造影： PET 与 SPECT

正子射出断层摄影 (Positron Emission Tomography)

单光子射出计算机断层摄影(Single Photon Emission Computed Tomography)

PET 与 SPECT

理想造影核种的特性：生物、化学、物理性质放射核种的制造核分裂荷电粒子撞击Tc-99m 产生器化学螯合剂 vs 有机化学输送策略血脑障壁新陈代谢路径化学亲和力临床应用肿瘤造影与分期心脏造影基因治疗脑功能多巴胺路径﹐成瘾

造影

影像已移除

放射核种SI 单位是贝克 (Bq)

1 Bq = 1 dps( 每秒中的分裂次数 )

旧单位是居里 (Ci)

1 Ci = 3.7×1010 dps

活度 (A) = 蜕变率N0= 在时间 t = 0 时的放射核种数目N( t ) 是在时间’ t ’ 时放射核种的数目λ 是蜕变常数

λ= 0.693/T (T = 半衰期 )

dN/dt = -λN( t )

N( t ) = N0e-λt

A( t ) = A0e-λt

有效半衰期

物理半衰期﹐ TP [ 放射活性蜕变 ]

生物半衰期﹐ TB [ 从体内清出 ]

A = A0

A = A0 λP ＋ λB = λE

或

tphyse tbiole

tBPe )(

PBE TTT

111

BP

BP

TT

TT

有效半衰期

范例：一种有 6 小时半衰期的同位素附在不同生物半衰期的载体分子上

TP TB TE

6 hr 1 hr 0.86 hr

6 hr 6 hr 3 hr

6 hr 60 hr 5.5 hr

6 hr 600 hr 5.9 hr

有效半衰期

假设有 106 Bq 集中在肿瘤所在地﹐不同半衰期

核种 半衰期 (T) λ(sec-1) N

1 6 sec 0.115 8.7 x 107

2 6 min 1.75 x 10-3 5.7 x 109

3 6 hrs 3.2 x 10-5 3.1 x 1011

4 6 days 1.3 x 10-6 7.7 x 1012

5 6 years 4 x 10-9 2.5 x 1015

有效半衰期

假设放射性核种有 106 个原子集中在肿瘤所在地﹐不同半衰期 T

核种 半衰期 (T) λ(sec-1) 活性 (Bq)

1 6 sec 0.115 1.15 x 109

2 6 min 1.75 x 10-3 1.7 x 107

3 6 hrs 3.2 x 10-5 3.2 x 106

4 6 days 1.3 x 10-6 1.3 x 104

5 6 years 4 x 10-9 40

放射性核种的制造

反应器产生﹐核分裂

•重的核种 (A > 230) 捕获一个中子：倾向分裂

•子核种约有母核种质量之一半产生

•无载体 (carrier-free) 的核种纯化是可行的 ( 化学方法困难 )

•一般生成的核种为中子较多且以 β- 发射的方式蜕变

* carrier-free : 只有放射性核种存在﹐无稳定核种同时存在者

放射性核种的制造

影像已移除

放射性核种的制造

影像已移除

放射性核种的制造

回旋加速器的制造：荷电粒子的撞击

• 加速荷电粒子至高能状态

• 核反应有低限能量

• 产物与靶并不同

• 产生的核种为无载体

放射性核种的制造

影像已移除

理想诊断用核医药物的特性

1. 纯加马发射体2. 加马能量介于 100 至 250 keV 之间3. 有效半衰期 = 1.5 倍的检验期间4. 靶∕非靶 比值高5. 对病人与核医工作人员的辐射剂量低6. 对病患是安全的7. 化学反应性8. 不昂贵、有实际效用的核医药物9. 制备简单且若在一般院内制造能有质量控制

理想诊断用核医药物的特性

有一核种接近所谓的理想加马发射体核种

鎝 -99m (99mTc)

• 半衰期 = 6 hr

• 几乎是个纯 γ 射线发射体• E = 140 keV

• 能获得高的比活度与无载体

核种

99mTc 是核分裂产物99Mo 的蜕变产物

影像已移除

99mTc

核种表

99mTc

原始来源： Brookhaven国家实验室( 此网站已不再有人维护 - 见 http://www2.bnl.gov/CoN/)

99mTc 的蜕变图

99Mo 以放出 β 蜕变成 99mTc (99Mo ： T=67 hrs)

99mTc 激态藉由放出 γ(140 keV) 蜕变到基态 99Tc(99mTc ： T=6 hrs)

99Tc( 基态 ) 藉由放出 β 蜕变至 99Ru( 稳定同位素 )

(99Tc ： T=2×105年 )

影像已移除

放射活性平衡母核 N1 蜕变成子核 N2﹐ 两者皆具放射性。特殊例子：瞬时平衡

N1→N2 T1> T2﹐但差不大。 [A=λN A=A﹐ 0e-λt ]

dt

dN2 te 2te 1 te 2=λ1N1–λ2N2 =>=> A2=A10( – ) + A20

简单假设： A20=0 ：在 ~10 半衰期之后 ﹐ <<te 2 te 1

teAA 1

12

1102

teAA 1

101

12

112

AA12

1

1

2

A

A或

放射活性蜕变

例：99Mo(T=67 hrs)99mTc(T=6 hrs)

影像已移除Fig. 4.5 in Turner J. E. Atoms, Radiation, and RadiationProtection, 2nd ed. New York: Wiley-Interscience, 1995.

99mTc 产生器

99Mo 对一氧化铝柱吸收成为钼酸铵 (NH4MoO4)

99Mo(T=67 hrs) 蜕变 ( 以 β 蜕变 ) 成 99mTc(T=6 hrs)

99MoO4 离子变成 99mTcO4( 过鎝酸盐 , pertechnetate) 离子 ( 化性上不同 )

99mTcO4 对氧化铝的键结亲和力较低且可将生理食盐水通过氧化铝柱来作选择性洗涤。 影像已移除

螯合物

EDPA

乙烯二氨四醋酸影像已移除99mTc 巯替肽 (Mertiatide) 键结结构

影像已移除

鎝泮替酸盐 (pentetate) 键结结构

DTPA

螯合物

影像已移除

放射核种的产生

回旋加速器的备制．产物为质子较多、中子

缺乏．以 β+ 蜕变．正子发射物

影像已移除

核素图

“有机”元素13N [13N]NH3

15O [15O]H2O11C [11C].. 种类繁多

18F [18F]FDG( 主要 )原始来源： Brookhaven国家实验室

( 网址已不再有人维护 - 见 http://www2.bnl.gov/CoN/)

回旋加速器的生产

靶O-15 ： 14N(d,n)15O; 氘核打击在天然 N2 气上 ; 直接产生 15O2 或 C15O2, 以 5% 载体 CO2 气体混合。

C-11: 14N(p,α)11C; 质子打击在天然 N2 气上 ; 加入 2% O2, 产生 11CO2

N-13: 16O(p,α)13N; 质子打击在蒸馏水上

F-18: 18O(p,n)18F; 质子打击在富含 18O 之水 (H218O), 。 氟回收为液态溶液。利用亲核取代反应。

F-18: 20Ne(d,α)18F; 氘核打击在氖气上。利用亲电取代反应。

PET 核医药物

影像已移除

PET 核医药物

• 来自靶的 11CO2 转换成一高反应性的甲基药剂： 11CH3I 或 11CH3Tf

• 药剂蜕变至消逝时间为 12 分钟。• 放射化学产率以 11CO2 而言约 90%• 可获得高于 6Ci/μmol (220GBq/μmol) 的比活度。• 11C- 甲基化合物之各类前驱物能在几分钟内于二次反应试管中备制出来。

• 经过甲基化后﹐反应产物经由半备制的放射 -HPLC 分离出来﹐再经固项萃取设备纯化﹐接着放射性示踪剂形成一可注射的食盐水溶液。

投药策略

血脑障壁新陈代谢路径生物亲和力 影像已移除

19 世纪末的德国化学家 Paul Ehrlich 证实某些染料经静脉注射后无法染于脑中。相同的染料若注射到脑脊髓液﹐会对脑部与脊髓染色﹐但其它组织则否。

血脑障壁 (BBB)

功 能提供神经元所需的养分

葡萄糖• 唯一的能量来源 ( 成人脑部消耗量约每天

100 g 葡萄糖 )• 神经元需要在精确地浓度下获得持续的供给

BBB 有选择性• 葡萄糖与其它养分可以穿过• 蛋白质、碳水复合物、所有其它外来化合物都被排除在外

• 离子浓度被严格调控

影像已移除

药物传送

肿瘤没有血脑障蔽的机制

影像已移除

投药策略：新陈代谢路径

FDG2- 氟 -2-脱氧葡萄糖 B-D-葡萄糖

投药策略：新陈代谢路径

? FDG 被运送到细胞中

? FDG 被磷酸化成 FDG-6P ( 带电荷分子不能扩散出去 )

? FDG 是无法被酵素催化而进一步糖酵解的物质。

影像已移除

Glu → G6P → F6P → FBP

地图化人类脑部功能

18F-FDG PET 扫描显示葡萄糖代谢与不同任务之关连的不同图样。

影像已移除

FDG 于肿瘤学的应用

• FDG运输进入肿瘤的比例比周围正常组织高。• FDG已去磷酸化且能离开细胞。• 去磷酸化肿瘤内发生的速率较慢。

FDG 的应用• 局部未知的原发病灶• 肿瘤与正常组织的鉴别• 疾病的术后分期 (肺脏 , 乳房 , 结直肠 , 黑色素瘤 , 头颈 , 胰脏 )

• 复发 vs 坏疽• 复发 vs 手术后的变化 ( 以 FDG受限制 )

• 监测治疗的反应

投药策略：新陈代谢路径

PET 可提供较高的特定新陈代谢信息。

?FDG, MET, FLT 与运输介质合作?摄入程度是肿瘤分期的指标

11C- 甲硫胺酸 (MET)? 具肿瘤特异性?避免如 FDG 的高脑部背景值问题? 在慢性发炎或放射线造成的病灶中并无明显的摄取? 对低分期的神经胶质瘤而言MEG比 FDG 佳

FIAU2’-fluoro-2’-1-B-D-arabinofuranosyl-5-[124I]-uracil

FLT3’deoxy-3-fluoro-[18F]-L-thymidine

神经胶质瘤的功能性造影

造影目的• 定位与周围脑部活性的关连

• 生物活性 =恶性• 对治疗的反应

影像已移除

肿瘤复发 vs 放射治疗后的的变化

有 FDG 摄入意味着肿瘤复发

左： MRI

中： PET

右：融合影像

影像已移除

功能性造影肿瘤 vs 功能性脑部11C-MET + MRI 描绘肿瘤 ( 绿 )

[15O]H2O PET 描绘功能 ( 血流 )

脑部区域的刺激造成血流增加 ( 红 )

轻敲手指 (A)

动词产生 (B)

手术前分析以引导外科手术肿瘤造成脑部解剖上的肿胀与变形：勘测功能变得很关键

手术中电子刺激造成失语症：与 [15O]H2O PET的勘测地图区域关联性佳。

在手术中可将信息显示在神经导引系统中

影像已移除

复发肿瘤 vs 坏死

• MRI ( 右 ) 指出坏死• 11C-MET ( 左 ) 显示肿瘤复发

影像已移除

不同影像类型的影像关联性

高期别神经胶质瘤：三维影像决定出：? 定位? 范围? 新陈代谢上： MRI中： 11C-MET下： 18FDG

[ 注意较下方同一侧的葡萄糖新陈代谢 ]

影像已移除

骨骼扫描

骨骼扫描是第二常见的核医检查

临床应用：? 原发与转移骨肿瘤的侦测? 无法解释的骨痛评估? 应力骨折或其它肌肉骨骼受伤或疾病之诊断

例如膀胱癌：? 发生率渐增? 在许多西方国家中造成多数男性患者死亡?膀胱癌死亡者有 85% 转移到骨骼上? 新的病例中有 60% 有转移?骨转移会造成疼痛与衰弱?骨转移的诊断是进行肿瘤分期以决定治疗方式的程序中一部份

乳癌：?骨骼是较常发生转移之处? 所有病例中有 8% 发展出骨转移? 重症病例中有 70% 经历骨转移

骨骼

骨骼是由在胶原基质中的氢氧碳酸钙 Ca5(PO4)3OH的结晶状基质所构成的活组织

成骨细胞：新骨骼形成、受损处的修复、是新的结晶状氢氧碳酸钙沈降的由来

破骨细胞：骨骼再吸收、溶解骨骼 ?破骨细胞在转移肿瘤处中较活跃。

投药策略

焦磷酸盐ATP 水解后的正常代谢物骨骼中磷酸盐的来源

双磷酸盐? 对于骨骼成份中的氢氧基磷灰石 (hydrox

ypatite) 有亲合力? 于骨骼再成形或修复期间会并入结晶状

基质中? 用以减缓或避免骨质密度流失而骨质疏松

HO— P— O— OHP—

O∥

｜O–

O∥

｜O–

焦磷酸盐 (pyrophosphate)

HO— P— C— OHP—

O∥

｜O–

O∥

｜O–

双磷酸盐 (biophosphate)

｜R2

R1｜

骨骼扫描

正常儿童骨骼扫描 影像已移除

骨骼扫描

舟状骨骨折?48岁女性﹐在跌倒时伸手撑住后手

腕疼痛了两周。

?X光摄影显示正常

?血流 (13NH3) 于左手腕有增加现象( 上图 )

?左手舟状骨骨折显现在 99mTc-MDP 影像中 (下图 )

影像已移除

活跃的转移性疾病

41岁男性﹐肺癌患者﹐在右上肱骨疼痛﹐两侧肋骨疼痛了 2-3 个月﹐左膝疼痛了 3周 。

扫描检查显示多处有不正常的示踪剂摄入其中? 右肱骨? 肋骨多处? 左股骨? 尾椎与腰椎

影像已移除

惯状动脉疾病

利用 PET 与 / 或 SPECT 造影来获得以下信息：? 灌注? 新陈代谢?鉴别有生存力与无生存力的心肌

心脏造影

影像已移除

心脏压力试验

运动造成?HR(心搏率 ) 、收缩、 BP(血压 )增加?O2 需求增加?冠状血管扩张增加心肌血流

影像已移除

基因治疗

影像已移除

基因治疗

利用 PET 来确认基因表现的方向

FIAU PET讯号特别维持了 68 小时 ( 左 )意味着受 HSV TK(疱疹病毒胸腺嘧啶激素 )磷酸化。

相同的区域在经过 Ganciclovir( 一种注射药剂 )治疗后显示坏死( 右 ) 。

影像已移除

译者注： HSV TK 全名 Herpes Simplex Virus-thymidine kinase﹐为细胞自杀基因

FIAU为核酸类似物，可使癌细胞在核医分子造影下显现影像

PET 在物质滥用的研究

药物滥用

? 为何他们感到快乐舒服？? 脑部怎样改变而造成用量增加并导致成瘾性？

脑部功能

此系统的特定成份改变呈现出不同的疾病状态。

巴金森氏症老化物质滥用沮丧

影像已移除

脑部功能

定量 PET

?监测在感兴趣区域的讯号强度与时间的关系。

?动脉血流同时取样可获得讯号与血液中浓度的关联性

?拮抗剂阻断 PET 示踪剂摄入的药理剂量

影像已移除

药物成瘾性

?古柯碱：一种更强化的滥用药物

?古柯碱与 DA (DAT) 再摄入运体结合

? 由于 DAT 的阻碍造成富含 DA神经元的脑中区域之 DA浓度效应增强 ( 例如，基底核 ) 。

影像已移除

译者注： DA 即多巴胺 (dopamine)

药物成瘾性控制 1周戒毒 3 个月戒毒

影像已移除

FDG PET ：低额叶新陈代谢或许会构成在古柯碱成瘾中控制的丧失

药物成瘾性

影像已移除

古柯碱与派醋甲酯 ( 利他能 )

11C- 古柯碱

11C- 派醋甲酯?显示相同的分布? 在基底核中最高 (最高的 DAT浓度 )? 与相同受器结合?冷古柯碱会阻断 11C-派醋甲酯摄入?冷派醋甲酯会阻断 11C-古柯碱摄入

影像已移除

古柯碱与派醋甲酯 ( 利他能 )

口服派醋甲酯的药效上升速率慢而无法产生高效

DAT 阻断高峰静脉注射古柯碱： 4-6 分钟静脉注射派醋甲酯： 8-10 分钟口服派醋甲酯： 60 分钟?显示相同的分布

派醋甲酯的下降速率慢并不会导致「结合」行为。二次剂量不会产生较高的效果。

影像已移除