PET/CT在动物领域的研究进展*

陈雪祺 王荣福*

正电子发射型电子计算机断层显像(positron emission computed tomography，PET)与X射线计算机断层成像(X-computed tomography，X-CT)组合形成为PET/CT，实现了衰减校正与同机图像的融合，因此可同时获得病变部位的功能代谢状况和精确解剖结构的定位信息[1]。PET/CT的出现极大地推进了医学影像的发展历程，使得细胞和分子水平的显像在临床及科研中发挥重要作用。

目前，PET/CT在临床工作中主要用于肿瘤、心血管系统、神经系统等方面的疾病中，而在科学家对某种疾病的认识和研究过程中，动物模型的建立对于了解疾病相关发病机制、演变过程及治疗领域的新药研发和疗效监测等都具有不可替代的重要作用，因此PET/CT在小动物领域的研究也逐步展开[2]。早在2004年，美国核医学年会中已有动物PET/CT(micro PET/CT)产品及应用的报道。除专用的micro PET/CT之外，许多学者改进了临床用PET/CT，使其在用于不同疾病模型的动物时发挥出色。本文综述近年来PET/CT用于动物研究阶段时其设备及人类疾病动物模型方面的主要进展。

1 仪器领域

自专用小动物PET/CT问世以来，由于其对小动物形态和生理学的良好适应，以及能够获取相对高分辨率的影像等特点，使得小动物PET/CT在临床前动物实验及药物研发中受到了广泛的认可和好评。但专用小动物PET/CT价格不菲，且在操作和维护上较为复杂，因此限制了小动物PET/CT的大范围应用。有研究者提出的替代方案是，基于广泛安装的临床PET/CT给予适当的调试和改进，使得小动物显像也能获取理想的结果。而目前，先进的临床PET/CT的探测器具有更精细的闪烁晶体阵列，先进的重建算法能更精确地模拟点扩散函数(point spread function，PSF)，这些信息提升了图像重建处理时的准确度，恢复了一些在传统重建模型中可能损失的空间分辨率[3－4]。

DiFilippo等[4]获取小鼠PET/CT的图像，进行了不经PSF处理与经过PSF处理及超分辨率图像的质量比较。其中超分辨率图像的获取既包括静态扫描的图像采集，也包括在一定时间间隔后立体空间内3个方向(X轴、Y轴、Z轴)的阶梯式PET扫描(stepped PET scan)。结果显示，来自阶梯式PET数据的小鼠超分辨率图像总体质量更高，而PSF图像清晰度高于非PSF图像，但PSF重建模型显示出一些在非PSF或超分辨率图像中并未出现的伪影。Aide等[5]报道了采用先进的临床PET/CT在高通量实验中同时对数只小鼠进行显像的评估。在向荷瘤小鼠注射18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)或18F-氟代胸苷(18F-fluoro-L-thymidine，18F-FLT)之后，图像采集经PSF处理，并单独或分组对小鼠进行显像，使用体外γ计数作为参考。结果发现，小鼠单独显像和经PSF重建后的小鼠同时显像所获取的数据之间有很好的相关性(r2=0.97，P＜0.0001)，体外计数与PET/CT获取数据之间的相关性也在PSF重建时更好，优于早先的有序子集最大期望值法(ordered subsets expectation maximization，OSEM)；而且，PSF重建(2.4±0.9，P=0.004)与OSEM 3-D技术(1.4±0.3)相比，也明显提高了靶/本底(target/background，T/B)的放射性摄取比值。

2 动物实验领域进展

2.1 在肿瘤研究中的应用

由于肿瘤对人类健康及生存具有的致命危害，在影像技术发展过程中，肿瘤的筛选、诊断、分期、对治疗反应的监测以及随访中监控一直是研究和应用的重点领域。基于解剖结构及形态学改变的影像技术，如CT、MRI等虽然目前广泛应用于肿瘤诊治的各个阶段，但其在一些领域仍然具有缺陷，如区分扩大淋巴结中出现的是炎症过程或恶性转移及区分术后参与组织出现的纤维化或肿瘤复发等。在肿瘤发展早期，形态学改变尚未出现或尚不明显时，基于解剖结构的影像技术也无法提供有效信息[6]。由于上述原因，基于功能显像的PET技术不仅凸显了其重要性，也显示出良好的卫生经济学效益[7－8]。

2.1.1 肿瘤的探测及诊断

由于18F-FDG可准确反映体内器官或组织的葡萄糖代谢水平而被广泛应用，是肿瘤探测中最为重要的显像剂。目前，国内外已有许多数据证实18F-FDG PET/CT对多种肿瘤都具有良好的探测效能，而能在肿瘤发展早期或癌前病变出现时就能灵敏地检测出，对于临床中改善患者预后及提高生存率方面更具有重要的意义。以胰腺癌为例，其恶性程度高，临床患者5年生存率常低于5%，其中胰腺腺管内上皮瘤(pancreatic intraepithelial neoplasia，PanIN)作为胰腺癌的一种癌前病变，尚无可靠的、非侵入性的手段证实。Fendrich等[9]在建立的小鼠胰腺癌转基因模型中，成功地借助18F-FDG PET/CT，探测到了PanIN早至1B期时的葡萄糖代谢升高，这一结果也与免疫组化染色结果相一致。

18F-FLT是胸腺嘧啶的类似物，其被细胞摄取的过程与胸苷激酶1(thymidine kinase-1，TK-1)的活性相关，而TK-1的活性被细胞周期所调控，主要表达在细胞周期的S期，因此被认为能够反应增殖细胞的数量。18F-FLT作为肿瘤增殖的显像剂，克服了18F-FDG对于非肿瘤组织的葡萄糖代谢升高部位出现的假阳性结果。在Haane等[10]对神经母细胞瘤的研究中，18F-FLT显示出优于18F-FDG的检出率，当通过18F-FLT PET/CT检出93%的肿瘤时，18F-FDG PET/CT并未发现明显FDG摄取的高代谢肿瘤病灶，研究发现18F-FDG虽是临床PET/CT的常规肿瘤显像剂，但并不适用于神经母细胞瘤模型的PET/CT。

在肿瘤与非肿瘤组织的鉴别中，除了根据肿瘤组织具有的更高代谢率、更快增殖等生物学行为之外，还可以根据肿瘤组织中表达上调的分子靶标而制备分子探针，进行特异度更高的靶向肿瘤显像。Nielsen等[11]使用64Cu标记了包含RGD结构的多肽，64Cu-DOTA-knottin，它可以靶向肿瘤新生血管生成过程中上调的整合素。结果显示这种新的显像剂在肺肿瘤中有更佳的摄取和滞留，且胸部非肿瘤组织的背景摄取更低，致使肿瘤/本底(tumor/background，T/B)的放射性摄取比值(6.01)明显高于18F-FDG作为显像剂时的比值(4.36)。许多实体瘤中过度表达受体EphB4，Xiong等[12]使用64Cu标记一种与EphB4受体有高亲和力的肽64Cu-DOTA-TNYLRAW(TNYLFSPNGPIARAW)，通过小动物PETCT证实，阳性表达EphB4的PC-3M(前列腺癌)肿瘤对多肽的摄取高于EphB4阴性表达的A549(肺腺癌)，且注射后24 h的注射百分剂量率(%ID/g)分别为(0.84±0.09)及(0.44±0.09)，差异具有统计学意义。

PET/CT在动物模型中的应用还包括对肿瘤生物鉴定方法的改进。常规的肿瘤生物鉴定需要观察2年时间，并且使用的大量动物都需经过组织病理学检验，而通过PET/CT的肿瘤鉴定来识别致癌物质，不仅能非侵入性地监测肿瘤的发生和进展，还使得短周期的肿瘤生物鉴定成为可能。已有学者验证了亚硝基二乙胺(nitrosodiethylamine，NDEA)致小鼠肝细胞癌及4-硝基喹啉-1-氧化物(4-nitroquinoline-1-oxide，4-NQO)对大鼠头颈部鳞癌模型的致癌作用[13-14]。

2.1.2 治疗指导和疗效监测

放射治疗和化学药物治疗是除手术治疗外治疗肿瘤的主要手段，在临床前试验中，越来越多的研究人员选择通过PET/CT在体监测和评估动物对不同治疗方案的反应，以进一步指导临床。Jensen等[15]对小鼠人卵巢癌荷瘤模型行Top216实验性化疗时，给药后数个时间点使用了18F-FLT和18F-FDG同时显像。Top216有效抑制了肿瘤生长，其中18F-FLT摄取在化疗2h后就有明显的减少(-52%；P＜0.001)，化疗6 h(-49%；P=0.002)及1 d(-47%；P＜0.001)时结果仍有统计学意义；18F-FDG在化疗后6 h时才出现了明显减少(-21%；P=0.003)。另一使用曲妥单抗(trastuzumab)治疗乳腺癌的实验中，荷瘤小鼠用曲妥单抗处理后16 d，18F-FDG摄取(2.6±0.8% ID/g)明显少于使用磷酸盐缓冲液组(4.6±1.8% ID/g)[16]。在裸鼠鼻咽癌模型的放疗治疗，及使用吉西他滨治疗小鼠淋巴瘤模型中，PET/CT都发挥了重要作用[17－18]。

Zhou等[19]合成并评估了一种新的不需螯合剂的64Cu-CuS纳米颗粒，在用于PET/CT的同时，利用其在近红外(near-infrared，NIR)区(峰值930 nm)的强吸收能力，以及被动靶向肿瘤部位的能力，使得此纳米颗粒也可作为光热偶联剂用于光热消融，这种消融功能在体外实验及在体肿瘤内直接注射和静脉内注射都已被证实。

2.2 在心血管系统的进展

传统的心脏影像是基于对心脏解剖结构和生理特性改变的探测，如血流或收缩功能等。不同的是，以PET/CT为代表的分子影像特征是对疾病的生化和细胞内机制的可视化和测量，包括改变的能量代谢、炎症、凋亡、血栓形成和血管新生，因此能够提高早期的检测和治疗途径[20]。

在心肌灌注及心肌活力的研究方面，常用的评估心肌血流的显像剂包括13氮-氨(13N-NH3)、82铷(82Rb)、15氧-水(15O-H2O)等。其中13N-NH3在临床前研究中相对应用更广泛。国内有研究采用了13N-NH3PET/CT扫描成功评估了中药中葱白提取物对猪缺血再灌注心肌的影响，可以实现缺血再灌注后对血流灌注水平的早期评价[21]。而18F-FDG作为心肌葡萄糖代谢显像剂，可以灵敏、准确地反应冠心病动物模型中心肌组织存活的情况。Greco等[22]以组织学结果为参照，认为高分辨率18F-FDG PET/CT较为准确地定量评估了小鼠心肌梗死模型的梗死面积，为这种非侵入性、灵敏度高的显像技术在临床中的应用提供了依据。

心血管系统中，动物动脉粥样硬化模型同样是PET/CT应用的重要研究领域。对于动脉粥样斑块而言，决定急性临床事件发生与否的因素是其生物学组成及炎症状态，而并非其狭窄程度或斑块大小，PET/CT的重要地位更为突出。Laitinen等[23]发现，在动脉粥样硬化模型小鼠中18F-FDG的摄取明显高于对照组，且在动脉粥样硬化的坏死、钙化区域的摄取是健康血管壁的6.2±3.2倍。研究中使用18F标记的血管粘附分子-1(18F-Galacto-RGD)显像剂与αvβ3整合素结合，被动脉粥样硬化病变的巨噬细胞和内皮细胞表达。结合免疫组化数据，这些研究证实小鼠动脉粥样硬化部位FDG的摄取与斑块中巨噬细胞数量之间存在的明显相关关系[24]。

由于小鼠心室容积小、心率快，使用其作为动物模型显像时，对于成像系统的空间分辨率和时间分辨率都提出了更高的要求，因此在构建动脉粥样硬化动物模型时，兔模型也常被使用。在Vucic等[25]通过18F-FDG PET/CT对动脉粥样硬化兔模型的研究中，吡格列酮-过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor-gamma agonist，PPAR-γ agonist)给药组的平均标准化摄取值(standard uptake value，SUV)明显低于对照组，证实了该药物在动脉粥样硬化中所具有的潜在抗炎作用。

2.3 在运动系统的研究进展

PET/CT在运动系统中的应用与肿瘤和心血管系统的应用相比虽不是最热门的方向，但近年来也取得了一些可喜的进展。

骨转移的动物模型对于理解与病变发生相关的分子机制及治疗转移性肿瘤的潜在方法的确立都十分重要。Hsu等[26]通过18F-氟离子及18F-FDG的小动物PET/CT分析了前列腺癌小鼠模型中成骨性、溶骨性及混合性骨转移的成像情况，并与组织形态学结果相比较认为，溶骨性病变中通过18F-FDG PET确定的病变大小与软组织肿瘤负荷相关，由于18F-氟离子优先沉积在重塑活性高的骨表面，因此在骨质大量丧失的溶骨性骨转移中，对肿瘤的识别效率并不高；而成骨性骨转移中，18F-氟离子PET/CT能更早发现病变细胞的生物学活性，且其扫描与组织形态学测量上的骨体积具有相关性。Wadas等[27]进一步制备了64Cu-RDG作为显像剂，通过其靶向骨转移区域的破骨细胞和促炎细胞的αvβ3整合素的机制，实验组小鼠尾椎放射性聚集更明显，平均摄取量为(1.034±0.35)%ID/g，明显高于对照组的(0.71±0.28)%ID/g(P=0.013)；实验组小鼠尾椎的SUV高于对照组2倍以上(0.28±0.039)vs(0.13±0.028)，P=0.0157。

Skovgaard等[28]借助于PET/CT研究了大鼠的肌肉收缩引起的相关改变，也证明了无创的PET/CT在此领域应用的前景。有研究者给予大鼠单侧神经以电刺激，引起其腓肠肌等长收缩，未受刺激的另一侧肌肉作为对照组。PET/CT显示实验组与对照组相比，18F-FDG的摄取在腓肠肌和肌腱都有明显增加，但在进一步证实葡萄糖摄取的增加与葡萄糖易化扩散转运蛋白的关系时并未获得肯定的结论；而在另一项针对肌肉收缩与乏氧关系的研究中采取类似的电刺激方式，通过乏氧选择性示踪剂64Cu-ATSM[64Cu-diacetyl bis(N4-methylthiosemi-carbazone)]行PET/CT，肌肉收缩后，64Cu-ATSM在腓肠肌及肌腱的摄取都有增加(1.5倍vs1.3倍)，且在随后的乏氧相关基因研究中，发现乏氧诱导因子1α(Hypoxia-inducible factor 1α，HIF1α)和碳酸酐酶Ⅲ(Carbonic anhydraseⅢ，CAⅢ)在腓肠肌中表达上调，说明骨骼肌比肌腱对低氧更为敏感。

PET/CT成功地应用于葡萄糖-6-磷酸异构酶(Glucose-6-phosphate isomerase，G6PI)诱导的小鼠关节炎模型中，有助于评估关节炎进展过程中个体的一过性发作及监测治疗反应[29]；小动物PET/CT在去卵巢大鼠中的应用可评估骨的微损伤，提示骨微损伤在雌激素损耗后明显增加，为临床中绝经后妇女骨质疏松的研究提供了思路[30]。

3 展望

PET/CT是目前临床分子显像研究中使用最广泛的工具，小动物PET/CT在仪器及动物疾病模型中的应用及发展不仅为动物研究提供了灵敏、无创、便捷、经济的成像方法，更是为临床诊治提供了重要的依据及思路。小动物PET/CT未来的发展不仅在于对现有仪器的改进，包括反义显像、基因显像及肿瘤新生血管显像在内的新型显像药物的研发，更多组织、器官、系统的应用，也在于宏观分子影像领域的整体进步与提升，如小动物PET-MRI的应用进展就是对小动物PET/CT的促进与补充[2,31-32]。小动物PET/CT的继续发展必将为动物研究提供更大的便利，并最终使临床中的更多患者受益。

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