Med J Chin PLA, Vol. 40, No. 7, July 1, ( F-FDG PET/CT) 是根据良恶性肿瘤葡萄糖代谢不同的原理而实现的一种非侵袭性诊断技术, 目前已广泛运用于恶性

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兰仰
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1 554 解放军医学杂志 2015 年 7 月 1 日第 40 卷第 7 期论著脾脏 F-FDG 摄取在急性放射病中的诊断价值吴少杰, 王玉珏, 郭坤元 [ 摘要 ] 目的探讨 F-FDG 摄取值是否可作为评估核事故后个体受照射剂量的快速精确测定方法方法将 48 头西藏小型猪随机分为 6 个剂量组, 分别为 Gy 组除 0Gy 组 ( 对照组 ) 外, 其余组均接受全身 8MV X 线离心线性加速器照射照射前与照射后 h 实施全身 F-FDG PET/CT 检查, 收集脾脏组织用于组织病理学与凋亡检测 ; 收集血液标本进行外周血分析结果实验组与对照组的脾脏 F-FDG 摄取值差异有统计学意义 (P<0.05 或 P<0.01) 照射后 6h, 脾脏 F-FDG 摄取值与照射剂量存在显著相关性, 相关系数为 0.95(P<0.01) 组织病理学观察显示脾脏组织损伤程度与所接受的放射剂量呈正比流式细胞学结果表明脾脏淋巴细胞损伤以凋亡为主结论在西藏小型猪放射线损伤模型中, 脾脏 F-FDG 摄取与照射剂量密切相关, F-FDG PET/CT 可用于急性放射病后个体照射剂量的快速评估 [ 关键词 ] 氟脱氧葡萄糖 F; 正电子发射断层扫描及电脑断层扫描 ; 脾 ; 辐射剂量 ; 急性辐射综合征 [ 中图分类号 ] R8.04 [ 文献标志码 ] A [ 文章编号 ] (2015) [DOI] /j.issn Diagnostic value of F-FDG uptake by spleen in acute radiation disease WU Shao-jie 1, WANG Yu-jue 2, GUO Kun-yuan 1* 1 Department of Hematology, Zhujiang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou , China 2 Laboratory Animal Center, Southern Medical University, Guangzhou , China * Corresponding author, gao_yi10@163.com This work was supported by the Third Phase Project of Chinese National 211 Leading Academic Discipline (C ); the Doctoral Start-up Projects of Southern Medical University (B ) [Abstract] Objective To investigate whether F-FDG uptake can be applied in dosimetry to facilitate a rapid and accurate evaluation of individual radiation dosage after a nuclear accident. Methods Forty-eight Tibetan minipigs were randomly assigned into 6 groups, i.e., 0, 1, 2, 5, 8 and 11Gy groups. Animals in all except 0Gy group received total body irradiation (TBI) with a 8MV X centrifugal linear accelerator, and F-FDG combined positron-emission tomography and computed tomography (PET/CT) were carried out before TBI, and also at 6, 24 and 72h after receiving TBI in different doses ranging from 1 to 11Gy. Spleen tissues and blood samples were collected for histological examination, apoptosis, and routine blood analysis. Results Mean standardized uptake values (SUVs) of the spleen showed significant differences between experimental groups and control group. The spleen SUVs at 6h post-irradiation showed significant correlation with radiation dose; Spearman's correlation coefficient was 0.95(P<0.01). Histopathological observations showed that the degree of splenic damage was proportional to the radiation dose. Moreover, flow cytometry revealed that apoptosis was one of the major forms of splenic lymphocyte death. Conclusion In the Tibetan minipig model, it was shown that radiation doses bear a close relationship with the F-FDG uptake of spleen. This finding suggests that F-FDG PET/CT may be useful for the rapid detection of individual radiation dosage after acute radiation disease (ARD). [Key words] fluorodeoxyglucose F; positron-emission tomography and computed tomography; spleen; radiation dosage; acute radiation syndrome 蓄意或意外的大剂量照射对人体有潜在的巨大危险当发生大规模核辐射事故时, 迫切需要迅速 [ 基金项目 ] 广东省 211 工程三期重点学科建设项目 (C ); 南方医科大学博士启动项目 (B ) [ 作者简介 ] 吴少杰, 医学博士主要从事血液肿瘤相关机制的研究 [ 作者单位 ] 广州南方医科大学珠江医院血液科 ( 吴少杰郭坤元 ); 广州南方医科大学动物中心 ( 王玉珏 ) [ 通讯作者 ] 郭坤元, gao_yi10@163.com 有效的剂量评估方法, 目前用于评估个体辐射剂量的方法有判断恶心呕吐等症状开始的时间, 外周血淋巴细胞减少动力学改变等 [1], 染色体的着丝粒分析 [2] [3], 细胞遗传学分析等此外,C- 反应蛋白水平 [4] [5] 血浆 mirna 水平等在辐射剂量评估中的作用也在进一步证实中, 但这些方法都存在各自的局限性氟代脱氧葡萄糖正电子发射断层摄影术

测 ; 收集血液标本进行外周血分析结果实验组与对照组的脾脏 F-FDG 摄取值差异有统计学意义 (P<0.05 或 P<0.01) 照射后 6h, 脾脏 F-FDG 摄取值与照射剂量存在显著相关性, 相关系数为 0.95(P<0.

2 Med J Chin PLA, Vol. 40, No. 7, July 1, ( F-FDG PET/CT) 是根据良恶性肿瘤葡萄糖代谢不同的原理而实现的一种非侵袭性诊断技术, 目前已广泛运用于恶性肿瘤分期分级及治疗后的再评估 [6-8] 但 F-FDG 并不是只在肿瘤中特异性聚集, 它在正常组织及良性疾病中也有不同程度的摄取 [9] 研究者证实, F-FDG 摄取还可用来诊断感染性及炎症性疾病 [10] 本研究以上述特征为基础, 探讨 F-FDGPET/CT 用于急性辐射快速诊断的可行性 1 材料与方法 1.1 实验动物及分组 48 只成年未阉雄性西藏小型猪, 体重 21.16±5.54kg, 由南方医科大学实验动物中心提供并在标准实验条件下圈养 48 只小型猪随机分成 Gy 共 6 个剂量组, 各组小型猪头数分别为本研究批准证书编号为 SCXK 粤照射与样本制备实验组小型猪予以速眠新 m l / k g 麻醉, 待小猪进入麻醉状态后, 行全身 8MV X 线离心线性加速器照射 (precise system treatment,elekta,sweden), 照射量 255cGy/ min, 吸收剂量分别为 Gy, 于照射前及照射后 h 分别麻醉后行 F-FDG PET/ CT 检查及放血活杀取材, 取西藏小型猪脾脏制备组织病理学常规与超薄切片, 同时取耳静脉血进行外周血白细胞计数检测 1.3 PET/CT 与 F-FDG 标准摄取值 (SUV) 分析在照射前及照射后 h 实施全身融合的 F-FDG PET/CT(Discovery-LS151PET/CT,GE, USA) 对照组 (0Gy) 也接受 F-FDG PET/CT 影像学检测, 但不进行全身照射以下措施保障标准摄取值客观及精确 :1 所有西藏小型猪在检查前禁食 8h 禁饮 4h 血糖水平控制在 7.4~11.0mmol/L 2 静脉灌注 F-FDG(0.11~0.13mC/kg)50~60min 后开始进行 PET/CT 检查 3 选取照射前后最大摄取值, 按以下等式计算 :SUV=[ 病灶的放射性浓度 (kbq/ ml)/ 注射剂量 (MBq)] 体重 (kg) 所有影像学数据均利用 Xeleris(GE,USA) 工作站进行处理 1. 4 病理形态学观察对脾脏组织行常规 H E 染色, 光镜下观察病理变化特点, 透射电镜观察不同剂量照射后 h 脾脏组织超微结构的病理改变 1. 5 凋亡检测采用 T U N E L 法观察细胞凋亡情况, 具体步骤为 : 二甲苯中脱蜡 5min, 新鲜二甲苯再脱蜡 5min, 无水乙醇 5min,90% 乙醇 2min,70% 乙醇 2min, 蒸馏水 2min 滴加 20μg/ml 不含 DNase 的蛋白酶 K 于 20~37 作用 min PBS 洗涤 3 次加入含 0.1% Triton X-100 的 PBS 冰浴孵育 2min 光镜下检测并计数脾脏组织凋亡细胞, 每个样品至少计数 500 个细胞 [11] 1.6 统计学处理采用 SPSS 13.0 软件进行统计分析, 计量资料结果以 x±s 表示, 组间比较采用单因素方差分析, 进一步两两比较采用 Tukey 多重比较法 ; 采用 Spearman 相关分析评估脾脏标准摄取值与辐射剂量之间的关系 P<0.05 为差异有统计学意义 2 结果 2.1 不同剂量照射后西藏小型猪临床症状照射后西藏小型猪出现不同程度呕吐腹泻精神状态欠佳食欲减退活动减少及皮肤红斑等 ( 表 1) 表 1 不同剂量全身照射后西藏小型猪临床症状 Tab.1 Clinical symptoms after different dosages total body irradiation in Tibetan minipigs Symptom Time ranges to onset of vomiting (h) 0 24/5 5/2-11/2 4/5-8/5 1/4-6/5 1/6-1/2 Victim with vomit 0 1/9 3/9 6/9 8/9 9/9 Anorexia Able to eat Able to eat Able to eat Intake decreased Intake decreased Minimal intake Fatigue syndrome Normal activity Normal activity Normal activity Impaired activity Impaired activity Minimal activity Erythema No No Minimal Minimal Moderate <10% BSA Marked 10%-40% BSA BSA. Body surface area 2.2 不同剂量照射后外周血白细胞计数变化从图 1 可以看出, 全身照射后 6h 外周血白细胞计数短暂性升高,1Gy 剂量组约为对照组的 1.6 倍, 但随剂量增加及观察时间的延长, 外周血白细胞计数明显下降, 照射后 72h 时 11Gy 组白细胞达最低值, 约为对照组的 14% 照射后 6h, 接受照射的各组白细胞计数均较对照组升高, 但 11Gy 组较 Gy 组均明显下降 (P<0.01) 照射后 24h, Gy 组均较对照组明显降低 (P<0.01), 其中, 11Gy 组与 Gy 组相比下降程度更为明显 (P<0.01) 照射后 72h, Gy 组与对照组比较差异均有统计学意义 (P<0.01), 其中, 1Gy 组与 2Gy 组及 8Gy 组与 11Gy 组之间差异有统计学意义 (P<0.05)

织及良性疾病中也有不同程度的摄取 [9] 研究者证实, F-FDG 摄取还可用来诊断感染性及炎症性疾病 [10] 本研究以上述特征为基础, 探讨 F-FDGPET/CT 用于急性辐射快速诊断的可行性 1 材料与方法 1.

3 556 解放军医学杂志 2015 年 7 月 1 日第 40 卷第 7 期 WBC counts ( 10 9 /L) Observation time postirradiation (h) 图 1 不同剂量及时间点全身辐射后外周血白细胞计数变化 Fig.1 Total number of WBC in the peripheral blood after TBI (1)P<0.05, (2)P< Gy 1Gy 2Gy 5Gy 8Gy 11Gy (2) F-FDG SUV 和 PET/CT Mauchly 球形检验统计量 W=0.740,P=0.665, 不拒绝球形假设,3 个时间点间差异有统计学意义 (P<0.05) 单因素方差分析示各剂量间差异有统计学意义 (P<0.01), 照射后 6 h, 对照组与各照射组差异有统计学意义 ( P < ), 且照射组之间差异有统计学意义 (P<0.01) 照射后 24h, 对照组与各照射组 ( 除 2Gy 组,P=0.14;5Gy 组,P=0.012) 差异有统计学意义 (P<0.01), 且 8Gy 组与 11Gy 组差异有统计学意义 (P<0.01) 照射后 72h, 对照组与 8Gy(P=0.02) 11Gy(P=0.014) 组间差异有统计学意义 11Gy 组照射后 6h 交互效应最显著用线性相关分析评估不同剂量全身照射后 6 24 和 72h 脾脏 SUV 值, 其辐射剂量不服从正态分布,Spearman 相关系数分别是 r= (P<0.01, 图 2) 图 3 显示全身照射后 6h 脾脏淋巴细胞随照射剂量增加而出现凋亡坏死等形态学变化 ( 免疫组化染色,100 ), 且 PET/CT 影像学显示正常脾脏 F-FDG 吸收非常少, 照射后 6h 脾脏 F-FDG 吸收随剂量增大而显著增加 2.4 组织病理学和超微结构光镜与电镜观察显示, 全身照射后 6h 脾脏淋巴细胞出现核浓缩, 核碎片 24h 核碎片被吞噬细胞清除, 随辐射剂量增大白髓呈空虚状态同时, 在红髓能见到含铁血黄素沉着 72h 时脾脏切片呈枯竭状, 未见淋巴细胞再生此外, 浆细胞及网状细胞可轻易辨认而对照组未见以上改变 ( 图 4A) 2Gy 照射后 6h 观察到淋巴细胞不同时期凋亡细胞的形态 ( 图 4B C) 高剂量 (11Gy) 下, 能清楚观察到巨噬细胞吞噬现象, 网状细胞线粒体空泡化内质网扩张 ( 图 4D) 2. 5 全身照射后脾脏淋巴细胞凋亡动态学变化 1Gy 组照射后 6h 淋巴细胞凋亡率升高至对照组的 3 倍 (1) (2) (1) (1) Spleen SUV h 24h 72h r=0.95, n=, P<0.01 r=0.92, n=, P<0.01 r=0.83, n=, P< 图 2 3 个时间点不同剂量全身照射与 F-FDG 摄取值之间的相关性 Fig. 2 Correlation of dosage and spleen F-FDG uptake (SUV) at three time points after TBI 图 3 全身照射后 6h 脾脏组织学及 PET/CT 影像学的变化 Fig.3 Changes in the histopathology and PET/CT images of the spleen at 6h after TBI 多, 随照射剂量的增加凋亡率增加,11Gy 组达峰值 (27.93±0.41), 约为对照组的 27 倍, 呈剂量效应随照射时间的延长, 各剂量组淋巴细胞凋亡率呈下降趋势, 在 72h 达最低值, 呈现一定的时间效应 ( 表 2) 3 讨论 F-FDG PET/CT 已经广泛用于肿瘤的显影分级分期并能从良性病变中鉴别恶性病变 [12-13] 由于发现 F-FDG 在非恶性炎症性病变中有吸收,PET/ CT 也已经成功用于检测和监控感染和炎症 [14-15] 急性辐射综合征 (ARS) 是由全身或者局部辐射引起的急性疾病它能导致全血细胞减少感染炎症出血及组织损伤, 甚至多器官功能衰竭 (MOF) [16] 因此, 辐射事故后能迅速并且准确地评估受照射的伤员伤情传统的淋巴细胞计数和细胞遗传学方法

665, 不拒绝球形假设,3 个时间点间差异有统计学意义 (P<0.05) 单因素方差分析示各剂量间差异有统计学意义 (P<0.01), 照射后 6 h, 对照组与各照射组差异有统计学意义 ( P < 0. 0 1 ), 且照射组之间差异有统计学意义 (P<0.

4 Med J Chin PLA, Vol. 40, No. 7, July 1, 图 4 不同剂量全身照射 6h 后脾脏结构变化 (TEM ) Fig. 4 Electron microscopic examination of the spleen at 6h after TBI (TEM ) A. Control group (0Gy); B. 2Gy group, the arrow shows apoptotic cells; C. 2Gy grup, the arrow shows phagocytosis; D. 11Gy group, the arrows show endoplasmic reticulum dilation and mitochondrial vacuolization Observation time point (h) Tab.2 A B C D 表 2 西藏小型猪照射后脾脏淋巴细胞凋亡率 (%,x±s) Apoptosis rate of splenic lymphocyte in irradiated Tibetan minipigs (%, x±s) 0 (n=3) 1 (n=9) 2 (n=9) 5 (n=9) 8 (n=9) 11 (n=9) ± ±0.42 (1) 10.58±0.25 (2) 17.43±1.22 (2) 9.89±0.50 (2) 27.93±0.41 (2) ± ±0.24 (1) 9.35±0.29 (2) 16.95±0.78 (2) 21.74±0.54 (2) 22.56±0.67 (2) ± ±0.10 (1) 5.73±0.41 (1) 9.89±0.50 (2) 10.79±0.32 (2) 11.07±0.43 (2) (1)P<0.05, (2)P<0.01 compared with control group (0Gy) (post-hoc Tukey test) 在大规模急性辐射后剂量评估中耗时费力且不准确 [17] 小型猪与人在器官发生发展及病理生理过程有诸多地相似性, 其肺皮肤和肾是研究辐射损伤很好的靶组织, 辐射对猪的反应与其对人或者灵长类 ( 猴子 ) 没有显著的差别这在辐射后急性效应的造血综合征的小型猪模型中得到证实 [] 因此, 选择 5 个辐射剂量 ( 和 11Gy), 每个辐射剂量都有各自的医学意义从 1~11 Gy 辐射剂量主要是引起造血系统免疫系统及胃肠道系统的损伤在大规模的急性辐射事故中, 不同的剂量需要不同类型的医学干预,1Gy 以下的受害者不会引起急性效应也不需要支持治疗 2~5Gy 的受害者应立即使用抗生素血小板和细胞因子治疗 [19] 5~8 或者 8~11Gy 需要尽早的骨髓移植 11Gy 以上, 由于致命性的胃肠道和神经血管系统损伤而无法救治 [20] 因此, 迅速且精确地评估 1~11Gy 的剂量损伤情况是非常重要的脾脏是免疫系统的一部分, 具有产生炎症物质, 清除荚膜细菌, 产生 IgM IgG 及吞噬病原体等多项功能脾脏也是白细胞淋巴细胞等的生存场所淋巴器官对全身照射及放疗反应迅速而敏感 [21] 因此, 我们将对辐射敏感的脾脏作为检测的靶器官通过单因素方差分析和相关性分析, 观察到脾脏平均标准吸收值明显与辐射剂量有关照射后 6h, 脾脏平均标准吸收值在低剂量吸收值低, 在高剂量吸收值高,1~11Gy 存在明显的线性关系本研究还评估了其他阳性器官的标准吸收值, 如肾胃肠道 [22] 等值得一提的是, 肾储尿及胃肠道存在细菌及 [23] 生理学肠管活动等因素, 会影响辐射剂量评估的精确度本研究结果还显示, 不同剂量全身照射后 6h, 光镜下脾脏细胞出现坏死凋亡巨噬细胞吞噬及炎症细胞浸润等, 随着剂量增加, 程度更严重照射后 24 和 72h, 除了正常组织的破坏和脾脏淋巴细胞的缺乏, 没有看到有活力的脾脏淋巴细胞根 [24] 据 Kvacheva 等的研究结果, 辐射后免疫组织淋巴细胞群的修复需要 2~3 周的时间 F-FDG 吸收值越高, 脾脏对辐射的急性反应越严重 F-FDG 是 2- 脱氧葡萄糖的结构类似物, 可在高葡萄糖代谢的组织中富集 [25] F-FDG 吸收直接与细胞膜表面葡萄糖转运相关的分子表达局部细胞的密度及周围组织的代谢活性相关 [26] 本实验结果显示, 在全身照射后 6h, 脾脏淋巴细胞损伤即明显, 并随剂量增加而更严重葡萄糖代谢率可能受到脾脏细胞凋亡及坏死影响, 过度的代谢补充可能导致 [27] F-FDG 的迅速聚集此外,Mochizuki 等报道, 活化的炎症细胞也能增加葡萄糖转运蛋白的表达从而导致 F-FDG 聚集照射后 6h 巨噬细胞吞噬率高于其他两个时间点这与前人有关 F-FDG 在巨噬细胞中聚集的观点一致 [28-29] 此外, 白细胞计数在照射后 6h 显示出短暂的增加, 之后, 随着剂量的增加及观察时间的延长而减少这与 Nunez [30] 等的实验结果一致此外, 感染和炎症导致白细胞的活化是以葡萄糖为能量来源的因此, 组织学观察到高剂量组脾脏淋巴细胞的严重损伤很可能是脾脏 F-FDG 吸收增加的主要原因因此, 急性放射病后可根据脾脏 F-FDG 摄取值来判断个体吸收剂量范围

11Gy group, the arrows show endoplasmic reticulum dilation and mitochondrial vacuolization Observation time point (h) Tab.

5 558 解放军医学杂志 2015 年 7 月 1 日第 40 卷第 7 期参考文献 [1] Dorr H, Meineke V. Acute radiation sy ndrome caused by accidental radiation exposure-therapeutic principles[ J]. BMC Med, 2011, 9(1): 126. [2] Hall EJ. Time, dose, and fractionation in radiotherapy[m]// Hall EJ. Radiobiology for the radiologist. 6th, Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, [3] Waselenko JK, MacVittie TJ, Blakely WF, et al. Medical management of the acute radiation syndrome: recommendations of the Strategic National Stockpile Radiation Working Group[ J]. Ann Intern Med, 2004, 140(11): [4] Blakely WF, Ossetrova NI, W hitnal l MH, et al. Multiple parameter radiation injur y assessment using a nonhuman primate radiation model-biodosimetry applications[ J]. Health Phys, 2010, 98(2): [5] Cui W, Ma J, Wang Y, Biswal S. Plasma mirna as biomarkers for assessment of total-body radiation exposure dosimetry[ J]. PloS One, 2011, 33(8): e [6] MacManus M, Nestle U, Rosenzweig KE, et al. 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