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放射性核素标记多功能纳米探针及其在PET显像中的研究进展

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发布:2021-01-12 16:44:17     来源:中国医学影像学杂志

分子影像学是精准医学的三大支撑技术之一,其借助分子探针,运用影像设备实时监测活体细胞、组织乃至整个机体在细胞或分子水平发生的生理、生化事件。目前常用的分子影像探针包括常规的非特异性造影剂、带有特异分子配体的分子探针及纳米探针。纳米探针主要包括磁性纳米探针、光学纳米探针、放射性核素标记纳米探针、声学纳米探针、多模态纳米探针和诊疗一体化纳米探针等。


 

由于PET的高灵敏度、精确的空间定量能力及其在诊断和监测疾病变化中的重要作用,放射性核素标记纳米探针迅速成为近年的研究热点。本文拟以放射性核素标记纳米材料的策略为起点,介绍近年分子影像领域出现并用于临床研究的多功能纳米探针。

1.放射性核素标记纳米材料的策略

放射性核素标记的纳米探针主要包括放射性核素和纳米材料两部分,几乎所有的纳米材料均能进行放射性核素标记。制备放射性核素标记的纳米探针需要考虑两个方面:①放射性核素的选择,主要依据放射性核素的物理特征如放射性核素的成像特点、半衰期等做出选择;②如何将放射性核素标记到纳米材料上。放射性核素标记纳米材料的方法可能影响其体内分布,因此标记方法必须安全、迅速、有效。

目前主要标记方法包括:①螯合:放射性金属离子通过配位化学与螯合剂进行络合反应;②质子束/中子束直接轰击纳米粒子;③利用放射性和非放射性材料直接合成放射性纳米粒子;④纳米粒子合成后无需螯合剂的放射标记。

1.1螯合

以往纳米粒子一般通过螯合方法进行放射性核素标记。采用螯合方法进行放射性核素标记需要着重考虑放射标记的稳定性。如果放射性同位素从纳米粒子上脱落,可与内源性蛋白反式螯合,导致对探针信号分布的错误解读。商业化的1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸(1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid,DOTA)通常用于螯合64Cu,但由于空间位阻导致放射标记稳定性较差。因此,研究者合成了更灵活的双功能连接器1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7-三乙酸(1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7-triacetic acid,DO3A)替代DOTA以提高放射标记的稳定性;邢岩等研发了比DOTA更小的1,4,7-三氮杂环十二烷-1,4,7-三乙酸(1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triacetic acid,NOTA)螯合64Cu,并用整合素结合肽cRGD靶向新生血管和肿瘤细胞。

尽管如此,螯合方法依然存在诸多问题,如螯合剂可能影响纳米粒子体内的药代动力学、化学合成费用高但效率低、有时标记稳定性较差。因此,内在放射标记纳米粒子的方法应运而生。

1.2质子束/中子束直接轰击纳米粒子

该方法利用质子和中子束轰击非放射性纳米材料产生放射性纳米材料。质子束或中子束轰击非放射性纳米材料通过16O(p,α)13N、18O(p,n)13N、165Ho(n,γ)166Ho核反应产生放射性核素标记纳米材料。这种方法具有一定的价值:①无需合成步骤,能够迅速产生半衰期非常短的放射性核素标记纳米材料,并进行体内成像;②可根据需要迅速激活;③放射性原子包被在纳米粒子中,其产生的信号真实反映了纳米粒子的分布。但由于轰击导致纳米粒子结构破坏或纳米粒子表面生物活性分子受到影响,在某些情况下使得此法获得的纳米粒子不适用于体内成像。

1.3利用放射性和非放射性材料直接合成放射性纳米粒子

最直接和广泛应用的方法是添加微量放射性前体材料到非放射性材料中产生高稳定性的放射性标记纳米材料。在PET显像中,这种类型的放射标记方法常用于64Cu标记。在Na2S存在的条件下,放射性盐化合物如64CuCl2和非放射性盐化合物如CuCl2通过加热产生[64Cu]CuS纳米粒子。类似条件和方法可产生65Zn、68Ga、109Cd、111Zn、141Ce、153Sm、198Au放射标记纳米探针。此外,某些与金属离子具有高度亲和力的有机分子也能作为非放射性材料与放射性金属离子自组装产生内在固有放射性标记。如在酸性环境下简单地混合64Cu2+与转铁蛋白的轻链和重链,然后将pH调回7.4,形成64Cu2+标记的转铁蛋白纳米笼。

纳米粒子内二价阳离子结合位点阻止64Cu2+逃离,转铁蛋白纳米笼也能阻止血清等“外来侵袭物质”接近64Cu2+。但64Cu还原电位较低,因此64Cu标记产生放射性标记纳米材料通常需要高温和长时间的孵育,在一定程度上增加了放射污染的风险。其他用于直接合成纳米粒子的核素111In和109Cd也面临着严苛的合成条件这一问题。

1.4纳米粒子合成后无需螯合剂的核素标记

该方法利用特定放射性核素和纳米粒子之间特异的物理或化学相互作用,整合放射性核素到已经制备好的纳米粒子内。放射性核素无法进行络合化学反应时,该方法显得尤为重要。如*As(Ⅲ)或*As(V)很难通过络合化学反应标记纳米载体,但由于*As与Fe3O4表面的特异亲和力可容易形成*As标记的超顺磁性氧化铁纳米探针(superparamagnetic iron oxide nanoparticle,SPION),用于PET/MRI。使用相同的策略,69Ge、68Ga、90Y、111In、89Zr、18F、11C以及64Cu也成功用于标记纳米粒子。

纳米粒子合成后无需螯合剂的放射标记策略具有快速、特异性高、温和条件下标记率高等优点,但目前这种方法仅成功应用于有限的放射性核素和纳米粒子组合中。

2.放射性核素标记的多功能纳米材料及其临床应用研究

放射性核素标记纳米材料已从以往的单一功能向多功能发展。多功能纳米材料包括多模态成像纳米材料和诊疗一体化纳米材料。

2.1多模态成像纳米材料

多模态成像结合,发挥优势互补,可解决单一技术和显像模态的缺陷,是分子影像学未来的发展方向。设计多模态纳米材料需要考虑影像模态的特征以及2种或几种成像模态是否优势互补,以提高诊断精确度和准确度。如PET的高敏感性和低分辨率能通过MRI的高空间分辨率、低敏感性和精确的软组织造影很好地得以补偿。

PET/MRI双模态显像的优势为避免CT辐射的同时极大地提高了影像信息的获得量。PET还能与近红外荧光成像(near infrared fluorescence,NIRF)进行双模态显像,甚至PET/NIRF/MRI三模态显像。最常见的多模态成像纳米材料的结构为:纳米材料核心为单一模态的显像造影剂,其外包被材料附加有可进行其他模态显像的分子。如68Ga-AGuIX@NODAGA是聚硅氧烷制备成NODAGA后螯合68Ga标记的超刚性纳米粒子,Bouziotis等报道在U87MG胶质母细胞瘤移植瘤小鼠中用其作为成像探针,可同时进行PET和MRI,以指导放射治疗。此外,还存在本身就具多模态属性的纳米材料,如碳纳米管和金纳米材料,而且其本身的多模态成像属性不影响加入的其他造影剂属性,从而可兼具加入造影剂的成像模态。因它们化学构造相对简单而极具临床应用价值,但种类相对较少。

2.2诊疗一体化纳米材料

诊疗一体化纳米材料不但具有成像诊断功能,还融合有治疗功能,其治疗方式为:①简单地递送药物;②具有吸收外部能量的作用,以热的形式扩散到附近细胞并摧毁之;③递送光动力治疗或其他刺激响应药物。在确诊的肿瘤患者中,诊疗一体化纳米材料用于疾病分期、疗效评估、影像指导药物递送以及影像监测药物释放。

Li等报道了卟啉/胆酸构建的治疗诊断一体化纳米平台,能同时进行NIR、MRI和PET三模态成像以及热治疗、光动力治疗和智能程序性控释药物。其他材料如脂质纳米材料、多聚物纳米材料、硅纳米材料以及天然纳米材料(外泌体、高/低密度脂蛋白和病毒衣壳蛋白)、碳纳米管、足球烯、石墨烯等在多模态成像和治疗诊断中也具有很好的应用前景。

尽管目前制备多功能纳米材料还极具挑战性,但智能诊疗纳米材料将在肿瘤诊断和治疗中发挥重要作用。刺激响应型智能诊疗纳米材料是利用物理刺激或肿瘤特异微环境如pH、光、压力、酶、磁场、温度、超声、mRNA、谷胱甘肽、低氧或弱酸等控制药物释放而实现智能控制。Wang等报道由pH(pH≤6.2)响应的双嵌段共聚物(pH-responsive diblock copolymer,PDPA)、含钆光敏剂Ce6以及阿霉素前体药物组成的纳米微团,具有荧光成像(fluorescence imaging,FLI)、MRI和光声成像(photo acoustic imaging,PAI)的多模态成像功能和光动力疗法(photodynamic therapy,PDT)、光热疗法(photothermal therapy,PTT)以及化疗等联合治疗功能,提示未来智能纳米材料将包含多重作用,如靶向给药、持续缓控释、智能刺激响应控制释放、多药联合或药物和热/放射/其他治疗协同治疗以及多模态诊断能力。

2.3多功能纳米材料的临床应用

必须有充分的理由才可以推动纳米材料进入临床试验,如纳米材料是否比小分子造影剂更有效、费用更低;此外,应考虑纳米材料在智能响应、信号物理放大等方面是否优于小分子造影剂。首次进行临床试验的PET成像纳米探针是124I标记硅量子点(NCT01266096),该量子点通过Stöber法制备,PEG连接环状RGDY肽(Arg-Ala-Asp-Tyr)到硅量子点从而靶向肿瘤;然后利用氧化剂对RGDY酪氨酸残基的侧链羟基进行亲电取代从而标记上124I。该核素标记量子点十分稳定,注射后24h监测体内放射剂量,其中仅2.5%的信号来源于游离的核素。

124I的半衰期为4.2d,故注射124I标记硅量子点数天后仍能检测到信号,因此机体有足够的时间清除非特异性信号源从而去除背景信号,以更精确地对特异性富集信号进行成像。注射2×1015个硅纳米粒子到5个转移性黑色素瘤患者中并成功进行转移瘤的PET显像。但发现纳米材料的有效积聚尚存在问题:cRGDY肽靶向使得1.78×1011个硅量子点聚集在肿瘤部位,仅占注射剂量的0.01%;这无法满足少部分肿瘤患者的临床成像要求,还需改善靶向配体或利用更有效的纳米材料转运机制促进硅量子点在肿瘤部位的积聚。

此外,64Cu-MM-302为64Cu标记的HER2靶向载阿霉素的脂质体(NCT01304797),PET显像发现其特异地在HER2阳性转移性乳腺癌聚集,研究发现64Cu-MM-302摄取越高,治疗效果越好。

3.总结与展望

纳米探针从单一功能模态显像到多功能、多模态、智能显像方向多位一体迅速发展。但纳米材料在肿瘤诊疗应用中也存在一些局限性:①由于高通透性长滞留效应在肿瘤中的异质性,纳米材料进入病变部位具有差异性;②生物相容性问题。如果生物相容性、靶向作用和治疗协同性等关键问题得到解决,多功能纳米材料特别是智能诊疗纳米材料会成为精准医疗中越来越重要的一部分。天然纳米材料如吞噬细胞、外泌体、高/低密度脂蛋白,因其生物相容性较好及表面多功能基团丰富,尤其值得关注和研究。

 

发表评论作者:戴五敏,易贺庆,李林法,浙江省肿瘤医院核医学科

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