黃立群,李曙芳,孫 鴿,劉 歡,李建國,安 全,王仲文
(1.中國原子能科學研究院 輻射安全研究所,北京 102413; 2.中國輻射防護研究院 放射醫(yī)學與環(huán)境醫(yī)學研究所,山西 太原 030006)
放射性核素在過去的數(shù)十年成功應(yīng)用于臨床治療,特別是放射性核素靶向治療得到了市場的認可,在癌癥及其他惡性腫瘤的治療上顯示出巨大的潛力[1]。放射性核素治療是利用放射性藥物在組織的特異性富集、分布(含植入介入)或載體(單克隆抗體、多肽等)的靶向特異性結(jié)合于病變部位,依靠其攜帶的放射性核素發(fā)射射線粒子(α、β、二次電子及俄歇電子等)產(chǎn)生的生物學效應(yīng),達到治療或破壞病變組織的目的[2]。核反應(yīng)堆及各類加速器可生產(chǎn)1 000多種放射性核素,但其中只有少部分核素的物理和化學性質(zhì)適于醫(yī)學應(yīng)用。決定放射性核素在臨床應(yīng)用前景的因素包括:衰變類型及能量、半衰期、毒性、生產(chǎn)方式、供應(yīng)、價格、化學配位能力、載體特性等。本文主要對治療用放射性核素的核素特性、生產(chǎn)、供應(yīng)、性質(zhì)及臨床使用等進行簡介,并分析影響治療放射性核素應(yīng)用的主要因素,對部分核素的臨床應(yīng)用前景進行展望,以期為腫瘤核素靶向治療中放射性核素的選擇和應(yīng)用提供參考。
目前,具有在臨床上治療各類疾病潛力的放射性核素約有100多種,包括發(fā)射α粒子、β粒子、俄歇電子及X射線等的核素[3]。按照核素衰變方式通??梢苑譃棣?、β-、EC衰變及γ衰變,發(fā)生α衰變會從原子核射出一個α粒子,α衰變方式主要限于一些比鉛重的核素和一些鑭系元素,β衰變是發(fā)射β粒子(β-或β+,β+常用于PET顯像)或俘獲軌道電子(EC衰變)的過程,γ衰變是核素從激發(fā)態(tài)以γ光子的形式釋放出多余的能量從而回到基態(tài)的過程(IT衰變)。按照作用方式不同通常分為兩類:一類為植入法治療放射性核素,將放射性核素包被植入或局部注射到腫瘤組織內(nèi),從而達到治療或緩解的目的;另一類是通過載體分子(或核素自身特性)使放射性核素在體內(nèi)組織器官中選擇性濃集,利用放射性核素的輻射效應(yīng)來抑制和破壞病變組織(如腫瘤),從而達到治療目的[4]。
放射性核素治療是依靠吸收的輻射劑量殺死疾病組織,快速分裂的細胞對射線極其敏感,因此一些癌癥的生長可以通過射線照射得到控制或消除。體外治療常使用60Co源發(fā)射的γ射線進行照射,體內(nèi)介入治療通過在靶組織攝入或植入電離輻射源(通常是γ或β釋放核素)進行照射。介入治療使用過約150種核素[5],臨床上常用的有192Ir(T1/2=73.8 d)、125I(T1/2=60.1 d)、103Pd(T1/2=17.0 d)等核素,通常是制成籽源或支架等[6],如192Ir籽源用于治療腦癌及乳腺癌,通過導(dǎo)管引入靶區(qū)域,達到適當?shù)膭┝亢?,再將籽源移出,這種短距離放射治療對全身的照射劑量減小,可以更好的靶向腫瘤區(qū)域[7]。
治療α核素性質(zhì)及應(yīng)用列于表1。α粒子釋放核素如213Bi、212Bi、211At、225Ac、223Ra一直是腫瘤靶向治療的研究熱點。由于其射程較短,α粒子在衰變處只能穿透數(shù)個細胞,α核素是治療小體積、均質(zhì)性、轉(zhuǎn)移性癌癥的理想之選,α粒子的細胞毒效應(yīng)不依賴于細胞周期及氧濃度,可用于治療乏氧腫瘤[8]。盡管α核素作為放射性藥物有放化方面的優(yōu)勢,但α治療核素數(shù)量遠少于β治療核素。α核素的使用應(yīng)能使其毒性效應(yīng)限制在高度特定的區(qū)域,同時應(yīng)采取措施防止核素在腫瘤之外的組織中累積。α粒子在軟組織中的穿透力僅有一個細胞的直徑大小,細胞特定分子的靶向優(yōu)勢結(jié)合有效的放射治療將有很好的效果,可以達到有效治療的目的而沒有副作用。如211At釋放的α粒子傳能線密度(linear energy transfer, LET)約為97 keV/μm,是90Y釋放的高能β粒子的400多倍。盡管很早就認識到α核素的基本優(yōu)勢,但受限于供應(yīng)等問題,其在臨床靶向治療中的應(yīng)用研究近些年受到了持續(xù)關(guān)注。
表1 治療α核素性質(zhì)及應(yīng)用Table 1 Applications and features of α emitters for radionuclide therapy
治療β核素性質(zhì)及應(yīng)用列于表2。β-衰變粒子能量分布從零到一個最大值,形成一個連續(xù)能譜,其電離能力比α粒子弱,比γ射線強。β衰變核素如32P、165Dy、67Cu、89Sr、90Y、212Pb、131I、166Ho、177Lu、186Re、188Re是目前臨床試驗和使用最廣的治療放射性核素。目前核醫(yī)學治療應(yīng)用最多的是131I和90Y,177Lu具有很好的前景,正逐步替代90Y標記多肽應(yīng)用于受體靶向治療[9]。提供靶向放射性核素的可行性決定了核素的可用性,目前在用的有90Sr/90Y和188W/188Re核素發(fā)生器。
EC衰變是缺中子核素達到穩(wěn)定狀態(tài)的另一種方式,原子核捕獲核外電子(通常是K層軌道),外層電子向內(nèi)層空缺補充,同時將多余的能量以X射線及俄歇電子的形式釋放出去,EC衰變通過不同于β+衰變的方式達到相似的原子核組成改變。俄歇電子釋放核素有較高的相對生物效能(relative biological effectiveness, RBE),在細胞內(nèi)集聚后,俄歇電子因射程短其俄歇效應(yīng)多產(chǎn)生于細胞內(nèi)。俄歇電子只有產(chǎn)生于細胞內(nèi)(最好是DNA內(nèi)或附近)時才有破壞作用,因此可以假定放射性核素的衰變中只有一部分產(chǎn)生了損傷細胞的俄歇效應(yīng)。值得注意的是產(chǎn)生俄歇效應(yīng)的放射性核素通常用于診斷目的,這些核素大劑量使用時應(yīng)考慮其在細胞內(nèi)的分布及可能的放射毒性。治療俄歇電子釋放核素的性質(zhì)及應(yīng)用列于表3。
表3 治療俄歇電子釋放核素的性質(zhì)及應(yīng)用Table 3 Applications and features of auger emitters for radionuclide therapy
輻射的生物效應(yīng)與LET直接相關(guān),其是單個粒子在單位徑跡的平均能量沉積。高LET輻射如α粒子輻射其單擊即可殺死細胞,而β輻射其殺傷效率則較低。α粒子和β粒子之間簡單的物理差異是質(zhì)量比,大約8 000比1,電荷比只有2倍,衰變的能量約相差10倍,揭示α粒子以非相對論速度行進(約為光速的1/20),而β粒子的速度基本等于光速[10]。α射線穿行速度慢導(dǎo)致其徑跡較電子更短,從而可以產(chǎn)生很高的LET,α射線的LET為80 keV/μm,在其徑跡末端甚至可以達到240 keV/μm,是β射線的400~1 200倍[11]。5.9 MeV和8.4 MeV α粒子的LET分別為80 keV/μm和61 keV/μm,而100 keV和500 keV β粒子的LET分別為0.2 keV/μm和0.5 keV/μm,電離密度累積的劑量對存活曲線具有重要影響。
理論上俄歇電子、α粒子、β粒子在人體組織內(nèi)的穿透距離分別為0.001~1 μm、40~80 μm、0.3~10 mm。單個腫瘤細胞的直徑為15~30 μm,腫瘤結(jié)節(jié)直徑為2 mm~cm級[12]。射程在幾個細胞直徑范圍的α核素是治療單一腫瘤細胞、殘余病灶及微小轉(zhuǎn)移病灶的理想核素,而β核素(其射程根據(jù)能量不同通常介于0.5毫米至幾個毫米間)更適于大的病灶及小的實體瘤,根據(jù)腫瘤大小,選擇合適的β能量,使腫瘤的吸收劑量得到優(yōu)化。β輻射的優(yōu)點在于治療滲透性較差的大塊腫瘤時,治療藥物主要位于腫瘤的表面,此時腫瘤內(nèi)部的細胞可以被腫瘤表面藥物發(fā)射的多向β貫穿射線殺死。當然釋放俄歇電子核素也可用于治療,前提是載體分子必須被靶細胞吸收,放射性核素可以足夠接近靶細胞DNA并使其失活。俄歇電子可以達到α粒子的殺傷效率但僅限于10 nm的范圍,因此其必須直接靶向DNA。
具有臨床應(yīng)用價值的醫(yī)用同位素其物理半衰期不能太短,應(yīng)滿足制備、標記及質(zhì)控等過程的需要,過長的半衰期會產(chǎn)生不必要的暴露風險,患者的長期隔離措施會增加治療成本。另一方面,生物半衰期由使用的載體決定,如果設(shè)計的載體永久留在患者體內(nèi),其物理半衰期不能太長,但應(yīng)確保載體在靶器官有足夠的保留時間,以有效的傳遞放射劑量[13]。根據(jù)核素的來源及制備方式,最佳的半衰期通常在數(shù)小時至數(shù)天[14]。對于治療應(yīng)用,其核素理想的半衰期應(yīng)是放射性藥物在靶器官達到最大吸收所需時間的2~3倍,同時核素半衰期應(yīng)盡可能短,以確保靶細胞受到足夠高劑量率的照射,避免靶細胞成功啟動修復(fù)機制[15]。
如果載體分子在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運時間過長,分子到達靶器官時放射性核素已經(jīng)衰變,會造成健康組織不必要的輻射劑量。如果同樣的載體分子標記了更長半衰期的放射性核素,即使所有的載體分子都將放射性核素轉(zhuǎn)運至靶細胞,其劑量率仍太低,難以達到治療效果。總之,放射性核素的半衰期應(yīng)根據(jù)其載體分子的性質(zhì)進行選擇,選擇治療放射性核素的半衰期與生物分子的藥代動力學相匹配,以實現(xiàn)藥物的快速擴散,靶組織濃集和快速的血清除,達到快速分布,集中釋放的目的,降低或消除對人體的輻射危害。
從核素毒性來看,α衰變核素多為高毒(211At、212Bi、213Bi)或極毒組(225Ac、223Ra):225Ac標記的林妥珠單克隆抗體在治療急性白血病時會導(dǎo)致肝功能異常及骨髓細胞的顯著下降;212Bi-mAb(由212Pb-mAb衰變產(chǎn)生)靶向治療乳腺癌時在細胞內(nèi)溶酶體的作用下,核素會從螯合劑上脫落產(chǎn)生骨毒性效應(yīng)。β衰變核素多為中毒組(177Lu、131I、186Re、89Sr、32P、166Ho、188Re、90Y、212Pb):臨床上給予90Y-DOTA-TOC的患者,當累計活度超過7.4 GBq/m2時會出現(xiàn)腎毒性;同90Y相比,177Lu對腎臟功能的毒性影響更小。俄歇電子釋放核素為中毒(67Ga、111In、125I)或低毒組(99mTc、123I、201TI)[16]:99mTc是目前臨床使用較為廣泛的核素,主要用于顯像,單次診斷使用量一般在200~700 MBq;111In主要引起肝臟、腎臟及脾臟損傷,其臨床用藥劑量安全系數(shù)較大,通常不會對受檢者產(chǎn)生危害。因此,α和β核素的標記物應(yīng)具有較高的靶向特異性,且載體與核素的標記或絡(luò)合能力強,體內(nèi)穩(wěn)定不易脫落,避免對其他組織器官的損傷。如體內(nèi)游離的釔粒子易沉積于骨內(nèi),對骨髓的毒性較大。
醫(yī)用放射性核素的來源包括:核反應(yīng)堆生產(chǎn)、加速器生產(chǎn)及從核燃料后處理廢液中分離純化[17]。其中核反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素是主要途徑(約占醫(yī)用核素的80%,其余由粒子加速器生產(chǎn)[7]),大部分富中子放射性核素利用多用途研究堆生產(chǎn),主要發(fā)生β-衰變,因此特別適于體內(nèi)放射治療;而加速器通常生產(chǎn)缺中子放射性核素,主要發(fā)生EC(electron capture)反應(yīng)或β+衰變,因此適于體內(nèi)診斷研究[6]。兩種核素生產(chǎn)方式互為補充共同滿足核醫(yī)學應(yīng)用。一些短壽命放射性核素,如99mTc、90Y等可利用反應(yīng)堆或加速器產(chǎn)母體核素制成的核素發(fā)生器制備。
核醫(yī)學及放射性藥物行業(yè)面臨的放射性核素全球化供應(yīng)短缺的形勢越來越嚴峻。目前反應(yīng)堆生產(chǎn)的醫(yī)用核素全球供應(yīng)(主要是99Mo/99mTc)依賴于少數(shù)幾個醫(yī)用研究堆(表4),多數(shù)已超期服役,且面臨著維護成本高、廢物處置難、安全風險等一系列問題,向全球供應(yīng)核素的幾個主要的反應(yīng)堆將在2025年前后陸續(xù)關(guān)閉[18]。其中,法國的OSIRIS堆和加拿大國家通用研究堆(NRU)已分別于2015年、2018年末永久性停止生產(chǎn),造成2016年末全球供應(yīng)的99Mo產(chǎn)量減少了大約30%,核素的短缺將一直持續(xù)到2025年以后,臨床99mTc應(yīng)用的價格也將持續(xù)上漲。
表4 生產(chǎn)醫(yī)用核素的主要研究用反應(yīng)堆Table 4 Main research reactors involved in the production of medical radionuclides
我國常用的放射性同位素18F、60Co、89Sr、99Mo、131I、125I、192Ir等的年使用額近10億元,目前國內(nèi)可供應(yīng)放射性核素品種少,來源單一,除60Co和131I外,其他同位素完全依賴進口,放射性核素供應(yīng)是其臨床應(yīng)用的基礎(chǔ),供應(yīng)的短缺限制了研發(fā)和在臨床的應(yīng)用[19]?!吨袊幍洹饭彩珍?0余種放射性藥品,用于治療的藥品主要使用131I、32P、67Ga、125I、201Tl、89Sr等核素,目前正在申報的藥物還使用了188Re、223Ra、90Y等核素[20]。
臨床推廣應(yīng)用的放射性核素應(yīng)易于制備且價格適中,如99mTc其價格適中,制備比較簡單。相反,α核素如225Ac其國際市場的可靠供應(yīng)來自少數(shù)幾個國家的釷基發(fā)生器系統(tǒng),年產(chǎn)量小于2 Ci,其極少的供應(yīng)及昂貴的價格難以支撐大規(guī)模的臨床研究和應(yīng)用[21]。通常富中子核素主要由反應(yīng)堆通過中子捕獲反應(yīng)或裂變產(chǎn)物制備,因此價格通常比加速器生產(chǎn)的放射性核素便宜。
為緩解對反應(yīng)堆生產(chǎn)方式的過度依賴,人們嘗試通過各種加速器(直線加速器、回旋加速器)制備99mTc并成功應(yīng)用于臨床,其成本甚至可以控制在1 加拿大元/mCi,但產(chǎn)量僅限于區(qū)域供應(yīng)[22-23]。同時基于回旋加速器生產(chǎn)99mTc需要高能回旋加速器,使用生產(chǎn)正電子藥物的醫(yī)用回旋加速器不能制備,從經(jīng)濟上考慮采用回旋加速器規(guī)?;a(chǎn)99mTc并不可行,因此加速器制備方式在短期內(nèi)仍無法完全替代反應(yīng)堆生產(chǎn)核素供應(yīng)鏈,只能作為反應(yīng)堆生產(chǎn)核素的補充[24-25]。
核素發(fā)生器系統(tǒng)是醫(yī)院使用放射性核素的理想來源,通常是通過長半衰期母體核素衰變得到短半衰期的子體核素用于臨床,是一種重要的現(xiàn)場核素制備方法,具有制備簡單、轉(zhuǎn)運方便,成本低的特點[18]。目前臨床應(yīng)用較多的治療核素發(fā)生器分別是制備β-核素的188W/188Re、90Sr/90Y發(fā)生器和制備α核素的225Ac/213Bi、227Ac/223Ra發(fā)生器。其他具有開發(fā)前景及臨床應(yīng)用潛力的核素發(fā)生器系統(tǒng)有166Dy/166Ho(β-)、194Os/194Ir(β-)、212Pb/212Bi(β-)、226Ra/222Rn(α)[26]。
從全球范圍來看,一款放射性治療藥物的開發(fā)成本平均在3~9千萬歐元,開發(fā)周期約為7~12年。盡管如此,放射性核素仍有很好的臨床治療應(yīng)用前景??陀^上不存在各種性能完全理想的放射性核素,在治療核素的選取方面,根據(jù)不同治療目的、腫瘤類型、不同器官與組織,甚至不同分期的腫瘤選擇合適的治療核素。根據(jù)Zimmermann的預(yù)測,未來十年上市的治療放射性藥物將基于131I、90Y、177Lu、188Re或212Pb,開展64Cu、67Cu、177mSn、211At或166Ho的治療應(yīng)用研究也可行但風險較高[27]。部分核素的臨床應(yīng)用及研究情況如下。
131I是目前臨床上廣泛使用的治療放射性核素之一,其物理半衰期為8.04 d,釋放的β射線能量適中且射程較短,臨床上主要用于甲狀腺功能亢進和分化型甲狀腺癌術(shù)后的治療[28-29]。同時其標記簡單,標志物穩(wěn)定性良好,是比較理想的用于放射免疫治療的放射性核素,如131I標記的單克隆抗體介導(dǎo)肝癌的放射免疫治療[30]。131I治療應(yīng)用的最大缺點是輻射誘導(dǎo)的骨髓抑制及較低的腫瘤/非靶器官比率,而211At沒有這些缺點,是更好的替代選擇[7]。
90Y半衰期為2.7 d,是純β-射線釋放核素,常制成凝膠或玻璃微球用于關(guān)節(jié)及管腔的治療,還可用于轉(zhuǎn)移性神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤基于多肽受體的靶向治療[31]。與177Lu相比,90Y更適合于大體積腫瘤的治療,而177Lu適合較小體積腫瘤的治療,177Lu的急性旁效應(yīng)更顯著,90Y的亞急性及長期毒性效應(yīng)更顯著[32]。90Y最大的不足是游離的釔粒子易沉積于骨內(nèi),對骨髓的毒性較大。
177Lu釋放的中能β-粒子在軟組織中的射程為670 μm,是向微小轉(zhuǎn)移病灶遞送能量的理想核素,根據(jù)其釋放的低能γ光子可以顯像放射性標記治療藥物的生物分布和清除動力學,并在治療前或治療過程中進行劑量的估計。177Lu的氧化態(tài)只有+3價,適宜多肽和蛋白質(zhì)的標記。177Lu半衰期較長,能滿足更復(fù)雜的標記、純化、質(zhì)控等程序需要,適合于靶向動力學較慢的抗體藥物的放射性標記;同時長半衰期為其轉(zhuǎn)運和異地分發(fā)使用提供了可能性,臨床使用的成本-收益較高。目前符合藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(good manufacturing practices,GMP)級177Lu的供應(yīng)僅美國、加拿大及德國的幾家公司擁有,活度一般在20~80 Ci/mg[33]。
188Re的半衰期為16.9 h,發(fā)射純β射線。錸的化學性質(zhì)與锝相似,可以與很多配體絡(luò)合制成治療藥物,高純度的188Re通過188W-188Re發(fā)生器制備,其來源方便,是臨床上治療骨轉(zhuǎn)移瘤的理想核素。
依據(jù)核素衰變特性在所有釋放α粒子的放射性核素中,211At是最有希望用于腫瘤靶向治療的核素之一。其半衰期為7.2 h,衰變釋放的α粒子在水及軟組織中的射程小于70 μm,LET為100~130 keV/μm,是重離子的最大RBE。影響其在臨床應(yīng)用的主要因素是供應(yīng)不足,目前只有少數(shù)幾個擁有高能回旋加速器的研究機構(gòu)可以生產(chǎn)[34]。
67Cu是低能β及γ射線釋放核素,半衰期為2.58 d,適合于單克隆抗體等藥代動力學緩慢的分子標記,是理想的診斷治療雙功能核素。應(yīng)用反應(yīng)堆及加速器都可以生產(chǎn)67Cu,目前的供應(yīng)短缺主要是因為缺乏生產(chǎn)高能質(zhì)子的回旋加速器,在臨床的應(yīng)用還存在比活度低和價格昂貴等問題。67Cu核素可以與各種大環(huán)化合物(DOTA、TETA、CPTA等)及籠形螯合劑螯合,但其腫瘤背景率較低,銅離子轉(zhuǎn)螯合后易在肝臟中積累[35]。
166Ho是高能β-釋放核素,同時釋放可用于SPECT顯像的γ射線。天然Ho通常合成微球后用中子激活,從而生成166Ho標記的微球,166Ho標記的微球被認為優(yōu)于90Y標記的玻璃或樹脂微球,因為166Ho的生產(chǎn)成本更低,SPECT顯像可以監(jiān)測病程,而且Ho是高度順磁性物質(zhì)可用于MRI顯像。
理論上具有潛在治療價值的放射性核素種類比較豐富,尤其鑭系元素。目前體內(nèi)放射性核素治療的重點已經(jīng)轉(zhuǎn)向低射程高電離的放射性核素衰變,包括低能β-、α、俄歇電子及轉(zhuǎn)換電子釋放核素。部分核素的應(yīng)用已經(jīng)考慮了很長時間,但直到近幾年核素的生產(chǎn)方法才獲得一些進展,使其在臨床的應(yīng)用得到不斷關(guān)注[6]。
加拿大原子能公司(CNL)在停止NRU的核素生產(chǎn)后,已將研究方向轉(zhuǎn)向α核素的生產(chǎn)和靶向治療應(yīng)用,并致力于建成α核素治療與應(yīng)用的全球性研究中心。α核素有高LET的優(yōu)勢,可以在靶細胞局部集中釋放能量從而達到治療目的,但是具有臨床應(yīng)用價值的α核素半衰期都非常短,因此提出了體內(nèi)發(fā)生器的概念,即使用長半衰期α核素如225Ac(T1/2=10 d)或227Th(T1/2=18.7 h)衰變成一系列短半衰期α子體核素。該方法的關(guān)鍵取決于能否找到穩(wěn)定結(jié)合核素的螯合基團并一步步地控制其子體位置,因為載體的反沖效應(yīng)可能使核素從螯合劑上丟失[36]。所有α粒子釋放的時間間隔越短,核素實現(xiàn)位置可控的可能性越高,顯然這樣的目標只有226Th(T1/2=30.6 min)能實現(xiàn)[15]。
放射性核素治療的理想情況是利用同一放射性核素(或核素對)對患者既進行診斷又進行治療,在得到藥物分布、劑量信息的同時進行治療,并對治療劑量進行評估。目前可供選擇的診斷治療雙功能放射性核素有47Sc、67Cu、67Ga、117mSn、123I、131I、153Sm、177Lu、211At、213Bi,核素對有47Sc/44Sc、67Cu/64Cu、67Ga/68Ga、89Sr/83Sr、131I/124I、161Tb/152Tb,這是核素治療發(fā)展的一個新動向[37]。
隨著核醫(yī)學的大力發(fā)展,放射性核素的生產(chǎn)將越來越依賴于研究堆及能量達到30 MeV的小型和中型回旋加速器,要生產(chǎn)一些新型放射性核素還需要建立中等能量(約100 MeV)、高通量的質(zhì)子加速器[6]。核醫(yī)學的未來在于個性化醫(yī)療,依據(jù)每個患者的病情選擇合適的放射性核素和載體[38]。在當下及可預(yù)見的未來,利用放射性核素釋放的電離輻射殺死腫瘤細胞都將是最有希望治療癌癥的方法之一。