体内实时正电子发射粒子追踪（PEPT）与单粒子PET成像
Juan Pellico et al, Nature Nanotechnology, 2024
正电子发射粒子追踪（PEPT）技术能以高时空分辨率实现单个正电子发射放射性标记粒子的三维定位与动态追踪。然而，由于缺乏以足够高比活度标记生物相容性粒子的方法，以及在亚微米尺度（低于毛细血管栓塞阈值）内分离单颗粒的技术方案有限，PEPT在生物医学成像领域的应用一直进展有限。本研究报道两项关键突破：一是合成了直径950纳米的均质亚微米级二氧化硅颗粒（smSiP），并通过⁶⁸Ga标记实现了前所未有的高比活度（单颗粒活度达2.1 ± 1.4 kBq）；二是成功分离并操控单个亚微米级颗粒。基于这两项进展，我们利用临床前PET/CT系统，首次实现了对单个放射性标记亚微米颗粒的活体PEPT追踪与动态正电子发射断层扫描（PET）成像。该研究为在全身尺度、以极低放射性剂量和微量注射材料实时定量评估活体血流动力学开辟了新途径。
采用Stöber法合成二氧化硅颗粒，并用Ga-68进行放射性标记。为测试临床前PET扫描仪在此放射性活度水平下是否具备获取高质量图像的足够灵敏度，我们对一个装有2.1 kBq Ga-68标记二氧化硅颗粒的样品管进行了2小时的成像。图像显示，在不同的5分钟时间帧内，扫描仪均表现出足够的灵敏度（图3a）。
图3a：将2.1 kBq的68Ga-smSiP悬浮于50µl 1×PBS缓冲液置于样品管中，分别采集0~5、5~10、25~30及55~60分钟时段的体外PET/CT成像。结果表明，扫描仪对该放射强度具有足够的检测灵敏度。
随后，我们在健康的BALB/c小鼠体内进行了活体PET/CT成像。对一只经尾静脉注射1.5 kBq 68Ga-smSiP的小鼠进行动态PET图像重建，结果显示注射后仅5分钟，肺部就出现单一放射性浓聚点。有趣的是，该颗粒在注射后5至10分钟间向肺右下侧发生细微移动，随后保持静止状态（图3c）。
图3c：BALB/c小鼠静脉注射单剂量1.5 kBq 68Ga-smSiP后0-5、5-10、25-30及55-60分钟的体内PET/CT成像。在55-60分钟图像上划定感兴趣区域（ROIs），分别标注肺（黄色）、心脏（蓝色）和肝脏（红色）区域以便于区分。比例尺代表标准化摄取值（SUV）。
在正电子发射断层扫描重建图像的各个时间帧中，围绕示踪粒子划定感兴趣区域以量化信号。经衰减校正的平均活度值为注射活度的97±3%。虽然PET中的活度量化对体内PEPT的最终应用可能不具直接意义，但表明在低活度条件下仍能对信号实现良好表征。
利用PET采集生成的列表模式数据集，采用伯明翰PEPT定位法对粒子位置进行追踪。
图4a显示注射后前5分钟粒子位于肺部的PET影像，以及在注射后5-10分钟期间向肺右下方位移的过程。图4b-d展示了不同时间点的粒子追踪轨迹，所有粒子位置均与CT影像完成配准。
图4a： BALB/c小鼠静脉注射单次1.5 kBq 68Ga-smSiP后0–5分钟和5–10分钟时的体内PET/CT叠加图像，图中绘制并标示了感兴趣区，分别界定肺部（黄色）和心脏（蓝色）。b–d： 利用PET采集生成的列表模式数据，对小鼠应用PEPT技术。
尾静脉注射后，粒子运动迅速（速度约为48 mm/s）。在扫描开始的前30秒内，首先可见粒子的第一个追踪点出现在下腹部；随后，追踪显示其穿过心脏并移动至肺部下侧区域。粒子进入肺部后的前后运动范围限制在约±2毫米，表明其运动遵循小鼠的呼吸模式。
