閆 偉，王東新*，郭晉綱，洪紫薇

(1.山西醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生檢驗(yàn)教研室，山西 太原 030001；2.山西省腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，山西 太原 030013)

氧化鎢(WO3-x@BSA)納米顆粒的CT成像

閆 偉1，王東新1*，郭晉綱2，洪紫薇1

(1.山西醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生檢驗(yàn)教研室，山西 太原 030001；2.山西省腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，山西 太原 030013)

目的探討氧化鎢(WO3-x@BSA)納米顆粒作為CT對(duì)比劑的CT成像價(jià)值。方法測定以不同濃度WO3-x@BSA納米顆粒、碘海醇為對(duì)比劑時(shí)增強(qiáng)CT的CT值；在管電壓相同時(shí)，測定不同濃度鎢的CT值；繪制濃度與CT值、電壓與CT值的關(guān)系曲線。進(jìn)行動(dòng)物模型體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)，通過尾靜脈和腹腔2種注射方法將WO3-x@BSA納米顆粒分別注入2只活體SD大鼠體內(nèi)，經(jīng)門靜脈將WO3-x@BSA納米顆粒注入新鮮離體豬肝，觀察WO3-x@BSA納米顆粒作為對(duì)比劑的CT成像效果。結(jié)果相同濃度時(shí)，鎢對(duì)比劑的CT值高于碘對(duì)比劑，圖像密度更高；當(dāng)WO3-x@BSA納米顆粒對(duì)比劑濃度相同時(shí)，CT值隨管電壓的減小而增大。經(jīng)不同途徑注入大鼠體內(nèi)的WO3-x@BSA納米顆粒均可到達(dá)各組織臟器，CT呈高密度。WO3-x@BSA納米顆粒進(jìn)入新鮮離體豬肝后沿血管進(jìn)行擴(kuò)散、浸潤分布，CT成像效果良好。結(jié)論WO3-x@BSA納米顆粒作為對(duì)比劑CT成像效果良好。

氧化鎢納米顆粒；體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)；大鼠；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

CT已被廣泛用于臨床疾病診斷[1-2]，高質(zhì)量CT圖像常需借助對(duì)比劑，碘對(duì)比劑優(yōu)勢為患者耐受性良好、性能穩(wěn)定、滲透壓較低等；但同時(shí)也有其局限性，如可快速被腎臟清除致成像時(shí)間縮短、腎毒性大、在體內(nèi)循環(huán)時(shí)間短等。此外，因其不具有靶向性而在腫瘤靶向CT成像中應(yīng)用受限[3-6]，X射線可誘導(dǎo)碘物質(zhì)電離出碘離子導(dǎo)致毒性增強(qiáng)，且無法應(yīng)用于對(duì)碘劑過敏的患者。隨著納米科技的迅速發(fā)展，納米材料與醫(yī)學(xué)的聯(lián)系更加密切。在CT對(duì)比劑研究方面，已涌現(xiàn)出大量基于納米顆粒的對(duì)比劑，具有增強(qiáng)X射線衰減能力、毒性低及體內(nèi)循環(huán)時(shí)間長等特點(diǎn)，克服了含碘小分子對(duì)比劑的缺點(diǎn)[7-8]。氧化鎢納米顆粒作為CT對(duì)比劑易于制備，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)X射線具有較高的光衰減能力，且CT成像敏感度高于分子碘對(duì)比劑[9-10]。本研究通過體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)探討氧化鎢(WO3-x@BSA)納米顆粒作為對(duì)比劑的CT成像價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 WO3-x@BSA的制備 稱取75.4 mg氧化鎢(WO3-x)納米顆粒置于3.77 ml蒸餾水中，超聲分散30 min，配制成20 mg/ml的WO3-x懸濁液。稱取21.6 mg BSA，加入4.32 ml PBS配制成5 mg/ml的BSA溶液。將1 500 μl BSA溶液滴于5 ml離心管內(nèi)，同時(shí)加入等體積WO3-x懸濁液進(jìn)行1∶1配液，輕輕搖勻，制備成WO3-x@BSA混懸液，置于4℃冰箱中冷藏備用。

1.2 CT成像及CT值的測定 將氧化鎢納米顆粒混懸液和醫(yī)用碘海醇分別配制為9個(gè)不同梯度的摩爾濃度溶液(1～9依次增高)，相應(yīng)濃度梯度的鎢、碘質(zhì)量相同。配制氧化鎢納米顆粒摩爾濃度梯度為0、2.25、3.50、5.70、11.50、22.50、37.50、75.00、150.00 mmol/L，醫(yī)用碘海醇配制碘摩爾濃度梯度為0、3.30、5.50、11.00、22.00、38.50、55.00、110.00、220.00 mmol/L，分別置于96孔板中。CT成像采用GE Discovery 670 CT掃描儀，掃描參數(shù)：層厚0.5 mm，管電壓為80、100、120 kV，管電流80 mA，矩陣1024×1024，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.4 s。記錄各孔CT值，并以元素摩爾濃度為橫坐標(biāo)，CT值為縱坐標(biāo)進(jìn)行曲線擬合。

1.3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 2只健康成年雄性潔凈級(jí)SD大鼠[山西醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物中心提供，動(dòng)物許可證編號(hào)：SCXK(晉)2015-0001-2833]，體質(zhì)量297～303 g，鼠齡8周。將2只大鼠隨機(jī)編號(hào)(Ⅰ、Ⅱ)，分別置于2個(gè)鼠籠內(nèi)于相同環(huán)境下飼養(yǎng)。將Ⅰ、Ⅱ號(hào)大鼠取出并經(jīng)烏拉坦麻醉，Ⅰ號(hào)大鼠經(jīng)尾靜脈、Ⅱ號(hào)大鼠經(jīng)腹腔按2 ml/kg體質(zhì)量分別注射0.6 ml WO3-x@BSA混懸液。

1.4 大鼠CT成像 將Ⅰ、Ⅱ號(hào)大鼠正常喂養(yǎng)24 h后取出麻醉，并取仰臥位固定于鼠板上，進(jìn)行CT掃描，掃描參數(shù)：層厚0.5 mm，管電壓80 kV，管電流80 mA，矩陣1024×1024，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.4 s。觀察WO3-x@BSA納米顆粒進(jìn)入SD大鼠內(nèi)各組織CT成像情況，記錄結(jié)果。

1.5 離體豬肝CT成像 取新鮮離體豬肝解剖分離后采用pH=7.4的PBS溶液沖洗干凈，經(jīng)門靜脈注射11.5 mmol/L WO3-x@BSA混懸液，進(jìn)行CT掃描，觀察WO3-x@BSA納米顆粒進(jìn)入豬肝內(nèi)的CT成像情況，記錄結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 鎢與碘對(duì)比劑的體外CT值測定及CT成像

2.1.1 不同濃度鎢與碘對(duì)比劑體外CT成像 1～9濃度梯度的鎢與碘溶液(鎢、碘質(zhì)量相同)的CT值見表1，鎢與碘溶液的CT值隨摩爾濃度的增加而增大。CT成像顯示隨摩爾濃度的增加，圖像密度增大，且當(dāng)鎢與碘的摩爾濃度接近時(shí)鎢呈現(xiàn)CT增強(qiáng)圖像密度大于碘(圖1)。以摩爾濃度為橫坐標(biāo)，CT值為縱坐標(biāo)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果顯示兩者CT值均隨濃度的增加而增大，線性關(guān)系良好。相同濃度時(shí)氧化鎢納米顆粒對(duì)比劑的CT值較碘對(duì)比劑高；相同CT值時(shí)，所需鎢對(duì)比劑的濃度較小(圖2)。

圖1 不同濃度梯度的鎢與碘溶液體外CT成像圖 (I：碘；W：鎢：1～9為摩爾濃度梯度)

2.1.2 氧化鎢納米顆粒對(duì)比劑的CT值與管電壓的關(guān)系 以摩爾濃度為橫坐標(biāo)，CT值為縱坐標(biāo)進(jìn)行曲線擬合，不同管電壓時(shí)曲線見圖3，結(jié)果顯示當(dāng)對(duì)比劑濃度相同時(shí)，CT值隨管電壓的減小而增大。

表1 系列濃度梯度鎢與碘溶液的CT值

圖2 鎢與碘CT值隨濃度的變化曲線 (I：碘；W：鎢) 圖3 不同管電壓下鎢的CT值隨濃度的變化曲線

2.2 活體大鼠CT成像 Ⅰ號(hào)大鼠經(jīng)尾靜脈注射對(duì)比劑，其尾靜脈、心臟、心肺結(jié)合部、肺臟、肝臟、脾臟及腎臟均呈高密度影(圖4)。Ⅱ號(hào)大鼠經(jīng)腹腔注射對(duì)比劑，其腹腔、心臟、心肺結(jié)合部、肺臟、肝臟及腎臟均呈高密度影(圖5)。

2.3 離體豬肝CT成像 經(jīng)門靜脈注射氧化鎢納米顆粒對(duì)比劑后，離體豬肝的門靜脈呈高密度影，周圍組織密度低于門靜脈(圖6)。

3 討論

納米材料可因特殊效應(yīng)(如表面效應(yīng)、體積效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)等)致物理特性(磁、光、力學(xué)等)發(fā)生變化的特點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)[11]，目前已展示出在納米化學(xué)、分子影像學(xué)及環(huán)境監(jiān)測等方面的巨大應(yīng)用潛力。研究[12]發(fā)現(xiàn)，管電壓為100 kV時(shí)，金對(duì)X射線的吸收系數(shù)(5.16 cm2/g)大于碘(1.94 cm2/g)，單位質(zhì)量金的造影效果優(yōu)于碘約2.7倍，且金納米顆粒的制備技術(shù)較成熟，故其作為CT對(duì)比劑具有良好的應(yīng)用前景[13]，但由于其造價(jià)較高而不利于推廣。相比碘高分子聚合物和金納米材料。管電壓為100 kV時(shí)，鎢對(duì)X射線的吸收系數(shù)(4.438 cm2/kg)大于碘的吸收系數(shù)(1.94 cm2/kg)，這為氧化鎢納米顆粒作為CT對(duì)比劑可提高檢測敏感度提供了理論依據(jù)。Huo等[10]采用氧化鎢納米顆粒作為CT對(duì)比劑對(duì)荷瘤小鼠和兔子的淋巴組織進(jìn)行研究，體外噻唑藍(lán)實(shí)驗(yàn)表明聚乙二醇修飾后的氧化鎢無細(xì)胞毒性。上述研究結(jié)果為氧化鎢納米顆粒作為CT對(duì)比劑用于疾病的診斷檢測提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。納米材料設(shè)計(jì)及合成的飛速發(fā)展推動(dòng)了分子成像的應(yīng)用，因而為高敏感度納米探針的設(shè)計(jì)和開發(fā)帶來了機(jī)遇。

圖4 活體SD大鼠經(jīng)尾靜脈注射藥物后CT成像圖 A.尾靜脈注射點(diǎn)； B.心臟； C.心肺結(jié)合部； D.脾臟； E.腎臟 (箭示增強(qiáng)區(qū)域)

圖5 活體SD大鼠經(jīng)腹腔注射藥物后CT圖 A.腹腔注射點(diǎn)； B.心臟； C.心肺結(jié)合部； D.肺臟； E.肝臟； F.腎臟 (箭示增強(qiáng)區(qū)域)

圖6 新鮮離體豬肝臟經(jīng)門靜脈注射WO3-x@BSA納米顆粒對(duì)比劑后的CT成像

本研究通過測定不同濃度碘與鎢的體外CT值，發(fā)現(xiàn)濃度相同時(shí)鎢的CT值較碘高，而CT值相同時(shí)，鎢的濃度比碘小，提示相比于碘化物，WO3-x@BSA納米顆粒作為CT成像對(duì)比劑具有密度更高、原材料消耗更少、更經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。而通過在管電壓相同時(shí)，測定不同濃度鎢的CT值發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度相同時(shí)，鎢的CT值隨管電壓的減小而增大；提示低管電壓有利于提高鎢的敏感度，從而提高圖像的分辨率和清晰度。另外降低管電壓可減少人體對(duì)X線的吸收，從而減少人體對(duì)X線的輻射暴露。

本研究采用2種注射方法將WO3-x@BSA納米顆粒注入大鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)不同途徑進(jìn)入體內(nèi)的WO3-x@BSA納米顆粒均可到達(dá)各組織臟器，CT呈高密度影。①經(jīng)尾靜脈注射：注入部位因藥物滯留而呈高密度影，藥物由隨血液循環(huán)到達(dá)心臟，因此心臟也呈高密度影，但顯像信號(hào)強(qiáng)度下降，提示藥物在體內(nèi)循環(huán)過程中存在稀釋、代謝；當(dāng)藥物隨循環(huán)代謝到達(dá)肺臟，肺臟又是機(jī)體的小循環(huán)，因此肺臟也呈高密度影；而藥物到達(dá)心臟后會(huì)隨著血液循環(huán)也到達(dá)肺部血管內(nèi)，因此心肺結(jié)合部位也呈高密度影；因脾臟是機(jī)體血細(xì)胞更新代謝器官，含血量豐富，藥物隨血液循環(huán)到達(dá)此處，因而也呈高密度影；腎臟為機(jī)體代謝器官，藥物進(jìn)入體內(nèi)后隨血液循環(huán)進(jìn)行代謝，由腎臟排出，所以腎臟內(nèi)藥物含量高，呈現(xiàn)高密度影。②經(jīng)腹腔注射：注射部位呈高密度影，由于腹腔內(nèi)腸網(wǎng)膜血液循環(huán)豐富，藥物注射后，經(jīng)毛細(xì)血管吸收進(jìn)入血液循環(huán)，到達(dá)心臟，因此心臟也呈高密度影；藥物在血液內(nèi)進(jìn)行循環(huán)代謝分布，心肺結(jié)合部、肺臟呈高密度影；肝臟為機(jī)體最大的物質(zhì)循環(huán)代謝場所，藥物經(jīng)體內(nèi)的大小循環(huán)后最終到達(dá)肝臟進(jìn)行代謝，因而肝臟呈高密度影；藥物進(jìn)入腹腔內(nèi)到達(dá)腎表面，經(jīng)腎臟被膜內(nèi)毛細(xì)血管吸收，藥物與腎臟組織結(jié)合，呈高密度影。2只大鼠在注射藥物后，均無明顯的外在異常反應(yīng)，可為WO3-x@BSA納米顆粒作為對(duì)比劑應(yīng)用于臨床CT成像提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

本研究中將WO3-x@BSA納米顆粒經(jīng)門靜脈注入新鮮離體豬肝并行CT成像，發(fā)現(xiàn)門靜脈呈高密度影，周圍組織密度低于門靜脈。藥物經(jīng)門靜脈進(jìn)入肝臟后沿血管進(jìn)行擴(kuò)散、浸潤分布，其濃度隨藥物的擴(kuò)散，也逐漸下降，對(duì)射線的吸收能力也隨之降低；因此密度最高部位即為門靜脈，周圍密度低于門靜脈。

綜上所述，WO3-x@BSA納米顆粒作為對(duì)比劑CT成像效果良好。目前，具有靶向、載藥功能的納米造影劑不斷被研發(fā)，旨在用于腫瘤等疾病的靶向診治[14]。周航等[15]制備靶向癌胚抗原載藥的納米超聲對(duì)比劑，用于對(duì)腫瘤組織的靶向超聲造影及治療，將提高腫瘤的診療效率。雖然將新型對(duì)比劑用于臨床還需很長時(shí)間，但筆者相信在不久的將來一定會(huì)有敏感度高、特異度強(qiáng)、靶向性好的對(duì)比劑用于臨床，將對(duì)醫(yī)學(xué)成像、診斷及治療產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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CTimagingoftungstenoxidenanoparticles(WO3-x@BSA)

YANWei1,WANGDongxin1*,GUOJin'gang2,HONGZiwei1
(1.DepartmentofSanitaryInspection,SchoolofPublicHealth,ShanxiMedicalUniversity,Taiyuan030001,China; 2.DepartmentofNuclearMedicine,ShanxiCancerCenter,Taiyuan030013,China)

ObjectiveTo investigate the value of CT taking WO3-x@BSA nanoparticles as contrast agents.MethodsCT values of WO3-x@BSA nanoparticles and the iohexol contrast agents at different concentrations were measured. When the tube voltage was the same, CT values of the tungsten at different concentrations were measured, and the relationship curve of CT values and the concentrations, the tube voltages and CT values were plotted. The animal models were performed to observe CT imaging in vivo and in vitro. WO3-x@BSA nanoparticles were injected through tail vein and intraperitoneally of rats in vivo. In fresh pig liver, WO3-x@BSA nanoparticles were injected by portal vein.ResultsCT value of the tungsten was higher than the iodine at the same concentration, and the imaging signal of the tungsten was more significant than the iodine. The amount of WO3-x@BSA was less than the iohexol contrast agent reaching to the same CT value. WO3-x@BSA nanoparticles could reach the organs of various tissues in SD rats through different ways and showing the high density signal. WO3-x@BSA nanoparticles were also injected into the fresh in-vitro liver of pig, and could diffuse and distribute along with the blood vessels with good CT imaging.ConclusionAs a novel CT contrast agent, WO3-x@BSA nanoparticles can be used to get good CT imaging.

Tungsten oxide nanoparticles; Tomography, X-ray computed; Rats; Animal experimentation

10.13929/j.1003-3289.201704025

R-332; R814.42

A

1003-3289(2017)10-1453-05

中國博士后科學(xué)基金(2015M571286)、山西醫(yī)科大學(xué)博士啟動(dòng)基金(03201412)、山西醫(yī)科大學(xué)青年基金(02201508)、山西醫(yī)科大學(xué)科技創(chuàng)新基金(01201503)。

閆偉(1986—)，女，山西晉中人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師。研究方向：新型納米對(duì)比劑研究。E-mail: yanwei@sxmu.edu.cn

王東新，山西醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生檢驗(yàn)教研室，030001。E-mail: wdx2002hx@aliyun.com

2017-04-07

2017-08-16