水性肠道CT阴性造影剂的研究

论文摘要

及时有效地进行早期筛查是降低结直肠癌发病率和死亡率的关键。在众多筛查方法中,CT结肠镜技术作为一种新兴的、将X射线断层扫描和计算机图像重建相结合的影像学检查方法,以其无创、快速,可同时提供肠腔内壁及肠外组织结构信息的优点,在结直肠癌的早期筛查中日益受到临床的重视。目前,对于10mm以上的大息肉和病变,CT结肠镜检出的灵敏度和特异性已经接近光学结肠镜。但是,由于目前使用的造影剂（水和空气）无法清晰地显示出肠壁,导致了CT结肠镜技术对于结直肠癌早期指征之一的直径5mm以下的小息肉、扁平息肉及增生的诊断能力差。诊断的灵敏度和特异性明显受到医师读片能力的影响。为此,我们提出了一种新型肠道CT阴性造影剂,通过降低肠腔内的CT密度值,使之接近于肠外脂肪组织的密度值,使肠腔呈现为均匀的暗信号,从而在2D CT图像中清晰、完整、平滑地突显出明亮的肠壁信号。并在此基础上,清晰显示息肉、增生、腺瘤等发生在肠壁粘膜表面的病变,使其易于辨识,提高CT结肠镜对于小息肉、增生及病变的灵敏度和特异性。该造影剂为水性,不含脂肪和其他致泻成分,有利于降低使用时的副作用。我们选择以低密度物质-水凝胶连续相混悬体系为处方基础,采用CT密度值低于水的物质（低密度物质）降低体系的CT密度值;通过对形成水凝胶连续相的聚合物材料和浓度的选择和优化,并筛选适宜的稳定剂,调节体系的均匀性、稳定性和流动性,满足临床肠道CT造影的要求。根据低密度物质的物理状态,我们分别采用固液混悬体系和气液混悬体系进行了处方研究和优化,重点研究了搅拌产气法制备气液混悬体系时的处方因素以及起泡剂/稳定剂筛选方法和作用机理。通过离体和动物体内的影像学研究,考察了该造影剂对于肠壁以及息肉模型的显示能力。本论文的主要工作和结果总结如下:（1）确定了肠道CT阴性造影所需的CT密度值范围、稳定性、流动性和均匀性等基本性质,并建立了相应的评价方法:适宜的CT密度值为-120HU,可在两维CT图像中最佳显示肠壁,并兼顾3D虚拟图像重建;无明显肉眼可见（约1mm）的气泡;扫描层面顶层和底层间CT密度值的差异小于20HU,并可在需在30min保持稳定。（2）筛选得到了以医用聚乙烯和聚丙烯颗粒/粉末作为固体低密度物质,制备固液混悬型CT阴性造影剂。减小聚乙烯/聚丙烯颗粒的粒径可进一步降低其自身的CT密度值。采用与Pluronic F68共粉碎的聚乙烯/聚丙烯细粉所制备的浓度为30%的固液混悬液,CT密度值可降低至-120HU左右,并且易于分散。但由于原料来源有限,无法制备足够样品供成像研究,因此转向气液混悬方案。（3）气液混悬体系方案一:以脂质体为产气反应的发生器和气体的载体,通过化学反应产气法制备含气脂质体混悬液,作为肠道CT阴性造影剂。从载体方面（脂质体的材料、浓度和结构）以及影响化学产气的速率及产气量的因素两个方面,系统地考察了多个处方因素对于造影剂CT密度值的影响。结果表明,化学产气法可以有效地在脂质体内产生气体,但由于混悬体系中脂质体粒径和脂质浓度的限制,引入的气体不足以使混悬体系的CT密度值降低到阴性造影的要求。（4）针对含气脂质体方法的不足,提出了气液混悬体系的第二种方案:搅拌产气法。通过较高速地搅拌水凝胶液相,直接在液相中产生大量气泡,从而有效降低混悬液的CT密度值。针对气泡自身易破裂且气液混悬液更易分层的特点,分别对机械因素（搅拌装置和方式）和处方因素（水凝胶液相材料和起泡剂/稳定剂）进行了研究。进一步地,建立了适用于课题研究的气液混悬液稳定性的评价方法,分别从宏观角度（混悬体系中气泡数量和大小随时间变化）以及微观角度（单个气泡的气液界面上蛋白类起泡剂/稳定剂的动态吸附过程和形成的界面膜的粘弹性性质）进行了处方筛选和优化。通过微观角度的研究,探索了蛋白生物学结构对其界面行为的影响,以及与蛋白起泡性和气泡稳定作用的关系。结合宏观和微观角度的筛选,经过正交处方优化后确定的造影剂的处方为:以甲基纤维素和琼脂为水凝胶液相,加入牛血清白蛋白和葡萄糖酸己内酯作为起泡剂和气泡稳定剂,采用定转子式组织匀浆器高速搅拌制备。该造影剂为乳白色均匀气液混悬液,CT密度值为-120HU左右,可在30min内保持稳定无明显分层,具有较好的流动性。（5）分别以离体的猪肠和健康家犬作为对象,考察了自制肠道CT阴性造影剂在两维CT图像和三维CT虚拟图像中对于肠壁的显示效果（肠壁厚度和形态）,并采用模拟息肉模型,初步考察了造影剂对于息肉的发现能力。结果表明,该造影剂在没有肠壁血管强化（平扫）时,可以在两维CT中清晰、完整地显示出肠壁,其肠壁勾勒能力优于目前公认的对肠壁显示效果最优的造影剂,水;自制阴性造影剂大大增强了借助两维CT图像表现发现小息肉的能力（发现的最小息肉为2mm）以及对于全部大小的息肉的发现能力。有较大潜力提高CT结肠技术基于两维CT图像诊断小息肉的灵敏度和特异性,从而增强该技术的临床应用性。通过论文研究,第一次将类似于泡沫的、含有大量气泡的气液混悬体系用于医学影像学研究,通过处方和制备方法的研究基本解决了气泡的稳定性以及气液混悬液的物理稳定性,使其满足临床应用的要求。同时,在方法学上,分别从宏观角度（气液混悬液体系中气泡数量和大小的变化）,以及微观角度（单个气泡的气液界面）,建立了气泡稳定剂的处方筛选方法。通过对单个气泡气液界面上动态表面张力和界面膜的粘弹性的变化的研究,探讨蛋白界面稳定作用的机理,特别是结构因素对于蛋白在气液界面的吸附以及界面膜的性质的影响。从而在改善气液混悬液稳定性的同时,为进一步处方优化提供了参考。该造影剂的处方和制备方法已经获得中国专利授权。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 结直肠癌及其早期筛查
• 1.1.1 结直肠癌的发生及早期筛查的重要性
• 1.1.2 结直肠癌的早期筛查方法
• 1.2 CT 结肠镜技术
• 1.2.1 CT 成像原理
• 1.2.2 CT 结肠镜检查
• 1.2.3 CT 结肠镜技术在结直肠癌病变筛查中的应用及主要问题
• 1.3 肠道CT 阴性造影剂的研究进展
• 1.3.1 肠道CT 造影剂的分类和应用
• 1.3.2 肠道CT 阴性造影剂的研究进展
• 1.4 论文的研究内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究思路
• 1.4.3 论文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 水性肠道阴性CT造影剂的处方研究I：固液混悬体系
• 2.1 材料及仪器
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 肠道CT 阴性造影剂的评价方法
• 2.2.2 阴性造影剂最佳CT 值的确定
• 2.2.3 固液混悬型CT 阴性造影剂的处方研究
• 2.2.3.1 塑料粉的选择
• 2.2.3.2 构成连续相的材料和浓度
• 2.2.3.3 塑料粉的表面亲水性修饰方法
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 阴性造影剂最佳CT 值的确定
• 2.3.2 CT 阴性造影剂的CT 密度值的测定方法
• 2.3.3 固液混悬型CT 阴性造影剂的处方研究
• 2.3.3.1 塑料粉的选择
• 2.3.3.2 连续相的材料和浓度
• 2.3.3.3 塑料粉的表面亲水性修饰方法
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 水性肠道阴性CT造影剂的处方研究Ⅱ:气液混悬体系－含气脂质体
• 3.1 材料及仪器
• 3.2 实验内容
• 3.2.1 影响因素考察
• 3.2.1.1 反应物的种类及浓度
• 3.2.1.2 脂质体的浓度
• 3.2.1.3 脂质体的粒径和均匀性
• 3.2.1.4 透析方法
• 3.2.1.5 气泡的产生速度
• 3.2.2 处方改进以进一步降低含气脂质体混悬液的CT 值
• 3.2.2.1 加入阳离子脂质DOTAP
• 3.2.2.2 采用大多室脂质体为载体
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 脂质体简介
• 3.3.1.1 脂质体的结构、成膜材料及制备方法
• 3.3.1.2 含气脂质体及制备方法
• 3.3.2 以单室脂质体为载体制备含气脂质体混悬液
• 3.3.2.1 反应物的种类和浓度
• 3.3.2.2 脂质体的性质对造影剂CT 密度值的影响
• 3.3.2.3 透析方法对于造影剂CT 密度值的影响
• 3.3.2.4 气泡产生速度对于造影剂CT 密度值的影响
• 3.3.3 处方改进以进一步降低造影剂的CT 密度值
• 3.3.3.1 加入阳离子脂质DOTAP
• 3.3.3.2 改用大多室脂质体为载体制备含气脂质体
• 3.3.4 分析与讨论
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 水性肠道阴性CT造影剂的处方研究Π:气液混悬体系－搅拌产气法
• 4.1 材料及仪器
• 4.2 实验内容
• 4.2.1 搅拌装置的影响
• 4.2.2 形成水凝胶连续相的亲水性聚合物的筛选
• 4.2.3 起泡剂和稳定剂的筛选
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 泡沫结构及其稳定性
• 4.3.2 气液混悬液的处方筛选和优化
• 4.3.2.1 处方筛选的指标和方法
• 4.3.2.2 搅拌装置的影响
• 4.3.2.3 形成水凝胶液相的亲水性聚合物的筛选和优化
• 4.3.2.4 起泡剂和稳定剂的筛选
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 处方优化：蛋白在气液界面的吸附行为及其界面稳定作用机理
• 5.1 材料和仪器
• 5.2 实验内容
• 5.2.1 BSA 和BSA-CTAB 的起泡性和气泡稳定作用
• 5.2.2 不同处方的BSA 蛋白起泡剂/稳定剂的结构和疏水性
• 5.2.2.1 蛋白的圆二色光谱
• 5.2.2.2 粒径测定
• 5.2.2.3 Zeta 电位测定
• 5.2.2.4 变性SDS-PAGE 凝胶电泳
• 5.2.2.5 蛋白的疏水性
• 5.2.3 不同起泡剂/稳定剂处方中BSA 在气液界面的动态表面张力
• 5.2.4 不同处方在单个气泡气液界面形成的界面膜的粘弹性
• 5.2.5 不同处方在宏观上对于气泡的稳定效果
• 5.2.6 以BSA-GDL 为稳定剂进行正交处方优化
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 BSA 和BSA-CTAB 的起泡性和气泡稳定作用
• 5.3.2 不同处方的BSA 蛋白起泡剂/稳定剂的结构和性质
• 5.3.2.1 蛋白的圆二色光谱
• 5.3.2.2 粒径、Zeta 电位及变性凝胶电泳结果
• 5.3.2.3 蛋白的疏水性
• 5.3.2.4 不同样品中蛋白的结构和性质的小结及分析
• 5.3.3 不同起泡剂/稳定剂处方中BSA 在气液界面的动态表面张力
• 5.3.3.1 动态表面张力与起泡性
• 5.3.3.2 动态悬滴法及其工作原理
• 5.3.3.3 动态表面张力测定结果及蛋白结构对界面吸附的影响
• 5.3.4 不同处方在单个气泡气液界面形成的界面膜的粘弹性
• 5.3.4.1 气泡的形变与气液界面流变学
• 5.3.4.2 气液界面膜的强度：膜的扩张粘弹性
• 5.3.4.3 小幅周期振荡法测定气液界面膜的扩张粘弹性
• 5.3.4.4 气液界面膜粘弹性的测定结果及蛋白结构对此的影响
• 5.3.5 不同处方宏观上对于气泡的稳定效果：GDL 的稳定机理
• 5.3.6 以BSA-GDL 为稳定剂进行正交处方优化
• 5.4 小结
• 5.4.1 蛋白的结构和性质
• 5.4.2 蛋白结构对其气液界面的吸附及界面膜力学性质的影响
• 5.4.3 气液混悬液体系中蛋白的稳定作用和GDL 的贡献
• 参考文献
• 第六章 水性肠道CT 阴性造影剂的影像学研究
• 6.1 材料和方法
• 6.2 实验内容
• 6.2.1 体外成像实验
• 6.2.2 健康家犬体内成像实验
• 6.2.2.1 实验犬的肠道准备
• 6.2.2.2 实验犬结肠灌肠方法
• 6.2.2.3 多层螺旋CT 扫描
• 6.2.2.4 CT 值的测量
• 6.2.2.5 肠壁勾勒能力的评价
• 6.2.2.6 虚拟内窥镜完成能力评价
• 6.2.3 对于模拟息肉的发现能力
• 6.2.3.1 息肉模型的建立
• 6.2.3.2 多层螺旋CT 扫描
• 6.2.2.3 图像重建
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 体外成像实验
• 6.3.2 健康家犬体内成像实验
• 6.3.2.1 肠壁的勾勒能力
• 6.3.2.2 肠壁厚度
• 6.3.2.3 3D 虚拟内镜完成能力评价
• 6.3.3 对于模拟息肉的发现能力
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 总结和展望
• 致谢
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文和申请专利目录