使用64-铜作为示踪剂研究铜相关疾病的正电子发射断层扫描

摘要

本协议描述了如何在人体中进行 ^64CuPET / CT和PET / MRI成像，以研究铜相关疾病，例如威尔逊病，以及对铜代谢的治疗效果。

摘要

铜是一种必需的微量元素，在生物系统中起到催化和信号传导的作用。几十年来，放射性标记的铜一直被用于研究基本的人类和动物铜代谢和铜相关疾病，如威尔逊病（WD）和门克氏病。该工具包的最新成员是 64 铜 （⁶⁴Cu） 正电子发射断层扫描 （PET），它将现代计算机断层扫描 （CT） 或磁共振成像 （MRI） 扫描仪的精确解剖成像与 ⁶⁴Cu PET 示踪信号的生物分布相结合。这允许 体内跟踪铜 通量和动力学，从而直接可视化人类和动物铜器官的交通和代谢。因此， ⁶⁴Cu PET非常适合评估临床和临床前治疗效果，并且已经证明了准确诊断WD的能力。此外， ⁶⁴项Cu PET / CT研究已被证明在癌症和中风研究等其他科学领域具有价值。本文展示了如何在人体中进行 ⁶⁴Cu PET/CT 或 PET/MR。此处演示了 ⁶⁴Cu 处理、患者准备和扫描仪设置的程序。

引言

铜是一种重要的催化辅助因子，驱动生命所必需的多种重要生化过程，而铜稳态缺陷是人类疾病的直接原因。编码铜转运ATP酶的ATP7A或ATP7B基因突变分别导致Menke和Wilson病。门克氏病 （ATP7A） 是一种罕见的肠道铜过度积累致死性疾病，伴有外周组织严重铜缺乏和铜依赖性酶缺陷¹。威尔逊病（WD）（ATP7B）是一种罕见的疾病，其特征是无法将多余的铜排泄到胆汁中，导致铜过载和随后的器官损伤，最严重的是影响肝脏和大脑²。

几十年来，对铜代谢的研究一直使用放射性标记的铜（通常是64-铜[64 Cu]或⁶⁷-铜），这些研究已被证明对于我们了解哺乳动物铜代谢（包括吸收部位和排泄途径）非常宝贵3，⁴，^5，6。以前，伽马计数器用于以有限的解剖分辨率检测放射性信号，但最近，⁶⁴Cu正电子发射断层扫描 （PET） 结合计算机断层扫描 （CT） 或磁共振成像 （MRI） 已被引入人类和动物研究。如今，PET扫描仪具有如此高的灵敏度，可以在注射后长达70小时跟踪⁶⁴Cu。⁶⁴Cu的半衰期为12.7小时，可以长期评估铜助焊剂。这种分辨率的提高最近才进入铜研究领域，关于正常和病理性铜代谢的研究，以及评估特定治疗影响的研究，开始出现。此外，具有扩展视野的全身PET扫描仪的引入将进一步提高这些检查的灵敏度。

该方法论文旨在使临床医生和科学家能够在现有的工具库中添加⁶⁴Cu PET CT / MRI，作为一种强大且易于使用的方法，以核医学部门之间可比的方式评估铜代谢。⁶⁴铜的生产可以使用不同的方法进行，通常在特殊设施中进行。在核反应中，广泛使用64 Ni（p，n）64 Cu方法，因为在该路线^7，8中，低能质子可以获得⁶⁴Cu的高产率。 生产方法的详细说明超出了本工作的范围，可用性将因国家和地区而异。

在本文中，我们首先描述必要的放射化学和示踪剂的制备。然后，演示了制备PET / CT或PET / MRI扫描仪的原理。

研究方案

丹麦中部地区伦理委员会已批准一些使用该 ⁶⁴Cu PET/CT 或 PET/MRI 方案的临床试验 [1-10-72-196-16 （EudraCT 2016-001975-59）、1-10-72-41-19 （EudraCT 2019-000905-57）、1-10-72-343-20 （EudraCT 2020-005832-31）、1-10-72-25-21 （EudraCT 2021-000102-25） 和 1-10-72-15-22 （EudraCT 2021-005464-21）]。在入组时获得参与者的书面知情同意。所有受试者的纳入标准均为>18岁，女性为使用安全避孕措施。威尔逊病患者的排除标准是失代偿性肝硬化、终末期肝病模型（MELD）评分>11或改良的Nazer评分>6。所有受试者的排除标准是已知对示踪剂配方中的 ⁶⁴铜或其他成分过敏，怀孕，母乳喂养或在试验结束前怀孕的愿望。

1. ⁶⁴CuCl₂的制备

1. 将固体^64CuCl₂溶解在盐酸（0.1M）中，并加入乙酸钠缓冲液（0.5M）以将pH值提高至~5。用盐水配制并过滤，通过0.22μm过滤器对溶液进行灭菌（见材料表）。
   注意:醋酸钠缓冲液（0.5 M）由醋酸钠三水合物和无菌水制成，通过0.22μm灭菌过滤器。
2. 为了对产生的 ⁶⁴CuCl₂ 溶液进行质量控制，请进行 pH 测量、细菌内毒素测试、放射化学纯度测定和放射性核素鉴定^7，8。
3. 将产品储存在室温下的铅容器中，并保持检疫，直到满足所有质量控制规范。
   注意:对于本研究，生产了 ⁶⁴CuCl₂ ，放射性核素纯度≥99%，放射化学纯度≥95%。用作起始材料的固体 ⁶⁴CuCl₂是从商业来源获得的（见 材料表）。

2. PET扫描仪的制备

1. 按照制造商的协议对扫描仪进行质量检查（QC）⁹ （参见 材料表）。
   注意:QC必须在每天早上患者扫描前进行。

3.静脉注射（IV）注射和每次口服（PO）给药的示踪剂图纸

1. 戴上塑料手套，从铅容器上取下盖子。
2. 使用长镊子用消毒棉签对铅容器内含有示踪剂的玻璃瓶的橡胶膜进行消毒。
3. 使用镊子将短插管（~0.5 mm x 16 mm）插入膜中，以避免瓶内真空溢出。
4. 使用镊子插入更长的套管以抽取。这个套管应该足够长，以到达瓶子的底部（通常为50毫米）。
5. 确保剂量校准器（见 材料表）校准为 ⁶⁴Cu。 计算第一次抽取的近似体积。
   注意:从化学质量控制报告中，将提供液体的活性量和体积，从而可以计算要绘制的近似体积。
6. 戴上塑料手套，将适当大小的塑料注射器插入长套管中，并绘制计算出的体积。该体积将取决于产品中64Cu的浓度以及为方案确定的^64Cu量（参见代表性结果下的剂量计算）。
7. 使用镊子握住套管，同时将注射器移动到剂量校准器以测量放射性。
8. 继续绘制，直到达到适当的放射性量。注射后，大约5%的示踪剂将保留在注射器和套管中。
   注意: ⁶⁴Cu 不应在盐水中稀释，因为示踪剂可能会沉淀。因此，注射后不能用盐水冲洗注射器（这与PO给药无关）。
9. 用镊子，使用带盖的套管（~16毫米套管）关闭注射器并将其储存在铅容器中直至应用。

4. 示踪剂的应用

1. 静脉注射
   1. 插入静脉插管（~22 G，25 mm），最好在肘静脉中，并用盐水冲洗以确保正确放置。
      注意:应提供一份工作表，其中包含参与者的姓名，用于示踪剂质量控制发布的印章或签名，以及用于绘图，注射和剩余示踪剂的时间点和放射性。
   2. 使用可用的剂量校准器测量注射器中的放射性，并在工作表上记下时间和活性。
   3. 将铅容器中的注射器运送到参与者的床边。
   4. 如果注射发生任何溢出，请将餐巾纸放在参与者的肘部下方，以便测量溢出的放射性。
   5. 用镊子从注射器上取下盖子/套管，并戴上塑料手套，将注射器连接到IV通路。记下工作表上的时间，然后以一个稳定的运动注入。
      注意:如前所述，注射器不应用盐水冲洗，因为示踪剂可能会沉淀。
   6. 从IV通路中取出注射器，戴上盖子/套管，如有必要，将其与餐巾纸一起放入铅容器中。
   7. 用盐水冲洗静脉通路。
   8. 注意工作表上注射器中的时间和剩余放射性。
      注意:注射活性计算为注射前后注射器活性之间的差异，但使用PET扫描协议来校正衰减。因此，当扫描参与者时，所有三个时间点（抽吸、注射和剩余测量）以及抽吸和剩余测量处测量的放射性都输入到 PET 扫描协议中（参见步骤 5）。
   9. 根据机构安全规定适当处理剩余材料。
   10. 移除静脉输液通道。如果出现任何过敏反应，请将静脉通路留置30分钟。
2. 口服
   注意:应提供一份工作表，其中包含参与者的姓名，用于示踪剂质量控制发布的印章或签名，以及用于绘图，管理和剩余示踪剂的时间点和放射性。
   1. 在一次性柔软的塑料杯中，倒入约 100 毫升的水或甜水; ⁶⁴Cu是无味的。应提供一次性塑料吸管和小型一次性塑料袋。
   2. 使用可用的剂量校准器测量注射器中的放射性，并在工作表上记下时间和活性。
   3. 将铅容器中的注射器运送到参与者的床边。参与者应坐在床或椅子上。
   4. 用镊子从注射器中取出盖子/套管，戴上塑料手套，将示踪剂注入杯中，小心不要溢出任何。取一点水/亲切，然后再次注入杯中。
   5. 在杯子里放一根塑料吸管（这是为了尽量减少参与者喝水时溢出的风险）。
   6. 记下工作表上的时间，让参与者喝酒。杯子应该尽可能空。
   7. 将空杯子和吸管放入带有空注射器的一次性塑料袋中，并将它们放入铅容器中。
   8. 注意时间并测量注射器中剩余的放射性。在工作表中注明。
      注意:注射活性计算为注射前后注射器活性之间的差异，但使用PET扫描协议来校正衰减。
因此，当扫描参与者时，所有三个时间点（抽吸、注射和剩余测量）以及抽吸和剩余测量处测量的放射性都输入到 PET 扫描协议中（参见扫描）。
3. 根据机构安全规定适当处理剩余材料。
   注意:摄入后观察参与者的急性过敏反应30分钟可能是合适的。

5. PET扫描

1. 将参与者置于扫描仪的仰卧位置。
2. 执行概述 CT 或 MR 扫描以计划在 PET 扫描期间要检查的特定区域。
3. 注意抽吸，注射和剩余测量的时间，以及PET方案中抽吸和剩余测量时的放射性。
4. 按照以下步骤执行 PET 扫描。
   注意:PET扫描协议必须针对同一研究的所有参与者的扫描持续时间和图像重建参数进行标准化;应遵循^{已发布的报告 10}，^11，12。
   1. 执行静态PET扫描，示踪剂给药后扫描时间为4.5分钟/床位置长达24小时，示踪剂给药后扫描时间为10分钟/床位置长达68小时（有关进一步详细说明，请参阅代表性结果下的扫描）。
      注意:在动态PET扫描期间，衰减被连续记录，随后分割成框架结构。这允许从短时间间隔中选择帧以强调 ⁶⁴Cu 分布的动态，并从较长的时间间隔中选择帧以优先考虑灵敏度。通常，在注射后立即选择较短的间隔，此后逐渐增加¹⁰。

6. 图像重建

1. 使用衰减、散射、飞行时间和点扩散函数的最佳可用校正重建图像。
   注意:必须仔细选择图像重建参数以优化图像属性，例如信号恢复和信噪比。对于多中心研究，标准化中心之间的图像质量至关重要。

7. 数据分析

注意:本研究描述了一种量化肝脏中 ⁶⁴Cu含量的简单方法。PET信号以标准摄取值（SUV）测量，根据参与者体重注射活性和/或每毫升组织千贝克勒尔（kBq）调整的组织放射性浓度。

1. 将数据下载到合适的程序，例如Dicom文件，到PMOD。
   注意:可能有许多不同的程序可以分析PET图像，例如Hermes或PMOD（参见 材料表）。
2. 调整 CT/MR 扫描音调以区分解剖结构。
3. 确保解剖扫描和PET扫描重叠。
4. 在水平面上用最好的MRI或CT扫描工作，定位肝脏和大结构。
5. 在肝脏中放置适当体积的兴趣（VOI）或多个VOI。
   注意:VOI是测量SUV的特定组织区域。VOI由多个感兴趣区域（ROI）组成，这些区域是一个平面中的组织区域。许多程序将球形VOI作为预设，这意味着不必绘制多个ROI（每个平面一个）即可构成VOI。右肝叶往往更均匀，因此是放置 VOI 的好位置。
6. 将多个 VOI 放置在不同水平面的右肝叶中以实现最精确的活动测量，因为 SUV 在右肝叶中可能会有所不同 （~5%）。计算这些 VOI 的平均 SUV。
7. 例如，为了量化整个肝脏中的SUV，请在每个平面上绘制涵盖整个肝脏体积的ROI以进行剂量学研究。
   注意:使用此方法时，避免使用动脉和静脉等大型结构。

结果

剂量计算
根据剂量学计算，IV给药的有效放射性剂量为62±5μSv / MBq示踪剂¹⁰。因此，根据时间范围，建议使用 50 MBq 剂量。高达 75-80 MBq 适用于较长时间的检查，并提供高质量的图像，而不会超过道德认可的剂量。口服给药的有效剂量为113±1μSv / MBq示踪剂，这是由于示踪剂的肠道蓄积。因此，需要考虑较低的剂量，并且在注射后长达24小时，30 MBq足以产生高质量的?...

讨论

该方法与任何其他PET方法类似，但12.7小时的长半衰期提供了研究长期铜通量的机会（我们在IV示踪剂注射后长达68小时获得了良好的结果）。协议中的所有步骤都必须由熟悉PET的人员处理，尽管它们并不比任何其他PET检查更关键。

故障 排除
因为我们经常使用 ^64Cu进行长期研究，所以PET信号会比平时更嘈杂。在量化PET信号时，特别是在胆囊等较小的器官?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
0.22 micrometer sterilizing filter	Merck Life Science
Cannula 21 G 50 mm	BD Microlance	301155
Cannula 25 G 16 mm	BD Microlance	300600
Dose calibrator	Capintec CRC-PC calibrator
PET/CT scanner	Siemens: Biograph
PET/MR scanner	GE Signa
PMOD version 4.0	PMOD Technologies LLC
Saline solution 0.9% NaCl	Fresenius Kabi
Sodium acetate trihydrate BioUltra	Sigma Aldrich	71188
Solid 64CuCl2	Danish Technical University Risø
Sterile water	Fresenius Kabi
Venflon 22 G 25 mm	BD Venflon Pro Safety	393280