68Ga-bisphosphonates用于正电子发射断层扫描成像检测异位钙化

2023-09-05 13:44

George P. Keeling et al., 2023, Scientific Reports

摘要

双膦酸盐类化合物对羟基磷灰石等固态钙矿物质具有高亲和力，而羟基磷灰石是骨组织的主要无机成分。双膦酸盐尤其会在骨转移等高矿物质转换区域聚集，自20世纪70年代以来，以[^99mTc]Tc-MDP（通过伽马闪烁显像/SPECT成像）的形式，一直是骨骼疾病医学成像的基石。

正电子发射断层扫描技术的进步，因其高灵敏度和空间分辨率，重新激发了人们开发基于双膦酸盐的成像探针的兴趣。近年来，涌现出许多利用发生器生产的正电子发射体⁶⁸Ga（半衰期68分钟）的新型双膦酸盐示踪剂，其应用主要集中在检测骨转移。然而，目前临床上用于骨转移PET成像最常用的示踪剂是[¹⁸F]NaF，其作用原理是氟离子能够取代羟基磷灰石结构中的羟基。

此前，作者已证明[¹⁸F]NaF的结合模式导致其对羟基磷灰石具有高于其他钙矿物的结合特异性。然而，双膦酸盐（通过膦酸基团与钙离子相互作用结合）对钙矿物的亲和力范围则广泛得多。羟基磷灰石在骨骼中的普遍存在使得[¹⁸F]NaF成为优秀的骨成像示踪剂。另一方面，关于异位钙化（定义为"钙在骨组织外的组织中沉积"，包括血管钙化等病变）矿物成分的报道则多种多样且相互矛盾。这些钙化通常被统称为羟基磷灰石，作为所有形式的磷灰石或固态含钙矿物的统称。然而，文献中的普遍共识是，早期钙化始于无定形磷酸钙和镁磷钙石形成的微钙化，随着钙化进展，羟基磷灰石晶体形成并融合成更大的板块或斑块状大钙化。但这取决于钙化的位置及其根本原因等多种因素。这一共识过于简化，实际上可观察到包括羟基磷灰石、磷灰石、（无定形）磷酸钙、镁磷钙石、草酸钙和碳酸钙在内的一系列钙盐。多项研究已证明，钙化存在于多种疾病中，包括动脉粥样硬化、年龄相关性黄斑变性、阿尔茨海默病、肌营养不良、多种癌症、肾结石和慢性肾病。

然而，[¹⁸F]氟化钠是目前临床用于异位钙化成像的唯一PET示踪剂，尽管近期研究表明基于双膦酸盐的PET示踪剂[⁶⁸Ga]Ga-NODAGAZOL在动脉粥样硬化斑块钙化成像中具备可行性。鉴于此类钙化中可能存在不同形态的钙盐，作者提出假说：当羟基磷灰石（HAp）并非钙盐主要存在形式时，[¹⁸F]氟化钠这种HAp特异性示踪剂可能并非最理想的显像剂。为验证该假说，作者采用可在大鼠多个主要器官形成宏观/微观钙化的动物模型，对比了[¹⁸F]氟化钠与⁶⁸Ga螯合剂三羟吡啶酮（THP）的双膦酸盐偶联物[⁶⁸Ga]Ga-THP-Pam的显像效果，揭示了因钙盐矿物组成差异导致的显像结果区别。

nanoScan PET/CT 扫描结果

在第11天，通过吸入异氟烷（1.5–4%，氧气为载体）麻醉大鼠，并使用无菌生理盐水对大鼠尾静脉进行插管。每只大鼠经静脉注射[⁶⁸Ga]Ga-THP-Pam（100 ± 20 µL，1.0–6.6 MBq）。注射后，将大鼠置于温暖的床位上，在麻醉状态下维持体温30分钟。随后将大鼠置于Mediso nanoScan® PET/CT扫描仪中，继续保持麻醉，床位加热以维持正常体温，并进行CT扫描（55 kVp）。注射后1小时，进行为期1小时的PET采集（3 × 20分钟视野，符合模式1:5；符合时间窗5纳秒）。

在第12天，再次通过吸入异氟烷（1.5–4%，氧气为载体）麻醉大鼠，并进行尾静脉插管。每只大鼠经静脉注射溶于无菌生理盐水的[¹⁸F]NaF（100 ± 15 µL，2.7–11.7 MBq），并于注射后1小时，使用与第11天相同的程序在PET/CT扫描仪上进行成像。扫描结束后，在注射后2小时处死动物，进行离体生物分布研究。

此外，对不进行成像的大鼠，同样通过吸入异氟烷（1.5–4%，氧气为载体）麻醉并进行尾静脉插管。大鼠经静脉注射[⁶⁸Ga]Ga-THP-Pam（100 ± 5 µL，3.9–10.9 MBq）。大鼠在麻醉状态下置于温暖的床位上维持体温2小时，并于注射后2小时处死，进行离体生物分布研究。收获器官并称重，与由注射物制备的标准品一同用γ计数器进行计数。感兴趣的器官和血管系统（心脏、肺、胃、肾脏、主动脉、肠系膜血管和股动脉）在称重后，固定于10%中性缓冲福尔马林中，随后石蜡包埋以备进一步分析。

对于放射自显影，在生物分布研究期间，从四只大鼠（两只喂食EC饮食，两只喂食健康饮食）在注射相同体积（100 ± 10 µL）的同一批次[⁶⁸Ga]Ga-THP-Pam后2小时，收集腹主动脉段（长约1厘米，以腹腔动脉和肠系膜上动脉分支点为中心）。将主动脉置于PerkinElmer MultiSensitive磷屏（12.5 × 25.2 cm）下曝光5分钟，然后将磷屏置于Typhoon 8600可变模式成像仪中读取。结果使用开源图像处理与分析软件Fiji进行处理。图像使用mpl-inferno色阶进行伪彩着色。

使用两种放射性示踪剂的PET/CT成像（图2、3a、b，表S1）显示，骨骼外钙化饮食组（EC）与健康饮食组在大鼠骨骼中的摄取水平相同（图3b），但在其他器官中存在差异。例如，EC饮食组大鼠的胃和肾脏对[⁶⁸Ga]Ga-THP-Pam的摄取（胃：3.44±0.69%注射活度；肾脏：2.21±0.76%注射活度）均高于对[¹⁸F]NaF的摄取（胃：0.91±0.24%注射活度；肾脏：0.19±0.06%注射活度）。而健康饮食组大鼠在这些器官中对两种示踪剂的摄取均显著更低。两组间比较还发现，心脏对两种示踪剂的摄取以及肺部对[⁶⁸Ga]Ga-THP-Pam的摄取均出现显著升高。CT影像可见主动脉和胃部钙化，PET通过两种示踪剂也检测到相应部位的钙化信号（图3a、c）。