Development of Dual-Modality X-ray Fluorescence/Computed Tomography for Preclinical In Vivo Imaging = 전임상 생체 내 영상화를 위한 X선 형광/전산화단층촬영 듀얼 모달리티 시스템 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metal nanoparticles (MNPs), particularly gold nanoparticles (GNPs), have been widely investigated due to their unique physicochemical properties, biocompatibility, and relatively low toxicity. Accurate quantification of their biodistribution is essential for evaluating pharmacokinetics and optimizing their applications in drug delivery, radiosensitization, and imaging contrast. Ex vivo quantification methods, such as inductively coupled plasma mass spectrometry, offer very low detection limits and high reliability, but they require complex sample preparation processes, such as lyophilization, dissolution, and dilution. In addition, optical fluorescence imaging has been used to determine the in vivo biodistribution of MNPs. However, these optical-based modalities suffer from shallow penetration depths, typically limited to a few mm, which makes them insufficient for small-animal imaging. As a result, there is a need for alternative approaches that can determine the in vivo biodistribution of MNPs quantitatively with sufficient penetration depth for small-animal imaging.
X-ray fluorescence (XRF) imaging has recently gained attention as a molecular imaging modality capable of detecting MNPs at biologically relevant concentrations with penetration depths surpassing those of optical techniques. Benchtop XRF imaging systems with polychromatic X-ray sources have been extensively investigated, with recent efforts focused on improving scan time, imaging dose, and detection limit. Nonetheless, several challenges remain. Early systems using single-crystal detectors required rotational or translational scanning, resulting in long scan times and relatively high imaging doses. This limited the feasibility of XRF imaging for routine preclinical in vivo applications. Moreover, while XRF imaging provides valuable functional information on the in vivo biodistribution of MNPs, it lacks complementary anatomical information, such as that provided by computed tomography (CT), complicating the accurate localization of this biodistribution. These challenges underscore the importance of developing systems that combine improved scan time, imaging dose, detection limit, and multimodal capabilities.
This dissertation aims to address these challenges by developing a benchtop XRF imaging system tailored for preclinical in vivo applications. First, a dual-modality XRF/CT imaging system integrating a single-pinhole XRF imaging system with CT was developed to provide both functional and anatomical information in GNP-injected living mice. Second, a multi-pinhole XRF imaging system integrating an excellent energy resolution pixelated cadmium zinc telluride detector was developed to achieve biologically relevant detection limits with reduced scan time and imaging dose. The dual-modality XRF/CT imaging system successfully acquired functional information on the in vivo biodistribution of GNPs in the kidney and bladder slices of living mice. Furthermore, complementary anatomical information acquired from CT enabled accurate co-registration of functional and anatomical information. The multi-pinhole XRF imaging system achieved a detection limit of 0.105 mg/mL, corresponding to approximately 100 ppm of gold, with a scan time of 10 min and an imaging dose of 51.5 cGy. Together, these systems demonstrate significant advancements. Specifically, the dual-modality XRF/CT imaging system provides complementary anatomical information for accurate localization of the in vivo biodistribution of GNPs. Meanwhile, the multi-pinhole XRF imaging system achieves scan time and imaging dose within acceptable ranges for preclinical in vivo imaging, as well as a biologically relevant detection limit for gold. The findings of this dissertation provide a technical basis for improved preclinical in vivo imaging of MNPs.

국문 초록 (Abstract)

금속 나노입자, 특히 금나노입자는 독특한 물리화학적 특성, 우수한 생체적합성, 비교적 낮은 독성으로 인해 폭넓게 연구되어 왔다. 생체 내 분포의 정확한 정량화는 약동학 평가와 약물 전달, 방사선 민감화, 영상 조영 등 다양한 응용을 최적화하는 데 필수적이다. 유도결합 플라즈마 질량분석법과 같은 체외 정량 기법은 매우 낮은 검출한계와 높은 신뢰성을 제공하지만, 동결건조·용해·희석 등 복잡한 시료 전처리가 필요하다. 또한 형광 영상은 금속 나노입자의 생체 내 분포를 파악하는 데 활용되어 왔으나, 투과 깊이가 대체로 수 밀리미터 수준에 불과해 소동물 영상에는 충분하지 않다. 이에 따라 소동물 영상에 적합한 충분한 투과 깊이를 확보하면서 금속 나노입자의 생체 내 분포를 정량적으로 규명할 수 있는 대안적 접근이 요구된다.
최근 X선 형광 영상은 광학 기반 기법을 상회하는 투과 깊이로 생물학적으로 유의미한 농도의 금속 나노입자를 검출할 수 있는 분자영상 기법으로 주목받고 있다. 다색 X선원을 사용하는 탁상형 X선 형광 영상 시스템에 대한 연구가 활발하며, 최근에는 스캔 시간, 선량, 검출한계의 개선에 초점이 맞춰지고 있다. 그럼에도 초기 단결정 검출기 기반 시스템은 회전 또는 병진 스캐닝이 필요해 스캔 시간이 길고 선량이 비교적 높아, 일상적 전임상 생체 영상 적용에 제약이 있었다. 더불어 X선 형광 영상은 금속 나노입자의 생체 내 분포에 대한 기능적 정보를 제공하지만, 해부학적 정보가 부족해 조직 내 X선 형광 신호의 정확한 위치 파악이 어렵다는 한계가 있다. 이러한 점은 스캔 시간·선량·검출한계 개선과 함께 다중 모달리티 기능을 결합한 시스템 개발의 필요성을 부각시킨다.
본 학위논문은 전임상 생체 영상 응용에 적합한 탁상형 X선 형광 영상 시스템을 개발하여 이러한 한계를 해결하고자 하였다. 첫째, 단일 핀홀 기반 X선 형광 영상을 전산화단층촬영과 통합한 듀얼 모달리티 시스템을 구축하여, 금나노입자를 주입한 생쥐에서 기능적 정보와 해부학적 정보를 동시에 획득하였다. 둘째, 고에너지 분해능 픽셀형 카드뮴-아연-텔루라이드 검출기를 통합한 다중 핀홀 X선 형광 영상 시스템을 개발하여, 스캔 시간과 선량을 낮추면서 생물학적으로 유의미한 검출한계를 달성하였다. 듀얼 모달리티 시스템은 생쥐의 신장과 방광 절편에서 금나노입자의 생체 내 분포에 대한 기능적 정보를 성공적으로 획득하였고, 단층촬영으로 얻은 해부학적 정보를 기반으로 정확한 영상 정합을 가능하게 했다. 다중 핀홀 시스템은 스캔 시간 10분, 선량 51.5 cGy 조건에서 0.105 mg/mL(약 100 ppm 상당)의 검출한계를 달성하였다. 요컨대, 듀얼 모달리티 시스템은 금나노입자의 생체 내 분포를 정확히 파악하기 위한 해부학적 보완 정보를 제공하고, 다중 핀홀 시스템은 전임상 생체 영상에 허용 가능한 스캔 시간과 선량 범위 내에서 금에 대한 유의미한 검출한계를 구현하였다. 본 연구는 금속 나노입자의 전임상 생체 영상 개선을 위한 기술적 기반을 마련하고, 금속 나노입자 기반 치료·진단의 일상적 전임상 생체 영상 구현을 향한 향후 중개연구의 틀을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figures vii
• List of Abbreviations xii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Biomedical applications of metal nanoparticles 1
• 1.2. Imaging modalities of metal nanoparticles 2
• 1.3. X-ray fluorescence imaging 4
• 1.4. Research objectives of this dissertation 12
• Chapter 2. Materials and methods 17
• 2.1. Dual-modality XRF/CT imaging system 17
• 2.1.1. CZT gamma camera and flat-panel detector 17
• 2.1.2. Imaging system configuration 18
• 2.1.3. L-shell XRF detection system 22
• 2.1.4. Data acquisition 24
• 2.1.5. Image processing 26
• 2.1.6. Image analysis 29
• 2.1.7. Imaging dose assessment 31
• 2.1.8. Mice study 32
• 2.2. Multi-pinhole XRF imaging system 34
• 2.2.1. HEXITEC 2 × 2 CZT detector 34
• 2.2.2. Imaging system configuration 37
• 2.2.3. Monte Carlo model 42
• 2.2.4. Data acquisition 44
• 2.2.5. Image processing 46
• 2.2.6. Image analysis 49
• 2.2.7. Imaging dose assessment 50
• 2.2.8. Mice study 51
• Chapter 3. Results 53
• 3.1. Dual-modality XRF/CT imaging system 53
• 3.1.1. Detector characterization 53
• 3.1.2. Quantitative analysis 58
• 3.1.3. L-shell XRF detection system 60
• 3.1.4. Mice study 63
• 3.2. Multi-pinhole XRF imaging system 73
• 3.2.1. Detector characterization 73
• 3.2.2. Quantitative analysis 82
• 3.2.3. Monte Carlo model 88
• 3.2.4. Mice study 95
• Chapter 4. Discussion 113
• 4.1. Dual-modality XRF/CT imaging system 113
• 4.2. Multi-pinhole XRF imaging system 121
• Chapter 5. Conclusions 129
• Bibliography 131
• Abstract in Korean 141