放射性核素標(biāo)記多功能納米探針及其在PET顯像中的研究進(jìn)展

戴五敏，易賀慶，李林法

浙江省腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，浙江杭州 310022；*通訊作者 李林法 pet-ct001@163.com

分子影像學(xué)是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的三大支撐技術(shù)之一，其借助分子探針，運(yùn)用影像設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測活體細(xì)胞、組織乃至整個(gè)機(jī)體在細(xì)胞或分子水平發(fā)生的生理、生化事件[1]。目前常用的分子影像探針包括常規(guī)的非特異性造影劑、帶有特異分子配體的分子探針及納米探針。納米探針主要包括磁性納米探針、光學(xué)納米探針、放射性核素標(biāo)記納米探針、聲學(xué)納米探針、多模態(tài)納米探針和診療一體化納米探針等[2]。由于PET的高靈敏度、精確的空間定量能力及其在診斷和監(jiān)測疾病變化中的重要作用，放射性核素標(biāo)記納米探針迅速成為近年的研究熱點(diǎn)。本文擬以放射性核素標(biāo)記納米材料的策略為起點(diǎn)，介紹近年分子影像領(lǐng)域出現(xiàn)并用于臨床研究的多功能納米探針。

1 放射性核素標(biāo)記納米材料的策略

放射性核素標(biāo)記的納米探針主要包括放射性核素和納米材料兩部分，幾乎所有的納米材料均能進(jìn)行放射性核素標(biāo)記。制備放射性核素標(biāo)記的納米探針需要考慮兩個(gè)方面：①放射性核素的選擇，主要依據(jù)放射性核素的物理特征如放射性核素的成像特點(diǎn)、半衰期等做出選擇；②如何將放射性核素標(biāo)記到納米材料上。放射性核素標(biāo)記納米材料的方法可能影響其體內(nèi)分布，因此標(biāo)記方法必須安全、迅速、有效。目前主要標(biāo)記方法包括：①螯合：放射性金屬離子通過配位化學(xué)與螯合劑進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)；②質(zhì)子束/中子束直接轟擊納米粒子；③利用放射性和非放射性材料直接合成放射性納米粒子；④納米粒子合成后無需螯合劑的放射標(biāo)記[3]。

1.1 螯合 以往納米粒子一般通過螯合方法進(jìn)行放射性核素標(biāo)記[4]。采用螯合方法進(jìn)行放射性核素標(biāo)記需要著重考慮放射標(biāo)記的穩(wěn)定性。如果放射性同位素從納米粒子上脫落，可與內(nèi)源性蛋白反式螯合，導(dǎo)致對(duì)探針信號(hào)分布的錯(cuò)誤解讀[5]。商業(yè)化的1，4，7，10-四氮雜環(huán)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，但由于空間位阻導(dǎo)致放射標(biāo)記穩(wěn)定性較差。因此，研究者合成了更靈活的雙功能連接器1，4，7，10-四氮雜環(huán)十二烷-1，4，7-三乙酸（1，4，7，10-tetraazacyclododecane-1，4，7-triacetic acid，DO3A）替代DOTA以提高放射標(biāo)記的穩(wěn)定性；邢巖等[4]研發(fā)了比DOTA更小的1，4，7-三氮雜環(huán)十二烷-1，4，7-三乙酸（1，4，7-triazacyclononane-1，4，7-triacetic acid，NOTA）螯合64Cu，并用整合素結(jié)合肽cRGD靶向新生血管和腫瘤細(xì)胞。盡管如此，螯合方法依然存在諸多問題，如螯合劑可能影響納米粒子體內(nèi)的藥代動(dòng)力學(xué)、化學(xué)合成費(fèi)用高但效率低、有時(shí)標(biāo)記穩(wěn)定性較差。因此，內(nèi)在放射標(biāo)記納米粒子的方法應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 質(zhì)子束/中子束直接轟擊納米粒子 該方法利用質(zhì)子和中子束轟擊非放射性納米材料產(chǎn)生放射性納米材料。質(zhì)子束或中子束轟擊非放射性納米材料通過16O（p，α）13N、18O（p，n）13N、165Ho（n，γ）166Ho核反應(yīng)產(chǎn)生放射性核素標(biāo)記納米材料[6]。這種方法具有一定的價(jià)值：①無需合成步驟，能夠迅速產(chǎn)生半衰期非常短的放射性核素標(biāo)記納米材料，并進(jìn)行體內(nèi)成像；②可根據(jù)需要迅速激活；③放射性原子包被在納米粒子中，其產(chǎn)生的信號(hào)真實(shí)反映了納米粒子的分布。但由于轟擊導(dǎo)致納米粒子結(jié)構(gòu)破壞或納米粒子表面生物活性分子受到影響，在某些情況下使得此法獲得的納米粒子不適用于體內(nèi)成像。

1.3 利用放射性和非放射性材料直接合成放射性納米粒子 最直接和廣泛應(yīng)用的方法是添加微量放射性前體材料到非放射性材料中產(chǎn)生高穩(wěn)定性的放射性標(biāo)記納米材料。在PET顯像中，這種類型的放射標(biāo)記方法常用于64Cu標(biāo)記。在Na2S存在的條件下，放射性鹽化合物如64CuCl2和非放射性鹽化合物如CuCl2通過加熱產(chǎn)生[64Cu]CuS納米粒子[7]。類似條件和方法可產(chǎn)生65Zn、68Ga、109Cd、111Zn、141Ce、153Sm、198Au放射標(biāo)記納米探針。此外，某些與金屬離子具有高度 親和力的有機(jī)分子也能作為非放射性材料與放射性金屬離子自組裝產(chǎn)生內(nèi)在固有放射性標(biāo)記。如在酸性環(huán)境下簡單地混合64Cu2+與轉(zhuǎn)鐵蛋白的輕鏈和重鏈，然后將pH調(diào)回7.4，形成64Cu2+標(biāo)記的轉(zhuǎn)鐵蛋白納米籠[8]。納米粒子內(nèi)二價(jià)陽離子結(jié)合位點(diǎn)阻止64Cu2+逃離，轉(zhuǎn)鐵蛋白納米籠也能阻止血清等“外來侵襲物質(zhì)”接近64Cu2+。但64Cu還原電位較低，因此64Cu標(biāo)記產(chǎn)生放射性標(biāo)記納米材料通常需要高溫和長時(shí)間的孵育，在一定程度上增加了放射污染的風(fēng)險(xiǎn)。其他用于直接合成納米粒子的核素111In和109Cd也面臨著嚴(yán)苛的合成條件這一問題[9-10]。

1.4 納米粒子合成后無需螯合劑的核素標(biāo)記 該方法利用特定放射性核素和納米粒子之間特異的物理或化學(xué)相互作用，整合放射性核素到已經(jīng)制備好的納米粒子內(nèi)。放射性核素?zé)o法進(jìn)行絡(luò)合化學(xué)反應(yīng)時(shí)，該方法顯得尤為重要。如*As（Ⅲ）或*As（V）很難通過絡(luò)合化學(xué)反應(yīng)標(biāo)記納米載體，但由于*As與Fe3O4表面的特異親和力可容易形成*As標(biāo)記的超順磁性氧化鐵納米探針（super paramagnetic iron oxide nanoparticle，SPION），用于PET/MRI[11]。使用相同的策略，69Ge、68Ga、90Y、111In、89Zr、18F、11C以及64Cu也成功用于標(biāo)記納米粒子[12-16]。納米粒子合成后無需螯合劑的放射標(biāo)記策略具有快速、特異性高、溫和條件下標(biāo)記率高等優(yōu)點(diǎn)，但目前這種方法僅成功應(yīng)用于有限的放射性核素和納米粒子組合中。

2 放射性核素標(biāo)記的多功能納米材料及其臨床應(yīng)用研究

放射性核素標(biāo)記納米材料已從以往的單一功能向多功能發(fā)展。多功能納米材料包括多模態(tài)成像納米材料和診療一體化納米材料。

2.1 多模態(tài)成像納米材料 多模態(tài)成像結(jié)合，發(fā)揮優(yōu)勢互補(bǔ)，可解決單一技術(shù)和顯像模態(tài)的缺陷，是分子影像學(xué)未來的發(fā)展方向。設(shè)計(jì)多模態(tài)納米材料需要考慮影像模態(tài)的特征以及2種或幾種成像模態(tài)是否優(yōu)勢互補(bǔ)，以提高診斷精確度和準(zhǔn)確度。如PET的高敏感性和低分辨率能通過MRI的高空間分辨率、低敏感性和精確的軟組織造影很好地得以補(bǔ)償。PET/MRI雙模態(tài)顯像的優(yōu)勢為避免CT輻射的同時(shí)極大地提高了影像信息的獲得量。PET還能與近紅外熒光成像（nearinfrared fluorescence，NIRF）進(jìn)行雙模態(tài)顯像，甚至PET/NIRF/MRI三模態(tài)顯像[17]。最常見的多模態(tài)成像納米材料的結(jié)構(gòu)為：納米材料核心為單一模態(tài)的顯像造影劑，其外包被材料附加有可進(jìn)行其他模態(tài)顯像的 分子。如68Ga-AGuIX@NODAGA是聚硅氧烷制備成NODAGA后螯合68Ga標(biāo)記的超剛性納米粒子，Bouziotis等[18]報(bào)道在U87MG膠質(zhì)母細(xì)胞瘤移植瘤小鼠中用其作為成像探針，可同時(shí)進(jìn)行PET和MRI，以指導(dǎo)放射治療。此外，還存在本身就具多模態(tài)屬性的納米材料，如碳納米管和金納米材料，而且其本身的多模態(tài)成像屬性不影響加入的其他造影劑屬性，從而可兼具加入造影劑的成像模態(tài)。因它們化學(xué)構(gòu)造相對(duì)簡單而極具臨床應(yīng)用價(jià)值，但種類相對(duì)較少。

2.2 診療一體化納米材料 診療一體化納米材料不但具有成像診斷功能，還融合有治療功能，其治療方式為：①簡單地遞送藥物；②具有吸收外部能量的作用，以熱的形式擴(kuò)散到附近細(xì)胞并摧毀之；③遞送光動(dòng)力治療或其他刺激響應(yīng)藥物。在確診的腫瘤患者中，診療一體化納米材料用于疾病分期、療效評(píng)估、影像指導(dǎo)藥物遞送以及影像監(jiān)測藥物釋放。Li等[19]報(bào)道了卟啉/膽酸構(gòu)建的治療診斷一體化納米平臺(tái)，能同時(shí)進(jìn)行NIR、MRI和PET三模態(tài)成像以及熱治療、光動(dòng)力治療和智能程序性控釋藥物。其他材料如脂質(zhì)納米材料、多聚物納米材料、硅納米材料以及天然納米材料（外泌體、高/低密度脂蛋白和病毒衣殼蛋白）、碳納米管、足球烯、石墨烯等在多模態(tài)成像和治療診斷中也具有很好的應(yīng)用前景[20]。

盡管目前制備多功能納米材料還極具挑戰(zhàn)性，但智能診療納米材料將在腫瘤診斷和治療中發(fā)揮重要作用。刺激響應(yīng)型智能診療納米材料是利用物理刺激或腫瘤特異微環(huán)境如pH、光、壓力、酶、磁場、溫度、超聲、mRNA、谷胱甘肽、低氧或弱酸等控制藥物釋放而實(shí)現(xiàn)智能控制[21]。Wang等[22]報(bào)道由pH（pH≤6.2）響應(yīng)的雙嵌段共聚物（pH-responsive diblock copolymer，PDPA）、含釓光敏劑Ce6以及阿霉素前體藥物組成的納米微團(tuán)，具有熒光成像（fluorescence imaging，F(xiàn)LI）、MRI和光聲成像（photoacoustic imaging，PAI）的多模態(tài)成像功能和光動(dòng)力療法（photodynamic therapy，PDT）、光熱療法（photothermal therapy，PTT）以及化療等聯(lián)合治療功能，提示未來智能納米材料將包含多重作用，如靶向給藥、持續(xù)緩控釋、智能刺激響應(yīng)控制釋放、多藥聯(lián)合或藥物和熱/放射/其他治療協(xié)同治療以及多模態(tài)診斷能力[23]。

2.3 多功能納米材料的臨床應(yīng)用 必須有充分的理由才可以推動(dòng)納米材料進(jìn)入臨床試驗(yàn)，如納米材料是否比小分子造影劑更有效、費(fèi)用更低；此外，應(yīng)考慮納米材料在智能響應(yīng)、信號(hào)物理放大等方面是否優(yōu)于小分子造影劑。首次進(jìn)行臨床試驗(yàn)的PET成像納米探針是124I標(biāo)記硅量子點(diǎn)（NCT01266096）[24]，該量子點(diǎn)通過St?ber法制備，PEG連接環(huán)狀RGDY肽（Arg-Ala-Asp-Tyr）到硅量子點(diǎn)從而靶向腫瘤；然后利用氧化劑對(duì)RGDY酪氨酸殘基的側(cè)鏈羥基進(jìn)行親電取代從而標(biāo)記上124I。該核素標(biāo)記量子點(diǎn)十分穩(wěn)定，注射后24 h監(jiān)測體內(nèi)放射劑量，其中僅2.5%的信號(hào)來源于游離的核素。124I的半衰期為4.2 d，故注射124I標(biāo)記硅量子點(diǎn)數(shù)天后仍能檢測到信號(hào)，因此機(jī)體有足夠的時(shí)間清除非特異性信號(hào)源從而去除背景信號(hào)，以更精確地對(duì)特異性富集信號(hào)進(jìn)行成像。注射2×1015個(gè)硅納米粒子到5個(gè)轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者中并成功進(jìn)行轉(zhuǎn)移瘤的PET顯像。但發(fā)現(xiàn)納米材料的有效積聚尚存在問題：cRGDY肽靶向使得1.78×1011個(gè)硅量子點(diǎn)聚集在腫瘤部位，僅占注射劑量的0.01%；這無法滿足少部分腫瘤患者的臨床成像要求，還需改善靶向配體或利用更有效的納米材料轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制促進(jìn)硅量子點(diǎn)在腫瘤部位的積聚。此外，64Cu-MM-302為64Cu標(biāo)記的HER2靶向載阿霉素的脂質(zhì)體（NCT01304797），PET顯像發(fā)現(xiàn)其特異地在HER2陽性轉(zhuǎn)移性乳腺癌聚集，研究發(fā)現(xiàn)64Cu-MM-302攝取越高，治療效果越好[25]。

3 總結(jié)與展望

納米探針從單一功能模態(tài)顯像到多功能、多模態(tài)、智能顯像方向多位一體迅速發(fā)展[26]。但納米材料在腫瘤診療應(yīng)用中也存在一些局限性：①由于高通透性長滯留效應(yīng)在腫瘤中的異質(zhì)性，納米材料進(jìn)入病變部位具有差異性；②生物相容性問題[27]。如果生物相容性、靶向作用和治療協(xié)同性等關(guān)鍵問題得到解決，多功能納米材料特別是智能診療納米材料會(huì)成為精準(zhǔn)醫(yī)療中越來越重要的一部分。天然納米材料如吞噬細(xì)胞、外泌體、高/低密度脂蛋白，因其生物相容性較好及表面多功能基團(tuán)豐富，尤其值得關(guān)注和研究。