国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

用活體小動物SPECT/CT影像系統(tǒng)檢測納米材料和藥物在體內(nèi)的生物效應(yīng)

2010-09-01 03:53:18馬會利王秩秋梁興杰
Biophysics Reports 2010年8期
關(guān)鍵詞:脂質(zhì)體納米材料靶向

馬會利,王秩秋,錢 鋒,梁興杰

1.國家納米科學(xué)中心納米材料生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)和納米安全中科院重點實驗室,北京100190;

2.Laboratory of Molecular Imaging,Department of Radiology,Howard University,Washington,DC 20060,USA;

3.西門子(中國)有限公司,醫(yī)療業(yè)務(wù)領(lǐng)域,分子影像產(chǎn)品部,上海 201318

用活體小動物SPECT/CT影像系統(tǒng)檢測納米材料和藥物在體內(nèi)的生物效應(yīng)

馬會利1,王秩秋2,錢 鋒3,梁興杰1

1.國家納米科學(xué)中心納米材料生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)和納米安全中科院重點實驗室,北京100190;

2.Laboratory of Molecular Imaging,Department of Radiology,Howard University,Washington,DC 20060,USA;

3.西門子(中國)有限公司,醫(yī)療業(yè)務(wù)領(lǐng)域,分子影像產(chǎn)品部,上海 201318

研究疾病在小動物模型體內(nèi)的動態(tài)生物過程促進了高分辨率影像學(xué)方法的發(fā)展。這些方法能夠闡明疾病或腫瘤在發(fā)生和發(fā)展過程中的分子相互作用,評價藥物和顯影劑的生物效應(yīng),并可動態(tài)連續(xù)監(jiān)測藥物在同一個體的治療效果。單光子發(fā)射型計算機斷層成像儀(single photon emission computed tomography,SPECT)在這些應(yīng)用中具有很多優(yōu)勢。應(yīng)用SPECT對標(biāo)記核素發(fā)射的γ-射線信號探測分析,可獲得病變組織或藥物的三維空間分布信息。SPECT聯(lián)合X-射線診斷設(shè)備CT(computed tomography)組成的SPECT/CT系統(tǒng)可輔助界定生物過程的解剖學(xué)背景,提高SPECT數(shù)據(jù)的定位準(zhǔn)確度。文章概述了小動物SPECT/CT的特點、成像原理、核素的選擇,及其在納米材料和藥物(如脂質(zhì)體、碳納米管、納米粒包括聚合物、膠束和量子點等)方面的應(yīng)用和研究進展。

SPECT/CT;小動物成像;藥物載體;納米材料

0 引 言

上世紀(jì)90年代,分子生物學(xué)在心臟疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腫瘤,以及其他病理過程研究中得到了廣泛的應(yīng)用。但是,由于動物體內(nèi)檢測模型的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于體外模型測定系統(tǒng),生物分子或化學(xué)藥物等在體外的研究不一定能真實體現(xiàn)其在活體動物體內(nèi)的作用機制,而很少有疾病可直接在患者體內(nèi)進行研究。因此,小動物模型成為分子水平的基礎(chǔ)研究與疾病臨床診斷和治療之間的重要橋梁,同時也是體外研究過渡到體內(nèi)研究的重要方法之一。多年以來,小動物模型的研究主要依賴于組織切片、顯微鏡觀察、放射自顯影等,這些研究方法不能對模型動物進行動態(tài)實時觀測,而且,多數(shù)檢測手段都需要將動物處理后才能進行,得到的實驗結(jié)果并不一定是活體動物體內(nèi)的真實結(jié)果。目前,分子影像學(xué),例如單光子發(fā)射型計算機斷層成像(single photon emission computed tomography,SPECT)和正電子發(fā)射斷層成像(positron emission tomography,PET)技術(shù),可研究疾病或腫瘤在單個活體動物中的動態(tài)生物過程,而且SPECT和PET都已經(jīng)臨床應(yīng)用于患者的體內(nèi)成像[1]。SPECT聯(lián)合X-射線診斷設(shè)備CT(computed tomography)組成的SPECT/CT系統(tǒng)可輔助界定生物過程的解剖學(xué)背景。近年來,小動物SPECT/CT成像系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)上(translational medicine)。SPECT/CT在臨床上主要用來監(jiān)測心肌灌注,以及對腫瘤、腦疾病等的診斷和治療[2]。

與其他成像系統(tǒng)相比,SPECT/CT成像的主要優(yōu)點有:1)在活體生物體內(nèi)研究并可融合定量分析、靶向性評價、高靈敏度(可達(dá)到10-10~10-11mol/L水平)、非侵入性等特點,可在接近生理或病理狀態(tài)下得到較全面的數(shù)據(jù),從而使研究結(jié)果更接近于實際情況。2)可選擇的放射性核素(radionuclide)范圍廣泛,易獲得,且標(biāo)記方法較簡單;而PET所用的同位素藥物需用加速器產(chǎn)生,合成方法復(fù)雜,干擾因素多。3)可同時對多種放射性核素成像,因此可同時研究多種分子機制或生物過程。4)成像機理為利用儀器收集探測動物體內(nèi)放射性核素衰變發(fā)射的γ-射線信號,對信號進行分析成像。γ-射線對組織的穿透能力比較強,基本不受組織深度的影響。許多疾病的病變部位都是在動物體內(nèi)被多層組織覆蓋、包裹,不易被其他檢測手段(例如超聲波或光學(xué)方法)檢測到,SPECT/CT對研究疾病在動物模型中(例如轉(zhuǎn)基因動物模型)的發(fā)病機制和治療具有較大優(yōu)勢。5)與小動物PET和核磁共振斷層掃描MRI(magnetic resonance imaging)成像系統(tǒng)相比,SPECT/CT系統(tǒng)造價低,儀器體積小,結(jié)構(gòu)緊湊;缺點是空間分辨率(一般大于1 mm)低于MRI[1,2]。

1 SPECT/CT的成像原理和顯像劑

SPECT成像是基于利用γ-攝相機檢測注入到體內(nèi)的放射性核素自身衰變產(chǎn)生的γ-射線進行分析來獲得三維圖像,其成像原理如圖1所示[3]。SPECT主要由探頭、電子學(xué)線路、計算機影像處理系統(tǒng)和顯示記錄裝置4部分組成。探頭由準(zhǔn)直器、晶體、光導(dǎo)、光電倍增管、前置放大器和計算電路等組成。電子學(xué)線路包括光電倍增管的高壓電源、線性放大器和脈沖高度分析器等。計算機影像處理系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成。硬件是計算機影像處理系統(tǒng)本身的各個部分,軟件是各種程序的總稱。硬件和軟件的組合才構(gòu)成了完整的計算機影像處理系統(tǒng)。SPECT的顯示記錄裝置種類很多,常用的方法有3種:1)用γ-相機直接拍攝示波器熒光屏上的影像,不需沖洗膠片,10~15 s即可獲得影像的正片;2)用多幅γ-相機記錄影像,這種γ-相機使用單面CT膠片,影像大而清晰,是目前使用較多的顯示記錄方法;3)激光打印或熱升華打印記錄。

該成像系統(tǒng)可定量地分析放射性核素標(biāo)記的分子、藥物、材料在心肌、腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)等疾病部位分布的動態(tài)過程。SPECT常與CT結(jié)合起來組成SPECT/CT系統(tǒng),CT主要用來提供準(zhǔn)確的解剖學(xué)定位信息[2]。在小動物成像系統(tǒng)(microSPECT)中,常用的小動物包括小鼠和大鼠。目前常用的小動物SPECT影像系統(tǒng)主要有GE公司生產(chǎn)的Explore speCZT/CT成像系統(tǒng)、西門子公司生產(chǎn)的可用于臨床前活體動物研究的InveonTM系列產(chǎn)品,以及Bioscan公司生產(chǎn)的NanoSPECT/CT?影像系統(tǒng)等。

圖1 SPECT工作原理圖[3]在一個傳統(tǒng)的閃爍相機中,光子從閃爍晶體出來后,經(jīng)一系列的光電倍增管采集后,產(chǎn)生一個能量信號(即一對x,y軸坐標(biāo)定位信號)。如果信號事件落在脈沖高度分析儀的能量窗內(nèi),這個圖像信號矩陣元就可添加到相關(guān)的x,y軸坐標(biāo)中Fig.1 Schematic diagram of SPECT[3]In a conventional scintillation camera,light from the scintillation is sampled by an array of photomultipler tubes,which generate an energy signal as well as an x,y-coordinate pair.If the event falls within the pulse-height analyzer energy window,an image matrix element is incremented at the associated x,y-location

利用SPECT進行成像時,需要對藥物或材料進行放射性核素標(biāo)記。常用的核素包括锝(99mTc,Technetium,T1/2:6.0 h,140.5 keV)、碘(123I,Iodine-123,T1/2:13.2 h,159 keV;131I,Iodine-131,T1/2:8.0 d,364 keV)、銦(111In,Indium-111,T1/2:2.8 d,171.3/245 keV)、鎵(67Ga,Gallium-67,T1/2:78.3 h,93.3/184.6/300.2 keV)、錸(Rhenium)??赏瑫r發(fā)射 β-射線用于放射性治療及 γ-射線用于成像的有186Re(Rhenium-186,T1/2:90.6 h,γ:137 keV,β:1.07 Mev)和188Re(Rhenium-188,T1/2:16.9 h,β:2.12 Mev)。這些核素可使用交聯(lián)劑通過配位鍵與藥物或材料連接,其中99mTc是成像研究中最常用的放射性核素。以上放射性核素均可保證有效的成像和安全的生物照射劑量[4]。

PET/CT是將在蛋白質(zhì)、DNA、RNA水平進行分子影像研究的PET,和反映人體組織、臟器高分辨率解剖結(jié)構(gòu)的CT兩者有機融合在一起的功能分子影像設(shè)備,主要由加速器生產(chǎn)正電子放射性核素、正電子放射性藥物快速合成、PET顯像及計算機重建技術(shù)3部分組成。SPECT/CT與PET/CT在成像原理和應(yīng)用上的區(qū)別是:1)PET使用正電子發(fā)射類標(biāo)記藥物,核素有回旋加速器生產(chǎn)的18F、11C、15O、13N等。SPECT使用單光子發(fā)射類藥物,核素有發(fā)生器或反應(yīng)堆,以及回旋加速器生產(chǎn)的99mTc、131I、67Ga等。2)PET使用符合探測方式,全環(huán)或半環(huán)旋轉(zhuǎn)晶體探測成對511 keV光子;SPECT使用準(zhǔn)直器定位探測,可探測各種不同能量的單光子。3)PET和SPECT主要應(yīng)用于腫瘤、心臟和神經(jīng)學(xué),而SPECT還具有其他功能,例如腎、膽、甲狀腺、胃、骨頭病、內(nèi)出血等的顯像。目前PET在全身腫瘤檢查中用得多,而SPECT在局部病變檢查中用得多。

2 SPECT/CT成像系統(tǒng)在納米材料和藥物研究中的應(yīng)用

SPECT/CT成像系統(tǒng)具有功能圖像和解剖圖像同機融合的特點,利用新型動物模型和成像方法可獲得活體動物更為準(zhǔn)確的生理學(xué)和病理學(xué)信息,是納米材料和藥物臨床前研究的重要手段之一。利用該系統(tǒng)可評價核素標(biāo)記的藥物、材料等在活體動物體內(nèi)的代謝動力學(xué)和生物分布,研究藥物或材料的分子靶向和作用機制,監(jiān)測和追蹤藥物或材料的靶向效果,評價藥物的治療效果等,以及評價藥物或材料的毒性和安全性。

2.1 SPECT/CT成像系統(tǒng)在脂質(zhì)體研究中的應(yīng)用

脂質(zhì)體是由雙親性的磷脂組成的雙分子層膜狀球體,內(nèi)部的親水相可用于包載親水性藥物,中間的磷脂雙分子層中的疏水相可用于包載疏水性藥物,整個外部呈親水性,在水溶液中呈混懸狀態(tài)[5]。常用一些小分子物質(zhì),例如去鐵胺(deferoxamine,DF)和次氮基三乙酸(nitrilotriacetic acid,NTA),與核素連接后被包裹在脂質(zhì)體的內(nèi)水相,或者包裹到脂膜雙分子層中。在臨床上,利用SPECT成像技術(shù)可評價111In標(biāo)記的二乙烯三胺五乙酸(diethylenetriaminepentaacetic acid,DTPA)脂質(zhì)體在腫瘤患者體內(nèi)的血漿動力學(xué)和組織分布[6]。

99mTc標(biāo)記的六甲基丙二基胺肟(hexamethyl-propylene-amineoxime,HMPAO)常用來標(biāo)記脂質(zhì)體。Mirahmadi等[7]考察了谷胱甘肽(glutathione,GSH)、脂材濃度,以及脂材不同組成成分對99mTc-HMPAO脂質(zhì)體標(biāo)記效率和穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明,GSH的濃度從5 mmol/L增加到200 mmol/L,標(biāo)記效率從4.16%增加到69.81%;而脂材濃度的變化對標(biāo)記效率影響不大。

圖2 注射[186Re]Doxil 20 h后的SPECT/CT圖像[8]三維SPECT圖像和在骨窗顯示的CT等值面的共定位表明,186Re-Doxil聚集在腫瘤(T)、肝臟(L)和脾臟(S),并且循環(huán)經(jīng)過心臟(H)Fig.2 Micro-SPECT/CT images acquired at 20 h post-administration of[186Re]Doxilusing a MPH collimator[8]A three-dimensional SPECT image of186Re-Doxil overlaid with CT isosurface displayed in the bone window shows accumulation in the tumor(T),liver(L),spleen (S) and circulation through the heart(H)

Doxil?是已用于臨床包載抗腫瘤藥物阿霉素的脂質(zhì)體。Soundararajan等[8]將放射性核素186Re標(biāo)記的Doxil脂質(zhì)體和PEG化的阿霉素脂質(zhì)體,分別靜脈注射至移植頭頸癌的裸鼠體內(nèi),進行SPECT/CT掃描。圖2顯示了注射186Re標(biāo)記的Doxil(555 MBq/kg)20 h后的SPECT/CT圖像,從圖中可以看出,腫瘤、肝臟、脾臟等均有放射性聚集。186Re標(biāo)記的Doxil在腫瘤部位的聚集量是PEG脂質(zhì)體的20倍,并且186Re標(biāo)記的Doxil顯示較慢的血液清除速率。Chen等[9~11]利用188Re標(biāo)記的阿霉素脂質(zhì)體研究其血液動力學(xué)及對小鼠C26結(jié)腸癌的抑制效果。脂質(zhì)體的188Re標(biāo)記率為82.3%±4.5%,并顯示較好的標(biāo)記穩(wěn)定性。因此,SPECT/CT系統(tǒng)可有效地評估188Re標(biāo)記阿霉素脂質(zhì)體在C26小鼠腫瘤的靶向性、組織分布、小鼠存活率等。

Wang等[12]建立了裸鼠移植性頭頸部鱗狀細(xì)胞癌模型,然后通過手術(shù)切除部分腫瘤,保留腫瘤邊緣。向瘤內(nèi)注射大小約100 nm的186Re標(biāo)記的中性或陽離子脂質(zhì)體,使用SPECT/CT成像系統(tǒng)檢測了脂質(zhì)體在腫瘤內(nèi)的分布。與未進行放射性標(biāo)記的脂質(zhì)體相比,186Re標(biāo)記的中性和陽離子脂質(zhì)體均顯著抑制了腫瘤生長,具有較好的放療效果[13]。該研究小組又使用99mTc標(biāo)記的不同大小(100 nm,1 μm,2 μm)和電荷(中性和陽離子)的脂質(zhì)體來評估手術(shù)后的邊緣頭頸部鱗狀細(xì)胞癌。SPECT掃描結(jié)果顯示,陽離子脂質(zhì)體在腫瘤內(nèi)具有較高的滯留率,而中性脂質(zhì)體主要滯留在瘤旁。Bao等[14]利用SPECT/CT成像系統(tǒng)考察了99mTc標(biāo)記的脂質(zhì)體在裸鼠的頭頸鱗片細(xì)胞癌瘤內(nèi)的代謝動力學(xué)和生物分布,結(jié)果顯示,剛注射后,約47.4%的脂質(zhì)體聚集在腫瘤部位;20 h后,仍有約39.2%的脂質(zhì)體滯留在腫瘤。Dagar等[15]將99mTc-HMPAO標(biāo)記連接血管活性腸肽(vasoactive intestinal peptide,VIP)的PEG脂質(zhì)體,大鼠SPECT掃描結(jié)果表明,連有多肽的脂質(zhì)體可顯著聚集在乳腺癌腫瘤中,且具有靶向性。Zavaleta等[16]用99mTc-HMPAO對載生物素的脂質(zhì)體進行標(biāo)記,然后經(jīng)腹腔注射到荷卵巢癌大鼠體內(nèi)。SPECT成像表明,脂質(zhì)體主要聚集在腹腔和淋巴系統(tǒng),這兩個部位對脂質(zhì)體有顯著的吞噬現(xiàn)象。

結(jié)腸靶向給藥系統(tǒng)可提高蛋白多肽經(jīng)口服的生物利用度。Xing等[17]設(shè)計了一種藻酸鈣微球包載多肽脂質(zhì)體(99mTc標(biāo)記),運用SPECT評價了該微球在胃腸道的精確定位和藥物的釋放。

2.2 SPECT/CT成像系統(tǒng)在聚合物研究方面的應(yīng)用

Merkel等[18]利用SPECT成像系統(tǒng)成功地評價了采用雙放射性核素(111In和99mTc)標(biāo)記siRNA在Balb/c小鼠體內(nèi)的動力學(xué)和分布情況。首先通過2-(4-Isothiocyanatobenzyl)diethylenetriaminepentaacetic acid(p-SCN-Bn-DTPA)將111In標(biāo)記到 siRNA上,然后此siRNA與高分子聚合物聚乙烯亞胺(polyethylenimine,PEI,25 kDa)通過靜電相互作用形成納米粒。運用SPECT考察了游離siRNA和siRNA納米粒的組織分布情況。小鼠在做SPECT掃描前4 h注射99mTc標(biāo)記的二碳磷酸鹽(4 mol/LBq),以同時顯示骨骼的解剖學(xué)位置。該研究小組又使用SPECT/CT系統(tǒng)檢測了標(biāo)記的納米粒子在活體動物體內(nèi)的動力學(xué)和組織分布,用111In-DTPA標(biāo)記siRNA,此siRNA與高分子聚合物PEI25kDa-PEG2kDa復(fù)合形成納米粒。用99mTc標(biāo)記大聚結(jié)白蛋白(macroagglomerated albumin,MAA)以顯示活體動物的氣管。研究結(jié)果表明:該納米粒主要聚集在肺部,且通過腎臟消除[19];siRNA與PEI形成的納米粒并沒有顯示從肺部到肝臟的二次分布;納米粒的穩(wěn)定性對其動力學(xué)和組織分布有很大影響,SPECT可動態(tài)觀察到在血液循環(huán)中穩(wěn)定的納米??稍诟闻K中解離[20]。

Boswell等[21]成功合成了一種99mTc-DTPA標(biāo)記的含葉酸的樹狀分子聚酰胺-胺(dendrimer poly(amido)-amine,PAMAM-G5)共聚物,此共聚物具有較好的體外和體內(nèi)穩(wěn)定性。SPECT掃描顯示,該共聚物可靶向至小鼠的KB腫瘤細(xì)胞。將111In標(biāo)記至RGD環(huán)肽(arginine-glycine-aspartate,RGD)-PAMAM,SPECT掃描結(jié)果表明,111In-RGD-PAMAM主要被腎臟、肝臟、脾臟攝取。Parrott等[22]將Tc和Re標(biāo)記到樹狀分子(G5、G6、G7)的核心部位。在健康大鼠體內(nèi)的組織分布研究表明,樹狀分子(G5、G6、G7)注射15 min后即迅速從血液中經(jīng)過腎臟清除,在腎臟、心臟、肺的清除半衰期小于150 s,基本上無非特異性的滯留。從SPECT/CT圖像得到的組織分布定量結(jié)果,與取出器官后測定的放射性而得到的組織分布結(jié)果一致。

2.3 SPECT/CT成像系統(tǒng)在納米粒研究方面的應(yīng)用

Harivardhan Reddy等[23]利用小鼠Dalton淋巴癌模型研究了給藥途徑對依托泊苷(etoposide)固態(tài)脂質(zhì)納米粒分布的影響。將99mTc標(biāo)記到藥物或納米粒的棕櫚酸甘油酯上,均具有較高的標(biāo)記效率和體外穩(wěn)定性。SPECT掃描結(jié)果表明,皮下注射可降低納米粒在所有組織的分布,納米粒在注射部位會滯留較長時間,納米粒在腫瘤部位的濃度要比靜脈注射途徑高59倍,比腹腔注射高8倍。腹腔注射該納米粒后,納米粒在腦部的分布顯著增高。靜脈注射后,納米粒在網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(reticuloendothelial system,RES)的分布降低。

Hoang等[24]將111In通過p-SCN-Bn-DTPA連接到聚乙二醇-聚己內(nèi)酯(polyethylen glycol-polycaprolactone,PEG-PCL)嵌段共聚物上,形成111In-DTPA-PEG-b-PCL膠束。運用SPECT/CT成像系統(tǒng)考察了膠束和單純的聚合物在正常小鼠體內(nèi)的藥物代謝動力學(xué)和組織分布情況,及膠束在荷MDA-MB-231腫瘤Balb/c小鼠體內(nèi)的聚集情況。研究結(jié)果表明,膠束具有長循環(huán)性質(zhì),主要聚集在脾臟 〔(22±5%)ID/g〕、肝臟 〔(13±3%)ID/g〕及腫瘤部位 〔(9%±2%)ID/g〕。

Yuan等[25]研究了載雷帕霉素(rapamycin)的殼聚糖-聚乳酸納米粒(chitosan-PLA)治療角膜移植引起的免疫抑制反應(yīng),運用SPECT/CT成像系統(tǒng)觀察納米粒在兔角膜的分布。給納米粒后,移植角膜的平均存活時間為(27.2±1.03)d,在實驗結(jié)束時,仍有50%的移植角膜存活。Chen等[26]通過簡單的離子交聯(lián)法制備了殼聚糖和肝素(heparin)納米粒。因為殼聚糖顯著過量,肝素的包載率近100%。口服該納米粒后,其絕對生物利用度為20.5%。圖3顯示了口服99mTc標(biāo)記的殼聚糖納米粒在大鼠體內(nèi)實時動態(tài)分布的SPECT/CT影像,圖像表明,隨著時間的延長,納米粒依次從食道、胃、小腸到大腸,納米粒的胃排空時間約為8 h,24 h后,大部分納米粒分布在結(jié)腸。在其它各個內(nèi)臟中沒有發(fā)現(xiàn)顯著的放射性信號,表明殼聚糖很少進入血液循環(huán)。

超順磁性氧化鐵納米粒是一種核磁共振(MRI)造影劑。Gorantla等[27]將骨髓巨噬細(xì)胞作為超順磁性氧化鐵納米粒(Feridex)的載體,并用MRI來評價細(xì)胞的定位,另外,將111In-羥基喹啉標(biāo)記骨髓巨噬細(xì)胞,以用SPECT圖像來追蹤細(xì)胞的分布。研究結(jié)果表明,7 h后,86%的細(xì)胞主要聚集在肺部。1、3、5、7 d后,少于10%的細(xì)胞聚集在肺部,74%~81%在肝臟,13%~18%在脾臟。Cheon等[28]制備了一種具有MRI和SPECT雙成像功能的納米粒用于腫瘤顯像。以氧化鐵為基礎(chǔ)的納米粒(magnetism engineering iron oxide,MEIO)主要用于MRI成像,111In標(biāo)記于納米粒表面以用于SPECT成像。SPECT/CT成像系統(tǒng)還可考察99mTc標(biāo)記的超順磁性氧化鐵納米粒在健康大鼠體內(nèi)的組織分布。該納米粒具有核-殼結(jié)構(gòu),核是氧化鐵納米粒,殼是疏水性的PLGA和陽性的殼聚糖。靜脈注射后,氧化鐵納米粒迅速聚集在肝臟,肺臟、脾臟和膀胱也顯示相對較高的信號強度[29]。DeNardo等[30,31]將111In-DOTA標(biāo)記的嵌合單克隆抗體(ChL6)連接至納米粒(20 nm)表面的PEG,一個納米粒表面可以連接1~2個抗體。圖4顯示了該功能化氧化鐵納米粒的結(jié)構(gòu)示意圖。運用SPECT評價了此納米粒在荷人乳腺癌(HBT 3477)裸鼠體內(nèi)的血液動力學(xué)、腫瘤攝取,以及在外加磁場下的抗腫瘤效果。研究結(jié)果表明,該納米粒具有較長的循環(huán)時間,SPECT定量結(jié)果表明,14%的給藥納米粒在注射48 h后被腫瘤攝取,外加磁場24 h后可導(dǎo)致腫瘤壞死。

圖3 口服99mTc標(biāo)記的殼聚糖納米粒在大鼠體內(nèi)的生物分布圖像[26]上:單純SPECT圖像;下:SPECT/CT疊加圖像。E:食道; St:胃;Si:小腸;Li:大腸Fig.3 Biodistribution of99mTc-labeled chitosan nanoparticle observed in a rat model after oral intake of test nanoparticles[26]Upper panels:The SPECT images only;Lower panels:The SPECT/CT superimposed images.E:Esophagus;St:Stomach;Si:Small intestine;Li:Large intestine

圖4111In標(biāo)記的ChL6抗體連接至由右旋糖酐組成的納米粒(20 nm)[31]該納米粒表面有聚乙二醇(PEG)修飾,內(nèi)部包裹有氧化鐵納米粒Fig.4111In-labeled ChL6 antibody was conjugated to a 20 nm dextran bead[31]It was coated with polyethylene glycol and impregnated with iron oxide nanoparticle

125mTe的半衰期和衰變性質(zhì)與125I非常類似。Kennel等[32]以125mTe標(biāo)記CdTe-ZnS納米粒,并將單克隆抗體MAb 201B(可結(jié)合肺血管上表達(dá)的血栓調(diào)節(jié)蛋白)連接至該納米粒。圖5顯示了靜脈注射連有抗體的靶向納米粒和非靶向納米粒的SPECT/CT影像圖,圖像表明,注射1 h后,該MAb-Cd125mTe-ZnS納米粒主要聚集在肺部,少量分布在肝臟和脾臟。而沒有連接抗體的納米粒不會聚集在肺部。Bhushan等[33]合成了一種新型的多功能診斷試劑Pam-Tc/Re-800,此試劑不僅可利用近紅外光(near-infra red,NIR)光學(xué)成像進行檢測,還可同時使用SPECT進行成像。以乳腺癌微粒鈣化的大鼠作為腫瘤模型,評價了Pam-Tc-800靜脈注射后的體內(nèi)動力學(xué)。注射4 h后,同時利用SPECT和NIR對腫瘤進行成像。SPECT研究結(jié)果表明,99mTc-二磷酸鹽與合成的Pam-Tc-800具有相似的血液清除率,Pam-Tc-800在骨骼和腫瘤中的蓄積量較高。

圖5 靜脈注射Cd125mTe納米粒 (NP)一天后的小鼠三維SPECT/CT成像掃描圖[32](A)MAb 201B靶向納米粒;(B)對照MAb 33納米粒。1,2,3圖顯示從不同方位采集的SPECT數(shù)據(jù),4圖是在腹側(cè)方位SPECT和CT圖像的疊加圖Fig.5 Three-dimensionaltomographicimagesofSPECT/CT scansfrom mice injected with Cd125mTe nanoparticle(NP)one day after injection[32](A)MAb 201B targeted NP;(B)Control MAb 33 NP.Three views with different orientations are shown with color representing the SPECT data.The fourth image in each panel is superimposed SPECT and CT data ventral view

Hu等[34]運用SPECT成像研究了整合素αvβ3在新生血管的高表達(dá),結(jié)果表明,腫瘤部位對125I標(biāo)記的環(huán)RGD多肽具有高吞噬率。整合素靶向的111In標(biāo)記的全氟化碳(perfluorocarbon)納米粒可用來檢測新西蘭大白兔移植腫瘤的腫瘤血管新生。注射18 h后,接受111In標(biāo)記的整合素納米粒的平均腫瘤放射性比非靶向的對照高出約4倍。組織分布結(jié)果表明,脾臟是清除該納米粒的主要器官。

2.4 SPECT/CT成像系統(tǒng)在碳納米管研究方面的應(yīng)用

Wu等[35]將多壁碳納米管(multiwall carbon nanotube,MWNT)通過共價鍵與喜樹堿衍生物(10-hydroxycamptothecin)連接,99mTc通過DTPA與碳納米管的一部分氨基共價相連。荷肝癌(H22)腫瘤的小鼠體內(nèi)SPECT掃描結(jié)果表明,靜脈注射給藥后,碳納米管迅速分布在肝臟、脾臟等多個組織器官中;注射2~4 h后,腫瘤部位的信號強度增加;4~22 h之間,信號強度基本保持不變。Singh等[36]將111In通過DTPA連接到碳納米管上,體內(nèi)SPECT影像研究表明,碳納米管進入血液循環(huán)5 min后通過腎小球過濾系統(tǒng)進入膀胱。水溶性單壁碳納米管(SWNT)靜脈注射后,不會被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(如肝臟或脾臟)吞噬,而是通過腎臟代謝迅速從血液系統(tǒng)中清除。

3 總結(jié)與展望

本文就活體小動物SPECT/CT影像系統(tǒng)在藥物載體,包括脂質(zhì)體、納米粒、膠束、聚合物、量子點、碳納米管的應(yīng)用,較為詳細(xì)地綜述了國際上該領(lǐng)域的最新研究進展。從中可以看出,SPECT在檢測藥物和納米材料方面應(yīng)用的最大優(yōu)勢在于:SPECT所用的放射性元素與藥物或納米材料標(biāo)記較容易,可供選擇的標(biāo)記元素也較多;在活體動物體內(nèi)(同一動物)可動態(tài)地監(jiān)測藥物或納米材料的代謝行為和組織分布(靶向研究);SPECT可定量分析(準(zhǔn)確性高)藥物或納米材料在體內(nèi)的代謝與生物分布;實時動態(tài)監(jiān)測藥物或納米材料在比較復(fù)雜的動物模型(例如轉(zhuǎn)基因或原發(fā)性動物模型)中的治療效果和安全性。盡管SPECT的應(yīng)用會越來越廣泛,但是還有些問題有待解決。其一,SPECT/CT成像系統(tǒng)在硬件上還需要進一步提高,即需要提高SPECT探測器的靈敏度和空間分辨率,提高信噪比,完善影像的重建和定量分析功能。其二,使用SPECT時必須對追蹤的藥物和材料進行放射性核素標(biāo)記,如何提高核素的標(biāo)記效率和其在體內(nèi)的穩(wěn)定性是一個關(guān)鍵問題。綜上所述,SPECT/CT成像系統(tǒng)自身的特點決定了其在納米材料和藥物方面的應(yīng)用會越來越廣泛,SPECT/CT成像系統(tǒng)還可與其他成像系統(tǒng)(MRI,NIR)聯(lián)合起來使用,例如放射性核素標(biāo)記氧化鐵納米粒或碳納米管可實現(xiàn)雙功能成像,可更為準(zhǔn)確地提供疾病發(fā)生和發(fā)展過程中的生物效應(yīng)信息。另外,對藥物或者材料標(biāo)記具有放射性治療的同位素,不僅可利用成像追蹤監(jiān)測其體內(nèi)過程,同時還可起到放療與藥物協(xié)同治療疾病的作用。進行的放射性標(biāo)記,不僅可以進行SPECT/CT成像,同時可進行放療,以提高藥物的抗腫瘤效果。

致謝 感謝北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院王存新教授對本文的修改和建議,同時也對國家納米科學(xué)中心中國科學(xué)院納米材料的生物效應(yīng)和安全性重點實驗室王東亮博士對文章撰寫過程中給予的幫助表示感謝。

1.Danthi SN,Pandit SD,Li KC.A primer on molecular biology for imagers:VII.Molecular imaging probes.Acad Radiol,2004,11(9):1047~1054

2.Franc BL,Acton PD,Mari C,Hasegawa BH.Small-animal SPECT andSPECT/CT:Importanttoolsforpreclinical investigation.J Nucl Med,2008,49(10):1651~1663

3.Madsen MT.Recent advances in SPECT imaging.J Nucl Med,2007,48(4):661~673

4.Hamoudeh M,Kamleh MA,Diab R,Fessi H.Radionuclides delivery systems for nuclear imaging and radiotherapy of cancer.Adv Drug Deliv Rev,2008,60(12):1329~1346

5.Papahadjopoulos D,Allen TM,Gabizon A,Mayhew E,Matthay K,Huang SK,Lee KD,Woodle MC,Lasic DD,Redemann C.Sterically stabilized liposomes:Improvements in pharmacokinetics and antitumor therapeutic efficacy.Proc Natl Acad Sci USA,1991,88(24):11460~11464

6.Harrington KJ,Mohammadtaghi S,Uster PS,Glass D,Peters AM,Vile RG,Stewart JS.Effective targeting of solid tumors in patients with locally advanced cancers by radiolabeled pegylated liposomes.Clin Cancer Res,2001,7(2):243~254

7.Mirahmadi N,Babaei MH,Vali AM,Daha FJ,Kobarfard F,Dadashzadeh S.99mTc-HMPAO-labeled liposomes: An investigation into the effects of some formulation factors on labeling efficiency and in vitro stability. Nucl Med Biol,2008,35(3):387~392

8.Soundararajan A,Bao A,Phillips WT,Perez R 3rd,Goins BA.[(186)Re]Liposomal doxorubicin(Doxil):In vitrostability,pharmacokinetics,imaging and biodistribution in a head and neck squamous cell carcinoma xenograft model.Nucl Med Biol,2009,36(5):515~524

9. Chen LC,Chang CH,Yu CY,Chang YJ,Wu YH,Lee WC,YehCH,LeeTW,TingG.Pharmacokinetics,micro-SPECT/CT imaging and therapeutic efficacy of(188)Re-DXR-liposomeinC26coloncarcinomaascitesmice model.Nucl Med Biol,2008,35(8):883~893

10.Chen LC,Chang CH,Yu CY,Chang YJ,Hsu WC,Ho CL,Yeh CH,Luo TY,Lee TW,Ting G. Biodistribution,pharmacokinetics and imaging of(188)Re-BMEDA-labeled pegylated liposomes after intraperitoneal injection in a C26 colon carcinoma ascites mouse model.Nucl Med Biol,2007,34(4):415~423

11.Chang CH,Stabin MG,Chang YJ,Chen LC,Chen MH,ChangTJ,LeeTW,TingG.Comparativedosimetric evaluation ofnanotargeted (188)Re-(DXR)-liposome for internal radiotherapy.Cancer Biother Radiopharm,2008,23(6):749~758

12.Wang SX,Bao A,Phillips WT,Goins B,Herrera SJ,Santoyo C,Miller FR,Otto RA.Intraoperative therapy with liposomal drug delivery:Retention and distribution in human head and neck squamous cell carcinoma xenograft model.Int J Pharm,2009,373(1-2):156~164

13.Wang SX,Bao A,Herrera SJ,Phillips WT,Goins B,Santoyo C,MillerFR,Otto RA. Intraoperative186Reliposome radionuclide therapy in a head and neck squamous cell carcinoma xenograft positive surgical margin model.Clin Cancer Res,2008,14(12):3975~3983

14.Bao A,Phillips WT,Goins B,Zheng X,Sabour S,Natarajan M,Ross Woolley F,Zavaleta C,Otto RA.Potential use of drug carried-liposomes for cancer therapy via directintratumoralinjection. IntJ Pharm,2006,316(1-2):162~169

15.Dagar S,Krishnadas A,Rubinstein I,Blend MJ,Onyuksel H.VIP grafted sterically stabilized liposomes for targeted imaging ofbreastcancer:In vivo studies. J Control Release,2003,91(1-2):123~133

16.Zavaleta CL,Phillips WT,Soundararajan A,Goins BA.Use ofavidin/biotin-liposome system forenhanced peritoneal drug delivery in an ovarian cancer model.Int J Pharm,2007,337(1-2):316~328

17.Xing L,Dawei C,Liping X,Rongqing Z.Oral colon-specific drug delivery for bee venom peptide:Development of a coated calcium alginate gel beads-entrapped liposome.J Control Release,2003,93(3):293~300

18.Merkel OM,Librizzi D,Pfestroff A,Schurrat T,Behe M,Kissel T.In vivoSPECT and real-time gamma camera imaging of biodistribution and pharmacokinetics of siRNA delivery using an optimized radiolabeling and purification procedure.Bioconjug Chem,2009,20(1):174~182

19.Merkel OM,Beyerle A,Librizzi D,Pfestroff A,Behr TM,Sproat B,Barth PJ,Kissel T.Nonviral siRNA delivery to the lung:Investigation of PEG-PEI polyplexes and theirin vivoperformance.Mol Pharm,2009,6(4):1246~1260

20.Merkel OM,Librizzi D,Pfestroff A,Schurrat T,Buyens K,Sanders NN,De Smedt SC,Behe M,Kissel T.Stability ofsiRNA polyplexes from poly(ethylenimine) andpoly(ethylenimine)-g-poly(ethylene glycol)underin vivoconditions:Effects on pharmacokinetics and biodistribution measured by Fluorescence Fluctuation Spectroscopy and Single Photon Emission Computed Tomography(SPECT)imaging.J Control Release,2009,138(2):148~159

21.Boswell CA,Eck PK,Regino CA,Bernardo M,Wong KJ,Milenic DE,Choyke PL,BrechbielMW. Synthesis,characterization,and biological evaluation of integrin alphavbeta3-targeted PAMAM dendrimers. MolPharm,2008,5(4):527~539

22.Parrott MC,Benhabbour SR,Saab C,Lemon JA,Parker S,Valliant JF,Adronov A.Synthesis,radiolabeling,and bio-imaging of high-generation polyester dendrimers.J Am Chem Soc,2009,131(8):2906~2916

23.Harivardhan Reddy L,Sharma RK,Chuttani K,Mishra AK,Murthy RS. Influence ofadministration route ontumor uptake and biodistribution of etoposide loaded solid lipid nanoparticles in Dalton's lymphoma tumor bearing mice.J Control Release,2005,105(3):185~198

24. HoangB,LeeH,Reilly RM,AllenC. Noninvasive monitoring ofthe fate of111In-labeled block copolymer micelles by high resolution and high sensitivity microSPECT/CT imaging.Mol Pharm,2009,6(2):581~592

25.Yuan XB,Yuan YB,Jiang W,Liu J,Tian EJ,Shun HM,Huang DH,Yuan XY,Li H,Sheng J.Preparation of rapamycin-loaded chitosan/PLA nanoparticles for immunosuppression in corneal transplantation.Int J Pharm,2008,349(1-2):241~248

26.Chen MC,Wong HS,Lin KJ,Chen HL,Wey SP,Sonaje K,Lin YH,Chu CY,Sung HW.The characteristics,biodistribution and bioavailability of a chitosan-based nanoparticulate system for the oral delivery ofheparin.Biomaterials,2009,30(34):6629~6637

27.Gorantla S,Dou H,Boska M,Destache CJ,Nelson J,Poluektova L,Rabinow BE,Gendelman HE,Mosley R.Quantitative magnetic resonance and SPECT imaging for macrophage tissue migration and nanoformulated drug delivery.J Leukoc Biol,2006,80(5):1165~1174

28.Cheon J,Lee JH.Synergistically integrated nanoparticles as multimodal probes for nanobiotechnology.Acc Chem Res,2008,41(12):1630~1640

29.Lee PW,Hsu SH,Wang JJ,Tsai JS,Lin KJ,Wey SP,Chen FR,Lai CH,Yen TC,Sung HW.The characteristics,biodistribution,magnetic resonance imaging and biodegradability of superparamagnetic core-shell nanoparticles.Biomaterials,2010,31(6):1316~1324

30.DeNardo SJ,DeNardo GL,MiersLA,NatarajanA,ForemanAR,GruettnerC,AdamsonGN,IvkovR.Development of tumor targeting bioprobes((111)In-chimeric L6 monoclonalantibody nanoparticles) for alternating magnetic field cancer therapy.Clin Cancer Res,2005,11(19 Pt 2):7087s~7092s

31.DeNardo SJ,DeNardo GL,NatarajanA,MiersLA,Foreman AR,Gruettner C,Adamson GN,Ivkov R.Thermal dosimetry predictive of efficacy of111In-ChL6 nanoparticle AMF--induced thermoablative therapy forhuman breast cancer in mice.J Nucl Med,2007,48(3):437~444

32.Kennel SJ,Woodward JD,Rondinone AJ,Wall J,Huang Y,Mirzadeh S.The fate of MAb-targeted Cd(125m)Te/ZnS nanoparticlesin vivo.Nucl Med Biol,2008,35(4):501~514

33.Bhushan KR,Misra P,Liu F,Mathur S,Lenkinski RE,Frangioni JV.Detection of breast cancer microcalcifications using a dual-modality SPECT/NIR fluorescent probe.J Am Chem Soc,2008,130(52):17648~17649

34.Hu G,Lijowski M,Zhang H,Partlow KC,Caruthers SD,Kiefer G,Gulyas G,Athey P,Scott MJ,Wickline SA,Lanza GM.Imaging of Vx-2 rabbit tumors with alpha(nu)beta3-integrin-targeted111In nanoparticles. IntJ Cancer,2007,120(9):1951~1957

35.Wu W,Li R,Bian X,Zhu Z,Ding D,Li X,Jia Z,Jiang X,Hu Y. Covalently combining carbon nanotubes with anticancer agent:Preparation and antitumor activity.ACS Nano,2009,3(9):2740~2750

36.Singh R,Pantarotto D,Lacerda L,Pastorin G,Klumpp C,Prato M,Bianco A,Kostarelos K.Tissue biodistribution and blood clearance rates of intravenously administered carbon nanotube radiotracers.Proc Natl Acad Sci USA,2006,103(9):3357~3362

This work was supported by grants from The National Natural Science Foundation of China(30970784,30870265),National Key Basic Research Program of China(2009CB930200),Chinese Academy of Sciences(CAS) “Hundred Talents Program”(07165111ZX),and China-Finland Bilateral Nanotechnology Collaboration(2008DFA01510)for financial supports

Biological Effects of Nanomaterials and Drugs Measured by The Small-Animal SPECT/CT Imaging Systemin Vivo

MA Huili1,WANG Paul C2,QIAN Feng3,LIANG Xingjie1
1.Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety,National Center for Nanoscience and Technology,The Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;
2.Laboratory of Molecular Imaging,Department of Radiology,Howard University,Washington,DC 20060,USA;
3.Deparment of molecule imaging,Healthcare Sector,Siemens Limited China,Shanghai 201318,China

Mar 10,2010 Accepted:May 14,2010

Liang Xingjie,Tel:+86(10)82545569,E-mail:liangxj@nanoctr.cn

Study on dynamic biologic process in intact and living small animal models of diseases has stimulated the rapid progress of high-resolution imaging methods.These methods can be used to clarify molecular interactions in the onset and progress of diseases or tumors,evaluate the biologic effects of drug and imaging agents,and measure the therapeutic efficacy of drugs for a single-model system.Single photon emissioncomputedtomography(SPECT) canprovidethreedimensionaldistributionsofγ-rayemitting radionuclide imaging agents.Moreover,combining SPECT with CT(computed tomography)in a SPECT/CT system can assist in defining the anatomic context of biological process and improve the quantitative accuracy of data.The paper reviewed the characteristics and recent progress of the SPECT/CT imaging system in the studies of nanomaterials,such as liposome,nanoparticles and carbon nanotube.

SPECT/CT;Small animal imaging;Drug delivery system;Nanomaterials

2010-03-10;接受日期:2010-05-14

自然科學(xué)基金委項目(30970784),國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2009CB930200),中國科學(xué)院“百人計劃”項目(07165111ZX)和中芬納米科技合作項目(2008DFA01510)資助

梁興杰,電話:(010)82545569,E-mail:liangxj@nanoctr.cn

R743,R739

猜你喜歡
脂質(zhì)體納米材料靶向
武器中的納米材料
學(xué)與玩(2022年8期)2022-10-31 02:41:56
如何判斷靶向治療耐藥
PEG6000修飾的流感疫苗脂質(zhì)體的制備和穩(wěn)定性
中國臨床醫(yī)學(xué)影像雜志(2021年6期)2021-08-14 02:21:56
毛必靜:靶向治療,你了解多少?
肝博士(2020年5期)2021-01-18 02:50:18
二維納米材料在腐蝕防護中的應(yīng)用研究進展
超濾法測定甘草次酸脂質(zhì)體包封率
中成藥(2018年2期)2018-05-09 07:20:08
TPGS修飾青蒿琥酯脂質(zhì)體的制備及其體外抗腫瘤活性
中成藥(2017年3期)2017-05-17 06:08:52
MoS2納米材料的制備及其催化性能
靶向超聲造影劑在冠心病中的應(yīng)用
同仁县| 广州市| 什邡市| 彭阳县| 镇坪县| 茂名市| 涞水县| 湘潭市| 高邑县| 钦州市| 衡水市| 通城县| 潞西市| 荃湾区| 淮安市| 监利县| 津市市| 沙洋县| 明溪县| 汨罗市| 杭州市| 句容市| 东乌| 江门市| 白城市| 苗栗县| 谢通门县| 揭西县| 建湖县| 黄浦区| 邯郸市| 汤阴县| 清原| 淄博市| 安西县| 绥化市| 蒙山县| 中江县| 三穗县| 清镇市| 洛扎县|