氧化钨(WO3-x@BSA)纳米颗粒的CT成像

闫 伟，王东新*，郭晋纲，洪紫薇

(1.山西医科大学公共卫生学院卫生检验教研室，山西 太原 030001；2.山西省肿瘤医院核医学科，山西 太原 030013)

氧化钨(WO3-x@BSA)纳米颗粒的CT成像

闫 伟1，王东新1*，郭晋纲2，洪紫薇1

(1.山西医科大学公共卫生学院卫生检验教研室，山西 太原 030001；2.山西省肿瘤医院核医学科，山西 太原 030013)

目的探讨氧化钨(WO3-x@BSA)纳米颗粒作为CT对比剂的CT成像价值。方法测定以不同浓度WO3-x@BSA纳米颗粒、碘海醇为对比剂时增强CT的CT值；在管电压相同时，测定不同浓度钨的CT值；绘制浓度与CT值、电压与CT值的关系曲线。进行动物模型体内、外实验，通过尾静脉和腹腔2种注射方法将WO3-x@BSA纳米颗粒分别注入2只活体SD大鼠体内，经门静脉将WO3-x@BSA纳米颗粒注入新鲜离体猪肝，观察WO3-x@BSA纳米颗粒作为对比剂的CT成像效果。结果相同浓度时，钨对比剂的CT值高于碘对比剂，图像密度更高；当WO3-x@BSA纳米颗粒对比剂浓度相同时，CT值随管电压的减小而增大。经不同途径注入大鼠体内的WO3-x@BSA纳米颗粒均可到达各组织脏器，CT呈高密度。WO3-x@BSA纳米颗粒进入新鲜离体猪肝后沿血管进行扩散、浸润分布，CT成像效果良好。结论WO3-x@BSA纳米颗粒作为对比剂CT成像效果良好。

氧化钨纳米颗粒；体层摄影术，X线计算机；大鼠；动物实验

CT已被广泛用于临床疾病诊断[1-2]，高质量CT图像常需借助对比剂，碘对比剂优势为患者耐受性良好、性能稳定、渗透压较低等；但同时也有其局限性，如可快速被肾脏清除致成像时间缩短、肾毒性大、在体内循环时间短等。此外，因其不具有靶向性而在肿瘤靶向CT成像中应用受限[3-6]，X射线可诱导碘物质电离出碘离子导致毒性增强，且无法应用于对碘剂过敏的患者。随着纳米科技的迅速发展，纳米材料与医学的联系更加密切。在CT对比剂研究方面，已涌现出大量基于纳米颗粒的对比剂，具有增强X射线衰减能力、毒性低及体内循环时间长等特点，克服了含碘小分子对比剂的缺点[7-8]。氧化钨纳米颗粒作为CT对比剂易于制备，价格低廉等优点，对X射线具有较高的光衰减能力，且CT成像敏感度高于分子碘对比剂[9-10]。本研究通过体内、外实验探讨氧化钨(WO3-x@BSA)纳米颗粒作为对比剂的CT成像价值。

1 材料与方法

1.1 WO3-x@BSA的制备 称取75.4 mg氧化钨(WO3-x)纳米颗粒置于3.77 ml蒸馏水中，超声分散30 min，配制成20 mg/ml的WO3-x悬浊液。称取21.6 mg BSA，加入4.32 ml PBS配制成5 mg/ml的BSA溶液。将1 500 μl BSA溶液滴于5 ml离心管内，同时加入等体积WO3-x悬浊液进行1∶1配液，轻轻摇匀，制备成WO3-x@BSA混悬液，置于4℃冰箱中冷藏备用。

1.2 CT成像及CT值的测定 将氧化钨纳米颗粒混悬液和医用碘海醇分别配制为9个不同梯度的摩尔浓度溶液(1～9依次增高)，相应浓度梯度的钨、碘质量相同。配制氧化钨纳米颗粒摩尔浓度梯度为0、2.25、3.50、5.70、11.50、22.50、37.50、75.00、150.00 mmol/L，医用碘海醇配制碘摩尔浓度梯度为0、3.30、5.50、11.00、22.00、38.50、55.00、110.00、220.00 mmol/L，分别置于96孔板中。CT成像采用GE Discovery 670 CT扫描仪，扫描参数：层厚0.5 mm，管电压为80、100、120 kV，管电流80 mA，矩阵1024×1024，机架旋转时间0.4 s。记录各孔CT值，并以元素摩尔浓度为横坐标，CT值为纵坐标进行曲线拟合。

1.3 实验动物 2只健康成年雄性洁净级SD大鼠[山西医科大学动物中心提供，动物许可证编号：SCXK(晋)2015-0001-2833]，体质量297～303 g，鼠龄8周。将2只大鼠随机编号(Ⅰ、Ⅱ)，分别置于2个鼠笼内于相同环境下饲养。将Ⅰ、Ⅱ号大鼠取出并经乌拉坦麻醉，Ⅰ号大鼠经尾静脉、Ⅱ号大鼠经腹腔按2 ml/kg体质量分别注射0.6 ml WO3-x@BSA混悬液。

1.4 大鼠CT成像 将Ⅰ、Ⅱ号大鼠正常喂养24 h后取出麻醉，并取仰卧位固定于鼠板上，进行CT扫描，扫描参数：层厚0.5 mm，管电压80 kV，管电流80 mA，矩阵1024×1024，机架旋转时间0.4 s。观察WO3-x@BSA纳米颗粒进入SD大鼠内各组织CT成像情况，记录结果。

1.5 离体猪肝CT成像 取新鲜离体猪肝解剖分离后采用pH=7.4的PBS溶液冲洗干净，经门静脉注射11.5 mmol/L WO3-x@BSA混悬液，进行CT扫描，观察WO3-x@BSA纳米颗粒进入猪肝内的CT成像情况，记录结果。

2 结果

2.1 钨与碘对比剂的体外CT值测定及CT成像

2.1.1 不同浓度钨与碘对比剂体外CT成像 1～9浓度梯度的钨与碘溶液(钨、碘质量相同)的CT值见表1，钨与碘溶液的CT值随摩尔浓度的增加而增大。CT成像显示随摩尔浓度的增加，图像密度增大，且当钨与碘的摩尔浓度接近时钨呈现CT增强图像密度大于碘(图1)。以摩尔浓度为横坐标，CT值为纵坐标进行曲线拟合，结果显示两者CT值均随浓度的增加而增大，线性关系良好。相同浓度时氧化钨纳米颗粒对比剂的CT值较碘对比剂高；相同CT值时，所需钨对比剂的浓度较小(图2)。

图1 不同浓度梯度的钨与碘溶液体外CT成像图 (I：碘；W：钨：1～9为摩尔浓度梯度)

2.1.2 氧化钨纳米颗粒对比剂的CT值与管电压的关系 以摩尔浓度为横坐标，CT值为纵坐标进行曲线拟合，不同管电压时曲线见图3，结果显示当对比剂浓度相同时，CT值随管电压的减小而增大。

表1 系列浓度梯度钨与碘溶液的CT值

图2 钨与碘CT值随浓度的变化曲线 (I：碘；W：钨) 图3 不同管电压下钨的CT值随浓度的变化曲线

2.2 活体大鼠CT成像 Ⅰ号大鼠经尾静脉注射对比剂，其尾静脉、心脏、心肺结合部、肺脏、肝脏、脾脏及肾脏均呈高密度影(图4)。Ⅱ号大鼠经腹腔注射对比剂，其腹腔、心脏、心肺结合部、肺脏、肝脏及肾脏均呈高密度影(图5)。

2.3 离体猪肝CT成像 经门静脉注射氧化钨纳米颗粒对比剂后，离体猪肝的门静脉呈高密度影，周围组织密度低于门静脉(图6)。

3 讨论

纳米材料可因特殊效应(如表面效应、体积效应及量子尺寸效应等)致物理特性(磁、光、力学等)发生变化的特点成为研究热点[11]，目前已展示出在纳米化学、分子影像学及环境监测等方面的巨大应用潜力。研究[12]发现，管电压为100 kV时，金对X射线的吸收系数(5.16 cm2/g)大于碘(1.94 cm2/g)，单位质量金的造影效果优于碘约2.7倍，且金纳米颗粒的制备技术较成熟，故其作为CT对比剂具有良好的应用前景[13]，但由于其造价较高而不利于推广。相比碘高分子聚合物和金纳米材料。管电压为100 kV时，钨对X射线的吸收系数(4.438 cm2/kg)大于碘的吸收系数(1.94 cm2/kg)，这为氧化钨纳米颗粒作为CT对比剂可提高检测敏感度提供了理论依据。Huo等[10]采用氧化钨纳米颗粒作为CT对比剂对荷瘤小鼠和兔子的淋巴组织进行研究，体外噻唑蓝实验表明聚乙二醇修饰后的氧化钨无细胞毒性。上述研究结果为氧化钨纳米颗粒作为CT对比剂用于疾病的诊断检测提供了有力的实验依据。纳米材料设计及合成的飞速发展推动了分子成像的应用，因而为高敏感度纳米探针的设计和开发带来了机遇。

图4 活体SD大鼠经尾静脉注射药物后CT成像图 A.尾静脉注射点； B.心脏； C.心肺结合部； D.脾脏； E.肾脏 (箭示增强区域)

图5 活体SD大鼠经腹腔注射药物后CT图 A.腹腔注射点； B.心脏； C.心肺结合部； D.肺脏； E.肝脏； F.肾脏 (箭示增强区域)

图6 新鲜离体猪肝脏经门静脉注射WO3-x@BSA纳米颗粒对比剂后的CT成像

本研究通过测定不同浓度碘与钨的体外CT值，发现浓度相同时钨的CT值较碘高，而CT值相同时，钨的浓度比碘小，提示相比于碘化物，WO3-x@BSA纳米颗粒作为CT成像对比剂具有密度更高、原材料消耗更少、更经济等优点。而通过在管电压相同时，测定不同浓度钨的CT值发现，当浓度相同时，钨的CT值随管电压的减小而增大；提示低管电压有利于提高钨的敏感度，从而提高图像的分辨率和清晰度。另外降低管电压可减少人体对X线的吸收，从而减少人体对X线的辐射暴露。

本研究采用2种注射方法将WO3-x@BSA纳米颗粒注入大鼠体内，发现经不同途径进入体内的WO3-x@BSA纳米颗粒均可到达各组织脏器，CT呈高密度影。①经尾静脉注射：注入部位因药物滞留而呈高密度影，药物由随血液循环到达心脏，因此心脏也呈高密度影，但显像信号强度下降，提示药物在体内循环过程中存在稀释、代谢；当药物随循环代谢到达肺脏，肺脏又是机体的小循环，因此肺脏也呈高密度影；而药物到达心脏后会随着血液循环也到达肺部血管内，因此心肺结合部位也呈高密度影；因脾脏是机体血细胞更新代谢器官，含血量丰富，药物随血液循环到达此处，因而也呈高密度影；肾脏为机体代谢器官，药物进入体内后随血液循环进行代谢，由肾脏排出，所以肾脏内药物含量高，呈现高密度影。②经腹腔注射：注射部位呈高密度影，由于腹腔内肠网膜血液循环丰富，药物注射后，经毛细血管吸收进入血液循环，到达心脏，因此心脏也呈高密度影；药物在血液内进行循环代谢分布，心肺结合部、肺脏呈高密度影；肝脏为机体最大的物质循环代谢场所，药物经体内的大小循环后最终到达肝脏进行代谢，因而肝脏呈高密度影；药物进入腹腔内到达肾表面，经肾脏被膜内毛细血管吸收，药物与肾脏组织结合，呈高密度影。2只大鼠在注射药物后，均无明显的外在异常反应，可为WO3-x@BSA纳米颗粒作为对比剂应用于临床CT成像提供实验依据。

本研究中将WO3-x@BSA纳米颗粒经门静脉注入新鲜离体猪肝并行CT成像，发现门静脉呈高密度影，周围组织密度低于门静脉。药物经门静脉进入肝脏后沿血管进行扩散、浸润分布，其浓度随药物的扩散，也逐渐下降，对射线的吸收能力也随之降低；因此密度最高部位即为门静脉，周围密度低于门静脉。

综上所述，WO3-x@BSA纳米颗粒作为对比剂CT成像效果良好。目前，具有靶向、载药功能的纳米造影剂不断被研发，旨在用于肿瘤等疾病的靶向诊治[14]。周航等[15]制备靶向癌胚抗原载药的纳米超声对比剂，用于对肿瘤组织的靶向超声造影及治疗，将提高肿瘤的诊疗效率。虽然将新型对比剂用于临床还需很长时间，但笔者相信在不久的将来一定会有敏感度高、特异度强、靶向性好的对比剂用于临床，将对医学成像、诊断及治疗产生深远的影响。

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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

中国博士后科学基金(2015M571286)、山西医科大学博士启动基金(03201412)、山西医科大学青年基金(02201508)、山西医科大学科技创新基金(01201503)。

闫伟(1986—)，女，山西晋中人，硕士，助理实验师。研究方向：新型纳米对比剂研究。E-mail: yanwei@sxmu.edu.cn

王东新，山西医科大学公共卫生学院卫生检验教研室，030001。E-mail: wdx2002hx@aliyun.com

2017-04-07

2017-08-16