放射性标记 | 利用短波红外探测医用放射性同位素的切伦科夫发光

2023-04-06 12:43:03, 恒光智影上海恒光智影医疗科技有限公司

本文要点：当带电粒子(β^+/-)在介电介质中的传播速度快于光时，医用放射性同位素会产生切伦科夫发光(CL)。CLs的发光是连续的，波长成比例地减小。CL成像(CLI)是一种经济的PET替代品，但受到光学特性（散射、吸收和特殊设置要求）的严重限制。短波红外（SWIR，900–1700nm）CL已从在MeV范围内运行的直线加速器中检测到，但从医用放射性同位素中未检测到。

方法：砷化铟镓 (InGaAs) 焦平面阵列和 SWIR 透镜安装在不包括临床前外壳的环境灯上。使用SWIR CLI开发了合适的曝光和处理流程，然后在体外和体内条件下对各种医用放射性同位素进行了测试。

结果：从临床放射性同位素中检测到SWIR CL：⁹⁰Y、⁶⁸Ga、¹⁸F、⁸⁹Zr、¹³¹I和³²P，用于生物医学研究。与传统CLI相比，SWIR CLI的优势体现在增加的光穿透性和减少的深度散射，与荧光SWIR成像一致。通过体内体外和临床前示例显示，报告了放射性同位素 SWIR 光谱，灵敏度极限和 SWIR CLI 的临床前可行性。这项工作首次表明放射性同位素SWIR CLI可以与商业组件一起执行。SWIR CL与 VIS CL 相比具有显著优势，并且表现类似。需要进一步改进SWIR光学和技术可以大量的投入使用。

结论：本研究表明，放射性同位素SWIR CLI可以用未经改性的市售组分进行。与VIS CLI相比，SWIR CLI具有显著的优势，保留了VIS CLI特征。SWIR光学和技术还需要进一步改进才能被广泛采用。

研究内容：

亚原子相对论粒子在介电介质中产生CL。粒子使周围的分子极化，这些分子在松弛时产生CL，CL为UV加权。CL的产生随波长的增加呈指数下降。CL的强度与发射粒子的能量相关，并已在天文学、核物理和最近的生物医学成像中得到应用。CL成像(CLI)是PET替代方案。例如，将患者分为不需要PET的患者和需要PET的患者。CLI专注于从临床发射放射性同位素和线性加速器(LINAC)进行CL检测。CLI辅助临床前发现和开发新型靶向放射示踪剂，剂量测定和基于放射治疗的治疗。临床CLI还发现了在图像引导手术中边缘检测的应用。确定放射示踪剂的临床摄取和实时剂量学读数。

对CL光谱有响应的单光子敏感器件很容易获得，可提供低暗和读噪声（排除干扰信号）光学器件。然而，可见光波长(VIS, 400-900nm)在临床设置中存在显著缺陷。内源性发色团限制了可达到的VIS CL穿透深度，散射进一步降低了分辨率，光学成像已经转移到较长的波长，光吸收和散射减少。近红外成像(>650nm)减少吸收约2个数量级。研究使用染料和纳米颗粒对CL的红位移转换。SWIR成像显示组织吸收，SWIR在分辨率和对比度方面的优势已通过临床批准的吲哚氰绿得到证明。基于Förster共振能量转移的SWIR CL已通过x射线激发的纳米探针和量子点的线性加速器激发发射实现。LINAC SWIR CLI已在没有二次发射器的情况下执行，显示出比VIS-NIR CLI的进步。放射性同位素产生的量级小与CL，因此对成像的要求更高。放射性同位素CLI需要完全排除环境光，高效的光学成像系统，并不能像LINAC CLI一样在其采集中脉冲同步。放射性同位素的CL亮度已经很低，在SWIR波长下甚至进一步降低，放大了SWIR CL检测的难度。来自放射性同位素的SWIR CLI是通过未经修改的商用成像组件实现的，显示出与VIS CLI相比的明显优势。

材料和方法：

放射性同位素SWIR切伦科夫发光

测定放射性同位素SWIR CLI时间分辨率和发射光谱

图像处理与统计分析

纳米二氧化硅颗粒放射标记与注射（SiNPs）

临床前短波红外成像CLI

结果：

放射性同位素SWIR CL检测的确认

SWIR CLI放射性同位素的设置(如图1A所示)。检测悬浮在0.1M HCl中的⁶⁸Ga。图1B右上角显示了处理后的SWIR CL图像叠加到WL图像上。这表明SWIR信号来自⁶⁸Ga，处理步骤在保留CL信号的同时，充分消除了干扰。当纸板被放置在样品上时(图1B)，信号的缺乏进一步证实了CL检测，它阻挡了光，但没有阻挡⁶⁸Ga衰变的高辐射源SWIR CLI高能光子。⁶⁸Ga源进一步移动，并在视场角（FOV）周围检测到，在这个过程中衰减，通过减少的SWIR信号可见，在同位素衰变半衰期之后。人工感兴趣区域(ROI)测量到，确定传感器在每个位置和时间点的信号强度(灰度值)。在比较条件下，作者成功检测了4种额外的放射性同位素:³²P,¹⁸F, ⁸⁹Zr和¹³¹I，(如图1所示)。根据浓度(kbq/µL)和空间视场(cm₂)校正，计算出每种样品的SWIR辐射亮度(如图1所示)。SWIR CLI很容易与VIS CLI的放射性同位素区分出来。从理论上讲，⁶⁸Ga比³²P有更高的辐射亮度，然而，⁶⁸Ga增加的传感器从511和1077 keV光子冲击阻止了SWIR CLI确认这一点，因为设置没有包含铅屏蔽。

SWIR CLI放射性同位素时间探测极限和发射光谱

使用³²P进行系统表征，其浓度用于促进SWIR CLI，时间分辨率为0.25s，见图1。³²P的亮度和半衰期使放射性同位素SWIR CL发射光谱的测定成为可能。没有过滤器(>920nm)和LP滤光 (1000-1500nm)。该传感器具有非稀释的磷化铟(InP)衬底带隙(1.35 eV)，防止检测<920 nm的光，而InGaAs的带隙(0.75eV)导致1700nm处的短通截止。放射性同位素SWIR CL谱如图1E所示，强度呈指数下降，如预期所示，并报道为VIS CLI和LINAC SWIR CLI。由于系统噪声，检测超过1400nm是具有挑战性的。透镜效率和吸水率，见图1E和F。

图1

减少通过SWIR CLI对VIS CLI的散射

55.5Mbq的⁹⁰Y，在Eppendorf（公司名）成像系统上进行SWIR和IVIS成像，以评估SWIR CLI的优势。Y的临床剂量为0.500~5.291Gbq，用于治疗原发性肝癌(HCC)和肝内转移。在CLI操作前，将散射介质(生鸡胸肉，0、10和15mm)放置在病灶上。在所有深度分别保持无散射介质的曝光(VIS CLI: 10s, SWIR CLI: 900s)。与VIS CLI相比，SWIR CLI通过散射组织成像的分辨率有所提高(图2)。在SWIR CLI中，组织的Eppendorf形状在15mm以内是一致的，而在VIS CLI中，散射组织的Eppendorf形状被扭曲和放大了5倍以上。SWIR CLI提供比VIS CLI更高的深度分辨率，可以用于放射性同位素定位。通过VIS CLI的全宽度半最大值(FWHM)测量值分别为6.38、13.05和33.64 mm，SWIR CLI在0、10和15 mm的组织上分别为6.24、6.40和7.04 mm证明了这一准确性(图2)。

图2

SWIR CLI放射性同位素的体外和体外灵敏度极限

商用SWIR传感器对<920nm的光不敏感。在InP变薄的系统中，传感器的范围大大增加，但与EMCCDs相比相当不灵敏。一个SWIR传感器使用，显著降低了可见范围内的量化。该传感器能够对放射性同位素VIS-SWIR (400-700 nm)、NIR-SWIR (650-1700 nm)和SWIR (900-1700 nm) CLI的空间定位进行比较。Ga共轭的SiNP与非放射性同位素标记的SiNP对照在VIS-SWIR、NIR-SWIR和SWIR下通过适当的LP滤波器对放射同位素SWIR的切伦可夫发光进行成像。检测到的CL信号在整个光谱中定位放射性标记的SiNPs。对于⁶⁸Ga标记的SiNPs,放射性同位素SWIR CLI的检出限为259 kbq (图3 A-B)。接下来，评估组织SWIR CLI的检出限。一个安乐死的小鼠分别接受30 μ l的不同的⁶⁸Ga-SiNPs的足部注射。如图3C-D所示，通过SWIR CLI检测到的⁶⁸Ga-SiNPs为403.3 kbq，在临床管理水平内。

图3

放射性同位素SWIR CLI的体内检测

与SiNPs结合的⁹⁰Y被用于在体内SWIR CLI放射性同位素检测。⁹⁰Y被证明比¹⁸F或⁶⁸Ga提高了CL检测的信噪比。SWIR CLI的长曝光时间污染了SWIR CL图像热特征(通过滚动球背景减法在后处理中去除)，使SWIR CLI比VIS CLI复杂化。将约7.4 Mbq的⁹⁰Y标记SiNPs注射到单足垫中，3小时后成像。Y用于临床放射栓塞的活性，范围从500到5291 Mbq。在体内存在的背景热信号中，很容易检测到SWIR CLI信号(n = 4只小鼠;从每只小鼠中提取的背景减去后剩下的各自的残余热特征，用于根据信号与热背景的比值(SBR)。注射小鼠的SBR范围为1.68 ~ 4.63，平均值为3.07，见图4B。

图4

讨论：

这项工作旨在通过市售组件检测临床放射性同位素的理论SWIR CL发射。到目前为止，从LINAC源中只检测到SWIR CL，它产生了一个数量级的亮度。设计的装置和外壳提供了环境无光成像。作者研究中使用的最先进的TEC SWIR传感器，比EMCCD的多2到3个数量级的黑噪声相机。SWIR设置中的这种固有噪声不仅是SWIR CLI的障碍，也是整个工作的主要限制因素。此外，在更长的波长下，进一步减少的光输出需要更长的曝光时间(单位为分钟而VIS CLI单位为秒)。尽管如此，作者所探索的6种放射性同位素产生了可检测到的SWIR CLI，其相对辐射与VIS CLI一致。SWIR CLI与放射性同位素水平呈线性关系。SWIR CLI放射性同位素灵敏度在体外为259kbq，在⁶⁸Ga组织中为403.3 kbq。VIS CLI的灵敏度是4个数量级，据报道，在0.00333 kbq/µl时，可以检测到⁶⁸Ga。SWIR CLI的不灵敏度限制了当前一代SWIR相机的应用。然而，它的优势减少散射，结合CL在SWIR区域的传输增加和硅(400 - 900 nm)传感器的优势将可以提高CLI的使用，因此值得研究。

检测到的放射性同位素SWIR CL谱与SWIR LINAC谱一致。与SWIR LINAC CL相似，在1400 nm以上检测到理论上发射的CL。由于传感器噪声和水分的吸收，无法可靠地检测到SWIR LINAC CL，因为1300nm以上的水吸收率增加了。作者对SWIR CL的临床前适用性进行了研究，最初关注的是瘤内注射¹⁸F-FDG的体外SWIR CLI。¹⁸F的弱CL需要1小时的采集时间才能进行精确的信号检测。⁹⁰Y用于克服⁶⁸Ga和¹⁸F的局限性(亮CL，比⁶⁸Ga的半衰期更长，⁹⁰Y标记的SiNPs注射到活小鼠的足垫中，用于体内SWIR CLI检测。小鼠在注射(约7.4 Mbq 90Y-SiNPs) ，3小时后与未注射的对照小鼠一起成像。15分钟的曝光时间提供了可靠的SWIR CL信号，在内生热特征和固有噪声之上检测到，见图4。

结论：

作者的研究是体内放射性同位素SWIR CLI 检测的第一个实例和原理证明。考虑到组织的光学特性，已经证明从组织发射的CL的大部分深度在600nm以上。因此，理想的放射性同位素CL相机应该是一个结合了稀释SWIR传感器的光谱范围(600-1700nm)和基于EMCCD的传感器的光子灵敏度的相机。SWIR CLI的更新迭代应该旨在通过更快的镜头和降低暗噪声的相机传感器来解决其主要局限性，以提高的整体灵敏度，并通过铅屏蔽进一步通过减少γ冲击提高灵敏度。这样的组件将是高度定制的，并且超出了这个原理工作证明的范围。人眼对400~700nm的光有反应，通过将环境照明改变为非SWIR发射LED，放射性同位素SWIR CLI可以在光线充足的房间中进行，而不需要黑暗的外壳，正如LINAC CLI所实现的那样。这将直接影响临床前CLI，这是一种常见的、快速和经济的PET替代新型放射示踪剂和治疗跟踪。在实现这一点之前，SWIR光学和技术需要进行重大改进。

参考文献

Mc Larney, B. E.; Zhang, Q.; Pratt, E. C.; Skubal, M.; Isaac, E.; Hsu, H. T.; Ogirala, A.; Grimm, J., Detection of Shortwave-Infrared Cerenkov Luminescence from Medical Isotopes. J Nucl Med 2023, 64 (1), 177-182.

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