摘要
正電子發射粒子追蹤（PEPT）技術可實現單個放射性標記顆粒的高時空分辨率三維定位與軌跡追蹤。然而，將PEPT技術轉化至生物醫學成像領域一直受限于缺乏可對生物相容性顆粒進行高比活度放射性標記的方法，以及在亞微米粒徑范圍內分離單個顆粒的技術。本研究報道了兩項關鍵突破：成功合成直徑為950 nm的均勻二氧化硅顆粒，實現了前所未有的高比活度放射性標記（2.1±1.4 kBq/顆粒），并開發了單顆粒分離與操控方法。研究團隊將上述技術相結合，在臨床前PET/CT掃描儀上完成了體內單放射性標記亞微米顆粒的PEPT成像和動態PET成像。該工作為在體定量評估血流動力學、研究細胞運動與遷移等生物醫學應用開辟了新途徑。
圖1（原文Fig.1）：論文封面概要
方法
研究采用改良Stöber法合成亞微米級二氧化硅顆粒（smSiP，粒徑0.95±0.05 μm），通過掃描電子顯微鏡（SEM）表征顆粒形貌與尺寸，利用能量色散X射線光譜（EDS）和傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）進行組分分析。68Ga放射性標記前，先通過陽離子交換法將洗脫液濃縮至50 μl（回收率86.2±8.5%），最終體積經EDTA多步純化去除未反應及膠體68Ga。采用流式細胞術結合CountBright計數珠精確測定顆粒濃度（208±8 顆粒/μl），并通過分步分離策略從500顆粒體系中分離出單個放射性標記顆粒（放射性化學純度>99%，標記產率1.9±1.3%）。體內成像選用BALB/c小鼠，經尾靜脈注射后使用美迪索nanoPET/CT scanner進行動態PET/CT掃描。
分子影像設備應用
本研究采用68Ga作為PET示蹤核素，其正電子能量適中、半衰期適宜（68 min），非常適合短時動態成像研究。美迪索nanoPET/CT scanner具備高靈敏度探測能力，可檢測低至1-2 kBq的放射性信號。成像過程中使用Tera-Tomo 3D重建算法（400-600 keV能量窗，1:5符合模式，20次迭代），重建體素尺寸為0.4×0.4×0.4 mm³。 Birmingham大學的PEPT算法被應用于列表模式數據處理，通過迭代計算確定顆粒的最大密度點（MDP）位置，實現實時追蹤。
分子影像設備實驗結果
體外PET成像顯示，即使是2.1 kBq的單個68Ga-smSiP顆粒，在2小時內成像中仍表現出足夠的靈敏度。靜脈注射后5分鐘，動態PET重建圖像清晰顯示肺部單一放射性熱點，顆粒在5-10分鐘后向肺右下葉輕微移動并保持靜止。γ計數定量分析表明，肺部放射性攝取幾乎占注射活度的97±3%，生物分布結果進一步證實放射性僅存在于肺部。體外放射性自顯影顯示，放射性信號集中于單個肺組織切片，建立了單顆粒存在的明確證據。
圖2（原文Fig.3a-c）：PET/CT動態成像顯示單粒子在肺部從注射初期位置向肺右下葉遷移的動態過程。
利用PET采集的列表模式數據，研究團隊成功實現了單顆粒的實時PEPT追蹤。結果顯示，顆粒經尾靜脈注射后30秒內即可見其從下腹部經心臟快速轉移至肺部的軌跡，估算速度約為48 mm/s，與血液流速一致。隨后顆粒在3-8分鐘內繼續移動至肺右下區域并保持穩定。顆粒在肺內的前后向運動幅度約±2 mm，與小鼠呼吸節律相符。
圖3（原文Fig.4）：PEPT實時追蹤顯示單粒子從尾靜脈注射后經下腹部、心臟至肺部的完整軌跡及各時間點位置。
研究結論
本研究首次實現了生物醫學領域的單顆粒PEPT成像。通過優化68Ga-二氧化硅材料組合，成功制備了比活度達2.1±1.4 kBq/顆粒的單顆粒示蹤劑，結合分步分離技術和臨床前PET/CT系統，可在體實時追蹤單個放射性標記顆粒的運動軌跡。該技術為在體定量研究血流動力學、細胞邊集效應及藥物遞送等生物醫學應用提供了全新工具，尤其是結合全身PET掃描儀后，有望在臨床轉化方面實現實時、定量評估人體血流動力學的突破。
原文出處DOI：10.1038/s41565-023-01589-8