正电子发射粒子追踪（PEPT）技术可以在一定程度上完成单正电子发射放射性标记颗粒的三维定位和追踪，具有高时空分辨率。由于缺乏将生物相容性颗粒与足够特异性活性进行放射性标记的方法，以及在亚微米尺寸范围内隔离单个颗粒的协议，PEPT技术在生物医学成像领域的应用受到了限制，该尺寸范围低于毛细血管栓塞的阈值。在这里，将这些进展结合起来，使用临床前正电子发射断层扫描/计算机断层扫描仪对单个放射性标记的亚微米尺寸颗粒进行了体内PEPT和动态正电子发射断层扫描（PET）成像。这项工作为使用极少量注射放射性剂量和材料，在全身水平上实时定量评估血液动力学打开了可能性。该研究以题为“In vivo real-time positron emission particle tracking (PEPT) and single particle PET”的论文发表在《

  图1显示了亚微米级硅颗粒（smSiP）的物理化学特征和放射性化学性质，包括在两个不同放大倍数下的SEM图像，这些图像揭示了颗粒的均匀性和尺寸；68Ga-smSiP在不同颗粒浓度下的放射性标记产率表明，在典型颗粒浓度0.125-1 mg ml−1时，RLY为90-100%，而在更低的颗粒浓度（2 µg ml−1）时，RLY为75.0 ± 9.2%，并且放射性化学纯度在净化颗粒后为98.2 ± 1.6%；每颗粒的放射性随着颗粒浓度的降低而增加；在37°C的人血清中孵育1、2和3小时后，smSiP的放射性化学稳定性保持在98.5 ± 1.0%。这些根据结果得出smSiP具有高度均匀的物理化学特性和优良的放射性化学性质，为后续的放射性标记和生物医学应用奠定了基础。

  接下来，通过流式细胞术精确控制颗粒数量并隔离单个放射性标记颗粒的过程。首先，通过流式细胞术对含有500、1000和2000颗粒的smSiP样品进行分选，使用计数珠与smSiP样品结合，以提供悬浮颗粒数量的精确量化。结果显示，随着分选颗粒数量的增加，实验颗粒数的偏差增大。此外，使用细胞分选器隔离特定数量的smSiP可能会引起实际颗粒数的较大不确定性，可能不是精确控制颗粒数量的最佳方法。这些结果帮助优化了放射性标记过程，旨在为500颗粒提供潜在的放射性范围在100-1000 Bq之间，并通过放射薄层色谱成功去除了所有未反应和胶体68Ga，提供了高纯度的放射性标记颗粒。随后，开发了一种分级协议来从放射性标记混合物中隔离单个颗粒，经过测量不同分数的放射性活性来识别单个颗粒。最终，所有放射性活性都集中在粒子分数中，确认了样品的纯度。通过这一过程，计算出单个颗粒的特异性活性为2.1 ± 1.4 kBq每颗粒。这些根据结果得出，通过流式细胞术和分级协议，可以轻松又有效地量化和隔离单个放射性标记颗粒，为后续的体内PET成像和动态粒子追踪提供了可能。

  图3展示了在体内和体外成像实验中，使用68Ga标记的smSiP的放射性摄取和分布情况。体外PET/CT成像显示，即使在低放射性剂量（0.4-2.9 kBq）下，也能获得高质量的图像，这些剂量远低于传统PET示踪剂所需的剂量，且在注射后0-5分钟内就能观察到。在体内实验中，BALB/c小鼠注射单个1.5 kBq的68Ga-smSiP后，动态PET重建显示在注射后仅5分钟内肺部就出现了一个单一的热点，表明颗粒迅速被肺部摄取。颗粒在肺部的运动轨迹与小鼠的呼吸模式相一致，且在注射后的3分钟内移动到肺部的下右部分，并在此区域保持静止。这些根据结果得出，smSiP在肺部的快速摄取可能是由于其未涂层的硅颗粒性质，这可能促进了血液中蛋白质冠的形成，增加了颗粒的大小并限制了其通过肺毛细血管的流动。此外，通过流式细胞术精确控制颗粒数量并隔离单个放射性标记颗粒的过程，以及后续的体内PET成像和动态粒子追踪，证实了smSiP在肺部的快速摄取和静态分布，为进一步的生物医学应用提供了有力的证据。

  图4通过正电子发射粒子追踪（PEPT）技术，展示了在BALB/c小鼠体内注射单个68Ga标记的smSiP后，颗粒在体内的实时运动轨迹。根据结果得出，PEPT技术能够精确追踪颗粒在体内的运动，提供了关于颗粒速度的重要信息，这一些信息直接与血流和压力差相关，或者与呼吸运动有关。此外，这些初步结果为在临床前成像中实施实时追踪提供了概念验证，对于评估如肺毛细血管等受限区域的血流、心血管疾病、以及由肿瘤生长引发的新血管和分流等难以通过传统方法定量研究的疾病，显示出了巨大的潜力。

  图5展示了68Ga标记的smSiP在体外和体内的物理化学、放射性化学性质以及成像结果。根据结果得出，尽管smSiP-PEG5k颗粒被PEG5k-silane修饰，但它们仍然能快速被肺部摄取，并且在肺部保持静态分布。这可能与颗粒的大小/刚度或作为单个颗粒的高度易感性有关，这使得它们容易被肺部的吞噬细胞吞噬。这些发现为进一步研究更小、更灵活的颗粒以及探索暂时抑制肺部中性粒细胞吞噬反应的策略提供了基础。

  图6显示了使用68Ga-smSiP-PEG5k在小鼠体内的PEPT重建结果。这些图像利用从PET采集生成的列表模式数据，展示了在小鼠体内注射单个2.9 kBq 68Ga-smSiP-PEG5k后，颗粒在全身和放大的冠状面最大强度投影（MIP）中的实时轨迹。这些结果与PET图像观察到的一致，提供了信心，表明在临床前扫描仪上实施实时追踪是成功的。PEPT技术可提供传统PET没有办法获得的信息，例如颗粒速度，这直接与血流和压力差相关，或者是呼吸运动。这些初步结果对于在临床前成像中实施实时追踪的概念验证是令人鼓舞的，对于评估如肺毛细血管等受限区域的血流、心血管疾病以及由肿瘤生长引发的新血管和分流等难以通过传统方法定量研究的疾病，显示出了巨大的潜力。

  该研究开发了一种用于体内核成像和实时粒子追踪的单放射性标记颗粒。从合成高度均匀的亚微米尺寸颗粒，到针对最少颗粒数优化的放射性标记方法，再到单个颗粒的隔离，这些显著的挑战已被成功解决。重要的是，报道的协议提供了一个单一的、高度纯净的放射性标记颗粒，具有卓越的特异性活性和定量放射性计数统计。PET成像研究表明，在给予单个颗粒后，即使在低放射性剂量（0.4-2.9 kBq）下，也能显示出高质量的图像，这些剂量大约是传统PET示踪剂所需剂量的三个数量级低，且在短时间窗口（0-5分钟）内。此外，实施重建协议以及将伯明翰PEPT算法优化到我们的临床前数据中，使我们也可以追踪颗粒在小鼠体内的移动。有必要注意一下的是，颗粒的追踪提供了重要的有价值信息，如颗粒速度，直接与血流和压力差相关，或者是呼吸运动。作为实时追踪在临床前成像中实施的概念验证，这些初步结果无疑为评估受限区域（如肺毛细血管）的血流、心血管疾病、以及由肿瘤生长引发的新血管和分流等传统方法难以定量研究的疾病提供了希望。在诊断上，PEPT通过追踪血管内颗粒的轨迹和速度，有潜力为与血流相关的不同状况（如狭窄、血栓形成、动脉粥样硬化和血管生成等）提供新的见解。此外，PEPT在评估器官运动，尤其是在肿瘤内，以及实现肿瘤追踪与PET引导的放射治疗或放射引导手术等互补方法相结合方面，具有巨大潜力。重要的是，由于它只需要一个放射性标记的纳米级颗粒，所需的材料和放射性量极小，毒性问题能忽略不计，预示着将单个颗粒示踪剂转化为临床评估具备极高的潜力。考虑到全身临床PET扫描仪的出现，体内PEPT尤其及时。随着灵敏度的提高和在患者全身视野内追踪颗粒的可能性，PEPT与全身PET的结合无疑是一个令人兴奋的机会，可以在全身水平上实时定量研究血流复杂性和细胞边缘化。