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1、第四章放射性核素示踪技术与脏器显像第一节放射性核素示踪原理与特点放射性核素示踪技术radionuclidetracertechnique）是以放射性核素或其标记化合物作为示踪剂（tracer）,应用射线探测仪器设备来检测其行踪,以研究示踪物在生物体系中的分布及其变化规律的一门技术。放射性核素示踪技术的开创和推广应用，揭示了生命现象的本质、生命活动的物质基础、组织细胞新陈代谢的变化规律，以及疾病的原因和药物的作用机制，是自从显微镜发明以来生物医学历史上最重大的成就之一,为宏观医学向微观医学发展作出了极为重要的贡献，具有划时代意义。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技术，同时又是放
2、射性核素在医学和生物学中应用的方法学基础。以示踪技术为基础，吸取并融合其它学科的先进成就，发展了许多有实用价值的方法，如放射性核素动力学分析技术（示踪+动力学分析）、体外放射分析技术（示踪+结合反应）、放射自显影术（示踪+摄影术）、放射性核素显象技术（示踪+显象技术+计算机技术）等等。这些技术无论是在实验医学还是在临床医学上，都具有十分重要的应用价值。一、示踪原理根据研究的需要，选择适当的放射性核素标记到被研究物质的分子结构上，将之引入生物机体或生物体系（如离体细胞、无细胞酶体系等）中，标记物将参与代谢及转化过程，通过对t示记物所发射的核射线的动态检测，并且对所获得数据进行处理分析，可间接了解
3、被研究物质在生物机体或生物体系中的动态变化规律，从而得到定性、定量及定位结果,结合研究目的最后作出客观评价。由此可见,放射性核素示踪技术主要是基于放射性核素示踪物与被研究物质的同一性和可测量性这两个基本性质。1.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。由于一种元素的所有同位素化学性质相同，在生物体内所发生的化学变化、免疫学反应和生物学过程也都是完全相同的，生物体或生物细胞不能区别同一元素的各个同位素，而是一视同仁地对待它们。同样，放射性核素标记化合物也具有同一性,因为标记化合物与被研究的物质也具有相同的生物学性质和代谢途径。在这个过程中并不改变化合物的原有
4、结构，也不影响该化合物的原有性质。在核医学中，用放射性131I来研究稳定性127I的生物学行为；用3H-TdR研究细胞增殖功能等等。用同位素交换法制备示踪剂是较理想的方法,但实际上许多适合于实验研究和临床研究的放射性核素并不存在于化合物的分子结构中，无法进行同位素交换，因此，还需要采用其它方法。当以放射性核素标记到另一化合物分子结构上时，这种放射性核素虽然并非该化合物所固有,但一般不致明显改变该化合物的原有性质。这种带有放射性核素的化合物与未经标记的化合物，它们在体内的运动规律基本上相似,这样也可以用放射性核素标记的化合物来反映或代表未经标记的化合物在体内的行为。在临床核医学中，用于标记化合物
5、的常用核素主要有131L125L99mTc、IlIIn、18F、lie、13N、15。等，其标记方法分为直接标记法和间接标记法两类。2.可测性放射性核素及其标记化合物与相应的未标记化合物尽管具有相同的化学性质和生物学行为，但是它们的物理学性能却不同，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。放射性示踪剂在生物体系或外界环境的代谢过程中，由于放射性核素的原子核不断地衰变而放出具有一定特征性的射线,这些射线可以用放射性探测仪器探测出来，因而可以对标记的物质进行精确的定性、定量及定位的研究。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
6、标记的放射性核素在整体示踪研究体系中主要起着示踪作用。用于放射性示踪实验的常用放射性核素并不算多，比如物质代谢转化研究中的3H、C、32p等，体外放射分析中的1251,脏器功能测定与显像的1311、99muIlIIrI、啡、lie.13N、150等,但是用这些核素标记的化合物却可达数百种之多,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以及用途可能完全不同，并且随着新的标记化合物的研制，将不断扩展核医学的应用范围。例如，99mTc是临床上最常使用的放射性核素，高铅酸盐离子（99mTc4-）本身主要被甲状腺、唾液腺以及消化腺摄取，可用于甲状腺功能测定和甲状腺显像，但99mT
7、c-HMPAO可透过血脑屏障到达脑组织，用于脑血流显像；99mTc-MIBI聚集于心肌组织和某些肿瘤组织,用于心肌灌注显像和肿瘤阳性显像；99mTc-DMSA则主要被肾小管上皮细胞吸收和浓聚，可用于肾皮质显像等。因此，应根据实验对象和目的的不同、实验方法不同，选择适当的放射性核素和标记化合物。二、基本类型放射性核素示踪技术按其被研究的对象不同，分为体内（invivo）示踪实验和体外（inVitrO）示踪实验。1.体内示踪实验又称整体示踪实验，是以完整的生物有机体作为研究对象，通过体外观察或取标本测量以了解示踪物在机体内的运动规律,多用于研究物质的吸收、分布、转运及排泄过程。例如，对生理活性物质
8、示踪方法可研究其吸收、分布和排泄，探讨物质的动态平衡或观察各种物质在不同组织中的浓聚和释放；用示踪动力学方法可探讨药物和生物活性物质在体内的动态过程,包括它的代谢库、更新速度、清除率以及不同代谢库间的交换情况等,尤其是近年微型PET的应用，在新药开发、设计、筛选及药代动力学研究方面将可能取代传统复杂的分析技术，大大缩短了新药研制周期、降低了研究成本；也可将放射性核素标记人体内某些细胞或蛋白质等成分，注入体内后动态采取样品，根据稀释法原理研究该成分在体内的生存期或容量,常用于细胞寿命及容积测定。在临床核医学中，几乎所有的诊断技术都是放射性核素示踪技术的具体体现，例如，脏器显象使用显像仪器从体外追
9、踪示踪剂在脏器中的分布、聚集和排泄过程，可获得脏器的形态、位置、大小和功能变化的影像；脏器功能测定则根据示踪剂在体内某些器官的特殊分布、浓聚、代谢和清除规律及其速度和数量的变化，应用放射性探测器在体表在特定的器官部位进行定时或连续的测定,以获得该器官的放射性活度随时间变化的过程，利用适当的数学模型分析处理得到该器官功能的定量参数，用于判断脏器功能异常的性质和受损程度。2.体外示踪实验又称离体示踪实验，是对离体组织、细胞及组织液样品中某些微量物质浓度进行定量分析或研究某些特定的生物活性物质如蛋白质、核酸等在生物系统中的利用、代谢与转化规律的示踪技术。例如，利用体外放射分析技术测定各种生物样品中激
10、素、药物、蛋白质物资的浓度，用以诊断有关疾病；用3H-TdR掺入DNA作为淋巴细胞转化的指标观察细胞免疫情况；1251-UdR掺入RNA试验检测细胞增殖速度及细胞周期，研究各种抗肿瘤药物的作用；通过标记不同的前身物（如某种氨基酸、各种核甘酸等）研究蛋白质、核酸等生物大分子的合成、结构和功能等。三、方法学特点与其它类型的示踪方法（如酶标、荧光标记等）相比，放射性核素示踪技术具有以下特点：1 .灵敏度高由于射线的特性、放射性测量仪器的检测能力，以及标记化合物的比放射性可以很高，因此放射性核素作为示踪物时，可以精确地探测出极微量的物质，一般可达到IO-M10-i8g水平,即能从10141018个非放
11、射性原子中查出一个放射性原子,这对于研究体内或体外微量生物物质的含量具有特殊价值。例如，ICi的32P仅有3.52g,即3.5210,而放射性测量仪器可以精确地测出IO或更弱的放射性,也就是说,测量32p的灵敏度可达10-数量级。2 .方法简便、准确性好由于测定对象是核射线，而标记化合物（示踪剂）中放射性核素放出的射线不受其它物理和化学因素（如温度、PH值等）的影响，同时放射性测量不受反应体系中其它非放射性杂质的干扰,省去了许多可能导致误差的分离、提纯等步骤,减少了待测物化学量的损失，这不仅简化了实验程序，而且提高了实验结果的可靠程度,可以获得较好的准确性。3 .合乎生理条件由于放射性核素示踪
12、技术方法灵敏度高，所需化学量很少，不致扰舌屏口破坏体内生理过程的平衡状态，因此允许在生理条件下或培养细胞体系中完成分析实验，属于非破坏性实验方法，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变化，所得结果更接近于真实的生理情况。4 .定性、定量与定位研究相结合放射性核素示踪技术不仅能定量测定和进行动态研究，而且还可定位观察。如放射自显影技术可确定放射性标记物在器官或组织标本中的宏观或微观定位与定量分布,并可与电子显微镜技术结合，进行亚细胞水平的定位分析，使功能与结构的研究统一起来。5 .缺点与局限性：需要专用的实验条件，例如专用的放射性实验室、放射性测量仪器、严格的放射性操作程序,以及必
13、要的放射性防护设备等；需要具有一定专业训练的技术人员，因该类方法是一个多环节的实验过程，又是微量精密操作，许多环节均可影响到实验结果，为获得可靠结果，必要的专业训练是必不可少的；由于放射性核素本身的特点，使用不当可能会对实验对象、工作人员产生一定的放射性生物效应。因此在实验设计上和预防措施上，都应予以相应的考虑。第二节放射性核素显像技术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,在体外获得脏器和组织功能结构影像的一种成像技术。在技术上，它涉及三个方面：放射性药物的引入、平面或断层显像和图像处理与分析。脏器显像作为临床核医学的重要内容和
14、医学影像技术的重要组成部分,其发展经历了最初的黑白与彩色扫描机、Y照相机和发射式计算机断层显像（ECT）三个阶段；新的放射性核素标记化合物的研制，使脏器显像的范围大大扩展，到目前为止，人体内大部分脏器都可以进行核医学显像检查；过去主要依靠目测分析判断，现在从信号采集、信息处理、图像重建到结果定量分析已全部由计算机自动完成，不仅大大缩短了检查的时间，而且提高了结果的可靠性和准确性。一、方法学原理脏器和组织显像的基本原理是放射性核素的示踪作用:不同的放射性药物在体内有其特殊的分布和转归的规律,而其放射性核素可发射出具有一定穿透力的Y射线，可为放射性测量仪器在体外进行探测和记录，因此可在体外显示出脏
15、器组织的形态、位置、大小和脏器功能变化。具有简便、安全、对受检者无创伤的特点。放射性核素显像实际上是一种以脏器内、外或脏器内各组织之间、脏器与病变之间的放射性药物浓度差别为基础的显像方法，其基本条件是：具有能够选择性聚集在特定脏器、组织和病变的放射性药物，使该脏器、组织或病变与邻近组织之间的放射性浓度差达到一定程度;利用核医学显像装置探测到这种放射性浓度差，根据需要以一定的方式将它们显示成像，即是脏器、组织或病变的影像。核素显像与CT、MR及超声显像不同，核素显像中不同脏器、组织或病变的显像需要不同的显像剂，而且同一脏器或组织不同目的的显像，其显像剂也不同。显像剂在特定的脏器、组织或病变中聚集
16、的机理概括起来主要有以下几种类型：1 .合成代谢脏器和组织的正常合成功能需要某种元素或一定的化合物，若用该元素的放射性核素或利用放射性核素标记特定的化合物引入体内，可被特定的脏器和组织摄取，从而进行体外显像。例如甲状腺对碘元素具有选择性吸收功能用以合成甲状腺激素，利用放射性碘作为示踪剂，根据甲状腺内放射性碘分布的影像可判断甲状腺的位置、形态、大小，以及甲状腺及其结节的功能状态。有些示踪剂则是作为组织细胞的能源物质被某些组织摄取，如11C标记的脂肪酸-软脂酸(PaImetiCaCid,UC-PA)可被心肌摄取利用而进行心肌脂肪酸代谢显像；第F标记的脱氧葡萄糖(i8F-2-fluoro-2-deoxy-D-glucose,i8F-FDG)与一般葡萄糖一样可作为能源物质被心肌细胞和脑细胞摄取利用，用正电子发射计算机断层仪(PET)获得图像，观察和分析心肌及脑灰质的能量代谢状况。2 .细胞吞噬单核-吞噬细胞具有吞噬异物的功能。将放射性胶体
