68Ga标记单粒子PET体内成像与实时追踪技术
2026-06-04 来源:曼斯普医学 点击次数:60
摘要
正电子发射粒子追踪（PEPT）技术可实现单个放射性标记颗粒的高时空分辨率三维定位与轨迹追踪。然而，将PEPT技术转化至生物医学成像领域一直受限于缺乏可对生物相容性颗粒进行高比活度放射性标记的方法，以及在亚微米粒径范围内分离单个颗粒的技术。本研究报道了两项关键突破：成功合成直径为950 nm的均匀二氧化硅颗粒，实现了前所未有的高比活度放射性标记（2.1±1.4 kBq/颗粒），并开发了单颗粒分离与操控方法。研究团队将上述技术相结合，在临床前PET/CT扫描仪上完成了体内单放射性标记亚微米颗粒的PEPT成像和动态PET成像。该工作为在体定量评估血流动力学、研究细胞运动与迁移等生物医学应用开辟了新途径。
图1（原文Fig.1）：论文封面概要
方法
研究采用改良Stöber法合成亚微米级二氧化硅颗粒（smSiP，粒径0.95±0.05 μm），通过扫描电子显微镜（SEM）表征颗粒形貌与尺寸，利用能量色散X射线光谱（EDS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进行组分分析。68Ga放射性标记前，先通过阳离子交换法将洗脱液浓缩至50 μl（回收率86.2±8.5%），最终体积经EDTA多步纯化去除未反应及胶体68Ga。采用流式细胞术结合CountBright计数珠精确测定颗粒浓度（208±8 颗粒/μl），并通过分步分离策略从500颗粒体系中分离出单个放射性标记颗粒（放射性化学纯度>99%，标记产率1.9±1.3%）。体内成像选用BALB/c小鼠，经尾静脉注射后使用美迪索nanoPET/CT scanner进行动态PET/CT扫描。
分子影像设备应用
本研究采用68Ga作为PET示踪核素，其正电子能量适中、半衰期适宜（68 min），非常适合短时动态成像研究。美迪索nanoPET/CT scanner具备高灵敏度探测能力，可检测低至1-2 kBq的放射性信号。成像过程中使用Tera-Tomo 3D重建算法（400-600 keV能量窗，1:5符合模式，20次迭代），重建体素尺寸为0.4×0.4×0.4 mm³。 Birmingham大学的PEPT算法被应用于列表模式数据处理，通过迭代计算确定颗粒的最大密度点（MDP）位置，实现实时追踪。
分子影像设备实验结果
体外PET成像显示，即使是2.1 kBq的单个68Ga-smSiP颗粒，在2小时内成像中仍表现出足够的灵敏度。静脉注射后5分钟，动态PET重建图像清晰显示肺部单一放射性热点，颗粒在5-10分钟后向肺右下叶轻微移动并保持静止。γ计数定量分析表明，肺部放射性摄取几乎占注射活度的97±3%，生物分布结果进一步证实放射性仅存在于肺部。体外放射性自显影显示，放射性信号集中于单个肺组织切片，建立了单颗粒存在的明确证据。
图2（原文Fig.3a-c）：PET/CT动态成像显示单粒子在肺部从注射初期位置向肺右下叶迁移的动态过程。
利用PET采集的列表模式数据，研究团队成功实现了单颗粒的实时PEPT追踪。结果显示，颗粒经尾静脉注射后30秒内即可见其从下腹部经心脏快速转移至肺部的轨迹，估算速度约为48 mm/s，与血液流速一致。随后颗粒在3-8分钟内继续移动至肺右下区域并保持稳定。颗粒在肺内的前后向运动幅度约±2 mm，与小鼠呼吸节律相符。
图3（原文Fig.4）：PEPT实时追踪显示单粒子从尾静脉注射后经下腹部、心脏至肺部的完整轨迹及各时间点位置。
研究结论
本研究首次实现了生物医学领域的单颗粒PEPT成像。通过优化68Ga-二氧化硅材料组合，成功制备了比活度达2.1±1.4 kBq/颗粒的单颗粒示踪剂，结合分步分离技术和临床前PET/CT系统，可在体实时追踪单个放射性标记颗粒的运动轨迹。该技术为在体定量研究血流动力学、细胞边集效应及药物递送等生物医学应用提供了全新工具，尤其是结合全身PET扫描仪后，有望在临床转化方面实现实时、定量评估人体血流动力学的突破。
原文出处DOI：10.1038/s41565-023-01589-8
正电子发射粒子追踪（PEPT）技术可实现单个放射性标记颗粒的高时空分辨率三维定位与轨迹追踪。然而，将PEPT技术转化至生物医学成像领域一直受限于缺乏可对生物相容性颗粒进行高比活度放射性标记的方法，以及在亚微米粒径范围内分离单个颗粒的技术。本研究报道了两项关键突破：成功合成直径为950 nm的均匀二氧化硅颗粒，实现了前所未有的高比活度放射性标记（2.1±1.4 kBq/颗粒），并开发了单颗粒分离与操控方法。研究团队将上述技术相结合，在临床前PET/CT扫描仪上完成了体内单放射性标记亚微米颗粒的PEPT成像和动态PET成像。该工作为在体定量评估血流动力学、研究细胞运动与迁移等生物医学应用开辟了新途径。
图1（原文Fig.1）：论文封面概要
方法
研究采用改良Stöber法合成亚微米级二氧化硅颗粒（smSiP，粒径0.95±0.05 μm），通过扫描电子显微镜（SEM）表征颗粒形貌与尺寸，利用能量色散X射线光谱（EDS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进行组分分析。68Ga放射性标记前，先通过阳离子交换法将洗脱液浓缩至50 μl（回收率86.2±8.5%），最终体积经EDTA多步纯化去除未反应及胶体68Ga。采用流式细胞术结合CountBright计数珠精确测定颗粒浓度（208±8 颗粒/μl），并通过分步分离策略从500颗粒体系中分离出单个放射性标记颗粒（放射性化学纯度>99%，标记产率1.9±1.3%）。体内成像选用BALB/c小鼠，经尾静脉注射后使用美迪索nanoPET/CT scanner进行动态PET/CT扫描。
分子影像设备应用
本研究采用68Ga作为PET示踪核素，其正电子能量适中、半衰期适宜（68 min），非常适合短时动态成像研究。美迪索nanoPET/CT scanner具备高灵敏度探测能力，可检测低至1-2 kBq的放射性信号。成像过程中使用Tera-Tomo 3D重建算法（400-600 keV能量窗，1:5符合模式，20次迭代），重建体素尺寸为0.4×0.4×0.4 mm³。 Birmingham大学的PEPT算法被应用于列表模式数据处理，通过迭代计算确定颗粒的最大密度点（MDP）位置，实现实时追踪。
分子影像设备实验结果
体外PET成像显示，即使是2.1 kBq的单个68Ga-smSiP颗粒，在2小时内成像中仍表现出足够的灵敏度。静脉注射后5分钟，动态PET重建图像清晰显示肺部单一放射性热点，颗粒在5-10分钟后向肺右下叶轻微移动并保持静止。γ计数定量分析表明，肺部放射性摄取几乎占注射活度的97±3%，生物分布结果进一步证实放射性仅存在于肺部。体外放射性自显影显示，放射性信号集中于单个肺组织切片，建立了单颗粒存在的明确证据。
图2（原文Fig.3a-c）：PET/CT动态成像显示单粒子在肺部从注射初期位置向肺右下叶迁移的动态过程。
利用PET采集的列表模式数据，研究团队成功实现了单颗粒的实时PEPT追踪。结果显示，颗粒经尾静脉注射后30秒内即可见其从下腹部经心脏快速转移至肺部的轨迹，估算速度约为48 mm/s，与血液流速一致。随后颗粒在3-8分钟内继续移动至肺右下区域并保持稳定。颗粒在肺内的前后向运动幅度约±2 mm，与小鼠呼吸节律相符。
图3（原文Fig.4）：PEPT实时追踪显示单粒子从尾静脉注射后经下腹部、心脏至肺部的完整轨迹及各时间点位置。
研究结论
本研究首次实现了生物医学领域的单颗粒PEPT成像。通过优化68Ga-二氧化硅材料组合，成功制备了比活度达2.1±1.4 kBq/颗粒的单颗粒示踪剂，结合分步分离技术和临床前PET/CT系统，可在体实时追踪单个放射性标记颗粒的运动轨迹。该技术为在体定量研究血流动力学、细胞边集效应及药物递送等生物医学应用提供了全新工具，尤其是结合全身PET扫描仪后，有望在临床转化方面实现实时、定量评估人体血流动力学的突破。
原文出处DOI：10.1038/s41565-023-01589-8
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