用[68Ga]Ga-BP进行骨髓炎（Osteomyelitis）的PET成像研究

《Chemical & Biomedical Imaging》：PET Imaging of Osteomyelitis with [68Ga]Ga-BP

　　

目前亟需一种低成本、易于推广的非侵入性影像学手段，以区分细菌感染与无菌性炎症，从而准确诊断细菌性感染。本研究开发并评估了一种细菌特异性正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography, PET）探针——[68Ga]Ga-BP（镓-68标记的双磷酸盐配合物），并在由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus, MRSA）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）及肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）诱导的大鼠异物相关性胫骨骨髓炎模型中进行了验证，同时与无菌性炎症组及未植入未感染对照组进行直接比较。此外，还对[68Ga]Ga-BP成像MRSA感染胫骨的结果与临床常用示踪剂[68Ga]Ga-柠檬酸盐（[68Ga]Ga-citrate）及[18F]氟代脱氧葡萄糖（[18F]Fluorodeoxyglucose, [18F]FDG）进行了对比。所有动物术前经铁剥夺处理，于注射放射性示踪剂后15–120分钟行动态PET/CT成像，随后进行离体（ex vivo）生物分布分析。[68Ga]Ga-BP成功检出胫骨感染，PET成像显示三种细菌感染胫骨的本侧对侧摄取比（Infected/Contralateral Tibiae）均大于6倍。在识别MRSA感染方面，[68Ga]Ga-BP优于[68Ga]Ga-citrate和[18F]FDG。[68Ga]Ga-BP是一种前景良好的非侵入性PET成像剂，可用于直接检测细菌及监测抗菌治疗效果。

论文解读：[⁶⁸Ga]Ga-BP靶向活菌的骨髓炎PET成像研究

骨髓炎（Osteomyelitis）是临床常见的骨骼感染性疾病，可由血行播散、创伤/术后直接接种或邻近软组织感染蔓延引起，常见致病菌为革兰阳性菌如金黄色葡萄球菌（含MRSA）及部分革兰阴性菌。传统解剖影像学手段（X线、CT、MRI）仅能显示皮质破坏、骨膜反应、死骨形成及软组织受累等结构改变，无法区分活动性细菌感染与治疗后修复改变、无菌性炎症或夏科关节病，易导致延误诊治或误治。[¹⁸F]FDG PET灵敏度高但同样无法可靠鉴别细菌感染与无菌性炎症；已有的感染特异性放射性示踪剂多存在合成复杂、成本高或靶向局限等问题。因此，临床上迫切需要一种低成本、操作简便、能直接靶向活菌的非侵入性分子影像探针。本研究由研究人员设计并合成了基于⁶⁸Ga（半衰期68分钟，可从⁶⁸Ge/⁶⁸Ga发生器获得）的新型细菌特异性PET探针[⁶⁸Ga]Ga-BP，旨在验证其在异物相关性骨髓炎大鼠模型中检测活菌感染并区别于无菌性炎症的能力，并与[¹⁸F]FDG及[⁶⁸Ga]Ga-citrate进行头对头比较。该论文发表于《Chemical & Biomedical Imaging》。

主要关键技术方法

研究人员采用Wistar大鼠建立三类动物模型：(1) 未植入未感染正常对照；(2) 植入Kirschner钢丝（K-wire）但未接种细菌的无菌性炎症（Sterile Inflammation）对照；(3) 植入K-wire并分别接种MRSA、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae, K. pneumoniae）或铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, P. aeruginosa）的异物相关性骨髓炎模型。术前进行铁剥夺（Iron Depletion）处理以增强探针在感染灶的摄取对比度。主要技术包括：[⁶⁸Ga]Ga-BP、[⁶⁸Ga]Ga-citrate及[¹⁸F]FDG的放射化学合成与质控（rad-TLC测定放射化学纯度＞98%）；体外活菌与热灭活（Heat-Killed）菌对[⁶⁸Ga]Ga-BP摄取实验；术后第14天行感染侧/对侧胫骨动态PET/CT成像（15、30、60、120 min）并计算平均标准化摄取值（Standardized Uptake Value mean, SUV_mean）及本侧对侧比值；成像结束后处死动物行离体（ex vivo）生物分布测定及菌落形成单位（Colony Forming Unit, CFU）定量细菌负荷分析；采用双尾非配对学生t检验进行统计学分析（p＜0.05为有统计学意义）。

研究结果

Design and Radiosynthesis of [⁶⁸Ga]Ga-BP（[⁶⁸Ga]Ga-BP的设计与放射合成）

研究人员将[⁶⁸Ga]GaCl₃（pH 1.0）与30×磷酸盐缓冲液（Phosphate Buffered Saline, PBS）室温孵育10分钟合成[⁶⁸Ga]Ga-BP，经rad-TLC（2.5 mM EDTA, pH 5.3–5.5）证实放射化学转化率＞98%，放射化学纯度＞98%，摩尔活度0.53 ± 0.33 GBq/mmol。非放射性类似物Ga-BP经³¹P NMR及红外光谱表征，证实Ga³⁺与两个磷酸根基团配位形成稳定复合物，支持[⁶⁸Ga]Ga-BP为Ga³⁺夹于磷酸盐间的无机配合物，模拟天然Fe³⁺被细菌铁转运系统识别。

In Vitro Bacterial Uptake（体外细菌摄取实验）

研究人员用活菌与热灭活菌（60℃ 60分钟）孵育[⁶⁸Ga]Ga-BP 30分钟。所有受试活菌（MRSA、K. pneumoniae、P. aeruginosa、鲍曼不动杆菌 Acinetobacter baumannii、粘质沙雷菌 Serratia marcescens）均显示显著高于各自热灭活对照的摄取（p＜0.05），其中P. aeruginosa摄取最高，MRSA最低，热灭活菌几无摄取。结果表明[⁶⁸Ga]Ga-BP的摄取依赖细菌活性（Viability），且对革兰阳性及革兰阴性菌均具亲和力。

In Vivo Model（体内模型建立）

研究人员于Wistar大鼠左侧胫骨髓腔植入K-wire并接种细菌（或仅注入花生四烯酸建立无菌性炎症），术后14天感染组肉眼可见感染体征，无菌性炎症组无感染表现；感染胫骨细菌负荷约6–7 log₁₀CFU/g骨组织，K-wire约5 log₁₀CFU/K-wire，肺、肝、肾及尿液未见细菌，证实局部局限性骨髓炎模型构建成功。

PET/CT Imaging and Ex Vivo Biodistribution（PET/CT成像与离体生物分布）

注射[⁶⁸Ga]Ga-BP后15分钟即见感染胫骨高摄取并随时间递增至120分钟。MRSA、K. pneumoniae、P. aeruginosa感染胫骨120分钟时SUV_mean分别为3.48 ± 0.25、1.89 ± 0.46、1.90 ± 0.30；感染/对侧胫骨SUV_mean比值分别为12.29 ± 7.84、6.62 ± 2.43、7.16 ± 2.92（均＞6倍）。无菌性炎症胫骨SUV_mean略高于未手术对侧但与感染组相比差异显著（MRSA组 p＜0.05），表明[⁶⁸Ga]Ga-BP能有效区分细菌感染与无菌性炎症。离体生物分布显示感染胫骨SUV_mean高于无菌性炎症及正常胫骨，感染组手术/对侧胫骨比值（1.90 ± 0.31）显著高于无菌性炎症组（0.94 ± 0.32，p＜0.05）。与[¹⁸F]FDG及[⁶⁸Ga]Ga-citrate比较：MRSA感染胫骨中[⁶⁸Ga]Ga-BP的SUV_mean及感染/对侧比值均高于[¹⁸F]FDG（各时间点 p＜0.05），60及120分钟时亦高于[⁶⁸Ga]Ga-citrate（p＜0.05）；[⁶⁸Ga]Ga-BP与[⁶⁸Ga]Ga-citrate在感染/对侧比值上无统计学差异，但二者均优于[¹⁸F]FDG；三组示踪剂在无菌性炎症组各参数无显著差异。说明[⁶⁸Ga]Ga-BP对MRSA骨髓炎的检出能力优于现有临床示踪剂。

讨论与结论总结

研究人员指出，[⁶⁸Ga]Ga-BP设计原理基于细菌对铁（Fe）的需求——Ga³⁺与Fe³⁺离子半径及电荷相同，可作为Fe替代物被细菌铁载体（Siderophore）摄取系统及宿主铁结合蛋白（铁蛋白Ferritin、转铁蛋白Transferrin、乳铁蛋白Lactoferrin）募集至感染部位，但Ga与转铁蛋白结合力较Fe低约300倍，故宿主转铁蛋白受体介导摄取贡献较小，主要积累机制为活菌直接摄取。体外活菌/死菌差异及体内感染/无菌炎症差异支持其细菌活性依赖性。与既往报道的[¹⁸F]FDG、[⁶⁸Ga]GaCl₃、[⁶⁸Ga]Ga-citrate及其他细菌感染探针（[¹¹C]PABA、[¹⁸F]FPABA、[¹⁸F]Fluoromannitol等）相比，[⁶⁸Ga]Ga-BP显示出更高的感染/炎症对比度及更简便的放射合成流程（总合成+质控约30–35分钟，可用发生器产⁶⁸Ga，适配自动化合成仪或药盒）。在免疫低下伴慢性炎症铁螯合状态下可能表现更佳，铁过载则可能竞争性抑制。需进一步临床转化验证。

结论（Conclusions）翻译：

研究人员成功开发并评价了一种细菌特异性新型PET探针[⁶⁸Ga]Ga-BP，能够在骨髓炎模型中选择性检测活菌感染。该探针在包括革兰阳性和革兰阴性菌种在内的多种菌株中均表现出稳健性能。在所有测试的骨髓炎模型中，[⁶⁸Ga]Ga-BP在感染胫骨中的摄取较对侧胫骨高出6倍以上。此外，在直接对比中，[⁶⁸Ga]Ga-BP在检测胫骨MRSA感染方面优于[¹⁸F]FDG和[⁶⁸Ga]Ga-citrate，凸显其对细菌感染的优越特异性。这些发现支持进一步开展[⁶⁸Ga]Ga-BP作为骨髓炎靶向成像剂的临床验证。