多模态PET驱动跨学科临床前期成像
多模态PET驱动跨学科临床前期成像
作者：Sonica van Wyk，Bruker Biospin核分子成像市场产品经理
断层成像是一种广泛应用于各种领域的成像技术，包括放射学、核医学，以及地球物理和材料科学。它根据一个物体的截面或投影提供三维信息，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扫描提供关于该物体的解剖结构信息，而PET提供功能成像，可显示生物分子在体内活动的空间分布。20世纪50年代，PET作为一种临床诊断和临床前期用途的技术被开发出来，其用途因放射性药物的开发而扩大，放射性药物是一类有放射性的药物，通常包括放射性示踪剂。
临床前期成像（PCI）在了解疾病状态背后的器官、组织、细胞分子水平上的生物学过程中起着至关重要的作用，了解机体对生理或环境变化的反应在寻找治疗药物对抗疾病方面具有重要作用。通过向研究人员展现组织中的药物分布模式，PCI对评估新疗法的效果和安全性也是十分重要的。临床前期研究中的PET使用户能够对同一动物受试体进行重复实验，提供具备强大统计价值的数据，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来最大化利用每只动物，正变得越来越重要。
多模态断层扫描，如PET/CT，能让利用PET获得的功能成像与通过CT扫描获得的解剖成像相关联。PET还可以与其它技术相结合，如磁共振成像（MRI），将功能成像与软组织形态成像结合起来。由于能提供优越的软组织对比度、无CT电离辐射风险的成像以及多参数数据，PET/MR在临床前期成像领域中获得了广泛的应用。
临床前期PET应用
PET、PET/CT、SPECT/CT、PET/MR和PET/SPECT/CT多模态成像技术被用于许多生命科学领域，包括肿瘤学和神经学。全身PET成像也可以使研究人员能够确定新药物在身体的所有器官和组织中的药代动力学信息。
肿瘤学
临床前期研究人员对了解肿瘤发育生物学、对癌症治疗的反应以及药物毒性很感兴趣。肿瘤有多种类型，其中一些还未能进行良好的表征，因此像PET这样的成像技术可以揭示许多不同类型肿瘤的发展机制，以及治疗对它们产生的影响。
许多癌症与高于正常细胞的代谢周转率相关，因此，使用PET和一种注射的放射性标记葡萄糖类似物示踪剂，如氟-18（18F）-氟脱氧葡萄糖（18F-FDG），可以定量葡萄糖摄取并检测肿瘤负荷。该方法也可用于检测分子生物标志物，这有助于肿瘤的检测和对治疗反应的评价。PET/CT以及最近的PET/MR被用于检测18F-FDG聚集区，获得半定量标准化摄取值（SUV），以帮助诊断肿瘤恶性。
图1：PET/CT成像显示在治疗开始时和25天后，四种治疗组合中的18F-FDG肿瘤摄取。红色箭头表示开始和第25天的肿瘤位置，绿色箭头表示棕色脂肪组织（BAT）中典型的18F-FDG摄取位置。根据知识共享许可协议从参考文献中复制[1]。
（https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/）
组合癌症疗法往往因其能检测多靶标分子以及减少耐药机会的能力而被采用。一项相关研究使用临床前期PET/CT成像来监测不同疗法组合的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是针对胶质母细胞瘤的典型治疗方案，但研究发现，使用Mife作为激活剂比其它疗法组合更能抑制肿瘤生长（图1）。目前尚未能彻底阐明Mife的这种化学放射增敏作用的机制，但这类研究有助于研究人员朝着改进现有癌症治疗方法的方向迈出重要的一步。
临床前期实验室越来越意识到PET/MR对肿瘤研究的益处。由于MRI在软组织成像方面的独特能力，用户能真实的看见肿瘤边缘，并评估单个肿瘤内的示踪剂分布，从而生成所需的感兴趣体积（VOI）并更准确地计算SUV。肿瘤边缘检测是临床前期肿瘤PET研究的一项独特而重要的进展。
神经病学
神经科学家可从PET成像技术中获益，获取有关大脑的代谢信息，例如检测可能指示异常的大脑代谢活动的变化，这些异常可能导致诸如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、中风、记忆力丧失和认知能力下降等疾病。PET成像也用于研究成瘾和精神疾病。通过将PET用于临床前期研究大脑对行为和认知的影响，研究人员可以提高他们对健康个体中神经系统过程、以及各种疾病状态的理解，并阐明其组织和连接方面的异常。
PET/MR在神经学中特别有用，因为它提供同步的软组织图像和代谢成像，使科学家能够研究临床前期动物模型中大脑的解剖结构、病理和代谢异常。研究人员可以使用PET和MRI来定位脑组织中的分子标记，并以高分辨率显示大脑的微观结构、神经连接、血管系统和活动。
神经退行性疾病，如AD、PD、多发性硬化和亨廷顿氏病是临床前期研究的重点，MRI技术提供了确定中枢神经系统组织结构和功能所需的高空间分辨率体内成像。与MRI结合使用，PET成像使科学家能够研究神经退行性疾病的病理特征，如AD模型中的淀粉样蛋白β（Aβ）和tau蛋白沉积。
与肿瘤学应用相似，葡萄糖代谢是许多神经疾病的有用生物标志物。正常的脑葡萄糖代谢受许多疾病状态的影响，可以通过18F-FDG-PET很容易地进行监测。目前，大多数AD疗法都是针对疾病的症状，而非潜在的原因。一些研究已经探索了通过针对疾病早期起因的治疗来阻止AD发展的可能性。例如，通过18F-FDG-PET测量在一项实验发现，一种新的候选治疗性合成大麻素JWH（一种选择性CB2兴奋剂）显著增加了小鼠海马和皮质区域的代谢活性。使用JWH后，小鼠的神经炎症降低，且Aβ清除率提高，从而改善了整体认知能力。
PET技术进展
PET系统必须满足多种性能标准，才能提供最高质量的成像结果。一定程度上，分辨率和灵敏度取决于探测器中阻止伽马射线的材料（闪烁体）以及探测器设计。需要一种非常致密的材料来阻止尽可能多的伽马射线。因此，可将伽马射线能转换成光的致密的厚闪烁晶体是PET探测器的首选材料。晶体的大小会影响PET的分辨率。环的直径和相互作用深度（DOI）校正也必须针对高分辨率成像进行优化。晶体技术也为PET的灵敏度提供了基础，近年来已取得了一些进展。该行业一直以像素化晶体为主，这些晶体紧密地排布在一起，但新的连续晶体的使用已显示出更好的光分布测量性能，因此，能大大提高分辨率和灵敏度。
先进的新型PET仪器结合了连续晶体闪烁体以及新的光探测技术，具备卓越的成像能力。连续晶体不使用传统的雪崩光电二极管（APD）或光电倍增管（PMT），而是与硅光电倍增管（SiPM）光电传感器耦合，以便准确确定探测器晶体内所有伽玛-光子相互作用的三个空间坐标。其结果是达到亚毫米级的空间分辨率，不考虑正电子，这一术语被称为全场精度（FFA）。FFA能产生可重复性更高的数据，不受样本位置变化的干扰，并在整个FOV上对大样本或多只动物进行更可靠的成像，以促进临床前期成像的准确性和提高通量。
未来的临床前期PET
多模态PET成像使科学家能够在跨越多个领域的临床前期研究中开辟新的天地。作为一种高敏感性的无创技术，PET有助于提高对疾病潜在原因的认识，并改进检测和治疗方法。临床前期PET研究促进了成像生物标志物的开发，以期将其转化为临床应用，以识别有风险或处于疾病早期阶段的患者。多模态系统，如Albira Si PET/SPECT/CT、PET/CT Si78和 PET/MRI Inset and Inline系统，使研究人员能够便捷地将PET成像的优点与CT、SPECT和MRI技术相结合，以获得最佳的成像效果。
有关Bruker临床前期成像解决方案的更多信息，请访问：https://www.bruker.com/products/preclinical-imaging/nuclear-molecular-imaging.html
参考文献：
1. Llaguno-Munive M、Medina LA、Jurado R、Romero-Piña M和Garcia-Lopez P（2013），米非司酮改善胶质母细胞瘤异种移植物的化疗反应，Cancer Cell International，13:29，https://doi.org/10.1186/1475-2867-13-29。
2. Martín-Moreno AM、Brera B、Spuch C、Carro E、García-García L、Delgado M、Pozo MA、Innamorato NG、Cuadrado A和de Ceballos ML（2012），长期口服大麻素可预防神经炎症，降低β-淀粉样蛋白水平，改善 Tg APP 2576 小鼠的认知能力，Journal of Neuroinflammation，9:8，doi:10.1186/1742-2094-9-8。
-
焦点事件
-
焦点事件
-
焦点事件
-
产品技术
-
企业风采
-
综述
-
产品技术
