契伦科夫光分子成像技术对胃癌裸鼠移植瘤诊断的可能性探讨

作者单位：100039北京，武警总医院消化科

契伦科夫光分子成像技术对胃癌裸鼠移植瘤诊断的可能性探讨

屈亚威，查佳丽，刘海峰

【摘要】目的采用契伦科夫光分子成像(Cerenkov luminescence imaging，CLI)技术对胃癌裸鼠移植瘤进行放射性核素光学分子成像，探索契伦科夫光诊断胃癌的可行性。方法2只胃癌裸鼠移植瘤模型尾静脉分别注射1.67×107 Bq 18F-FDG和3.34×107 Bq 18F-FDG，1 h后采集契伦科夫光，选取相同大小的ROI进行信号强度分析。成像结束后解剖出移植瘤组织和肝、肾、心脏、胃肠道、肺脏再次成像。然后进行CLI动态成像：1只胃癌裸鼠移植瘤模型尾静脉注射1.67×107 Bq 18F-FDG，分别于注药后40、60、80、100、120、140、160、180 min采集移植瘤部位的光学信号并进行对比。结果移植瘤部位出现契伦科夫光信号的浓聚，契伦科夫光信号强度与尾静脉注射的18F-FDG的活度成正比，注射3.34×107 Bq 18F-FDG和1.67×107Bq 18F-FDG的胃癌移植瘤小鼠移植瘤部位光子数值分别为8.432×105 p/s和3.172×105 p/s。随时间的延长，移植瘤摄取18F-FDG的契伦科夫光信号逐渐减弱。结论CLI可以实现胃癌裸鼠移植瘤的放射性核素光学成像，具有实现光学分子成像诊断胃癌的潜力。

【关键词】契伦科夫光学成像；放射性核素；胃癌裸鼠移植瘤

通讯作者：刘海峰，E-mail:haifengliu333@163.com

基金项目：首都临床特色应用研究(NO.Z141107002514099)；武警部队科研基金(NO.WZ20130107)。

作者简介：谈涛，硕士研究生，E-mail:895743457@qq.com

【中国图书分类号】R81.7

Research of Cerenkov luminescence imaging in gastric cancer xenograft of nude mice

QU Yawei, ZHA Jiali, and LIU Haifeng. Department of Gastroenterology, General Hospital of Chinese People’s Armed Police Forces, Beijing 100039, China

Abstract【】ObjectiveUsing Cerenkov luminescence imaging, making radionuclide optical molecular imaging of gastric cancer xenograft in nude mice, to study the feasibility of Cerenkov luminescence in diagnosis of gastric cancer. MethodsTwo gastric cancer xenografts in nude mice were injected in tail vein with 1.67× 107 Bq 18F-FDG and 3.34×107 Bq 18F-FDG, respectively. Cerenkov luminescence images were taken 1 hour after, then the same size ROI was selected for signal strength analysis. After imaging, the nude mice were killed. Images of xenograft, liver, kidney, heart, gastrointestinal tract, and lung were also taken. Then Cerenkov luminescence dynamic imaging was performed. 1 gastric cancer xenograft in nude mice was injected in tail vein with 1.67×107Bq 18F-FDG. Images were taken respectively in 40,60,80,100,120,140,160,180 min after injection, then compared. ResultsThe signal strengths of xenograft were stronger. The signal strength relied on the activity of 18F-FDG in tail vein injection. The photons of tumor on gastric cancer xenografts injected with 3.34×107 Bq 18F-FDG and 1.67×107 Bq 18F-FDG were 8.432×105 p/s and 3.172×105 p/s, respectively. The signal strength gradually weakened over time. ConclusionsCerenkov luminescence imaging can achieve gastric cancer xenograft in nude mice, with the potential of diagnosing gastric cancer by optical molecular imaging.

【Key words】Cerenkov luminescence imaging; radionuclides; gastric cancer xenograft in nude mice

契伦科夫辐射(cerenkov radiation，CR)是指高速带电粒子在非真空的介质中穿行时，如果粒子速度大于光在该介质中运行速度时，粒子在其运动路径的方向产生局部的极化，在其回到平衡态的过程中就会形成可见光和近红外光子[1,2]。随着高灵敏度的电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)相机的发展，2009 年Robertson等首次将契伦科夫辐射应用于生物医学成像领域，提出了契伦科夫光分子成像(Cerenkov luminescence imaging，CLI)[3]概念。由于CLI采用已应用于临床的放射性核素标记探针，且光学成像具有低成本、特异性高等优点，从而引起了生物医学领域的极大关注，越来越多的研究者致力于这一新兴成像领域[4-7]，已成功应用于肿瘤检测、药效评估、基因表达成像等小动物预临床实验和初步的临床试验[8-11]。本研究通过契伦科夫光分子成像技术对胃癌裸鼠移植瘤进行放射性核素光学分子成像，探索契伦科夫光诊断胃癌的可行性，为分子成像技术在胃癌诊断的临床应用探索新方法。

1　材料与方法

1.1材料BGC-803人胃癌细胞由中国医学科学院肿瘤医院实验中心王铮博士惠赠。先天性4～6周龄雄性Balb/c小鼠(购于中国医学科学院实验动物研究所)，体质量(21±3)g。将体外培养的BGC-803细胞以3×107细胞/ml的密度重悬于PBS缓冲液中，将6×106细胞(200 μl PBS悬液)接种于小鼠大腿内侧皮下。3～4周后，当肿瘤长至直径10～15 mm(0.8～1.3 g)后进行活体成像。实验中，对裸鼠进行气体麻醉[质量分数1.5%异氟烷，氧气(0.3 L/min)]。动物实验全部遵守武警总医院实验动物管理和保护条例。

1.2方法

1.2.1CLI图像采集2只胃癌裸鼠移植瘤模型尾静脉分别注射1.67×107Bq18F-FDG和3.34×107Bq18F-FDG，60 min后采用IVIS Spectrum进行成像，曝光时间100 s，采集移植瘤部位的光学信号。选取相同大小的ROI进行信号强度分析。成像完成后处死裸鼠，离体的移植瘤组织和肝、肾、心脏、胃肠道、肺脏采用IVIS Spectrum进行成像，曝光时间100 s。

1.2.2CLI动态成像1只胃癌裸鼠移植瘤模型尾静脉注射1.67×107Bq18F-FDG，分别于注药后40、60、80、100、120、140、160、180 min采用IVIS Spectrum进行成像，曝光时间100 s，采集移植瘤部位的光学信号。选取相同大小的ROI进行信号强度分析。

1.3统计学处理采用SPSS17.0软件进行统计学处理，以P<0.05为差异有统计学意义。

2　结　　果

2.1胃癌裸鼠移植瘤契伦科夫光学成像肿瘤部位出现放射性核素的浓聚，尾静脉分别注射3.34×107Bq18F-FDG和1.67×107Bq18F-FDG的胃癌移植瘤小鼠移植瘤部位ROI数值分别为：ROI1=8.432×105p/s，ROI3=3.172×105p/s；腹部正常ROI数值分别为：ROI2=2.103×105p/s，ROI4=0.795×105p/s(图1)。表明移植瘤部位CLI信号强度强于腹部正常部位，移植瘤部位信号强度随18F-FDG的活度增强而增强。解剖后移植瘤及不同器官成像(图2)。

图1　胃癌裸鼠移植瘤契伦科夫光学成像

A. 尾静脉注射3.34×107Bq18F-FDG荷瘤鼠；

B.尾静脉注射1.67×107Bq18F-FDG荷瘤鼠

ROI1、ROI3为移植瘤部位信号强度读数；ROI2、ROI4为腹部的信号强度读数

图2　移植瘤及各脏器离体契伦科夫光学成像

2.2契伦科夫光动态成像结果结果显示移植瘤在40、60、80、100、120、140、160、180 min的度数分别为：2.945×105、2.238×105、2.013×105、1.569×105、0.986×105、0.592×105、0.206×105、0.093×105p/s，见图3。结果表明随着时间的延长，移植瘤部位信号强度逐渐减弱，见图4。

图3　胃癌裸鼠移植瘤模型随时间变化的契伦科夫光学成像

图4　肿瘤部位信号强度随时间变化的折线

3　讨　　论

CLI是近年新兴的光学分子成像技术，由于使用与PET相同的放射性核素探针进行成像，较原有荧光分子成像技术相比克服了探针毒性这一光学分子成像临床转化应用的关键问题。本研究基于肿瘤部位对18F-FDG高摄取的特点，发现移植瘤部位CLI信号强度与放射性核素活度成正比，且随着时间的延长移植瘤的CLI信号逐渐减低，解剖后的成像结果进一步表明移植瘤部位出现CLI的信号浓聚，从而证实了CLI可以实现胃癌裸鼠移植瘤的放射性核素光学分子成像，为早期胃癌的检测提供了新的途径。笔者认为，肿瘤摄取放射性核素的能力与肿瘤大小、肿瘤组织的血供、肿瘤细胞的生长周期有关。由于本实验使用的是葡萄糖代谢探针，如果使用靶向性更好的探针，可能会取得更好的信噪比。

本研究结果发现，契伦科夫光信号微弱，需要较长的成像曝光时间(如本研究中采用的曝光时间为100 s)，且组织穿透性差，因此如何增强契伦科夫光的信号强度为今后的研究方向。另外，契伦科夫光的波长主要集中在蓝紫波段，组织穿透性弱，难以在人体表探测到胃部的契伦科夫光信号。在将来的CLI临床应用中利用胃肠道作为天然暗室的特点，研发与内镜结合的高灵敏、高传导效能的契伦科夫光采集设备以实现早期胃癌的内窥式放射性核素光学分子成像是亟待解决的问题。

【参考文献】

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[2]Frank I M, Tamm I E. Coherent visible radiation of fast electrons passing through matter[J]. Dokl Akad Nauk SSSR, 1937, 14:109-114.

[3]Ruggiero A, Holland J P, Lewis J S,etal. Cerenkov luminescence imaging of medical isotopes[J]. J Nucl Med, 2010,51(7): 1123-1130.

[4]Liu H,Ren G, Miao Z,etal. Molecular optical imaging with radioactive probes[J]. PLoS One, 2010, 5(3): e9470.

[5]Boschi F, Calderan L, D’Ambrosio D,etal. In vivo 18F-FDG tumour uptake measurements in small animals using Cerenkov radiation[J]. European JNM,2011,38(1):120-127.

[6]Xu Y, Chang E, Liu H,etal. Proof-of-concept study of monitoring cancer drug therapy with Cerenkov luminescence imaging[J]. JNM, 2012,53(2):312-317.

[7]Spinelli A, Ferdeghini M,Cavedon C,etal. First human Cerenkography[J]. JBO,2013,18(2):502.

(2015-05-08收稿2015-03-11修回)

(责任编辑郭青)