放射性核素示踪技术与脏器显像.ppt

放射性核素示踪技术与脏器显像,Foreword of radionuclide tracing technique,所谓示踪（tracing），就是显示特定物质的行踪。在难以用直接检测的方法观察生物活性分子在生物体系中的动态变化时，通常需要在生物活性分子上引入示踪剂，通过对示踪剂的检测，间接反映生物活性分子的代谢规律，这就是示踪技术。 示踪剂（tracer）是为观察、研究和测量某物质在指定过程中的行为或性质而加入的一种标记物。常见的示踪剂有放射性核素示踪剂、稳定性核素示踪剂、酶标示踪剂、荧光标记示踪剂、自旋标记示踪剂等。,Definition of radionuclide tracing technique,放射性核素示踪技术（radionuclide tracing technique）是以放射性核素或其标记化合物为示踪剂，应用射线探测方法来检测它的行踪，以研究示踪剂在生物体系或外界环境中的客观存在及其变化规律的一类核医学技术。 放射性核素示踪技术是核医学领域中最重要的和最基本的核技术，同时又是放射性核素在医学和生物学中应用的方法学基础。 放射性核素示踪技术在农业、水产、石油、化工、冶金等领域也有广泛应用。,Hevesy - The father of experimental nuclear medicine,George de Hevesy，匈牙利化学家，同位素示踪技术的创立者 首先用天然放射性铅(212Pb)研究铅盐在豆科植物内的分布和转移（1923） 利用32P进行老鼠体内磷代谢状态研究，提出骨骼的的形成是动态而非静态的观点（1935） 1943年获诺贝尔化学奖 被誉为“基础核医学之父”,Blumgart - The father of clinical nuclear medicine,Herrman L. Blumgart，美国Boston医院内科医师 第一次将示踪技术（放射性氡）应用于人体的循环时间研究（1926） 进行了多项临床研究，如肺循环时间测定、肺血流量测定等 被誉为“临床核医学之父”,Landmark in the history of radionuclide tracing technique,1952年，美国冷泉港 卡内基遗传学实验室科 学家Alfred Hershey和 Martha Chase使用35S 和32P双标记噬菌体感染 实验，证明DNA是遗传 信息的载体。 Hershey1969年获诺贝尔生理学和医学奖,Principium of radionuclide tracing technique,1. 标记物与非标记物的同一性 放射性核素及其标记化合物和相应的非标记化合物具有相同的化学及生物学性质。,125I-MIBG,Principium of radionuclide tracing technique,用放射性同位素制备示踪剂是最理想的方法 实验核医学中常用的放射性核素有3H，14C等，临床核医学中常用的有131I，59Fe等，PET常用的有11C，13N，15O等。 最常用的是核素化学合成法和络合物形成法 常用放射性核素有131I、125I、99mTc、111In、18F、188Re 等。,Principium of radionuclide tracing technique,酪氨酸的碘标记,DTPA双金属螯合物,Principium of radionuclide tracing technique,2. 放射性核素的可测量性 放射性核素及其标 记化合物可发出各种不 同的射线，且能够被放 射性探测仪器所测定或 被感光材料所记录，从 而进行精确的定性、定 量及定位测量和研究。,Principium of radionuclide tracing technique,Action: 放射性核素示踪剂在体内的生物学行为主要取决于被标记物，而其放射性核素只是在示踪剂的代谢转化过程中发出射线，起到示踪的作用。相同的核素标记在不同的化合物上，表现出来的体内代谢过程和生物学行为可完全不同，而不同的核素标记在相同的化合物上，其生物学行为不会发生改变。 99mTcO4、99mTc-ECD、99mTc-MIBI 99mTc-DMSA、113mIn-DMSA,Common type of radionuclide tracing technique,Common type of radionuclide tracing technique,1. In vivo tracing technique 体内示踪技术又称在体示踪技术，它是以完整的生物机体作为研究主体，用于研究被标记的化学分子在生物系统中的吸收、分布、代谢及排泄过等体内过程的定性、定量及定位动态变化规律。 体内示踪技术都是建立在动力学分析的基础之上。,Common type of radionuclide tracing technique,物质吸收、分布及排泄的示踪研究 各种物质（包括生理性物质和药物等）进入体内后，一般都要经过消化、吸收、分布、转化以及排泄等过程。放射性核素示踪技术对了解物质在活体内的动态变化规律、各种因素对物质体内代谢过程的影响，以及在疾病状态下的异常改变等，均可提供最有效的方法和手段。 物质的吸收、分布和排泄示踪研究常用于药物的药理学、药效学和毒理学研究，对药物的筛选、给药途径和剂型选择等方面都具有重要的价值。,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：Schilling试验（Vit B12吸收试验） 原理：正常情况在内因子的参与下，Vit B12被回肠吸收，并被转运贮存于肝脏等组织内进行缓慢代谢。如果肠外给予大剂量的Vit B12造成体内的贮存量饱和，则过剩的Vit B12将由小便排出。 方法：受检者禁食12h后，口服57Co-Vit B12 （0.5Ci /1g），2 6h后肌肉注射非放射性Vit B12 1mg以饱和血浆的转运蛋白。分别收集0 24h和24 48h的全部小便，计算24h尿内57Co-Vit B12百分数。 结果判断：10%为正常；5%提示吸收异常。,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：分布试验（显像法）,Common type of radionuclide tracing technique,放射性核素稀释法 根据化学物质在稀释前后质量相等的原理，利用已知比放射性（或放射浓度）和重量（或容量）的放射性示踪剂，加到一个未知重量或容量的同质体系中，放射性示踪剂将被稀释，其比放射性或放射性浓度下降的程度与其被稀释的程度相关。 放射性核素稀释法比一般化学分析方法简单，灵敏度高，广泛地用于研究人体各种成分的重量或容量，如测定身体总水量、全身血容量、细胞外液量、可交换钠量和可交换钾量等。,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：红细胞容量测定 原理：六价51Cr能穿透红细胞膜，与血红蛋白的珠蛋白相结合，成为51Cr-RBC，静脉注射后10 15min内即可与循环血液完全混匀。 S1 m1 = S2 （m1 + m2） 方法：将标准样品和血样品制备后进行放射性测量，并按以下公式计算红细胞容量：,Common type of radionuclide tracing technique,放射自显影技术（autoradiography，ARG） 是根据放射性核素的示踪原理和射线能使感光材料感光的特性，借助光学摄影术来检查及记录被研究样品中放射性示踪剂分布状态的一种核技术。 根据观察范围和分辨率不同，可分为三类： 宏观自显影（macroscopic ARG） 光镜自显影（light microscopic ARG） 电镜自显影（electron microscopic ARG）,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：宏观自显影（macroscopic ARG）,孕鼠静脉注射58Co-Vit B12后4h的整体纵切片，显示除某些脏器外，胎鼠也有放射性聚集。,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：光镜自显影（light microscopic ARG）,小鼠腹腔液推片，油镜下可见巨噬细胞有大量15天前注射的3H标记抗原，其他三个核是嗜酸性细胞的核，显示有明显化学趋化现象。,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：电镜自显影（electron microscopic ARG）,大鼠淋巴结在3H-放线菌素中浸泡1h后制成超薄切片，显示银颗粒都在细胞核上。 6600,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：棉酚的研究 棉酚是我国1960s年代研制的世界上第一个男性避孕药物，放射自显影技术为棉酚的药理研究提供了直接的帮助。 用14C-赖氨酸、亮氨酸和精氨酸大鼠睾丸放射自显影证实，精子细胞和精母细胞是最早出现损伤和破坏最严重的棉酚敏感靶细胞，而精原细胞则为较不敏感的生精细胞。14C-棉酚全身放射自显影证实，棉酚在体内是通过肝-胆-粪的代谢排泄途径降解。 精子线粒体对14C-棉酚有很高的亲和力，定位于线粒体内外膜及嵴突中的呼吸链酶系、氧化磷酸化和能源转化酶系。,Common type of radionuclide tracing technique,放射性核素功能测定 是指机体的脏器或组织的某一功能状态，通过动态观察后，能给出定量结果，为医学研究及临床诊断提供功能评价的放射性核素示踪技术。 放射性药物引入机体后，动态地分布于有关脏器和组织，通过检测仪器可观察其在有关脏器中的特征性消长过程，表现为一定的曲线形式，选择适当的数学模型对曲线进行定性及定量分析，就可得到反映该脏器某一功能状态的结果并判断功能异常的性质、程度。,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：肾功能测定 原理：静脉注射由肾小球滤过或肾小管上皮细胞分泌而不被再吸收的放射性示踪剂，在体外以放射性探测器连续记录其滤过、分泌和排泄的过程，可用以了解两侧肾脏功能状态和上尿路排泄情况，所记录的时间-放射性曲线称为肾图。,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：甲状腺吸131碘功能测定 原理：甲状腺具有选择性摄取和浓聚碘的功能，其摄取速度和数量以及碘在甲状腺的停留时间，取决于甲状腺的功能状态。,Common type of radionuclide tracing technique,放射性核素显像技术 是利用放射性核素或其标记化合物在体内代谢分布的特殊规律，在体外获得脏器和组织功能结构影像的一种核技术。 在短时间内连续成像或在一定时间范围内多次间断成像，可对脏器的功能和形态同时进行观察，不仅可以显示出脏器和组织的形态、位置、大小和结构变化，而且可以进行动态显像和定量分析。,Common type of radionuclide tracing technique,2. In vitro tracing technique 体外示踪技术又称离体示踪技术，以从整体分离出来的组织、细胞或体液等简单系统为研究对象，多用于某些特定物质如蛋白质、核酸等的转化规律研究，细胞动力学分析，活化分析以及超微量物质的体外测定等。,Common type of radionuclide tracing technique,物质代谢与转化的示踪研究 阐明各种代谢物质的前身物、中间代谢步骤和中间代谢产物、最终产物之间的相互关系及其转化条件，是正确认识生命现象的物质基础。放射性核素示踪技术是目前最常用最理想的方法之一。 3H-TdR掺入DNA作为淋巴细胞转化的指标观察细胞免疫情况 125I-UdR掺入RNA，可作为肿瘤细胞增殖速度的指标 合成DNA的前身物： 3H-胸腺嘧啶？ 3H-TdR？,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：嘌呤结构上个原子的来源,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：14C-甲酸转变为次黄嘌呤的顺序,甲酸 次黄嘌呤 次黄嘌呤核苷酸 甲酸 次黄嘌呤核苷酸 次黄嘌呤,Common type of radionuclide tracing technique,细胞动力学分析（cell kinetics analysis） 细胞动力学是研究各种增殖细胞群体的动态量变过程，包括增殖、分化、迁移和衰亡等过程的变化规律以及体内外因素对它们的影响和调控。 细胞动力学研究的范畴很广，其中以细胞周期时间测定最为常用，也最为重要，常用于肿瘤分化及增殖规律研究、肿瘤的同步化治疗、造血细胞研究等方面。,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：细胞周期测定（1）,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：细胞周期测定（2）,标记有丝分裂百分数法（PLM）原理示意图,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例：细胞周期测定（3）,PLM曲线及细胞周期各时相计算示意图,Common type of radionuclide tracing technique,活化分析（activation analysis） 活化分析是一种核分析方法，它的基础是核反应。活化分析是通过使用适当能量的射线或粒子照射待测样品，使待测样品中某些稳定的核素通过核反应变成放射性核素（活化），然后进行放射性测量和能谱分析，获得待测样品中稳定性核素的种类与含量（分析）的超微量分析技术。,Common type of radionuclide tracing technique,方法分类 中子活化分析 中子根据能量的不同分为热中子、快中子和超热能中子。核反应主要类型是(n，)、 (n，p)、(n，)及(n，2n)等。 带电粒子活化分析 常用的带电粒子有质子、氘核、氚核和粒子等，也有用重离子的。它们引起的核反应包括(p，)、(p，n)、(p，)、(d，p)、(d，n)、(，n)等。 光子活化分析 引起的核反应包括(，n)、(，p)、 (，)等。,Common type of radionuclide tracing technique,方法学特点 活化分析是各种痕量分析法中灵敏度最高的，精密度好、准确的高、抗干扰能力强，可以区别同一元素的各个同位素及其组成； 可进行多元素同时测定，在同一份试样中可同时测定3040种元素，最高可达56种元素，特别适合于生物医学样品中多种痕量元素的测定，以及合金元素的测定； 化学分离工作相对比较简单，在法医学鉴定时可不破坏证物； 活化分析最主要的问题就是所使用的活化源十分昂贵，需反应堆或加速器，这极大地限制了它的应用。此外，还有分析周期较长、不能测定元素的化学状态和结构等不足之处。,Common type of radionuclide tracing technique,一些重要的元素分析法的比较,Common type of radionuclide tracing technique,应用举例 WHO和IAEA（国际原子能机构）曾经通过国际性大协作进行心血管疾病的病因学研究，其主要内容就是应用活化分析技术对心血管疾病有关的痕量元素进行广泛系统的调查研究； 在环境保护方面，活化分析技术也被用于监测大气、水体、土壤、食品以及其他生态环境的金属污染； 已有极多实例是利用活化分析法检查血液、墨水、油漆、子弹头等犯罪证物后破案的报道。,Common type of radionuclide tracing technique,体外放射分析（in vitro radioassay） 是指在体外条件下，以放射性核素标记的抗原、抗体或受体的配体为示踪剂，以结合反应为基础，以放射性测量为定量方法，对微量物质进行定量分折的一类技术的总称。,Characteristics of radionuclide tracing technique,1灵敏度高 一般可达到10-1410-18g水平 mg = 10-3，ug = 10-6，ng = 10-9，pg = 10-12 2方法简便、准确性好 简化实验程序，提高实验结果的可靠程度 3合乎生理条件 非破坏性实验, 反映的是被研究物质在生理剂量和原有生理状态下的代谢和变化 4定性、定量与定位研究相结合 5与放射有关的特殊要求 专用的实验条件; 放射性生物效应的防护措施; 工作人员须经专业训练,Definition of radionuclide imaging,放射性核素脏器和组织显像是根据放射性核素示踪原理，利用放射性核素或其标记化合物在体内代谢分布的特殊规律，从体外获得脏器和组织功能结构影像的一种核医学技术。用于脏器、组织或病变显像的放射性核素或其标记化合物称为显像剂（imaging agent）。 放射性核素显像是建立在器官组织血流、代谢等功能变化的基础之上，是一种功能结构影像。,Landmark in the history of radionuclide imaging,1951年，第一台扫描机（Benedict Cassen） 1957年，第一台照相机（Hal O. Anger） 1964年，99Mo99mTc发生器 1975年，PET（M.M.Ter-Pogosiu） 1976年，SPECT（R.J. Jaszczak） 1998年，SPECT/CT（美国GE公司） 1998年，PET/CT（美国CTI公司）,Principium of radionuclide imaging,不同的放射性药物（显像剂）在体内有其特殊的分布和代谢规律，能够选择性聚集在特定脏器、组织或病变部位，使其与邻近组织之间的放射性分布形成一定程度浓度差，而显像剂中的放射性核素可发射出具有一定穿透力的射线，可为放射性测量仪器在体外探测、记录到这种放射性浓度差，从而在体外显示出脏器、组织或病变部位的形态、位置、大小以及脏器功能变化。,Principium of radionuclide imaging,放射性核素显像,向患者体内引入特定示踪剂（或显像剂）,核医学显像设备,Uptake mechanism of tracer in tissues and foci,1合成代谢 131I，131I-6-IC ，18F-FDG 2细胞吞噬 99mTc-SC，99mTc-DX 3循环通路 99mTc-DTPA，99mTc-RBC 4选择性浓聚 99mTc-PYP ，99mTc-GH，99mTc-MIBI 5选择性排泄 99mTc-EC，99mTc-MAG3，99mTc- HIDA 6通透弥散 133Xe，99mTcO4- 7离子交换和化学吸附 99mTc-MDP 8特异性结合 RII，RRI，antisense imaging,1. 细胞的选择性摄取 (1)细胞代谢过程中需要的特殊物质,1. 细胞的选择性摄取 (2)一些代谢产物或异物被细胞摄取并清除,1. 细胞的选择性摄取 (2)一些代谢产物或 异物被细胞摄取并清除,1. 细胞的选择性摄取 (3)一些细胞可选择性摄取特殊化学价态的物质,2. 离子交换与化学吸附作用,3. 微血管 栓塞,4. 特异性结合 131I-Hepama-1抗肝细胞癌单抗放免治疗,男,36岁,身高1.75m,体重63kg. 主述:肝区胀痛1月余. 体检:肝脏明显肿大,结节感,右肝区叩痛,脾明显肿大. “B”超:肝内6x6x5cm高回声区. CT:肝内异常块影8x8.2cm,密度不均匀,明显包膜形成,注射照影剂明显强化. 血AFP:30ng/ml 病理:原发性肝细胞性肝癌,4. 特异性结合 多巴胺转运体/受体示意图,正常,轻度,中度,重度,帕金森氏病 静止性震颤、强直、 运动徐缓、姿势不稳,18F-PCIT 多巴胺转运体PET显像,5. 血液和脑脊液循环的特性,5. 血液和脑脊液循环的特性,Classification of radionuclide imaging (1),Static & dynamic imaging,Static imaging,Classification of radionuclide imaging (1),Static & dynamic imaging,Dynamic imaging,Classification of radionuclide imaging (1),Static & dynamic imaging,Early artery perfusion imaging,Blood pool imaging, 5min,Delayed bone imaging, 3hr,多相显像（multiphase imaging）,Classification of radionuclide imaging (2),Regional & whole body imaging,Regional imaging,Whole body imaging,Classification of radionuclide imaging (3),Planar & tomographic imaging,Tomographic imaging,Planar imaging,Classification of radionuclide imaging (3),Planar & tomographic imaging,Coronal section,ant,post,RL,Classification of radionuclide imaging (3),Planar & tomographic imaging,Classification of radionuclide imaging (4),Early & delay imaging,99mTc-MIBI双时相法甲旁亢显像,Classification of radionuclide imaging (5),Positive & negative imaging,131I-AFP RII,Colloid imaging,Classification of radionuclide imaging (6),Rest