脑部疾病诊断新技术：科学家首次实现活体人脑正电子素寿命成像

文摘 2024-09-19 23:28 日本

编辑 | Coral

排版 | Asher

想象一下，我们的身体就像一座充满秘密的城市。医生们一直在寻找更好的方法来探索这座城市，特别是大脑这个最神秘的区域。传统的PET扫描就像是从高空俯瞰这座城市，可以看到一些明显的特征，比如繁忙的街道（活跃的大脑区域）或者异常的建筑（如肿瘤）。但是，有些细微的变化，比如神经退行性疾病的早期迹象，就像城市中微小的变化，很难被发现。

正电子素寿命成像（Positronium lifetime imaging）是一种新型的医学成像技术，它能够测量正电子素在人体组织中存在的时间。正电子素是由正电子和电子组成的一种短暂存在的"原子"。在这项技术中，医生会给患者注射一种特殊的放射性示踪剂。这种示踪剂会释放出正电子，正电子随后与周围的电子结合形成正电子素。

正电子素的寿命非常短，通常只有几纳秒，但这个寿命会受到周围分子环境的影响。比如，在健康组织和病变组织中，正电子素的寿命可能会有所不同。通过测量这个寿命，科学家们希望能够获得比传统PET扫描更加详细的组织信息。

2024年9月13日，波兰雅盖隆大学等研究团队在 Science Advances 期刊发表了一篇题为 Positronium image of the human brain in vivo 的研究论文。科学家首次在活体人脑中实现了正电子素寿命成像，为早期诊断神经退行性疾病开辟了新途径。

研究团队使用专门设计的J-PET扫描仪对一名45岁的脑胶质瘤患者进行了成像。他们首先静脉注射了标记有68Ga放射性核素的[68Ga]Ga-PSMA-11示踪剂，然后使用常规PET/CT确定肿瘤位置。随后，他们将[225Ac]Ac-DOTAGA-SP和[68Ga]Ga-DOTA-SP直接注射到肿瘤中进行治疗。最后，使用J-PET扫描仪采集数据13分钟，实现了正电子素寿命成像。

首次实现人脑正电子素寿命成像

研究团队成功获得了世界上首张人脑正电子素寿命图像。这些图像清晰地显示了大脑不同区域正电子素的平均寿命分布。研究团队将大脑分为三个主要区域进行分析:胶质瘤区域（G）、唾液腺区域（SG）和健康脑组织区域（B）。每个区域的正电子素寿命谱如图3J-L所示，其中黑色曲线代表实验数据，红色曲线代表拟合结果。

不同组织间正电子素寿命存在差异

研究发现，胶质瘤区域的平均正电子素寿命为1.77 ± 0.58 ns，明显短于唾液腺区域的2.44 ± 0.46 ns和健康脑组织区域的2.72 ± 0.72 ns。值得注意的是，健康脑组织的正电子素寿命与之前研究中观察到的健康脂肪组织的寿命（2.72 ± 0.05 ns）非常接近。同时，胶质瘤区域的正电子素寿命与先前研究中心肌瘤肿瘤的寿命（1.92 ± 0.02 ns）相近。这些数据表明正电子素寿命成像可能有助于区分健康和病变组织。

平均正电子素寿命显示更显著差异

研究还计算了0-5 ns范围内的平均正电子素寿命。结果显示，胶质瘤区域为1.28 ± 0.06 ns，唾液腺区域为1.53 ± 0.04 ns，健康脑组织区域为1.89 ± 0.06 ns。这些差异在统计学上更加显著。具体来说，健康脑组织与胶质瘤的差异达到了7个标准差，与唾液腺的差异达到了5个标准差。这种高度显著的差异进一步证实了正电子素寿命成像在区分不同类型组织方面的潜力。

全身PET系统可大幅提高灵敏度

研究团队通过蒙特卡罗模拟预测，使用全身PET系统可将正电子素寿命成像的灵敏度提高28-87倍（图4D）。具体来说，对于J-PET系统，灵敏度可提高28倍；对于基于晶体的uEXPLORER系统（AFOV = 194 cm），灵敏度可提高87倍。此外，使用44Sc等其他放射性核素可进一步提高灵敏度。理论上，使用44Sc并配合Siemens Quadra、uPenn Explorer或uEXPLORER系统，灵敏度可分别提高约3700倍、5200倍或6500倍。这种灵敏度的大幅提升将使正电子素寿命成像的质量达到与标准PET成像相当的水平，每次扫描可获得数百万个有效事件。

这项突破性研究首次实现了活体人脑的正电子素寿命成像，为早期诊断神经退行性疾病开辟了新途径。研究结果表明，正电子素寿命成像可能成为评估组织病理和氧化水平的有效工具。虽然目前的图像分辨率和统计精度有限，但研究团队预测，使用全身PET系统和更适合的放射性核素可大幅提高成像质量。这项技术有望成为现有PET成像的有力补充，为脑部疾病的早期诊断和研究提供新的视角。

论文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adp2840

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