CT/荧光双模对比剂与X线单源双模成像研究

摘要

生物医学成像方法主要包括X线投影成像、X线计算机断层成像(CT)、磁共振成像(MRI)、单光子发射型计算机断层成像(SPECT)、正电子发射型断层成像(PET)、荧光成像、红外成像、超声成像等，以上方法分别侧重于生物体的解剖结构和功能代谢成像，它们在分辨率、扫描成像时间、穿透性、生物安全性等方面有着比较大的差别，应用于不同的科学研究和临床诊断领域。针对各种不同的成像方式，为获取更好的图像质量和组织细节，已开发出相对应的各种对比剂（造影剂）。近年来，纳米材料对比剂的研究为医学成像和诊断提供了新的技术方法;新型纳米材料如磁性氧化铁纳米粒子、金纳米粒子、荧光量子点(QDs)都拥有独特的性质，不仅具有长循环、靶向特异性、生物相容性，而且在MRI、CT和荧光成像技术等方面具备良好的对比增强能力。
　　多模态对比剂是指将X线成像、CT、MRI、SPECT、PET、荧光成像、红外成像、超声成像等影像模式中的两种或两种以上的对比剂整构到一起形成的新型对比剂，通过一次给药，便可同时进行两种或两种以上影像设备的增强成像。多种模态联合对比增强，能够充分发挥各模态的优势，发挥互补作用，得到更全面更准确的诊断信息。随着分子影像和纳米技术的发展，目前已有许多基于不同的纳米粒子平台设计的双模或三模对比剂，具有广阔的生物医学研究和临床应用前景。
　　CT/荧光双模对比剂成像可充分发挥CT、荧光成像技术结合的优势，得到检查对象更丰富的影像学信息。CT具有高空间分辨率、能得到完整的三维信息、扫描和图像重建快速等优点，荧光成像具有高灵敏度、安全可靠、快速响应等优点，CT/荧光双模成像可实现解剖结构和功能代谢成像的结合。本论文就CT/荧光双模对比剂材料、成像条件和仪器方法，开展了以下几个方面的研究工作:
　　1、CT/荧光双模成像对比剂制备及表征
　　选择碘化油注射液作为CT对比剂，油溶性ICG-Der-01荧光染料作为近红外荧光探针，在PEG(25)单硬脂酸酯和卵磷脂组成的混合乳化剂的作用下，首先搅拌然后用超声作用于混合液来制备ICG-Der-01荧光染料的碘油纳米乳。电镜和水动力尺寸测量表明，通过调节碘油、表面活性剂用量及超声功率，可以获得平均尺寸为25nm、60nm和100nm的双模态碘油纳米乳，并且随着纳米乳浓度的增加，其荧光信号和CT值明显增加，可作为双模态对比剂进行研究。
　　2、CT/荧光双模态成像纳米乳尺寸依赖组织分布及靶器官研究
　　通过荧光扫描成像、临床CT成像、活体Micro CT成像和高分辨率Micro CT成像，从活体、组织不同层次以及不同分辨率方面，研究了CT/荧光双模态纳米乳的成像能力、组织分布及靶器官;并应用组织病理学方法对CT/荧光双模态对比剂在小动物体内主要器官的组织细胞分布状况进行研究，为CT/荧光双模态影像增强实验提供参考和验证。
　　荧光扫描成像具有灵敏度高的特征，能够清楚地表明双模态纳米乳在小鼠体内靶器官主要为肝脏，但是由于成像分辨率的限制，无法观察到一些细节分布信息。进一步采用临床CT扫描比较不同水动力尺寸的对比剂对不同器官的CT增强成像。结果表明，碘油纳米乳的主要靶器官为肝脏和脾脏，并且具有明显的剂量和尺寸依懒性，较大尺寸的纳米乳更易在脾脏和肝脏累积，这种吞噬截留效应随纳米乳尺寸减小而减小;注射对比剂后动脉期下腔静脉有CT峰值出现，随着对比剂全身分布以及肝脾逐渐累积和代谢，下腔静脉CT值表现为动脉期后快速下降并且有微弱的恢复。进一步采用小动物活体Micro CT扫描成像技术研究了不同尺寸的双模态碘油纳米乳在小鼠体内靶器官（肝、脾）累积分布，其分布规律与临床CT成像结果基本一致。还采用高分辨率Micro CT对小鼠肝脏和脾脏组织进行了离体成像研究。由于高分辨率Micro CT分辨率达到1.7μm，因此可以获得对比剂在组织中的分布细节信息，对比剂在肝脾组织的富集形成了局域点状分布区域，在图像中可显示的最小高密度区域大小为0.01 mm2-2mm2。同时通过病理组织学方法对小鼠注射碘油纳米乳对比剂的组织细胞分布进行了研究，在组织细胞层面验证了碘油纳米乳对比剂的肝、脾靶向集聚作用，在心脏组织中偶见，在肺组织则没有对比剂聚集效应。
　　3、叶酸修饰的碘油纳米乳探针制备及肿瘤靶向临床CT成像
　　制作小鼠Hela宫颈癌肿瘤模型，研究叶酸靶向的碘油纳米乳在肿瘤中的累积效应。结果表明，小鼠在注射碘油纳米乳后，Hela宫颈癌肿瘤和肝脏部位的CT值均有所增强;随着时间推移，CT增强效果逐渐增大，肿瘤和肝脏部位CT值约在120min-180min达到峰值。叶酸靶向的碘油纳米乳可考虑作为是一种长循环、特定肿瘤靶向的对比剂。
　　4、X线激发的CT/荧光同步双模态成像方法和图像研究
　　选用BaPt(CN)4作为X线激发的荧光材料，其发光强度大，且无需混合激活剂即可得到较强的激发光。本论文设计并搭建了一种新的X线单源发射Micro CT/荧光双模态断层成像系统，用于结合X线荧光材料进行生物样本双模成像。系统包括了一个X线Micro CT成像子系统和一个荧光分子断层成像子系统，两种模态高度耦合，利用唯一的X线源作为Micro CT的射线源和荧光材料激发源，单次扫描双模同时成像，最终得到双模融合效果。进行了活体小鼠体内成像实验，结果表明，通过X线单源发射，能够获得双模态成像后小鼠的结构和功能信息。因此，X线单源发射双模态断层成像系统通过X线Micro CT和荧光双模态联合成像能够实现低剂量射线辐照条件下高效准确地获取更丰富的诊断信息。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 生物医学成像方法

1．2 CT／荧光双模态成像

1．2．1 CT成像原理、方法和特点

1．2．2 荧光成像原理、方法和特点

1．2．3 CT／荧光双模态成像与分子影像

1．3 多模态成像对比剂

1．4 本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 CT／荧光双模成像对比剂的制备表征与小动物体内组织细胞分布

2．1 引言

2．2 ICG-Der-01荧光染料-碘油纳米乳制备及表征

2．2．1 实验材料与仪器

2．2．2 实验方法

2．2．3 结果与讨论

2．2．4 小结

2．3 碘油纳米乳在小鼠主要器官中的病理组织学方法的分布研究

2．3．1 实验材料、仪器和方法

2．3．2 结果与讨论

2．3．3 小结

2．4 本章总结

参考文献

第三章 ICG-Der-01荧光染料-碘油纳米乳的CT／荧光双模态影像增强研究

3．1 引言

3．2 CT／荧光双模态纳米乳在小鼠体内荧光扫描成像研究

3．2．1 实验材料、仪器和方法

3．2．2 结果与讨论

3．2．3 小结

3．3 碘油纳米乳在体临床CT扫描成像研究

3．3．1 实验材料、仪器和方法

3．3．2 结果与讨论

3．3．3 小结

3．4 碘油纳米乳在体靶器官Micro CT扫描成像研究

3．4．1 实验材料、仪器和方法

3．4．2 结果与讨论

3．4．3 小结

3．5 碘油纳米乳在体靶器官高分辨Micro CT扫描成像研究

3．5．1 实验材料、仪器和方法

3．5．2 结果与讨论

3．5．3 小结

3．6 本章总结

参考文献

第四章 叶酸修饰的碘油纳米乳用于小动物肿瘤靶向CT成像研究

4．1 引言

4．2 叶酸修饰的碘油纳米乳探针制备及表征

4．2．1 实验材料与仪器

4．2．2 实验方法

4．2．3 结果与讨论

4．2．4 小结

4．3 叶酸修饰的碘油纳米乳用于小鼠肿瘤靶向临床CT成像研究

4．3．1 实验材料、仪器和方法

4．3．2 结果与讨论

4．4 本章总结

参考文献

第五章 X线单源Micro CT／荧光双模同步成像技术研究

5．1 引言

5．2 X线激发荧光材料

5．3 X线激发Micro CT／荧光双模同步成像理论基础与系统搭建

5．3．1 X线Micro CT成像技术

5．3．2 荧光断层成像技术

5．3．3 X线单源Micro CT／荧光双模同步成像平台设计与实现

5．4 实验材料与仪器

5．4．1 实验材料

5．4．2 实验仪器

5．5 实验方法

5．5．1 样品准备

5．5．2 选择X射线源激发参数

5．5．3 X线-荧光同步扫描

5．6 实验数据处理及结果

5．6．1 数据处理

5．6．2 Micro CT成像

5．6．3 荧光分子断层成像

5．6．4 Micro CT／荧光双模断层成像

5．6．5 讨论

5．7 本章总结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文展望

攻读博士期间发表的论文和主要成果

致谢