實現體內實時正電子發射粒子追蹤與單粒子PET成像！
正電子發射粒子追蹤（PEPT）技術能夠實現單正電子發射放射性標記顆粒的三維定位和追蹤，具有高時空解析度。由於缺乏將生物相容性顆粒與足夠特異性活性進行放射性標記的方法，以及在亞微米尺寸範圍內隔離單個顆粒的協議，PEPT技術在生物醫學成像領域的應用受到了限制，該尺寸範圍低於毛細血管栓塞的閾值。在這裡，倫敦國王學院Rafael T. M. de Rosales報告了兩項關鍵進展：合成並用68Ga放射性標記了直徑為950nm的均勻二氧化矽顆粒，這些顆粒具有前所未有的特異性活性（每顆粒2.1 ± 1.4 kBq），以及隔離和操作單個顆粒。將這些進展結合起來，使用臨床前正電子發射斷層掃描/計算機斷層掃描器對單個放射性標記的亞微米尺寸顆粒進行了體內PEPT和動態正電子發射斷層掃描（PET）成像。這項工作為使用極少量注射放射性劑量和材料，在全身水平上實時定量評估血液動力學打開了可能性。該研究以題為“In vivo real-time positron emission particle tracking (PEPT) and single particle PET”的論文發表在《Nature Nanotechnology》上。
【smSiP的合成和放射性標記】
圖1顯示了亞微米級矽顆粒（smSiP）的物理化學特徵和放射性化學性質，包括在兩個不同放大倍數下的SEM影象，這些影象揭示了顆粒的均勻性和尺寸；68Ga-smSiP在不同顆粒濃度下的放射性標記產率表明，在典型顆粒濃度0.125-1 mg ml−1時，RLY為90-100%，而在更低的顆粒濃度（2 µg ml−1）時，RLY為75.0 ± 9.2%，並且放射性化學純度在淨化顆粒後為98.2 ± 1.6%；每顆粒的放射性隨著顆粒濃度的降低而增加；在37°C的人血清中孵育1、2和3小時後，smSiP的放射性化學穩定性保持在98.5 ± 1.0%。這些結果表明smSiP具有高度均勻的物理化學特性和優良的放射性化學性質，為後續的放射性標記和生物醫學應用奠定了基礎。
圖1|物理化學表徵和放射化學性質
【顆粒定量和放射性標記最佳化】
接下來，透過流式細胞術精確控制顆粒數量並隔離單個放射性標記顆粒的過程。首先，透過流式細胞術對含有500、1000和2000顆粒的smSiP樣品進行分選，使用計數珠與smSiP樣品結合，以提供懸浮顆粒數量的精確量化。結果顯示，隨著分選顆粒數量的增加，實驗顆粒數的偏差增大。此外，使用細胞分選器隔離特定數量的smSiP可能導致實際顆粒數的較大不確定性，可能不是精確控制顆粒數量的最佳方法。這些結果幫助優化了放射性標記過程，旨在為500顆粒提供潛在的放射性範圍在100-1000 Bq之間，並透過放射薄層色譜成功去除了所有未反應和膠體68Ga，提供了高純度的放射性標記顆粒。隨後，開發了一種分級協議來從放射性標記混合物中隔離單個顆粒，透過測量不同分數的放射性活性來識別單個顆粒。最終，所有放射性活性都集中在粒子分數中，確認了樣品的純度。透過這一過程，計算出單個顆粒的特異性活性為2.1 ± 1.4 kBq每顆粒。這些結果表明，透過流式細胞術和分級協議，可以有效地量化和隔離單個放射性標記顆粒，為後續的體內PET成像和動態粒子追蹤提供了可能。
圖2|500 smSiP的定量和放射性標記
【體外和體內PET成像】
圖3展示了在體內和體外成像實驗中，使用68Ga標記的smSiP的放射性攝取和分佈情況。體外PET/CT成像顯示，即使在低放射性劑量（0.4-2.9 kBq）下，也能獲得高質量的影象，這些劑量遠低於傳統PET示蹤劑所需的劑量，且在注射後0-5分鐘內就能觀察到。在體內實驗中，BALB/c小鼠注射單個1.5 kBq的68Ga-smSiP後，動態PET重建顯示在注射後僅5分鐘內肺部就出現了一個單一的熱點，表明顆粒迅速被肺部攝取。顆粒在肺部的運動軌跡與小鼠的呼吸模式相一致，且在注射後的3分鐘內移動到肺部的下右部分，並在此區域保持靜止。這些結果表明，smSiP在肺部的快速攝取可能是由於其未塗層的矽顆粒性質，這可能促進了血液中蛋白質冠的形成，增加了顆粒的大小並限制了其透過肺毛細血管的流動。此外，透過流式細胞術精確控制顆粒數量並隔離單個放射性標記顆粒的過程，以及後續的體內PET成像和動態粒子追蹤，證實了smSiP在肺部的快速攝取和靜態分佈，為進一步的生物醫學應用提供了有力的證據。
圖3|體外和體內成像
【實時粒子跟蹤（PEPT）】
圖4透過正電子發射粒子追蹤（PEPT）技術，展示了在BALB/c小鼠體內注射單個68Ga標記的smSiP後，顆粒在體內的實時運動軌跡。結果表明，PEPT技術能夠精確追蹤顆粒在體內的運動，提供了關於顆粒速度的重要資訊，這些資訊直接與血流和壓力差相關，或者與呼吸運動有關。此外，這些初步結果為在臨床前成像中實施實時追蹤提供了概念驗證，對於評估如肺毛細血管等受限區域的血流、心血管疾病、以及由腫瘤生長引發的新血管和分流等難以透過傳統方法定量研究的疾病，顯示出了巨大的潛力。
圖4|PET與PEPT的比較
【楔子5 千米賽-塗層亞微米尺寸的二氧化矽顆粒】
圖5展示了68Ga標記的smSiP在體外和體內的物理化學、放射性化學性質以及成像結果。結果表明，儘管smSiP-PEG5k顆粒被PEG5k-silane修飾，但它們仍然能夠快速被肺部攝取，並且在肺部保持靜態分佈。這可能與顆粒的大小/剛度或作為單個顆粒的高度易感性有關，這使得它們容易被肺部的吞噬細胞吞噬。這些發現為進一步研究更小、更靈活的顆粒以及探索暫時抑制肺部中性粒細胞吞噬反應的策略提供了基礎。
圖5|理化、放射化學性質和體內成像68Ga-smSiP–PEG5k
【PEG5k-塗層亞微米尺寸的二氧化矽顆粒】
圖6顯示了使用68Ga-smSiP-PEG5k在小鼠體內的PEPT重建結果。這些影象透過使用從PET採集生成的列表模式資料，展示了在小鼠體內注射單個2.9 kBq 68Ga-smSiP-PEG5k後，顆粒在全身和放大的冠狀面最大強度投影（MIP）中的實時軌跡。這些結果與PET影象觀察到的一致，提供了信心，表明在臨床前掃描器上實施實時追蹤是成功的。PEPT技術能夠提供傳統PET無法獲得的資訊，例如顆粒速度，這直接與血流和壓力差相關，或者是呼吸運動。這些初步結果對於在臨床前成像中實施實時追蹤的概念驗證是令人鼓舞的，對於評估如肺毛細血管等受限區域的血流、心血管疾病以及由腫瘤生長引發的新血管和分流等難以透過傳統方法定量研究的疾病，顯示出了巨大的潛力。
圖6|PEPT重建68Ga-smSiP–PEG5k
【小結】
該研究開發了一種用於體核心成像和實時粒子追蹤的單放射性標記顆粒。從合成高度均勻的亞微米尺寸顆粒，到針對最少顆粒數最佳化的放射性標記方法，再到單個顆粒的隔離，這些顯著的挑戰已被成功解決。重要的是，報道的協議提供了一個單一的、高度純淨的放射性標記顆粒，具有卓越的特異性活性和定量放射性計數統計。PET成像研究表明，在給予單個顆粒後，即使在低放射性劑量（0.4-2.9 kBq）下，也能顯示出高質量的影象，這些劑量大約是傳統PET示蹤劑所需劑量的三個數量級低，且在短時間視窗（0-5分鐘）內。此外，實施重建協議以及將伯明翰PEPT演算法最佳化到我們的臨床前資料中，使我們能夠追蹤顆粒在小鼠體內的移動。值得注意的是，顆粒的追蹤提供了重要的有價值資訊，如顆粒速度，直接與血流和壓力差相關，或者是呼吸運動。作為實時追蹤在臨床前成像中實施的概念驗證，這些初步結果無疑為評估受限區域（如肺毛細血管）的血流、心血管疾病、以及由腫瘤生長引發的新血管和分流等傳統方法難以定量研究的疾病提供了希望。在診斷上，PEPT透過追蹤血管內顆粒的軌跡和速度，有潛力為與血流相關的不同狀況（如狹窄、血栓形成、動脈粥樣硬化和血管生成等）提供新的見解。此外，PEPT在評估器官運動，尤其是在腫瘤內，以及實現腫瘤追蹤與PET引導的放射治療或放射引導手術等互補方法相結合方面，具有巨大潛力。重要的是，由於它只需要一個放射性標記的奈米級顆粒，所需的材料和放射性量極小，毒性問題可以忽略不計，預示著將單個顆粒示蹤劑轉化為臨床評估具有很高的潛力。考慮到全身臨床PET掃描器的出現，體內PEPT尤其及時。隨著靈敏度的提高和在患者全身視野內追蹤顆粒的可能性，PEPT與全身PET的結合無疑是一個令人興奮的機會，可以在全身水平上實時定量研究血流複雜性和細胞邊緣化。
https://www.nature.com/articles/s41565-023-01589-8
來源：BioMed科技
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