作者：Sonica van Wyk，Bruker Biospin核分子成像市場產品經理

斷層成像是一種廣泛應用于各種領域的成像技術，包括放射學、核醫學，以及地球物理和材料科學。它根據一個物體的截面或投影提供三維信息，常見的例子包括X射線、計算機斷層掃描（CT）、正電子發射斷層掃描（PET），以及單光子發射計算機斷層掃描（SPECT）。CT掃描提供關于該物體的解剖結構信息，而PET提供功能成像，可顯示生物分子在體內活動的空間分布。20世紀50年代，PET作為一種臨床診斷和臨床前期用途的技術被開發出來，其用途因放射性藥物的開發而擴大，放射性藥物是一類有放射性的藥物，通常包括放射性示蹤劑。

臨床前期成像（PCI）在了解疾病狀態背后的器官、組織、細胞分子水平上的生物學過程中起著至關重要的作用，了解機體對生理或環境變化的反應在尋找治療藥物對抗疾病方面具有重要作用。通過向研究人員展現組織中的藥物分布模式，PCI對評估新療法的效果和安全性也是十分重要的。臨床前期研究中的PET使用戶能夠對同一動物受試體進行重復實驗，提供具備強大統計價值的數據，從而減少研究所需的動物數量。因此，使用非侵入性活體成像技術來最大化利用每只動物，正變得越來越重要。

多模態斷層掃描，如PET/CT，能讓利用PET獲得的功能成像與通過CT掃描獲得的解剖成像相關聯。PET還可以與其它技術相結合，如磁共振成像（MRI），將功能成像與軟組織形態成像結合起來。由于能提供*的軟組織對比度、無CT電離輻射風險的成像以及多參數數據，PET/MR在臨床前期成像領域中獲得了廣泛的應用。

臨床前期PET應用

PET、PET/CT、SPECT/CT、PET/MR和PET/SPECT/CT多模態成像技術被用于許多生命科學領域，包括腫瘤學和神經學。全身PET成像也可以使研究人員能夠確定新藥物在身體的所有器官和組織中的藥代動力學信息。

腫瘤學

臨床前期研究人員對了解腫瘤發育生物學、對癌癥治療的反應以及藥物毒性很感興趣。腫瘤有多種類型，其中一些還未能進行良好的表征，因此像PET這樣的成像技術可以揭示許多不同類型腫瘤的發展機制，以及治療對它們產生的影響。

許多癌癥與高于正常細胞的代謝周轉率相關，因此，使用PET和一種注射的放射性標記葡萄糖類似物示蹤劑，如氟-18（¹⁸F）-氟脫氧葡萄糖（¹⁸F-FDG），可以定量葡萄糖攝取并檢測腫瘤負荷。該方法也可用于檢測分子生物標志物，這有助于腫瘤的檢測和對治療反應的評價。PET/CT以及最近的PET/MR被用于檢測¹⁸F-FDG聚集區，獲得半定量標準化攝取值（SUV），以幫助診斷腫瘤惡性。

1：PET/CT成像顯示在治療開始時和25天后，四種治療組合中的¹⁸F-FDG腫瘤攝取。紅色箭頭表示開始和第25天的腫瘤位置，綠色箭頭表示棕色脂肪組織（BAT）中典型的¹⁸F-FDG攝取位置。根據知識共享許可協議從參考文獻中復制[1]。（https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/）

組合癌癥療法往往因其能檢測多靶標分子以及減少耐藥機會的能力而被采用。一項相關研究使用臨床前期PET/CT成像來監測不同療法組合的¹⁸F-FDG腫瘤攝取情況，包括單獨放療（Rad）、Rad + 替莫唑胺（Tmz）、Rad+米非司酮（Mife），以及Rad + Mife + Tmz。Rad + Tmz是針對膠質母細胞瘤的典型治療方案，但研究發現，使用Mife作為激活劑比其它療法組合更能抑制腫瘤生長（圖1）。目前尚未能*闡明Mife的這種化學放射增敏作用的機制，但這類研究有助于研究人員朝著改進現有癌癥治療方法的方向邁出重要的一步。

臨床前期實驗室越來越意識到PET/MR對腫瘤研究的益處。由于MRI在軟組織成像方面的獨特能力，用戶能真實的看見腫瘤邊緣，并評估單個腫瘤內的示蹤劑分布，從而生成所需的感興趣體積（VOI）并更準確地計算SUV。腫瘤邊緣檢測是臨床前期腫瘤PET研究的一項獨特而重要的進展。

神經病學

神經科學家可從PET成像技術中獲益，獲取有關大腦的代謝信息，例如檢測可能指示異常的大腦代謝活動的變化，這些異常可能導致諸如阿爾茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、中風、記憶力喪失和認知能力下降等疾病。PET成像也用于研究成癮和精神疾病。通過將PET用于臨床前期研究大腦對行為和認知的影響，研究人員可以提高他們對健康個體中神經系統過程、以及各種疾病狀態的理解，并闡明其組織和連接方面的異常。

PET/MR在神經學中特別有用，因為它提供同步的軟組織圖像和代謝成像，使科學家能夠研究臨床前期動物模型中大腦的解剖結構、病理和代謝異常。研究人員可以使用PET和MRI來定位腦組織中的分子標記，并以高分辨率顯示大腦的微觀結構、神經連接、血管系統和活動。

神經退行性疾病，如AD、PD、多發性硬化和亨廷頓氏病是臨床前期研究的重點，MRI技術提供了確定中樞神經系統組織結構和功能所需的高空間分辨率體內成像。與MRI結合使用，PET成像使科學家能夠研究神經退行性疾病的病理特征，如AD模型中的淀粉樣蛋白β（Aβ）和tau蛋白沉積。

與腫瘤學應用相似，葡萄糖代謝是許多神經疾病的有用生物標志物。正常的腦葡萄糖代謝受許多疾病狀態的影響，可以通過¹⁸F-FDG-PET很容易地進行監測。目前，大多數AD療法都是針對疾病的癥狀，而非潛在的原因。一些研究已經探索了通過針對疾病早期起因的治療來阻止AD發展的可能性。例如，通過¹⁸F-FDG-PET測量在一項實驗發現，一種新的候選治療性合成大麻素JWH（一種選擇性CB₂興奮劑）顯著增加了小鼠海馬和皮質區域的代謝活性。使用JWH后，小鼠的神經炎癥降低，且Aβ清除率提高，從而改善了整體認知能力。

PET技術進展

PET系統必須滿足多種性能標準，才能提供*高質量的成像結果。一定程度上，分辨率和靈敏度取決于探測器中阻止伽馬射線的材料（閃爍體）以及探測器設計。需要一種非常致密的材料來阻止盡可能多的伽馬射線。因此，可將伽馬射線能轉換成光的致密的厚閃爍晶體是PET探測器的首選材料。晶體的大小會影響PET的分辨率。環的直徑和相互作用深度（DOI）校正也必須針對高分辨率成像進行優化。晶體技術也為PET的靈敏度提供了基礎，近年來已取得了一些進展。該行業一直以像素化晶體為主，這些晶體緊密地排布在一起，但新的連續晶體的使用已顯示出更好的光分布測量性能，因此，能大大提高分辨率和靈敏度。

先進的新型PET儀器結合了連續晶體閃爍體以及新的光探測技術，具備卓異的成像能力。連續晶體不使用傳統的雪崩光電二極管（APD）或光電倍增管（PMT），而是與硅光電倍增管（SiPM）光電傳感器耦合，以便準確確定探測器晶體內所有伽瑪-光子相互作用的三個空間坐標。其結果是達到亞毫米級的空間分辨率，不考慮正電子，這一術語被稱為全場精度（FFA）。FFA能產生可重復性更高的數據，不受樣本位置變化的干擾，并在整個FOV上對大樣本或多只動物進行更可靠的成像，以促進臨床前期成像的準確性和提高通量。

未來的臨床前期PET

多模態PET成像使科學家能夠在跨越多個領域的臨床前期研究中開辟新的天地。作為一種高敏感性的無創技術，PET有助于提高對疾病潛在原因的認識，并改進檢測和治療方法。臨床前期PET研究促進了成像生物標志物的開發，以期將其轉化為臨床應用，以識別有風險或處于疾病早期階段的患者。多模態系統，如Albira Si PET/SPECT/CT、PET/CT Si78和 PET/MRI Inset and Inline系統，使研究人員能夠便捷地將PET成像的優點與CT、SPECT和MRI技術相結合，以獲得*佳的成像效果。

參考文獻

1. Llaguno-Munive M, Medina LA, Jurado R, Romero-Piña M andGarcia-Lopez P (2013) Mifepristone improves chemo-radiation response in glioblastoma xenografts, Cancer Cell International, 13:29, https://doi.org/10.1186/1475-2867-13-29

2. Martín-Moreno AM, Brera B, Spuch C, Carro E, García-García L, Delgado M, Pozo MA, Innamorato NG,Cuadrado A and de Ceballos ML (2012) Prolonged oral cannabinoid administration prevents neuroinflammation, lowers β-amyloid levels and improved cognitive performance in Tg APP 2576 mice, Journal of Neuroinflammation, 9:8, doi:10.1186/1742-2094-9-8.

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關于作者：

Sonica Van Wyk，Bruker BioSpin核分子成像市場產品經理。

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