检测出微小病变,并更好地描述右心肌生理学特征。这些扫描仪还能在以前只能在大鼠身上进行的模型中对小鼠等小型动物进行成像,从而增加了对转基因啮齿动物品系的宝贵使用。最先进的PET/CT扫描仪所包含的CT功能为PET成像提供了补充信息,如小鼠模型中钙化面积及血管和心脏结构的精细形状。尽管PET/CT被视为心脏成像的“黄金标准”,但PET/MR在这一临床前研究领域的地位越来越高。MRI信息可用于回顾性心脏/呼吸门控(IntraGate,Bruker BioSpin),无需使用心电图(ECG)电极。PET/MR指纹图谱则可提供同一受测对象组织代谢状态、结构完整性、灌注、整体/局部功能和分子通路等相关信息。

PET/MR在斑块成像和炎症分子表征方面的出色表现,使之有助于表征与上述因素相关的疾病状态。PET/MR还适用于针对炎症性疾病所开发新药的体内监测。PET成像是少数能够描述心脏自主神经失调的技术之一,其程度已被证明可识别那些有心血管事件风险的人3。

技术发展
为了提供一流的成像结果,PET系统必须满足一系列性能标准。探测器中阻止伽马射线的材料(闪烁体)以及探测器设计都会影响图像分辨率和灵敏度。闪烁体晶体的大小则会影响PET分辨率,致密、厚实的晶体通常是PET探测器的首选材料,因为它们能够阻挡尽可能多的伽马射线。
高分辨率成像还要求对环形直径和相互作用深度(DOI)校正进行优化。PET的灵敏度也有赖于近年来迅速发展的晶体技术。与传统使用的像素晶体相比,连续晶体可以更好地测量光线分布,并大幅提高分辨率和灵敏度。

新的光探测技术与新型先进PET系统中的连续晶体闪烁体相结合,具备了无与伦比的成像能力。在这一系统中,连续晶体与硅光电倍增管(SiPM)光电传感器耦合,以准确测定探测器晶体内伽马光子相互作用的所有三个空间坐标,从而产生亚毫米级的空间分辨率,毋须考虑正电子。这就是全视场精度(FFA),它带来了不受可变样本定位影响的、更具重现性的数据,以及更可靠的大样本或全FOV内多个动物的成像,提高了临床前成像的准确性和通量。SiPM技术也因其与磁共振采用的强磁场的兼容性而变得越来越受欢迎。

未来方向
作为一种高灵敏度的非侵入性技术,PET可以帮助人们更好地了解疾病的根源,改进检测和治疗方法。临床前PET研究促进了成像生物标记物的发展,其目标是将这些标记物转化为临床应用,以识别有风险或处于疾病早期的患者。多模态系统使研究人员可以简单地将PET成像与CT、SPECT和MRI技术的优点相结合,从而获得最理想的成像结果。

 如需进一步了解布鲁克临床前成像解决方案,请访问https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/preclinical-imaging/nmi.html

参考文献
1.Llaguno-Munive M, Medina LA, Jurado R, Romero-Piña M andGarcia-Lopez P (2013) Mifepristone improves chemo-radiation response in glioblastoma xenografts, Cancer Cell International, 13:29, https://doi.org/10.1186/1475-2867-13-29

2.Nekolla SG, Rischpler C, Paschali A and Anagnostopoulos C (2017) Cardiovascular preclinical imaging, Q J Nucl Med Mol Imaging, 61:48-59, DOI: 10.23736/S1824-4785.16.02960-5.

3.Schwaiger M, Kunze K, Rischpler C and Nekolla, SG. (2017) PET/MR: Yet another Tesla? Journal of Nuclear Cardiology, 24:1019-31.
关于作者
Sonica Van Wyk,Bruker BioSpin核分子成像市场产品经理
Sonica在临床前成像行业拥有15年的丰富经验。她的专长包括市场营销、产品管理、销售和渠道计划、众多产品发布、活动,帮助公司树立或重塑品牌,以在不断发展的生命科学领域保持领先。
Email: Susanna.Van_Wyk@bruker.com

关于布鲁克
50多年来,布鲁克已帮助科研人员取得可提高人类生活品质的突破性发现,并开发出诸多新的应用。布鲁克的高性能科研仪器和宝贵的分析解决方案,使科研人员得以在分子、细胞和微观水平上开展对生命和材料的探索。
通过与客户的密切合作,布鲁克致力于帮助实现创新、生产力提升以及客户成功,领域涉及生命科学分子研究、制药应用、显微镜、纳米级分析、工业应用,以及细胞生物学、临床前成像、临床研究、微生物学和分子诊断。更多信息,请访问:http://www.bruker.com

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