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谈核色变?核素应用了解一下!

2022-01-25 16:15     来源:Cytiva思拓凡     放射性同位素同位素示踪法
针对放射性同位素检测,新型储能磷屏BAS-IP可以通过其特殊的光敏晶体捕获和存储辐射能量,在特定激光激发下释放光信号进行放射源的定量分析。区别于传统胶片,储能磷屏所需的曝光时间仅为胶片的1/10,灵敏度高达100倍,无需暗室、显影液,可重复使用的磷屏是您实验室内同位素检测的最佳拍档!

提到核技术,大家首先想到的是什么呢?核武器?放轻松,核技术从其材料本身早已经服务于我们的“医食住行”方方面面,包括耳熟能详的“放射性疗法”、X光片、核素药物、辐射育种、辐照保鲜、烟雾报警器和安检仪等等。今天就和大家分享一下实验室内的核素检测应用!

01 PET probe

PET(正电子发射断层扫描成像)是一种核成像技术,其成像原理是将具有正电子发射的放射性核素(放射性示踪剂)注入到人体内,检测人体代谢过程中间接发射的γ射线对,创建体内示踪剂浓度的3D扫描图像,从而进一步分析病灶部位的发生发展,为临床诊断、用药指导提供数据支持。

PET中最常用的示踪剂是18F-FDG氟脱氧葡萄糖,但其特异性在不同系统不同病灶中表现不一,因此开发高效特异的PET Probe至关重要。

图1. PET示踪剂开发设计流程1

通常情况下PET示踪剂开发是从合成优化开始,在动物模型注射后进行体内PET成像及体外靶向部位的定性定量分析(图1)。Ahmed, Mona等科研人员针对动脉粥样硬化设计开发89Zr-Mal-HAS特异性探针,在动物模型上分别利用PET/MR、伽马计数、磷屏放射性自显影进行检测。结果显示,与非特异性探针89Zr-HAS及18F-FDG比较, 89Zr-Mal-HAS病灶区域有明显信号积累,具有潜在的诊断应用价值。

图2. 脑切片中 [18F]13示踪剂的放射性自显影2

在更为精密的神经系统疾病中,Fu, Hualong等研究人员开发了一种用于GluN2B亚基成像的PET示踪剂 [18F]N2B-0518([18F]13),根据磷屏放射性自显影成像结果可以清楚看到示踪剂的分布及不同位置区域的定量结果。

以上研究表明使用磷屏放射性自显影技术可以在体外实验中有针对性地进行高分辨率的示踪成像及定量分析。

02 Quantitative Whole Body Autoradiography

药物的吸收、分布、代谢和排泄(ADME)研究是新药开发过程中重要的研究内容之一,也是药物注册过程中不可缺少的关键部分。CFDA发布的《药物非临床药代动力学研究技术指导原则》中就指出放射性同位素示踪技术在药动学研究过程中的应用价值和优势。

QWBA(全身放射性自显影定量技术)是进行组织分布定量的常用方法。利用QWBA可以获得药物在动物全身组织器官分布的定量信息,相比于传统的液质联用和液体闪烁计数法,无需进行样品的分离提取。

简单来说,以一定浓度给药后在不同时间点对动物实施安乐死,之后进行固定冷冻切片,将切片与标准品等一起进行储能磷屏压片,磷屏扫描成像后进行定量计算(图3)。Quenelle, Debra C等人就利用QWBA技术对14C标记的CMX001进行病毒感染小鼠的体内分布情况评估。结果表明CMX001能够渗透血脑屏障,抑制HSV复制从而抑制中枢神经系统的感染(图4)。

图3. 全身放射性自显影定量技术中的磷屏压片

 

图4. 雄性CD小鼠灌胃4h后CMX001分布情况及中枢神经系统的动力学研究3

03 农药残留检测

食品(农产品)中农药残留限量标准及标准化的检测方法是保证食品(农产品)安全的有效手段。同位素示踪法是跟踪农药及其代谢产物最有效的手段,可用于农药的作用机理研究,动植物体内的吸收、传导和分布,以及动植物体内代谢水平的研究。

图5.14C 标记的杀虫剂哌虫啶的四种立体异构体处理小白菜根后的定量放射自显影成像4

新型烟碱类杀虫剂哌虫啶是吡虫啉的重要替代品,Wang, Haiyan等人以小白菜的叶片和根系为研究对象,通过放射性自显影技术直观展示不同农药异构体在植株体内的分布,并分别对每个叶片、茎、根部进行定量分析(图5)。

结合磷屏放射性自显影技术观察农药代谢分布,对后续施药方式、取样点评估等均有指导意义。

04 辐射测量

天然辐射源是人类所受各种电离辐射照射的主要来源,持续且不可避免。天然辐射源包括宇宙射线和天然存在的放射性核素,前者来自外层空间,后者指地球原生放射性核素。随着人类活动的增加和核能产业的蓬勃发展,辐射环境的安全性监管显得尤为重要。

在国外,利用储能磷屏BAS-IP进行环境放射性检测已有20多年历史,相比计数法等常用方法,IP具有优异的电离辐射探测性能,兼容多种辐射源,灵敏度高,线性范围广且不受样品表面积限制。图6所示即为利用IP进行辐射信号的检测的整体流程。

图6. 利用成像板对α粒子进行甄别和计数的流程5

05 分子生物学

同位素标记法作为分子生物学中最经典的方法被广泛应用于各个实验,如southern,northern,western blot以及EMSA凝胶迁移实验。从光合作用产生的氧气来源到证明DNA是遗传物质,同位素标记法无处不在。

虽然由于同位素的操作安全性以及实验技术的飞速发展,大多数科研人员逐渐使用生物素、荧光素作为同位素标记的替代品,但同位素因其灵敏度及不改变被标记物的化学及生物性质而活跃在结构位点等研究领域。

图7. 32P标记的RNA与蛋白复合体的EMSA实验6

华中农业大学殷平课题组早前在Nature上发表过对RNA甲基转移酶结构功能的研究成果。文章中显示,利用同位素标记的RNA进行EMSA实验验证蛋白复合体中富含正电荷的沟槽为RNA结合区,并结合其他实验证实RNA甲基转移酶通过两个亚基的协同作用实现RNA的甲基化修饰(图7)。

Amersham 最早可追溯到1946年,起源于英国原子能机构国家中心,开发各种用于医疗、工业和科学研究的放射性同位素标识化合物。2009年与Fujifilm达成战略合作共同开发激光扫描成像仪,并于2017年推出Amersham Typhoon IP新一代同位素成像仪,搭配不同规格型号的储能磷屏BAS-IP,致力于为广大科研工作者提供高灵敏、高分辨的成像结果!

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