Однофотонная эмиссионная компьютерная томография: обзор
Статья приведена с сокращениями. Полный текст статьи на англ.яз. можно скачать.
1. Введение
Визуализация мелких животных стала неотъемлемой частью молекулярной медицины. При переходе от лабораторных исследований к клиническим необходим этап проверки и контроля, на котором методы молекулярной диагностики используются как важнейший инструмент разработки новых индикаторов, лекарственных препаратов и схем лечения. За последние несколько лет произошли огромные изменения в области разработки новых систем микромасштабной визуализации с пространственным разрешением и чувствительностью, которые в целом соответствуют требованиям визуализации мелких животных, таких как мыши и крысы. Такие изменения затронули не только оборудование, но также и контрастные вещества биологические маркеры, предназначенные для исследования конкретных биологических процессов. Аналогично разработке молекулярных агентов в соответствии с конкретными биохимическими объектами, разрабатываются также и соответствующие методы визуализации для определения конкретных сигналов. Существует достаточно большая группа методов визуализации, отличающихся своими индивидуальными характеристиками. Значительные изменения в области молекулярной визуализации связаны также с объединением/сочетанием различных методов визуализации в одном приборе. Лучшим примером из литературы и клинической практики является недавнее внедрение систем позитронно-эмиссионной/компьютерной томографии (систем ПЭТ/КТ) и систем однофотонной эмиссионной / компьютерной томографии (систем ОФЭКТ/КТ) в клинической онкологии и других важных областях диагностики заболеваний. Предполагаемое внедрение систем позитронно-эмиссионной/магнитно-резонансной томографии (систем ПЭТ/МРТ) и непосредственное применение таких систем на практике все еще является спорным вопросом, в настоящее время ведутся активные исследования, и вопрос о появлении таких систем на рынке будет решен в ближайшем будущем.
В данном контексте важную роль играет медицинская радиология, и такое томографическое оборудование, как однофотонные эмиссионные компьютерные томографы (ОФЭКТ) и позитронно-эмиссионные томографы (ПЭТ), вносит значительный вклад в молекулярную визуализацию. Тем не менее такие методы исследования анатомии, как компьютерная томография или магнитно-резонансная томография, благодаря своей высокой разрешающей способности по спектру, позволяют идентифицировать морфологические изменения в мелких структурах. Сочетание таких методов визуализации в одном сеансе, благодаря большему объему полученной информации, может синергетически и значительно улучшить процесс диагностики и его результат по сравнению с использованием различных техник диагностики по отдельности.
Другой важный аспект преклинической визуализации – возможность исследования физиологии в течение нескольких моментов времени, т. е. возможность проведения так называемых лонгитюдных исследований. Результатом применения такой технологии становится значительное сокращение затрат, числа животных, а также снижение вариабельности между объектами. При применении такой технологии не требуется препарирование животного, изучение тканей вне организма и проведение других радиоавтографических исследований.
2. Оборудование
2.1. Преимущества и недостатки. Диагностические методы различаются в зависимости от того, относятся они к структурной или функциональной визуализации. Компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ) – хорошо известные средства диагностики, обеспечивающие получение важных структурных данных исследуемой ткани по сравнению с функциональными методами, такими как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) или позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). МРТ, в отличие от КТ, обеспечивает лучший контраст мягких тканей даже при отсутствии контрастных веществ. При ультразвуковых исследованиях используются высокочастотные ультразвуковые волны для различения анатомических структур и безопасной (безызлучательной) диагностической визуализации. Но по сравнению с медицинской радиологией данный метод обладает меньшей функциональной или физиологической значимостью. К функциональным методам также относится оптическая визуализация, например использование биолюминесценции и флуоресценции, но ограниченная пространственная разрешающая способность, ограниченная проникающая способность и другие факторы препятствуют внедрению таких методов в клиническую практику.
Важно понимать относительные преимущества и недостатки других методов визуализации. Как можно заметить, пространственное разрешение МРТ и КТ значительно выше пространственного разрешения ПЭТ и ОФЭКТ. Но чувствительность обнаружения при использовании ОФЭКТ и ПЭТ значительно выше чувствительности обнаружения при использовании структурных методов, кроме того, ОФЭКТ и ПЭТ позволяют определять пикомолярные и наномолярные концентрации меченых веществ. Оба подхода основываются на использовании меток для обнаружения физиологических аномалий или нарушений биохимических процессов. Ключевыми элементами радионуклидной визуализации являются биомаркеры и устройства визуализации. Биомаркеры, для оптимального изучения молекулярного или клеточного явления, должны быть высокоспецифичными и сенситивными. Устройство визуализации – это детектор излучения, особые характеристики которого позволяют определять процессы, происходящие в теле человека или животного. Наиболее часто используемый прибор для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии – это стандартная гамма-камера, изобретенная Ангером в середине прошлого века. Но для регистрации событий совпадений и локализации введенных веществ при позитронно-эмиссионной томографии применяется позитронно-эмиссионный томограф. Оба устройства визуализации за последние десять лет претерпели значительные изменения с точки зрения их рабочих характеристик и качества диагностики.
С другой стороны, магнитно-резонансная томография не основывается на ионизирующем излучении, и в этом заключается ее преимущество по отношению к другим методам. Вследствие таких существенных различий между разными методами визуализации особый интерес вызывает возможность сочетания нескольких методов в одной системе визуализации, которая поддерживала бы морфологический и функциональный подход к вопросам патофизиологии. Пространственная разрешающая способность и чувствительность обнаружения – другие важные рабочие характеристики, играющие значимую роль в молекулярной визуализации с использованием меток для ОФЭКТ и ПЭТ. Используемая в клинической практике гамма-камера обеспечивает разрешение томографии около 10 мм, а некоторые используемые в преклинических исследованиях однофотонные эмиссионные компьютерные томографы поддерживают субмиллиметровое или даже субполумиллиметровое разрешение при использовании особой геометрии многоточечных коллиматоров.
В системе U-SPECT II (производства компании MILabs, Нидерланды) гамма-камеры с тремя детекторами снабжены сменными многоточечными коллиматорами, поддерживающими высокое пространственное разрешение. Коллиматор имеет цилиндрическую форму и относительно большое количество точек (например, 75), поддерживает оптимальный выбор четкости и обеспечивает высокое пространственное разрешение. Разрешение 0,35 мм достигается при использовании коллиматора с размером точек 0,35 мм, разрешение 0,45 мм достигается при использовании коллиматора с золотыми точками размером 0,6 мм. Эти значения меньше в случае визуализации крыс (0,8 мм) с использованием стандартного коллиматора для визуализации всего тела крысы. Компания MILabs недавно выпустила систему, позволяющую выполнять одновременно ОФЭКТ и ПЭТ с разрешением ПЭТ менее 1 мм.
Гибридные системы однофотонной эмиссионной компьютерной томографии. Однофотонные эмиссионные компьютерные томографы с микрометровым разрешением (микро-ОФЭКТ) обеспечивают функциональную визуализацию с высоким пространственным разрешением, но при этом все же необходима анатомическая корреляция с использованием методов структурной визуализации. Поэтому в некоторые такие системы ОФЭКТ с микрометровым разрешением интегрированы модули компьютерной (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Основная идея заключается в получении и извлечении как можно большей информации о биологическом объекте за один сеанс визуализации и, желательно, в одних и тех же пространственных и временных рамках. На рис. 3 показано изображение кости мыши, полученное при помощи системы ОФЭКТ/КТ, предназначенной для проведения преклинических исследований. Интеграция модулей компьютерной томографии в системы ОФЭКТ обеспечивает ряд преимуществ таких систем. Такие системы позволяют получить анатомические изображения с высоким разрешением, а также создать специфическую карту ослабления, позволяющую сделать поправку на ослабление фотонного излучения. Магнитно-резонансные томографы, как уже было упомянуто ранее, обеспечивают высокое пространственное разрешение и лучший контраст мягких тканей без использования ионизирующего излучения.
Недавно появились также компьютерные томографы с микрометровым разрешением (микро-КТ), поддерживающие визуализацию с разрешением в несколько микрон. Такие томографы позволяют получать изображения с разрешением 10 мкм или даже с более высоким разрешением, обеспечивая более глубокое исследование структурных аномалий как в живом организме, так и вне организма. В настоящее время компьютерные томографы с микрометровым разрешением используются не только для анатомической локализации и коррекции затухания, преимущества таких томографов позволяют получать подробные изображения кровеносных сосудов, что известно как компьютерная томографическая ангиография. За последнее время был представлен ряд отчетов о возможностях использования компьютерных томографов с микрометровым разрешением в преклинических исследованиях .
3. Радиофармацевтические соединения
Молекулярная визуализация – новая область исследований, в которой визуализация различных отклонений выполняется скорее на клеточном или генетическом, чем на макроуровне. С возникновением новой области молекулярной визуализации возникла и растущая потребность в разработке новых специфических радиофармацевтических средств, обеспечивающих высокую точность исследований и возможность быстрого переноса с мелких модельных животных на пациентов. ОФЭКТ и ПЭТ позволяют обнаруживать и осуществлять непрерывный мониторинг множества различных биологических и патофизиологических процессов обычно с использованием таких индикаторов, как меченные радиоактивными изотопами пептиды, лекарственные вещества и другие молекулы в дозах, не имеющих фармакологических побочных эффектов.
3.1. Меченные радиоактивными изотопами зонды для молекулярной визуализации (RMIP). Меченные радиоактивными изотопами зонды для молекулярной визуализации – это высокоспецифичные радиофармацевтические средства с радиоизотопными метками, используемые для визуализации, описания и измерения биологических процессов в живых системах. В качестве радиофармацевтических средств для молекулярной визуализации могут использоваться как эндогенные молекулы, так и экзогенные зонды. Конечная цель молекулярной медицины – лечить заболевания на ранних этапах с применением специфичной для пациента «целенаправленной молекулярной терапии». Для достижения этой цели важно разработать высокоспецифичные зонды с радиоизотопными метками для молекулярной визуализации. При проектировании и разработке идеального зонда с радиоизотопной меткой для молекулярной визуализации важно сначала идентифицировать молекулярный зонд для визуализации (MIP), в качестве которого может выступать биохимическая или синтетическая молекула, специфичная для биологического процесса (такого как метаболизм, ангиогенез и апоптоз) или молекулярной мишени (такой как гексокиназа, тимидинкиназа и нейрорецептор) в исследуемом органе или ткани.
3.1.2. Меченные радиоактивными изотопами зонды для молекулярной визуализации метаболических процессов. Визуализация метаболических процессов может выполняться с использованием натуральных или экзогенных субстратов, участвующих в конкретном метаболическом процессе. Разработка таких индикаторов основывается на физиологических концепциях, таких как обмен кислорода, глюкозы, аминокислот, жирных кислот или предшественников ДНК. Обычно в качестве индикаторов для ОФЭКТ в таких случаях используются производные йода 123 и технеция 99m, но очевидные химические реакции, способные изменить физиологические свойства индикаторов, могут ограничить их использование в области молекулярной визуализации.
Йод 123 – лофлупан (DaTScan) – производное йода 123, широко используемое для выявления потери нейронов в области мозга, называемой стриатум, в которой вырабатывается допамин, химический мессенджер, что позволяет различать болезнь Паркинсона и эссенциальный тремор (тремор неясного происхождения) с точностью 96,5 %.
Этот индикатор также используется для различения «деменции с тельцами Леви» и болезни Альцгеймера с точностью от 75,0 до 80,25 %.
4. Использование однофотонной эмиссионной компьютерной томографии в преклинических исследованиях
Применение различных методов визуализации преклинических моделей имеет огромное значение, поскольку позволяет проводить неинвазивные исследования биологических процессов на молекулярном и клеточном уровне. Неинвазивный характер визуализации обеспечивает преимущества при исследовании начала и прогрессирования заболевания, оценке биологической эффективности потенциальных лекарств, разработке биомаркеров заболевания и контроле терапевтической эффективности нового лечения и/или лекарственных препаратов. Эта технология играет ключевую роль в переходе от лабораторных исследований заболеваний, смоделированных в пробирке, к клинически значимым исследованиям моделей диагностики или лечения на животных для последующего внедрения в клиническую практику. В действительности визуализация грызунов имеет огромное значение вследствие широкого использования генетически модифицированных мышей в биомедицинских исследованиях и необходимости определения анатомических и функциональных фенотипов животных моделей заболеваний на живых организмах. Другое преимущество визуализации мелких животных заключается в возможности переноса технологии непосредственно в клиническую практику.
4.1. Методы визуализации сердечно-сосудистой системы. Системы ОФЭКТ для преклинических исследований широко применяются для изучения сердечно-сосудистой системы, включая изучение функций миокарда (например, изучение фракции выброса, нарушений регионарного движения стенок, перфузии, жизнеспособности тканей, поглощения кислорода и метаболизма глюкозы), а также для изучения некоторых сосудистых расстройств, включая болезнь коронарных артерий и связанные сосудистые расстройства, такие как ишемия, инфаркт и атеросклероз. Кроме того, однофотонные эмиссионные компьютерные томографы с микрометровым разрешением широко применяются для разработки и тестирования диагностических индикаторов, которые могут помочь определить прогноз при таких расстройствах и оценить новые подходы к лечению сердечно-сосудистых заболеваний.
4.2. Визуализация стволовых клеток. При достижении успехов в исследовании терапии на основе стволовых клеток технологии визуализации могут использоваться для проверки эффективности и безопасности такой терапии на преклинических моделях, в частности для отслеживания миграции и приживления трансплантированных клеток, оценки их жизнеспособности, дифференцировки и функций в дополнение к контролю их способности вызывать регенерацию. Перед трансплантацией стволовые клетки могут быть помечены радионуклидами. Например, стволовые клетки, меченные индием 111-оксихинолином для ОФЭКТ, успешно визуализируются после трансплантации на крысиных и свиных моделях инфаркта миокарда, но из-за малого периода полураспада радионуклида (например, технеция 99m: 6,02 ч; индия 111: 2,8 дня) и из-за возможности продолжения активности после трансплантации даже в том случае, если клетка погибла, этот метод может применяться только для кратковременного отслеживания миграции и оценки попадания стволовых клеток в нужное место после их трансплантации.
4.3. Применение в онкологии. Методы визуализации могут использоваться в преклинических исследованиях рака, позволяя выполнять последовательный анализ глубоко расположенных опухолей и метастаз, включая изучение основных биологических процессов, фармакодинамики и фармакокинетики лекарственных препаратов в тканях. Визуализация раковых клеток-мишеней позволяет исследовать различные биологические процессы, включая исследование сверхэкспрессии рецепторов, активированных ферментов или смещенных молекул, уровней апоптоза, патологического ангиогенеза, неограниченного потенциала репликации, проникновения в окружающие ткани и метастазирования.
Визуализация экспрессии генов в живом организме имеет большое значение при использовании преклинических моделей, поскольку она позволяет определить характеристики динамических изменений в нескольких разрегулированных каскадах раковых клеток. Как уже было упомянуто ранее, для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии используются гены тимидинкиназы вируса простого герпеса (HSVtk), которые позволяют выполнять неинвазивную визуализацию роста опухолевых клеток, как показано на примере экспериментальной мышиной модели легочных метастазов, и экспрессия которых начинается после введения клеток HSV1-tk . Эта модель может быть очень полезна при оценке противораковой и противометастатической терапии на преклинических моделях эффективности.
Другой применяемый подход заключается в визуализации рецепторов, экспрессия которых повышена в раковых клетках и которые могут использоваться для составления прогноза и определения терапевтических целей. Этот подход успешно использовался в преклинических исследованиях и в клинической практике применительно к простатоспецифичному мембранному антигену (PSMA). Экспрессия этого рецептора повышена на поверхности опухолевых клеток простаты, данный рецептор может использоваться в качестве мишени для визуализации опухоли простаты и проведения терапии. Как уже было упомянуто ранее, меченные радиоактивными изотопами моноклональные антитела, такие как индий 111-капромаб пентетид (ProstaScint), в настоящее время используются для выявления рака простаты, но при их использовании возникают такие проблемы, как плохая доставка из-за их большого размера. Возможность визуализации рецептора PSMA с использованием низкомолекулярных, высокоаффинных лигандов PSMA, меченных [йодом 125] натрия йодидом/йодогеном, для проведения однофотонной эмиссионной компьютерной томографии была продемонстрирована в исследовании с мышиной моделью опухоли простаты.
Технология однофотонной эмиссионной компьютерной томографии широко используется в клинической практике в качестве средства диагностики метастазов в кости. Сцинтиграфия костей с использованием дифосфоната, меченного технецием 99m, – широко распространенный метод выявления метастазов в кости и других поражений костей.
Этот метод отличается высокой точностью и позволяет исследовать весь скелет, но, к сожалению, не обеспечивает достаточного анатомического разрешения для точной локализации участка скопления радиоактивного индикатора. Внедрение гибридных систем ОФЭКТ/КТ позволяет частично преодолеть этот недостаток благодаря одновременной регистрации функционального и анатомического компонента изображения, что обеспечивает точную анатомическую локализацию радиоактивного индикатора. Имеются сообщения об использовании в исследованиях соединений дифосфонатов, меченных технецием 99m, (например, метилен-дифосфоната (MDP)) для выявления метастатических поражений костей на мышиных моделях с иммунной недостаточностью после введения раковых клеток. В целом применение однофотонной эмиссионной компьютерной томографии при исследовании рака, несмотря на некоторые проблемы, уже дало существенные результаты, позволило по-новому взглянуть на динамику роста раковых клеток, прорастание в ткани и метастазы, обеспечило возможность визуализации экспрессии генов, молекулярных путей и функциональных параметров преклинических моделей рака.
4.4. Применение для нейровизуализации. Применение ОФЭКТ для преклинической функциональной нейровизуализации является превосходным методом, позволяющим понять патофизиологию нарушений со стороны центральной нервной системы, включая механизмы нейродегенерации, нейрофармакологии, связанные с наркотической или лекарственной зависимостью, а также позволяющим протестировать терапевтические стратегии.
Как уже было упомянуто ранее, одно из преимуществ ОФЭКТ по сравнению с другими функциональными методами, такими как ПЭТ, заключается в возможности получить изображение с пространственным разрешением менее 1 мм, что обеспечивает получение подробной структурной и функциональной информации о различных участках мозга животных моделей. Кроме того, радиолиганды ОФЭКТ отличаются относительно большим периодом полураспада, что позволяет проводить длительные динамические функциональные исследования и одновременную визуализацию с двойными метками. Использование точечных коллиматоров при ОФЭКТ позволяет выполнять точную визуализацию с определением количественных показателей. В действительности специфические радиолиганды использовались для изучения дофаминергической, серотонинергической и холинергической системы нейропередачи в живых организмах. ОФЭКТ применялась для исследования основных механизмов дегенерации при болезни Паркинсона и болезни Альцгеймера.
4.5. Разработка новых лекарственных препаратов. Преклиническая визуализация играет ключевую роль в разработке новых лекарственных препаратов, в частности в проверке направленности, безопасности и эффективности лекарственных препаратов. Одна из основных областей применения ОФЭКТ – проверка связывания лекарств со специфическими мишенями, посредством мечения лекарственных средств для определения их распределения и фармакокинетики. Этот подход очень полезен при проверке доставки и специфичности новых терапевтических лекарственных препаратов или радиофармацевтических средств. ОФЭКТ применялась для определения потенциала связывания направленного нуклида [йода 123] йодобензамида с транспортерами дофамина в мозге крысы после специфической терапии. Так же изучалась миграция липосом, меченных технецием 99m, после введения в ксенотрансплантаты опухолей у бестимусных крыс. Были изучены зонды для исследования скелета (меченные йодом 125) с обращением особого внимания на фармакокинетику и биораспределение после внутривенного введения. Был выявлен огромный потенциал таких зондов с точки зрения возможности проверки эффективности животных моделей остеопороза и других болезней костной системы.
Различные методы визуализации также очень эффективны при проверке безопасности, поскольку они позволяют измерить функциональную реакцию органов на испытываемое потенциальное лекарство, обеспечивая получение информации о любых токсических воздействиях или побочных эффектах терапии. Радиофармацевтические соединения, которые связываются с апоптотическими клетками (например, технеций 99m-аннексин), использовались в преклинических исследованиях для проверки возможных токсических эффектов при разработке лекарственных средств. Другие примеры изучения вторичной реакции на введение потенциальных лекарств на преклинических моделях включают измерения изменений тока крови и инфильтрации зоны воспаления.
Другая важная область применения различных методов визуализации – разработка и проверка биомаркеров визуализации, суррогатного продукта визуализации, имитирующего биологическое соединение и/или имеющее некоторую биологическую связь с механизмом заболевания. Такие биомаркеры приносят огромную пользу при оценке терапевтического действия лекарственных препаратов, представляя собой средство неинвазивной визуализации для проверки эффективности терапии. Новые достижения в области протеомики и геномики ведут к открытию новых биомаркеров, способствуя применению функциональной визуализации для проверки новых биомаркеров и их для внедрения в клиническую практику.
Hindawi Publishing Corporation,
International Journal of Molecular Imaging,
Volume 2011, Article ID 796025, 15 pages,
doi:10.1155/2011/796025.
Magdy M. Khalil1,Jordi L. Tremoleda1, Tamer B. Bayomy2, Willy Gsell1
Biological Imaging Centre, MRC Clinical Sciences Centre, Imperial College School of Medicine, Hammersmith Hospital Campus, Du Cane Road, London W12 0NN, UK
Nuclear Medicine Section, Medical Imaging Department, King Fahad Specialist Hospital, P.O. Box 11757, Dammam 31463, Saudi Arabia.