氧化鎢(WO3-x@BSA)納米顆粒的CT成像

閆 偉，王東新*，郭晉綱，洪紫薇

(1.山西醫科大學公共衛生學院衛生檢驗教研室，山西 太原 030001；2.山西省腫瘤醫院核醫學科，山西 太原 030013)

氧化鎢(WO3-x@BSA)納米顆粒的CT成像

閆 偉1，王東新1*，郭晉綱2，洪紫薇1

(1.山西醫科大學公共衛生學院衛生檢驗教研室，山西 太原 030001；2.山西省腫瘤醫院核醫學科，山西 太原 030013)

目的探討氧化鎢(WO3-x@BSA)納米顆粒作為CT對比劑的CT成像價值。方法測定以不同濃度WO3-x@BSA納米顆粒、碘海醇為對比劑時增強CT的CT值；在管電壓相同時，測定不同濃度鎢的CT值；繪制濃度與CT值、電壓與CT值的關系曲線。進行動物模型體內、外實驗，通過尾靜脈和腹腔2種注射方法將WO3-x@BSA納米顆粒分別注入2只活體SD大鼠體內，經門靜脈將WO3-x@BSA納米顆粒注入新鮮離體豬肝，觀察WO3-x@BSA納米顆粒作為對比劑的CT成像效果。結果相同濃度時，鎢對比劑的CT值高于碘對比劑，圖像密度更高；當WO3-x@BSA納米顆粒對比劑濃度相同時，CT值隨管電壓的減小而增大。經不同途徑注入大鼠體內的WO3-x@BSA納米顆粒均可到達各組織臟器，CT呈高密度。WO3-x@BSA納米顆粒進入新鮮離體豬肝后沿血管進行擴散、浸潤分布，CT成像效果良好。結論WO3-x@BSA納米顆粒作為對比劑CT成像效果良好。

氧化鎢納米顆粒；體層攝影術，X線計算機；大鼠；動物實驗

CT已被廣泛用于臨床疾病診斷[1-2]，高質量CT圖像常需借助對比劑，碘對比劑優勢為患者耐受性良好、性能穩定、滲透壓較低等；但同時也有其局限性，如可快速被腎臟清除致成像時間縮短、腎毒性大、在體內循環時間短等。此外，因其不具有靶向性而在腫瘤靶向CT成像中應用受限[3-6]，X射線可誘導碘物質電離出碘離子導致毒性增強，且無法應用于對碘劑過敏的患者。隨著納米科技的迅速發展，納米材料與醫學的聯系更加密切。在CT對比劑研究方面，已涌現出大量基于納米顆粒的對比劑，具有增強X射線衰減能力、毒性低及體內循環時間長等特點，克服了含碘小分子對比劑的缺點[7-8]。氧化鎢納米顆粒作為CT對比劑易于制備，價格低廉等優點，對X射線具有較高的光衰減能力，且CT成像敏感度高于分子碘對比劑[9-10]。本研究通過體內、外實驗探討氧化鎢(WO3-x@BSA)納米顆粒作為對比劑的CT成像價值。

1 材料與方法

1.1 WO3-x@BSA的制備 稱取75.4 mg氧化鎢(WO3-x)納米顆粒置于3.77 ml蒸餾水中，超聲分散30 min，配制成20 mg/ml的WO3-x懸濁液。稱取21.6 mg BSA，加入4.32 ml PBS配制成5 mg/ml的BSA溶液。將1 500 μl BSA溶液滴于5 ml離心管內，同時加入等體積WO3-x懸濁液進行1∶1配液，輕輕搖勻，制備成WO3-x@BSA混懸液，置于4℃冰箱中冷藏備用。

1.2 CT成像及CT值的測定 將氧化鎢納米顆粒混懸液和醫用碘海醇分別配制為9個不同梯度的摩爾濃度溶液(1～9依次增高)，相應濃度梯度的鎢、碘質量相同。配制氧化鎢納米顆粒摩爾濃度梯度為0、2.25、3.50、5.70、11.50、22.50、37.50、75.00、150.00 mmol/L，醫用碘海醇配制碘摩爾濃度梯度為0、3.30、5.50、11.00、22.00、38.50、55.00、110.00、220.00 mmol/L，分別置于96孔板中。CT成像采用GE Discovery 670 CT掃描儀，掃描參數：層厚0.5 mm，管電壓為80、100、120 kV，管電流80 mA，矩陣1024×1024，機架旋轉時間0.4 s。記錄各孔CT值，并以元素摩爾濃度為橫坐標，CT值為縱坐標進行曲線擬合。

1.3 實驗動物 2只健康成年雄性潔凈級SD大鼠[山西醫科大學動物中心提供，動物許可證編號：SCXK(晉)2015-0001-2833]，體質量297～303 g，鼠齡8周。將2只大鼠隨機編號(Ⅰ、Ⅱ)，分別置于2個鼠籠內于相同環境下飼養。將Ⅰ、Ⅱ號大鼠取出并經烏拉坦麻醉，Ⅰ號大鼠經尾靜脈、Ⅱ號大鼠經腹腔按2 ml/kg體質量分別注射0.6 ml WO3-x@BSA混懸液。

1.4 大鼠CT成像 將Ⅰ、Ⅱ號大鼠正常喂養24 h后取出麻醉，并取仰臥位固定于鼠板上，進行CT掃描，掃描參數：層厚0.5 mm，管電壓80 kV，管電流80 mA，矩陣1024×1024，機架旋轉時間0.4 s。觀察WO3-x@BSA納米顆粒進入SD大鼠內各組織CT成像情況，記錄結果。

1.5 離體豬肝CT成像 取新鮮離體豬肝解剖分離后采用pH=7.4的PBS溶液沖洗干凈，經門靜脈注射11.5 mmol/L WO3-x@BSA混懸液，進行CT掃描，觀察WO3-x@BSA納米顆粒進入豬肝內的CT成像情況，記錄結果。

2 結果

2.1 鎢與碘對比劑的體外CT值測定及CT成像

2.1.1 不同濃度鎢與碘對比劑體外CT成像 1～9濃度梯度的鎢與碘溶液(鎢、碘質量相同)的CT值見表1，鎢與碘溶液的CT值隨摩爾濃度的增加而增大。CT成像顯示隨摩爾濃度的增加，圖像密度增大，且當鎢與碘的摩爾濃度接近時鎢呈現CT增強圖像密度大于碘(圖1)。以摩爾濃度為橫坐標，CT值為縱坐標進行曲線擬合，結果顯示兩者CT值均隨濃度的增加而增大，線性關系良好。相同濃度時氧化鎢納米顆粒對比劑的CT值較碘對比劑高；相同CT值時，所需鎢對比劑的濃度較小(圖2)。

圖1 不同濃度梯度的鎢與碘溶液體外CT成像圖 (I：碘；W：鎢：1～9為摩爾濃度梯度)

2.1.2 氧化鎢納米顆粒對比劑的CT值與管電壓的關系 以摩爾濃度為橫坐標，CT值為縱坐標進行曲線擬合，不同管電壓時曲線見圖3，結果顯示當對比劑濃度相同時，CT值隨管電壓的減小而增大。

表1 系列濃度梯度鎢與碘溶液的CT值

圖2 鎢與碘CT值隨濃度的變化曲線 (I：碘；W：鎢) 圖3 不同管電壓下鎢的CT值隨濃度的變化曲線

2.2 活體大鼠CT成像 Ⅰ號大鼠經尾靜脈注射對比劑，其尾靜脈、心臟、心肺結合部、肺臟、肝臟、脾臟及腎臟均呈高密度影(圖4)。Ⅱ號大鼠經腹腔注射對比劑，其腹腔、心臟、心肺結合部、肺臟、肝臟及腎臟均呈高密度影(圖5)。

2.3 離體豬肝CT成像 經門靜脈注射氧化鎢納米顆粒對比劑后，離體豬肝的門靜脈呈高密度影，周圍組織密度低于門靜脈(圖6)。

3 討論

納米材料可因特殊效應(如表面效應、體積效應及量子尺寸效應等)致物理特性(磁、光、力學等)發生變化的特點成為研究熱點[11]，目前已展示出在納米化學、分子影像學及環境監測等方面的巨大應用潛力。研究[12]發現，管電壓為100 kV時，金對X射線的吸收系數(5.16 cm2/g)大于碘(1.94 cm2/g)，單位質量金的造影效果優于碘約2.7倍，且金納米顆粒的制備技術較成熟，故其作為CT對比劑具有良好的應用前景[13]，但由于其造價較高而不利于推廣。相比碘高分子聚合物和金納米材料。管電壓為100 kV時，鎢對X射線的吸收系數(4.438 cm2/kg)大于碘的吸收系數(1.94 cm2/kg)，這為氧化鎢納米顆粒作為CT對比劑可提高檢測敏感度提供了理論依據。Huo等[10]采用氧化鎢納米顆粒作為CT對比劑對荷瘤小鼠和兔子的淋巴組織進行研究，體外噻唑藍實驗表明聚乙二醇修飾后的氧化鎢無細胞毒性。上述研究結果為氧化鎢納米顆粒作為CT對比劑用于疾病的診斷檢測提供了有力的實驗依據。納米材料設計及合成的飛速發展推動了分子成像的應用，因而為高敏感度納米探針的設計和開發帶來了機遇。

圖4 活體SD大鼠經尾靜脈注射藥物后CT成像圖 A.尾靜脈注射點； B.心臟； C.心肺結合部； D.脾臟； E.腎臟 (箭示增強區域)

圖5 活體SD大鼠經腹腔注射藥物后CT圖 A.腹腔注射點； B.心臟； C.心肺結合部； D.肺臟； E.肝臟； F.腎臟 (箭示增強區域)

圖6 新鮮離體豬肝臟經門靜脈注射WO3-x@BSA納米顆粒對比劑后的CT成像

本研究通過測定不同濃度碘與鎢的體外CT值，發現濃度相同時鎢的CT值較碘高，而CT值相同時，鎢的濃度比碘小，提示相比于碘化物，WO3-x@BSA納米顆粒作為CT成像對比劑具有密度更高、原材料消耗更少、更經濟等優點。而通過在管電壓相同時，測定不同濃度鎢的CT值發現，當濃度相同時，鎢的CT值隨管電壓的減小而增大；提示低管電壓有利于提高鎢的敏感度，從而提高圖像的分辨率和清晰度。另外降低管電壓可減少人體對X線的吸收，從而減少人體對X線的輻射暴露。

本研究采用2種注射方法將WO3-x@BSA納米顆粒注入大鼠體內，發現經不同途徑進入體內的WO3-x@BSA納米顆粒均可到達各組織臟器，CT呈高密度影。①經尾靜脈注射：注入部位因藥物滯留而呈高密度影，藥物由隨血液循環到達心臟，因此心臟也呈高密度影，但顯像信號強度下降，提示藥物在體內循環過程中存在稀釋、代謝；當藥物隨循環代謝到達肺臟，肺臟又是機體的小循環，因此肺臟也呈高密度影；而藥物到達心臟后會隨著血液循環也到達肺部血管內，因此心肺結合部位也呈高密度影；因脾臟是機體血細胞更新代謝器官，含血量豐富，藥物隨血液循環到達此處，因而也呈高密度影；腎臟為機體代謝器官，藥物進入體內后隨血液循環進行代謝，由腎臟排出，所以腎臟內藥物含量高，呈現高密度影。②經腹腔注射：注射部位呈高密度影，由于腹腔內腸網膜血液循環豐富，藥物注射后，經毛細血管吸收進入血液循環，到達心臟，因此心臟也呈高密度影；藥物在血液內進行循環代謝分布，心肺結合部、肺臟呈高密度影；肝臟為機體最大的物質循環代謝場所，藥物經體內的大小循環后最終到達肝臟進行代謝，因而肝臟呈高密度影；藥物進入腹腔內到達腎表面，經腎臟被膜內毛細血管吸收，藥物與腎臟組織結合，呈高密度影。2只大鼠在注射藥物后，均無明顯的外在異常反應，可為WO3-x@BSA納米顆粒作為對比劑應用于臨床CT成像提供實驗依據。

本研究中將WO3-x@BSA納米顆粒經門靜脈注入新鮮離體豬肝并行CT成像，發現門靜脈呈高密度影，周圍組織密度低于門靜脈。藥物經門靜脈進入肝臟后沿血管進行擴散、浸潤分布，其濃度隨藥物的擴散，也逐漸下降，對射線的吸收能力也隨之降低；因此密度最高部位即為門靜脈，周圍密度低于門靜脈。

綜上所述，WO3-x@BSA納米顆粒作為對比劑CT成像效果良好。目前，具有靶向、載藥功能的納米造影劑不斷被研發，旨在用于腫瘤等疾病的靶向診治[14]。周航等[15]制備靶向癌胚抗原載藥的納米超聲對比劑，用于對腫瘤組織的靶向超聲造影及治療，將提高腫瘤的診療效率。雖然將新型對比劑用于臨床還需很長時間，但筆者相信在不久的將來一定會有敏感度高、特異度強、靶向性好的對比劑用于臨床，將對醫學成像、診斷及治療產生深遠的影響。

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CTimagingoftungstenoxidenanoparticles(WO3-x@BSA)

YANWei1,WANGDongxin1*,GUOJin'gang2,HONGZiwei1
(1.DepartmentofSanitaryInspection,SchoolofPublicHealth,ShanxiMedicalUniversity,Taiyuan030001,China; 2.DepartmentofNuclearMedicine,ShanxiCancerCenter,Taiyuan030013,China)

ObjectiveTo investigate the value of CT taking WO3-x@BSA nanoparticles as contrast agents.MethodsCT values of WO3-x@BSA nanoparticles and the iohexol contrast agents at different concentrations were measured. When the tube voltage was the same, CT values of the tungsten at different concentrations were measured, and the relationship curve of CT values and the concentrations, the tube voltages and CT values were plotted. The animal models were performed to observe CT imaging in vivo and in vitro. WO3-x@BSA nanoparticles were injected through tail vein and intraperitoneally of rats in vivo. In fresh pig liver, WO3-x@BSA nanoparticles were injected by portal vein.ResultsCT value of the tungsten was higher than the iodine at the same concentration, and the imaging signal of the tungsten was more significant than the iodine. The amount of WO3-x@BSA was less than the iohexol contrast agent reaching to the same CT value. WO3-x@BSA nanoparticles could reach the organs of various tissues in SD rats through different ways and showing the high density signal. WO3-x@BSA nanoparticles were also injected into the fresh in-vitro liver of pig, and could diffuse and distribute along with the blood vessels with good CT imaging.ConclusionAs a novel CT contrast agent, WO3-x@BSA nanoparticles can be used to get good CT imaging.

Tungsten oxide nanoparticles; Tomography, X-ray computed; Rats; Animal experimentation

10.13929/j.1003-3289.201704025

R-332; R814.42

A

1003-3289(2017)10-1453-05

中國博士后科學基金(2015M571286)、山西醫科大學博士啟動基金(03201412)、山西醫科大學青年基金(02201508)、山西醫科大學科技創新基金(01201503)。

閆偉(1986—)，女，山西晉中人，碩士，助理實驗師。研究方向：新型納米對比劑研究。E-mail: yanwei@sxmu.edu.cn

王東新，山西醫科大學公共衛生學院衛生檢驗教研室，030001。E-mail: wdx2002hx@aliyun.com

2017-04-07

2017-08-16