Введение
Биораспределение – это метод отслеживания путей распространения интересующих соединений в организме экспериментального животного или человека. Например, при разработке новых соединений для ПЭТ (позитронно-эмиссионной томографии) радиоактивный изотоп химически присоединяют к пептиду (субъединице белка). Этот класс изотопов испускает позитроны (античастицы, равные по массе электрону, но имеющие положительный заряд). При вылете из ядра позитроны сталкиваются с электроном и аннигилируют, в результате чего образуются два гамма-кванта, движущихся в противоположных направлениях. Эти гамма-кванты можно измерить и, сравнив с эталоном, определить их количество.
Цель и результаты
Полезное новое радиомаркированное соединение – это соединение, пригодное либо для медицинской визуализации определенных частей тела, таких как мозг или опухоли (путем введения низких доз радиоактивности), либо для лечения опухолей (что требует введения высоких доз радиоактивности). В обоих случаях соединение должно эффективно накапливаться в целевом органе, а любые избыточные количества должны быстро выводиться из организма. В медицинской диагностической визуализации это обеспечивает четкое диагностическое изображение (высокий контраст), а в лучевой терапии – воздействие на цель (например, опухоль) с минимальными побочными эффектами на нецелевые органы. При разработке нового диагностического или терапевтического соединения необходимо учитывать дополнительные факторы, включая безопасность для человека. С точки зрения эффективности, биораспределение является важным аспектом, который можно оценить путем диссекции или визуализации.
Дисекция
Например, новое радиоактивное соединение вводится внутривенно группе из 16–20 грызунов (обычно мышей или крыс). Через 1, 2, 4 и 24 часа небольшие группы (4–5) животных подвергаются эвтаназии, а затем подвергаются вскрытию. Органы, представляющие интерес (обычно: кровь, печень, селезенка, почки, мышцы, жир, надпочечники, поджелудочная железа, мозг, кости, желудок, тонкий кишечник, верхняя и нижняя части толстого кишечника, а также опухоль, если она присутствует), помещают в предварительно взвешенные контейнеры, взвешивают, а затем помещают в прибор для измерения радиоактивности (например, гамма-излучения). Нормализация концентрации радиоактивности в тканях к введенной дозе дает значения в единицах процента введенной дозы на грамм органа или биологической ткани. Результаты позволяют динамически оценить, как соединение перемещается по организму животного и где оно задерживается.
С помощью визуализации
Как и при процедуре вскрытия, животным вводят низкую дозу радиоактивно меченого соединения. В выбранные моменты времени после инъекции получают изображения ПЭТ или ОФЭКТ, как правило, также КТ или МРТ для анатомической привязки. Концентрация радиоактивности измеряется по изображениям ПЭТ или ОФЭКТ в различных интересующих органах. Это может включать измерение объема этих органов, например, по данным КТ (а не взвешивание органов, как при вскрытии), или оценку концентрации радиоактивности в репрезентативной части органа. Нормализация концентрации радиоактивности в тканях к введенной дозе дает значения в единицах процента введенной дозы на миллилитр органа или биологической ткани. Преимущество визуализации заключается в том, что животных можно анестезировать на время визуализации в течение нескольких или всех необходимых моментов времени, то есть для этой процедуры требуется небольшое количество животных, и все они остаются живыми. Это считается неинвазивной процедурой. Кроме того, процедура по сути аналогична медицинской диагностической визуализации в клинике, но имеет два основных отличия: (1) новые разрабатываемые соединения могут вводиться животным после тщательного изучения и утверждения детального плана эксперимента, в то время как врачи могут вводить только радиоактивно меченые соединения, которые были тщательно протестированы и одобрены для использования у людей; (2) животным обычно требуется анестезия на протяжении всего сканирования (порядка нескольких минут), в то время как люди находятся в сознании и должны просто оставаться неподвижными во время сканирования.
Неинвазивная визуализация биораспределения в генной терапии
В генной терапии векторы доставки генов, такие как вирусы, могут быть визуализированы по их распределению частиц в организме или по характеру трансдукции. Под первым подразумевается маркировка вирусов контрастным веществом, обнаруживаемым с помощью методов визуализации, таких как МРТ или Спект/ПЭТ, а под вторым – визуализация маркерного гена вектора доставки генов с использованием иммуногистохимических методов, оптической визуализации или даже ПЦР. Неинвазивная визуализация стала более востребованной по мере того, как оборудование для визуализации, ранее используемое в клиниках, стало доступно для исследовательских целей. Например, бакуловирусы, отображающие авидин, можно было визуализировать в мозге крысы, покрыв их биотинилированными частицами железа, что позволило увидеть их на МРТ. Распределение частиц вируса, содержащих железо, оказалось сконцентрировано в клетках хороидного сплетения боковых желудочков.