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Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering logoLink to Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering
. 2025 Dec 25;42(6):1251–1256. [Article in Chinese] doi: 10.7507/1001-5515.202501051

急性痛风性关节炎小鼠模型18F-NaF micro PET/CT显像的实验研究

The experimental study of 18F-NaF micro PET/CT imaging in a mouse-model of acute gouty arthritis

Zhixiao YOU 1, Hanyu ZHU 1, Yekuan SHI 1,*, Peilin LI 1, Xiaohong HUANG 1, Zeng ZHANG 1,2, Suping LI 1, Jinhui YOU 1
PMCID: PMC12744976  PMID: 41448768

Abstract

This study aims to investigate the diagnostic value of 18F-NaF micro PET/CT imaging in mouse models of acute gouty arthritis (AGA). Three male Balb/c mice were designated as the normal control group (Group A), and 18 male Balb/c mice were used to establish the AGA model (Group B). Group A and model groups B (B1h, B3h, B6h, B8h, B12h, B24h) underwent micro PET/CT imaging 40 minutes after injection of the radiotracer. All groups of mice underwent complete blood count, blood uric acid testing, and pathological biopsy of the ankle joint. The results showed that the counts of inflammatory cells in the blood routine of Group B were higher than those of Group A, and there were statistically significant differences between Group B6h and B8h compared to Group A (P < 0.05). 18F-NaF micro PET/CT imaging revealed abnormal tracer accumulation in the right ankle joints of group B, but no bone destruction were observed on CT at the lesion sites; In group A, there was no obvious abnormal gathering of tracer in the left ankle joint. The ratios of maximum standardized uptake value (SUVmax) of the right and left ankle joints (R/LSUVmax) in Group B were higher than those in Group A, and the difference between Group B6h and Group A was statistically significant (P < 0.05). The R/LSUVmax ratios were positively correlated with the counts of white blood cells and neutrophils in the blood routine and microscopic inflammatory cells (R = 0.79, P < 0.01; R = 0.72, P < 0.01; R = 0.79, P < 0.01, respectively). Overall, 18F-NaF micro PET/CT imaging can detect early bone metabolism changes in AGA and visually monitor its dynamic pathophysiological progression.

Keywords: Micro PET/CT, Gouty arthritis, 18F-NaF, Bone joints, Sodium urate, Mice

0. 引言

痛风是一组因尿酸盐结晶(sodium urate,MSU)沉积于组织或器官引起病理损伤的临床综合征,而嘌呤代谢紊乱或尿酸排泄障碍致尿酸增高是其生化基础[1]。当血清中的尿酸盐浓度达到饱和点时,就会形成沉积于关节、肾脏和皮下等部位的尿酸钠晶体并诱发局部炎症反应和组织破坏[2]。痛风急性发作早期常发生于下肢关节如第一跖趾关节,呈单关节受累,发作间歇长,常常不会引起患者重视;随病程发展,关节及脏器受累加重,可出现痛风石、多关节骨质破坏畸形、肾脏损害等,使得患者丧失日常运动能力及生活自理能力。因此,痛风的早期诊断及规范治疗显得尤为重要[3-4]。目前有较多辅助检查可助诊痛风性关节炎(gouty arthritis,GA),但各有优缺点。肌肉骨骼超声(musculoskeletal ultrasound,MSKUS)具有便捷、无辐射等优点,GA患者最典型的影像学表现为“双轨征”和“痛风石”[5],但超声检查受个人经验影响较大[6]。X线平片、计算机断层扫描(computed tomography,CT)仅可见晚期出现的痛风石包块及关节骨质破坏,无法早期发现骨质的微观改变。双能计算机断层扫描(dual-energy computed tomography,DECT)检查的本质是利用X射线能量的差异,对关节内沉积晶体成分进行定量和定性分析[7],但其对滑膜增生及软组织病变显示欠佳[8]。另外,有诸多学者报道了不可规避的会导致DECT准确率下降的因素,如:受累部位痛风石的成分、检查相关的仪器设备参数等[9]。磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)对滑膜等软组织病变、炎症有较好评估效果,但对骨质受侵程度不敏感[10]。可见,常规影像学检查对GA患者骨骼及全身情况的早期评估均存在一定程度的缺陷。那么痛风出现骨质破坏是痛风石慢性炎症的结果,还是早期痛风就已经存在骨代谢改变?本研究希望通过核医学影像检查帮助探寻此问题。

为探究以上问题,本研究引入18F-氟化钠(18F-sodium fluoride,18F-NaF)亲骨显像剂,它可与羟基磷灰石晶体[Ca10(PO4)6(OH)2]的羟基发生交换,进入机体后以氟代磷灰石的形式沉积于骨组织中,并浓聚于代谢活跃、血流量增加的病变骨组织[11-12]18F-NaF正电子发射断层扫描/计算机断层扫描(positron emission tomography / computed tomography,PET/CT)优越的图像对比度和高空间分辨率提供了较高的精度和更好的骨病变解剖定位[13]。黄禾[14]18F-NaF应用于类风湿性关节炎大鼠模型,发现关节炎病灶对显像剂呈高摄取并认为18F-NaF能定量分析类风湿性关节炎早期的骨组织代谢变化情况。但目前尚未有18F-NaF PET/CT应用于GA的相关报道。本研究旨在探究18F-NaF micro PET/CT显像对急性痛风性关节炎(acute gouty arthritis,AGA)小鼠模型的早期诊断价值,为18F-NaF PET/CT显像在AGA诊治中的应用提供依据。

1. 材料与方法

1.1. 实验动物

8周龄SPF级雄性Balb/c小鼠21只,体重(20 ± 2)g,由成都药康生物技术有限公司[SCXK(川)2020-0034]提供;于本院动物饲养室分笼饲养[实验动物许可证号:SYXK(川)2023-0076]。本实验结束后,小鼠均以2%浓度异氟烷麻醉下颈椎脱臼法处死,取得所需组织样本后,动物尸体进行无害化处理。本实验通过了本校动物伦理委员会许可(批件号:NSMC伦理动物审[2023]082号)。

1.2. 主要试剂与材料

MSU(中国AbMole公司,批号:M10355-01),18F-NaF 注射液(本院核医学科生产制备)。

1.3. 主要仪器与设备

micro PET/CT为SNPC-203(平生医疗科技有限公司),小动物气体麻醉装置(深圳市瑞沃德生命科技有限公司),全自动血细胞分析仪(迈瑞BC6800PLUS),全自动生化分析仪(贝克曼AU5800)。

1.4. 实验方法

1.4.1. 小鼠分组与造模

21只雄性Balb/c小鼠中随机选取3只作为正常对照组(A组),18只为AGA模型组(B组)。A组双侧踝关节未做任何处理;B组右侧踝关节注射尿酸钠混悬液造模,左侧踝关节注射生理盐水作为对照。采用改良Reber等[15]的造模方法制备AGA模型:造模时小鼠置异氟烷密闭容器内麻醉,用无菌0.9%氯化钠溶液配成MSU混悬液(25 mg·mL-1),采用29G针头的1 mL注射器沿小鼠踝关节注射30 μL MSU混悬液/生理盐水至踝关节腔内,观察到关节囊对侧鼓起[16],则注射成功。

1.4.2. 18F-NaF micro PET/CT显像

18F-NaF按185 MBq(5 mCi)/kg计算注射量。小鼠置异氟烷密闭容器内麻醉,经尾静脉注射显像剂18F-NaF。A组于注射显像剂40 min后进行micro PET/CT显像,B组分别于造模1、3、6、8、12、24 h后注射显像剂,维持麻醉,40 min后进行micro PET/CT显像(B1h、B3h、B6h、B8h、B12h、B24h)。micro PET/CT设备参数:PET扫描轴向范围250 mm,像素大小0.5 mm,切片厚度0.6 mm,采集时间为10 min,CT采集电压为80 kV,电流为0.6 mA,轴向范围250 mm,分辨率500×500,切片厚度为0.22 mm。显像完成后利用Avatar1.7.3.2软件三维模式显示整体并勾画双侧踝关节感兴趣区,得出右侧与左侧踝关节最大标准化摄取值(maximum standardized uptake value,SUVmax)的比值(R/LSUVmax)。

1.4.3. 小鼠血液指标检测

完成18F-NaF micro PET/CT显像后,麻醉状态下经心脏采取不同时相小鼠血液标本,装入抗凝管中于4 ℃冰箱中存储备用。利用全自动血细胞分析仪进行血常规分析,全自动生化分析仪检测尿酸水平。

1.4.4. 踝关节病理标本制备

截取已处死的实验小鼠双侧踝关节,以踝关节为中心,关节近侧及远侧各保留约0.5 cm,用PBS冲洗后,4%多聚甲醛溶液固定48 h,EDTA液脱钙2周,石蜡包埋,沿矢状面进行切片,苏木精-伊红(hematoxylin-eosin,HE)染色,光学显微镜下观察各组小鼠踝关节组织病理改变及炎性细胞浸润情况[17]

1.5. 数据统计分析

应用GraphPad Prism 8.0软件绘图并进行统计学分析。其中micro PET/CT相关参数R/LSUVmax值不符合正态分布,采用秩和检验,并采用Dunn’s检验进行两两比较;白细胞数量、中性粒细胞数量、中性粒细胞百分比、单核细胞数量、尿酸水平均服从正态分布,多组间比较采用单因素方差分析,采用Tukey检验进行两两比较。采用Pearson相关性分析检测R/LSUVmax与血液炎性细胞及病理炎性细胞数量的相关性。检验水准为0.05。

2. 结果

2.1. 各组小鼠的18F-NaF micro PET/CT影像特征

各组小鼠不同时相后前位18F-NaF micro PET/CT显像图像如图1所示。由图1可见,小鼠全身骨关节显像清晰,以椎体骨、扁平骨、骨关节为甚,膀胱显像剂聚集,软组织未见明显显像剂分布。A组小鼠全身及双侧踝关节未见明显异常显像剂分布灶。AGA小鼠(B组)各时相右踝关节均可见不同程度的异常显像剂摄取增高灶,呈现先升后降趋势,其中B6h组最高;左踝关节仅见轻微显像剂分布,右踝关节显像剂浓聚程度明显高于左踝关节。但是,B6h组CT图像中双侧踝关节骨质未见明显异常。由图1可见,B组R/LSUVmax随着造模时间延长呈现先升后降趋势,B6h组达到峰值;由图2可得,B6h组R/LSUVmax与A组、B1h组、B12h组均有显著差异(P < 0.05)。

图 1.

图 1

18F-NaF micro PET/CT images of mouse groups

各组小鼠18F-NaF micro PET/CT图像

图 2.

Bar chart showing differences in R/LSUVmax ratios and blood parameters between mouse groups

各组小鼠之间R/LSUVmax比值与血液指标的差异柱状图

与A组相比,*P < 0.05,***P < 0.001,****P < 0.000 1;与B6h组相比,#P < 0.05,##P < 0.01,###P < 0.001,####P < 0.000 1

compared with group A, *P < 0.05, ***P < 0.001, ****P < 0.000 1; compared with group B6h, #P < 0.05, ##P < 0.01, ###P < 0.001, ####P < 0.000 1

图 2

2.2. 各组小鼠的各时相血液指标改变

各时相血液指标如图2所示,B组白细胞、中性粒细胞等炎性细胞的水平呈现先升后降趋势,B6h组达到最大值,B6h组与A组间有显著差异(P < 0.05),与B组其余各时相组间同样有明显差异(P < 0.05)。各组间尿酸水平均无明显差异(P > 0.05)。

此外,如图3所示,通过皮尔森相关性分析发现R/LSUVmax与白细胞及中性粒细胞数量均有正相关性(R = 0.79,P < 0.01;R = 0.72,P < 0.01)。

图 3.

图 3

Correlation between R/LSUVmax ratio and complete blood counts of white blood cells/neutrophils, and the degree of inflammatory cell infiltration in pathological tissues

R/LSUVmax比值与血常规白细胞、中性粒细胞计数及病理组织炎性细胞浸润程度的相关性

2.3. 小鼠踝关节组织病理改变

各组小鼠踝关节组织病理改变如图4所示。A组双侧踝关节腔及周围软组织各组织结构无明显异常,无明显炎性细胞浸润。B组各时相组左踝关节腔及周围软组织均未见明显异常,无明显炎性细胞浸润;右侧踝关节腔内及周围软组织中从B1h组开始出现少量炎性细胞浸润,随着造模时间的延长,踝关节腔内及周围软组织中炎性细胞浸润逐渐增多,于B6h组关节腔内和周围软组织中可见大量炎性细胞浸润,滑膜增生,关节腔内可见纤维素渗出;随时间延长,踝关节腔内及周围软组织中炎性细胞数量逐渐减少,于B24h组可见炎症反应较前明显减轻。

图 4.

Pathological tissue changes of ankle joints of mice (HE, × 100)

小鼠踝关节病理组织改变(HE,× 100)

各组HE切片图中骨组织之间空白间隙为关节腔或关节表面

the blank space between the bone tissues in the HE slice diagram of each group is the joint cavity or joint surface

图 4

病理改变结果与血常规炎性细胞变化趋势一致。在一个高倍镜视野下对每组踝关节HE切片进行炎性细胞计数[18]。模型组各时相炎性细胞计数与R/LSUVmax比值皮尔森相关性分析呈正相关,R = 0.79,P < 0.000 1(见图3)。

3. 讨论

嘌呤代谢紊乱和/或尿酸排泄障碍导致血尿酸水平持续升高是痛风发生的基础,MSU晶体可析出并沉积于全身各骨关节及脏器组织。MSU被巨噬细胞吞噬,通过直接或间接的方式激活NACHT-LRRPYD结构域蛋白3(NOD-, LRR- and pyrin domain-containing 3,NLRP3)炎症复合体,释放炎症因子,从而引起痛风急性炎症[19]。在急性痛风炎症发生过程中,会有大量中性粒细胞、巨噬细胞聚集浸润,并产生释放各种炎症因子如白介素1-β(interleukin-1β,IL-1β)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等,造成组织损伤[20]。在GA病理生理改变过程中,MSU晶体通过刺激Akt/mTOR/自噬信号通路,导致软骨细胞活力下降。据研究报道MSU晶体可阻碍软骨细胞的营养摄入,并促进软骨基质内更多的分解代谢活动,以此来驱动软骨细胞死亡和骨基质损伤[21]。慢性炎性变滑膜中的炎性细胞可产生丰富的促进骨质破坏的细胞因子,如IL-1β、IL-6、TNF-α和干扰素(interferon,IFN)-γ等,这些因子均具有提升NF-κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor kappa B ligand,RANKL)活性的作用。另外,据研究报道,IFN-γ具有减少骨保护素(osteoprotegerin,OPG)释放的作用,会造成RANKL/OPG比值相应增加的现象,最后达到的总体效果是破骨细胞生成增多[22]。还有研究报道中性粒细胞胞外诱捕网(neutrophil extracellular traps,NETs)也可促进破骨细胞的分化[23]。另外,IL-1β和TNF-α可抑制成骨细胞活性[24]。骨重塑平衡被打破,便会导致骨侵蚀和异常的骨形成。本研究使用亲骨显像剂18F-NaF进行18F-NaF micro PET/CT显像,在AGA小鼠模型中造模关节可见明显异常显像剂聚集,提示聚集部位存在活跃的骨代谢改变;结合痛风炎症发生与骨代谢的相应改变,18F-NaF的聚集能反映AGA早期骨组织代谢情况,预测骨质破坏。

本研究通过对AGA小鼠进行血常规炎性细胞监测、病理组织活检及PET/CT显像发现,AGA关节炎性病变呈时间依赖性,先逐渐加重,在造模后6 h达到炎症高峰,随后逐步缓解,体现了痛风的自限性炎症特点[25]18F-NaF micro PET/CT显像中显像剂摄取程度与中性粒细胞、白细胞等炎症反应指标呈正相关,进一步说明18F-NaF反映的骨代谢改变过程与痛风的炎症相关,同时也说明通过无创操作即可推测出体内的炎症反应情况。

本研究中AGA不同时间段的CT检查、病理检查结果仅见软组织肿胀和组织炎症表现,未发现明显骨质改变;而在痛风急性炎症病灶局部18F-NaF摄取异常增加,能反映骨代谢变化,且其变化过程与痛风炎症呈正相关,从而可实现对体内病理生理动态改变进行可视化监测。可见,在CT发现骨质破坏前的炎症反应阶段即可通过18F-NaF PET/CT检查发现分子水平的局部骨组织代谢情况。

综上,本研究结果显示18F-NaF micro PET/CT显像可于CT呈现骨质破坏之前检测到AGA病变骨骼的局部微观改变,AGA小鼠血常规炎性细胞表达水平及病理炎性细胞数量与病灶处18F-NaF浓聚程度均为先升后降趋势,且具有正相关性,提示18F-NaF PET/CT可作为检测AGA早期骨代谢改变情况的有力工具,可实现病理生理动态改变的可视化监测,值得进一步进行相关研究。

本研究仅探究了血常规中的白细胞和中性粒细胞水平与18F-NaF PET/CT显像的关系,而18F-NaF PET/CT显像与AGA病变有关的诸多其他生物指标如血沉、C反应蛋白、Dickkopf-1(DKK-1)、RANKL等的关系,与痛风患者分期是否有相关性等尚可进一步探索。

重要声明

利益冲突声明:本文全体作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明:游智骁、石野宽负责设计实验,朱焓钰负责收集、分析实验数据,张曾、李沛琳参与设计实验,游智骁、朱焓钰负责撰写并修改论文,石野宽、黄晓红、李素平、游金辉指导修改论文。

伦理声明:本研究通过了川北医学院伦理委员会的审批(批文编号:NSMC伦理动物审[2023]082号)。

Funding Statement

四川省自然科学基金(2024NSFSC0668);川北医学院青年项目(自然科学类:CBY22-QNA60)

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Articles from Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering are provided here courtesy of West China Hospital of Sichuan University

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