利用短波紅外探測醫(yī)用放射性同位素的切倫科夫發(fā)光

瀏覽次數(shù)：730　發(fā)布日期：2023-4-4　來源：恒光智影

本文要點：當帶電粒子(β+/-)在介電介質(zhì)中的傳播速度快于光時，醫(yī)用放射性同位素會產(chǎn)生切倫科夫發(fā)光(CL)。CLs的發(fā)光是連續(xù)的，波長成比例地減小。CL成像(CLI)是一種經(jīng)濟的PET替代品，但受到光學特性（散射、吸收和特殊設(shè)置要求）的嚴重限制。短波紅外（SWIR，900–1700nm）CL已從在MeV范圍內(nèi)運行的直線加速器中檢測到，但從醫(yī)用放射性同位素中未檢測到。

方法：砷化銦鎵 (InGaAs) 焦平面陣列和 SWIR 透鏡安裝在不包括臨床前外殼的環(huán)境燈上。使用SWIR CLI開發(fā)了合適的曝光和處理流程，然后在體外和體內(nèi)條件下對各種醫(yī)用放射性同位素進行了測試。

結(jié)果：從臨床放射性同位素中檢測到SWIR CL：90Y、68Ga、18F、89Zr、131I和32P，用于生物醫(yī)學研究。與傳統(tǒng)CLI相比，SWIR CLI的優(yōu)勢體現(xiàn)在增加的光穿透性和減少的深度散射，與熒光SWIR成像一致。通過體內(nèi)體外和臨床前示例顯示，報告了放射性同位素 SWIR 光譜，靈敏度極限和 SWIR CLI 的臨床前可行性。這項工作首次表明放射性同位素SWIR CLI可以與商業(yè)組件一起執(zhí)行。SWIR CL與 VIS CL 相比具有顯著優(yōu)勢，并且表現(xiàn)類似。需要進一步改進SWIR光學和技術(shù)可以大量的投入使用。

結(jié)論：本研究表明，放射性同位素SWIR CLI可以用未經(jīng)改性的市售組分進行。與VIS CLI相比，SWIR CLI具有顯著的優(yōu)勢，保留了VIS CLI特征。SWIR光學和技術(shù)還需要進一步改進才能被廣泛采用。

研究內(nèi)容：

亞原子相對論粒子在介電介質(zhì)中產(chǎn)生CL。粒子使周圍的分子極化，這些分子在松弛時產(chǎn)生CL，CL為UV加權(quán)。CL的產(chǎn)生隨波長的增加呈指數(shù)下降。CL的強度與發(fā)射粒子的能量相關(guān)，并已在天文學、核物理和最近的生物醫(yī)學成像中得到應用。CL成像(CLI)是PET替代方案。例如，將患者分為不需要PET的患者和需要PET的患者。CLI專注于從臨床發(fā)射放射性同位素和線性加速器(LINAC)進行CL檢測。CLI輔助臨床前發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新型靶向放射示蹤劑，劑量測定和基于放射治療的治療。臨床CLI還發(fā)現(xiàn)了在圖像引導手術(shù)中邊緣檢測的應用。確定放射示蹤劑的臨床攝取和實時劑量學讀數(shù)。

對CL光譜有響應的單光子敏感器件很容易獲得，可提供低暗和讀噪聲（排除干擾信號）光學器件。然而，可見光波長(VIS, 400-900nm)在臨床設(shè)置中存在顯著缺陷。內(nèi)源性發(fā)色團限制了可達到的VIS CL穿透深度，散射進一步降低了分辨率，光學成像已經(jīng)轉(zhuǎn)移到較長的波長，光吸收和散射減少。近紅外成像(>650nm)減少吸收約2個數(shù)量級。研究使用染料和納米顆粒對CL的紅位移轉(zhuǎn)換。SWIR成像顯示組織吸收，SWIR在分辨率和對比度方面的優(yōu)勢已通過臨床批準的吲哚氰綠得到證明。基于Förster共振能量轉(zhuǎn)移的SWIR CL已通過x射線激發(fā)的納米探針和量子點的線性加速器激發(fā)發(fā)射實現(xiàn)。LINAC SWIR CLI已在沒有二次發(fā)射器的情況下執(zhí)行，顯示出比VIS-NIR CLI的進步。放射性同位素產(chǎn)生的量級小與CL，因此對成像的要求更高。放射性同位素CLI需要完全排除環(huán)境光，高效的光學成像系統(tǒng)，并不能像LINAC CLI一樣在其采集中脈沖同步。放射性同位素的CL亮度已經(jīng)很低，在SWIR波長下甚至進一步降低，放大了SWIR CL檢測的難度。來自放射性同位素的SWIR CLI是通過未經(jīng)修改的商用成像組件實現(xiàn)的，顯示出與VIS CLI相比的明顯優(yōu)勢。

材料和方法：

放射性同位素SWIR切倫科夫發(fā)光

測定放射性同位素SWIR CLI時間分辨率和發(fā)射光譜

圖像處理與統(tǒng)計分析

納米二氧化硅顆粒放射標記與注射（SiNPs）

臨床前短波紅外成像CLI

結(jié)果：

放射性同位素SWIR CL檢測的確認

SWIR CLI放射性同位素的設(shè)置(如圖1A所示)。檢測懸浮在0.1M HCl中的68Ga。圖1B右上角顯示了處理后的SWIR CL圖像疊加到WL圖像上。這表明SWIR信號來自68Ga，處理步驟在保留CL信號的同時，充分消除了干擾。當紙板被放置在樣品上時(圖1B)，信號的缺乏進一步證實了CL檢測，它阻擋了光，但沒有阻擋68Ga衰變的高輻射源SWIR CLI高能光子。68Ga源進一步移動，并在視場角（FOV）周圍檢測到，在這個過程中衰減，通過減少的SWIR信號可見，在同位素衰變半衰期之后。人工感興趣區(qū)域(ROI)測量到，確定傳感器在每個位置和時間點的信號強度(灰度值)。在比較條件下，作者成功檢測了4種額外的放射性同位素:32P,18F, 89Zr和131I，(如圖1所示)。根據(jù)濃度(kbq/µL)和空間視場(cm2)校正，計算出每種樣品的SWIR輻射亮度(如圖1所示)。SWIR CLI很容易與VIS CLI的放射性同位素區(qū)分出來。從理論上講，68Ga比32P有更高的輻射亮度，然而，68Ga增加的傳感器從511和1077 keV光子沖擊阻止了SWIR CLI確認這一點，因為設(shè)置沒有包含鉛屏蔽。

SWIR CLI放射性同位素時間探測極限和發(fā)射光譜

使用32P進行系統(tǒng)表征，其濃度用于促進SWIR CLI，時間分辨率為0.25s，見圖1。32P的亮度和半衰期使放射性同位素SWIR CL發(fā)射光譜的測定成為可能。沒有過濾器(>920nm)和LP濾光 (1000-1500nm)。該傳感器具有非稀釋的磷化銦(InP)襯底帶隙(1.35 eV)，防止檢測<920 nm的光，而InGaAs的帶隙(0.75eV)導致1700nm處的短通截止。放射性同位素SWIR CL譜如圖1E所示，強度呈指數(shù)下降，如預期所示，并報道為VIS CLI和LINAC SWIR CLI。由于系統(tǒng)噪聲，檢測超過1400nm是具有挑戰(zhàn)性的。透鏡效率和吸水率，見圖1E和F。

圖1

減少通過SWIR CLI對VIS CLI的散射

55.5Mbq的90Y，在Eppendorf（公司名）成像系統(tǒng)上進行SWIR和IVIS成像，以評估SWIR CLI的優(yōu)勢。Y的臨床劑量為0.500~5.291Gbq，用于治療原發(fā)性肝癌(HCC)和肝內(nèi)轉(zhuǎn)移。在CLI操作前，將散射介質(zhì)(生雞胸肉，0、10和15mm)放置在病灶上。在所有深度分別保持無散射介質(zhì)的曝光(VIS CLI: 10s, SWIR CLI: 900s)。與VIS CLI相比，SWIR CLI通過散射組織成像的分辨率有所提高(圖2)。在SWIR CLI中，組織的Eppendorf形狀在15mm以內(nèi)是一致的，而在VIS CLI中，散射組織的Eppendorf形狀被扭曲和放大了5倍以上。SWIR CLI提供比VIS CLI更高的深度分辨率，可以用于放射性同位素定位。通過VIS CLI的全寬度半最大值(FWHM)測量值分別為6.38、13.05和33.64 mm，SWIR CLI在0、10和15 mm的組織上分別為6.24、6.40和7.04 mm證明了這一準確性(圖2)。

圖2

SWIR CLI放射性同位素的體外和體外靈敏度極限

商用SWIR傳感器對<920nm的光不敏感。在InP變薄的系統(tǒng)中，傳感器的范圍大大增加，但與EMCCDs相比相當不靈敏。一個SWIR傳感器使用，顯著降低了可見范圍內(nèi)的量化。該傳感器能夠?qū)Ψ派湫酝凰豓IS-SWIR (400-700 nm)、NIR-SWIR (650-1700 nm)和SWIR (900-1700 nm) CLI的空間定位進行比較。Ga共軛的SiNP與非放射性同位素標記的SiNP對照在VIS-SWIR、NIR-SWIR和SWIR下通過適當?shù)腖P濾波器對放射同位素SWIR的切倫可夫發(fā)光進行成像。檢測到的CL信號在整個光譜中定位放射性標記的SiNPs。對于68Ga標記的SiNPs,放射性同位素SWIR CLI的檢出限為259 kbq (圖3 A-B)。接下來，評估組織SWIR CLI的檢出限。一個安樂死的小鼠分別接受30 μ l的不同的68Ga-SiNPs的足部注射。如圖3C-D所示，通過SWIR CLI檢測到的68Ga-SiNPs為403.3 kbq，在臨床管理水平內(nèi)。

圖3

放射性同位素SWIR CLI的體內(nèi)檢測

與SiNPs結(jié)合的90Y被用于在體內(nèi)SWIR CLI放射性同位素檢測。90Y被證明比18F或68Ga提高了CL檢測的信噪比。SWIR CLI的長曝光時間污染了SWIR CL圖像熱特征(通過滾動球背景減法在后處理中去除)，使SWIR CLI比VIS CLI復雜化。將約7.4 Mbq的90Y標記SiNPs注射到單足墊中，3小時后成像。Y用于臨床放射栓塞的活性，范圍從500到5291 Mbq。在體內(nèi)存在的背景熱信號中，很容易檢測到SWIR CLI信號(n = 4只小鼠;從每只小鼠中提取的背景減去后剩下的各自的殘余熱特征，用于根據(jù)信號與熱背景的比值(SBR)。注射小鼠的SBR范圍為1.68 ~ 4.63，平均值為3.07，見圖4B。

圖4

討論：

這項工作旨在通過市售組件檢測臨床放射性同位素的理論SWIR CL發(fā)射。到目前為止，從LINAC源中只檢測到SWIR CL，它產(chǎn)生了一個數(shù)量級的亮度。設(shè)計的裝置和外殼提供了環(huán)境無光成像。作者研究中使用的最先進的TEC SWIR傳感器，比EMCCD的多2到3個數(shù)量級的黑噪聲相機。SWIR設(shè)置中的這種固有噪聲不僅是SWIR CLI的障礙，也是整個工作的主要限制因素。此外，在更長的波長下，進一步減少的光輸出需要更長的曝光時間(單位為分鐘而VIS CLI單位為秒)。盡管如此，作者所探索的6種放射性同位素產(chǎn)生了可檢測到的SWIR CLI，其相對輻射與VIS CLI一致。SWIR CLI與放射性同位素水平呈線性關(guān)系。SWIR CLI放射性同位素靈敏度在體外為259kbq，在68Ga組織中為403.3 kbq。VIS CLI的靈敏度是4個數(shù)量級，據(jù)報道，在0.00333 kbq/µl時，可以檢測到68Ga。SWIR CLI的不靈敏度限制了當前一代SWIR相機的應用。然而，它的優(yōu)勢減少散射，結(jié)合CL在SWIR區(qū)域的傳輸增加和硅(400 - 900 nm)傳感器的優(yōu)勢將可以提高CLI的使用，因此值得研究。

檢測到的放射性同位素SWIR CL譜與SWIR LINAC譜一致。與SWIR LINAC CL相似，在1400 nm以上檢測到理論上發(fā)射的CL。由于傳感器噪聲和水分的吸收，無法可靠地檢測到SWIR LINAC CL，因為1300nm以上的水吸收率增加了。作者對SWIR CL的臨床前適用性進行了研究，最初關(guān)注的是瘤內(nèi)注射18F-FDG的體外SWIR CLI。18F的弱CL需要1小時的采集時間才能進行精確的信號檢測。90Y用于克服68Ga和18F的局限性(亮CL，比68Ga的半衰期更長，90Y標記的SiNPs注射到活小鼠的足墊中，用于體內(nèi)SWIR CLI檢測。小鼠在注射(約7.4 Mbq 90Y-SiNPs) ，3小時后與未注射的對照小鼠一起成像。15分鐘的曝光時間提供了可靠的SWIR CL信號，在內(nèi)生熱特征和固有噪聲之上檢測到，見圖4。

結(jié)論：

作者的研究是體內(nèi)放射性同位素SWIR CLI 檢測的第一個實例和原理證明�？紤]到組織的光學特性，已經(jīng)證明從組織發(fā)射的CL的大部分深度在600nm以上。因此，理想的放射性同位素CL相機應該是一個結(jié)合了稀釋SWIR傳感器的光譜范圍(600-1700nm)和基于EMCCD的傳感器的光子靈敏度的相機。SWIR CLI的更新迭代應該旨在通過更快的鏡頭和降低暗噪聲的相機傳感器來解決其主要局限性，以提高的整體靈敏度，并通過鉛屏蔽進一步通過減少γ沖擊提高靈敏度。這樣的組件將是高度定制的，并且超出了這個原理工作證明的范圍。人眼對400~700nm的光有反應，通過將環(huán)境照明改變?yōu)榉荢WIR發(fā)射LED，放射性同位素SWIR CLI可以在光線充足的房間中進行，而不需要黑暗的外殼，正如LINAC CLI所實現(xiàn)的那樣。這將直接影響臨床前CLI，這是一種常見的、快速和經(jīng)濟的PET替代新型放射示蹤劑和治療跟蹤。在實現(xiàn)這一點之前，SWIR光學和技術(shù)需要進行重大改進。

參考文獻

Mc Larney, B. E.; Zhang, Q.; Pratt, E. C.; Skubal, M.; Isaac, E.; Hsu, H. T.; Ogirala, A.; Grimm, J., Detection of Shortwave-Infrared Cerenkov Luminescence from Medical Isotopes. J Nucl Med 2023, 64 (1), 177-182.

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