切伦科夫光信号增强及三维重建研究

摘要

目的：
　　切伦科夫光学显像（CLI）是利用放射性核素的切伦科夫效应进行光学显像的一种显像方式，具有灵敏度高，操作便捷，经济实用的优点。但由于其穿透力不足，其广泛运用受到限制。利用稀土纳米颗粒（RENPs）的切伦科夫能量转移（CRET）效应对切伦科夫光信号进行增强得到切伦科夫激发荧光信号（即增强光信号）。研究并比较不同种类的稀土纳米颗粒对68Ga放射性核素切伦科夫光信号的增强效能；研究增强光信号强度与放射性核素活度及稀土纳米颗粒浓度之间的量化关系；筛选出增强效能最佳的稀土纳米颗粒对切伦科夫光信号进行增强，并分别基于增强光信号和切伦科夫光信号对仿体模型（匀质）和裸鼠模型（非匀质）行三维重建，研究基于增强光信号的三维重建效果是否优于基于切伦科夫光信号的三维重建效果。
　　方法：
　　1.筛选具有最佳切伦科夫光信号强度的核素和具有最佳光信号增强效能的稀土纳米材料。在体外分别用68Ga（185 kBq）和18F-FDG（185 kBq）进行切伦科夫光学显像，比较二者的切伦科夫光信号强度；在体外用68Ga（740 kBq）核素分别激发Y2O3:Eu3+，Er2O3及Eu2O3纳米颗粒（10 mg/mL），并与单独68Ga核素产生的切伦科夫光信号进行对比。2.探究增强光信号强度与放射性核素活度及稀土纳米颗粒浓度的关系。保持稀土纳米颗粒浓度（10 mg/mL）不变，改变68Ga活度（3700 kBq,1850 kBq,925 kBq,463 kBq,231 kBq和0 kBq）以及保持68Ga活度（3700 kBq）不变，改变RENPs浓度（10.0 mg/mL,5.0 mg/mL,2.5 mg/mL,1.25 mg/mL,0.63 mg/mL和0 mg/mL）来探究增强光信号强度与放射性核素活度以及稀土纳米颗粒浓度的关系。3.增强光信号与切伦科夫光信号的组织穿透深度对比研究。分别将含68Ga(370 kBq)和68Ga(370 kBq)+ RENPs(1 mg)的两种形状相同的光源平行置于长方体（长×宽×高：100×80×20 mm3）容器底部，在容器内分别加入不同体积的组织模拟液（1000 mL Intralipid+1 mL India Ink）模拟不同厚度生物组织对光信号的散射和吸收，深度梯度值分别为：1,2,3,4,5 mm，并采集光信号。4.三维重建对比研究。分别建立体外仿体模型、裸鼠皮下植入模型及裸鼠膀胱模型三种模型。其中仿体模型和裸鼠皮下植入模型中，实验组和对照组光源活度均为740 kBq，其中实验组含有2 mg稀土纳米颗粒，而对照组不含稀土纳米颗粒。裸鼠膀胱模型中，实验组和对照组均通过尾静脉注射68Ga-NGR显像剂7400 kBq，且实验组共注射0.5 mg稀土纳米颗粒。对三种模型先后进行PET/CT显像及光学显像，并行光学三维重建。（以上所有步骤均行衰减校正）。采用ANOVA和Student’s t检验进行数据比较。
　　结果：
　　1.相同活度情况下，68Ga核素比18F-FDG具有更强的切伦科夫光信号；Y2O3:Eu3+稀土纳米颗粒增强68Ga切伦科夫光信号强度的效能最佳，可以显著且稳定的增强切伦科夫光信号（3.67倍，p＜0.05）。2.不同活度核素（0~3700 kBq）光源分别激发同一浓度的 Y2O3:Eu3+稀土纳米颗粒时，增强光信号强度与放射性核素活度在一定范围内呈良好的正性线性关系，相关系数达到0.99，说明Y2O3:Eu3+RENPs具有稳定的光信号增强效能，其光信号增强效能不会随核素光源活度的改变而不稳定。当保持核素活度不变，而稀土浓度改变时，光信号强度在一定范围内也随Y2O3:Eu3+稀土纳米颗粒浓度增加而增强。3.通过建立深度梯度模型，实验组光源：68Ga(370 kBq)+1 mg稀土纳米材料最大组织穿透深度至少可达5 mm，而对照组光源：68Ga（370 kBq）最大穿透深度不到3mm。4.对实验组和对照组两种光源分别在体外仿体模型、裸鼠皮下植入模型及裸鼠膀胱模型三种模型中进行三维重建，基于增强光信号的三维重表现出更高的相似度，在体外仿体模型、裸鼠皮下植入模型及裸鼠膀胱模型三种模型中，其相似度分别为（0.41±0.03 vs.0.20±0.04，p＜0.05）、（0.43±0.14 vs.0.16±0.06，p＜0.05）及（0.49±0.02 vs.0.25±0.04, p＜0.05）。
　　结论：
　　Y2O3:Eu3+RENPs能够显著增强切伦科夫光信号，从而增加其在生物组织中的穿透深度，改善光学图像的信噪比；并且基于增强光信号的三维重建相似度更高，能够更加准确地反应放射性核素的空间分布，这为其在生物光学领域中的进一步应用奠定了重要基础。

目录

声明

缩略语表

前言

文献回顾

1. 关于切伦科夫光学显像及切伦科夫三维断层显像的研究现状

2. 关于切伦科夫光信号增强的研究

3. 关于稀土纳米颗粒的毒性问题

第一部分 切伦科夫光信号增强

引言

1实验材料

2方法

3结果

4讨论

第二部分 增强切伦科夫光学三维重建研究

引言

1 实验材料

2 方法

3 结果

4 讨论

小结

参考文献

个人简历和研究成果

致谢