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摘要

采用高分辨率短寿命放射性核素(INAA-SLR)非破坏性仪器中子活化分析(non-destructive instrumental neutron activation analysis with high resolution spectrometry of short- radionomic核素，INAA-SLR)，对正常人(n=37)、良性肥大(n=27)和癌性组织(n=23)中Br、Ca、K、Mg、Mn和Na的含量进行了研究。均值的平均值±标准误差(M±SΕΜ)的质量分数(毫克/公斤干质量的基础上)的化学元素在正常组织如下:Br 32.9±3.6,Ca 2280±178 K 11211±414毫克1118±76 Mn 1.24±0.07,分别和Na 11100±408。良性肥大组织中Br、Ca、Mg、Mn、Na水平与正常前列腺组织相同，而K水平显著高于良性肥大组织。相比之下，癌组织中Ca、Mg、K和Na的水平显著低于正常组织和BPH组织，而Br和Mn的水平显著高于正常组织和BPH组织。Br、Ca、Mg和Mn质量分数分别在91-100%、92-100%和93-100%范围内，是区分前列腺恶性和良性的最有价值的指标。所得资料使我们能够充分评估化学元素含量对前列腺癌诊断的重要性。

关键词

化学元素，前列腺，良性前列腺肥大，前列腺癌，中子活化分析

介绍

前列腺可能是中年以上男性健康问题的一个来源，最常见的是良性前列腺增生(BPH)和前列腺癌(PCa)。BPH是一种非癌性前列腺肿大，可导致尿道阻塞，严重影响生活质量。组织学性前列腺增生的患病率在40-50岁的男性中约为50-60%，在60岁的男性中超过70%，在70岁以上的男性中超过90%[2,3]。在包括北美在内的许多西方工业化国家，PCa是男性中最常见的非皮肤恶性肿瘤，除肺癌外，它是癌症[49]导致死亡的主要原因。虽然BPH和PCa的病因尚不清楚，但一些电解质和微量元素与这些前列腺疾病的发展相关的文献已经被强调[10-29]。

电解质和微量元素具有维持和调节细胞功能和信号转导、基因调控、酶反应激活或抑制、神经传递、膜功能调节等重要生理功能。化学元素的本质或毒性(致突变性、致癌性)特性分别取决于组织特异性需求或耐受性[30]。化学元素的过度积累、缺乏或不平衡会扰乱细胞功能，导致细胞变性、死亡和恶性转化。

有报道称，与正常前列腺组织相比，增生性和癌性前列腺组织中化学元素含量有显著变化[32-56]。此外，我们发现Zn含量作为肿瘤标志物对PCa诊断具有重要的信息价值[57,58]。因此，除锌外，其他一些化学元素可能也可以作为肿瘤标志物来区分前列腺的良恶性。

目前用于测量人体组织样本中化学元素含量的方法包括多种方法。在这些方法中，仪器中子活化分析与短寿命放射性核素高分辨率光谱法（INAA-SLR）是一种非破坏性和最敏感的技术之一。它允许测量几毫克组织中的化学元素含量，而无需对样品进行任何处理。我们使用INAA-SLR对正常、前列腺增生和前列腺癌组织中的溴、钙、钾、镁、锰和钠含量进行了分析研究[15,21,28,50,55]。非破坏性分析方法避免了改变研究样品中化学元素含量的可能性[59-62]，从而首次获得可靠的结果。特别是，研究表明，前列腺增生组织中钙的平均质量分数与正常水平没有差异[54]，但前列腺癌组织中钙的平均质量分数比健康前列腺组织低3.4倍[50]。研究结果为前列腺增生和前列腺癌的鉴别诊断奠定了基础，其实质是测定前列腺硬化部位经直肠穿刺活检材料中钙的含量。

因此，本研究有三个目的。主要目的是通过INAA-SLR分析评估40岁以上健康男性完整前列腺和年龄匹配的前列腺增生或前列腺癌患者前列腺中的Br、Ca、K、Mg、Mn和Na含量。第二个目的是比较正常前列腺、增生前列腺和癌前列腺中的化学元素水平，第三个目的是评估化学元素含量对前列腺癌诊断的价值。

所有研究均由奥布宁斯克医学放射研究中心伦理委员会批准。

材料和方法

样品

所有研究的患者(n=50)均在医疗放射研究中心泌尿科住院。对每位患者进行可疑的前列腺硬化部位的经直肠穿刺活检，以对这些部位的前列腺组织进行形态学研究，并估计其化学元素含量。所有病例的诊断都是通过活检和切除材料的研究中获得的临床和形态学结果来证实的。27例BPH患者年龄56 ~ 78岁，平均67.3±5.6 (M±SD)岁。这23例患者年龄在51-78岁。平均年龄67.3±8.6 (M±SD)岁。

37名41岁至79岁的男性在尸检时摘除了完整的前列腺，他们都是突然死亡的。平均年龄55±11岁(M±SD)岁。大多数死亡是由于创伤。在死亡后2天内，取前列腺背侧叶外周区组织标本，分成两部分。一个用于形态学研究，另一个用于化学元素分析。组织学检查用于控制年龄规范符合性，并确认无微腺瘤病和潜在癌[15,21,28]。

4样品制备、仪器、方法和标准物质

有关样品制备、相关核反应、放射性核素、伽马能、分析方法和质量控制结果的详细信息，见我们早期的出版物，涉及INAA-SLR研究的人类前列腺组织化学元素[15,21,28,50,55,63]。

计算机程序与统计

使用了一个用于INAA模式优化的专用计算机程序[64]。所有INAA-SLR的前列腺标本均重复制备，最终计算采用化学元素含量的平均值。使用Microsoft Office Excel软件，计算正常、良性增生和癌性前列腺组织中化学元素质量分数的统计摘要、算术平均数、标准差、均值、最小值、最大值、中位数、百分位数的标准误差分别为0.025和0.975水平。比较前列腺肥大与常模、前列腺肥大与常模、前列腺肥大与前列腺肥大之间的差异t以及。为了构建“Br、Ca、K、Mg、Mn和Na质量分数n正常、良性肥大和癌性前列腺图的个体数据集”，也使用了Microsoft Office Excel软件。

后果

表1描述了IAEA H-4（动物肌肉）标准物质（CRM）十个子样品中六种化学元素的数据以及该物质的认证值。

表1。IAEA H-4标准物质(动物肌肉)中化学元素含量与认证值(mg/kg，干质量基础)比较的NAA-SLR数据

元素		国际原子能机构H-4(动物肌肉)		这项工作的结果
		95%置信区间		平均值±标准差
Br		3.5 – 4.7一个		5.0±0.9
Ca		163 – 213一个		238±59
K		15300 - 16400一个		16200±3800
毫克		990 - 1110一个		1100±190
锰		0.48 - 0.55b		0.55 ± 0.11
Na		1930 - 2180一个		2190 ± 140

Mean -算术平均数，SD -标准偏差，^一个-认证值，^b–非认证值。

表2给出了正常、良性肥大和癌性前列腺中Br、Ca、K、Mg、Mn和Na质量分数的某些统计参数（算术平均值、标准偏差、平均值的标准误差、最小值和最大值、中位数、0.025和0.975水平的百分位数）。

表2．前列腺Br, Ca, K, Mg, Mn, Na质量分数(Mg /kg，干质量基础)的统计参数，良性增生(BPH)和癌性(PCa)前列腺

组织		参数		意思是	SD	扫描电镜	分钟	马克斯	中位数	P 0.025	P 0.975
典型的		Br		32.9	17.7	3.6	12.5	80.7	28.2	12.6	70.9
n = 37		Ca		2280	874	178	1205	4908	2082	1340	4386
		K		11211	2071	414	7100	14328	11399	7100	13998
		毫克		1118	396	76	604	2060	1062	626	1963
		锰		1.24	0.32	0.07	０．４０	１．８０	1．30	0．65	1．75
		Na		11100	2159	408	6834	15300	11071	6879	15161
良性前列腺增生		Br		30．4	18.4	3.6	5．5	77	25.6	5.75	66.7
n = 27		Ca		2032	547	165	1168	2762	1898	1173	2757
		K		14472	2454	740	11683	20519	13552	12025	19744
		毫克		1201	276	83	687	1585	1263	749	1552
		锰		1.19	0．31	0.09	0．80	１．８０	1．20	0．80	1.73
		Na		11612	2882	869	7762	15503	10564	7893	15400
主成分分析		Br		115	45	9.5	11.3	193	115	13.1	184
n = 23		Ca		674	193	58	382	952	751	411	931
		K		8542	1672	504	6047	11833	8784	6270	11402
		毫克		346	193	61	136	632	313	138	624
		锰		7．0	4．5	1．4	1．00	16．2	5.80	1.33	15．0
		Na		7511	2133	643	3913	12239	7228	4420	11539

M-算术平均值，SD-标准偏差，SEM-平均值的标准误差，最小值-最小值，最大值-最大值，P0.025-百分位0.025水平，P0.975-百分位0.975水平。

表3列出了正常前列腺、良性肥大前列腺和癌前列腺中Br、Ca、K、Mg、Mn和Na质量分数平均值之间的比值和差值的可靠性。

表3。比较正常、良性增生(BPH)和癌性(PCa)前列腺Br、Ca、K、Mg、Mn和Na质量分数(Mg /kg，干质量基础)的平均值(M±SEM)

元素	前列腺组织			比率,p(学生的t以及)
	典型的 41 - 79年 n = 37	良性前列腺增生 56 - 78年 n = 27	癌症 51-78岁 n = 23	良性前列腺增生 到 典型的	癌症 到 典型的	癌症 到 良性前列腺增生
Br	32.9±3.6	30.4±3.6	115±10	0.92	3.50b	3.78b
Ca	2280±178	2032 ± 165	674±58	0.89	0．30b	０．３３b
K	11211±414	14472 ± 740	8542 ± 504	1.29b	0.76b	0.59b
毫克	1118±76	1201±83	346±61	1．07	0．31b	0.29b
锰	1.24±0.07	1.19±0.09	7.0 ± 1.4	0.96	5.65一个	5.88一个
Na	11100±408	11612±869	7511±643	1．05	0.68b	0．65一个

毫克ydF4y2Ba算术平均值,扫描电镜平均值的标准误差，

统计上的显著差异:^一个- - - - - -p< 0.01,^b- - - - - -p< 0.001。

我们的结果与已发表的正常、良性肥厚和癌性前列腺Br、Ca、K、Mg、Mn、Na质量分数的数据比较如表4所示。

表4根据文献数据与我们的结果进行比较，发现正常、良性增生(BPH)和癌性(PCa)前列腺中化学元素含量均值(mg/kg，干质量基础)、最小值和最大值

前列腺癌 组织 （年）		元素		公布的数据(参考)			这项工作 结果
				中位数 的意思是 （n) *	最低 的意思是 M或M±SD(n)**	最大限度 的意思是 M或M±SD(n)**	M±SD
典型的		Br		14 (3)	12±8 (4)[32]	21日(12)[33]	32.9±17.7
		Ca		1870 (14)	430±120 (21)[34]	7500 ± 12300 (57) [35]	2280±874
		K		9900(12)	3840 (8) [36]	12200±1500 (8)[37]	11211±2071
		毫克		900(12)	498±172 (13)[35]	2056 ± 476 (21) [38]	1118±396
		锰		6.0 (11)	< 0.47 (12) [33]	106 ± 18 (5) [39]	1.24±0.32
		Na		6100 (7)	23 ± 26 (13) [35]	13700±3500 (4)[40]	11100±2159
良性前列腺增生		Br		19.8 (2)	18.0±9.5 (27)[41]	21.5±13.0 (9)[42]	30.4±18.4
		Ca		2100 (7)	600±120 (2)[43]	5100 ± 3200(9) [42]	2032±547
		K		7400 (6)	1010 ± 95 (27) [41]	12800 ± 1900 (43) [37]	14472 ± 2454
		毫克		820 (6)	566±130 (25)[44]	1560±50 (10)[45]	1201±276
		锰		10.8 (4)	6.5 (-) [43]	23±13 (27)[41]	1.19±0.31
		Na		7800 (1)	7800 (34) [46]	7800 (34) [46]	11612 ± 2882
主成分分析		Br		1.5 (1)	1.5±6.0 (27)[41]	1.5±6.0 (27)[41]	115±45
		Ca		2940 (7)	1100 (4) [46]	410000±43000 (1)[43]	674±193
		K		3620 (4)	740±90 (27)[41]	5600 (4) [46]	8542±1672
		毫克		935 (5)	361 ± 174 (25) [44]	1050 ± 720 (11) [47]	346±193
		锰		8.0 (4)	2.74±0.27 (1)[43]	160 ± 22 (1) [39]	7.0±4.5
		Na		5100 (1)	5100 (4) [46]	5100 (4) [46]	7511±2133

毫克ydF4y2Ba算术平均值,SD标准偏差(n)*所有参考资料的编号，(n)**样本数量

表5包含了本工作计算的Br、Ca、Mg和Mn质量分数诊断PCa的重要性(敏感性、特异性和准确性)参数。

表5．一些化学元素质量分数诊断PCa的重要性(敏感性、特异性和准确性)参数(对“PCa或完整的BPH组织”进行估计)

元素		极限PCa (M±SD) Mg /kg，干质量基础		体贴 ％		特异性 ％	精度 ％
Br		70 mg/kg -下限(M-SD)		91 ± 6		97±2	95±2
Ca		1060mg /kg -上限(M+2SD)		100 - 9		100 - 2	100 - 2
毫克		730mg /kg -上限(M+2SD)		100 - 9		92±4	93 ± 3
锰		2.2 mg/kg-下限（~M-SD）		91 ± 9		100 - 2	98±2

M——算术平均值，SD——标准差。

图1描述了正常、良性肥大和癌性前列腺的所有样本中Br、Ca、K、Mg、Mn和Na质量分数的个体数据集。

图1所示。正常(1)、良性肥大(2)和癌性前列腺(3)样本中Br、Ca、K、Mg、Mn和Na质量分数的个体数据集。

讨论

正如我们所证明的[15,21,28]，使用CRM IAEA H-4作为分析前列腺组织样本的认证参考材料是完全可以接受的。INAA-SLR分析的Br、Ca、K、Mg、Mn和Na含量与CRM IAEA H-4的认证数据(表1)吻合良好，表明在表2-4所示的前列腺化学元素研究中获得的结果具有可接受的准确性。

计算6种化学元素(Br、Ca、K、Mg、Mn和Na)质量分数的平均值和所有选定的统计参数(表2)。这些化学元素的质量分数在所有或大部分正常前列腺样本中都被测量。前列腺增生和前列腺癌样本的肿块变化非常大，从几毫克(来自针活检材料)到100毫克(来自切除的材料)。因此，在BPH和PCa前列腺中，所有样本均测定了Br的质量分数，而在22个样本(分别为11和11个样本)中测定了Ca、K、Mg、Mn和Na的质量分数。

由表3可以看出，良性肥厚组织中Br、Ca、Mg、Mn、Na的质量分数与正常水平无差异，而K的质量分数显著(p高= 0.0014)。在癌组织中Ca (p= 0.000000003)、K (p= 0.004), Mgp=0.00000000 5），且不适用(p=0.0002)显著降低，Br (p=0.000000007)和Mn (p=0.0017）显著高于前列腺正常组织。与前列腺良性肥大组织相比，所有这些元素在癌组织中表现出相似的变化。钙的质量分数(p= 0.000004)、K (p= 0.0000035), Mgp=0.00000015)， and Na (p=0.0013）显著降低，且Br的质量分数(p=0.000000004)和Mn (p=0.0016)明显高于良性肥厚组织。

对照组(平均年龄55±11岁，范围41-79)的所有化学元素含量的结果与我们在41-60[15]岁表面健康男性的前列腺中早期发现的结果一致。Br、Ca、K、Mg、Mn、Na含量的值(表4)与其他人类前列腺研究中引用的平均值的中位数非常吻合[32-47]。文献资料还包括从死于不同疾病的病人身上获得的样本。在被引文献中，一些化学元素质量分数的值没有以干质量为基础表示。因此，我们使用已发表的成年男性前列腺中水分- 80%[45]和灰分- 1%湿质量[65]含量的数据计算了这些值。我们的结果为Br、钙、钾、镁、锰、依法和Na中位数良性肥厚性组织的早期发现前列腺癌前列腺组织中(表4)。我们的结果比得上Mg的公布数据,锰、钠含量,一些Ca的情人,一些高K,Br几乎高出两个数量级(表4)。

前列腺组织中化学元素质量分数的分析可以成为一种强有力的诊断工具。在很大程度上，对前列腺癌早期诊断新方法的研究是由于在对前列腺特异性抗原（PSA）血清检测能力有限的关键评估中获得的经验[66]。除了PSA血清检测和前列腺穿刺活检的形态学研究外，其他高精度检测方法的开发似乎非常有用。本研究的实验条件尽可能接近医院条件。在前列腺增生和前列腺癌病例中，我们分析了部分材料l从前列腺硬化部位经直肠穿刺活检获得。因此，我们的数据使我们能够充分评估化学元素质量分数对PCa诊断的重要性。从单个数据集（图1）可以明显看出这一点，Br、Ca、Mg和Mn质量分数是鉴别诊断最有用的信息。例如，如果假设Ca质量分数的值为1060 Mg/kg（M±2SD）是PCa的上限（图1），并对“PCa或完整和BPH组织”进行估计，则可获得以下值：

灵敏度={真阳性（TP）/[TP+假阴性（FN）]}·100%=100-9%；

特异性={真阴性（TN）/[TN+假阳性（FP）]}·100%=100-2%；

精度= [(TP + TN) / (TP + FP + TN + FN)] = 100·100% - 2%。

计算置信区间时考虑了被检查的人数(样本)[67]。换句话说，如果前列腺活检样本中的Ca质量分数不超过1060 mg/kg，就可以诊断为恶性肿瘤，准确率为100-2%。因此，使用Ca质量分数测试可以诊断100-2%的癌症;例(灵敏度)。同样的方法计算了Br、Mg和Mn质量分数诊断PCa的重要性(敏感性、特异性和准确性)参数(表5)。

值得注意的是，溴是许多镇定剂的成分。Br含量的增加可能与PCa患者不加控制地使用镇定剂有关。因此，为了诊断目的，应谨慎使用溴含量的数据。

结论

在本研究中，使用INAA-SLR对正常、良性肥大和癌性前列腺组织样本进行元素分析。结果表明，INAA-SLR是一种适合于人类前列腺组织标本(包括穿刺标本)中Br、Ca、K、Mg、Mn、Na含量无损检测的分析工具。良性肥大组织中Br、Ca、K、Mg、Mn、Na含量与正常前列腺组织相同，但K含量较高。癌组织Ca、K、Mg、Na含量显著低于正常组织和BPH组织，Br、Mn含量显著高于正常组织和BPH组织。最后，我们建议使用穿刺活检中心的Ca、Mg和Mn质量分数作为诊断前列腺癌的准确工具。需要进一步的大量样本研究来证实我们的发现，研究微量元素对前列腺的影响癌症的病因和检查长期的病理结果。

致谢

我们感谢奥布宁斯克医学放射研究中心的Tatyana Sviridova博士，以及莫斯科俄罗斯医学科学院人类形态学研究所已故的A.A. Zhavoronkov教授提供的前列腺样本。

相互竞争的利益

其他所有作者都宣称没有相互竞争的利益。

作者的贡献

VZ负责研究设计、INAA-LLR分析和手稿编写。SZ负责数据收集，数据录入，统计分析，协助稿件准备。两位作者阅读并批准了最终的手稿。

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