納米載體的放射性核素標記方法研究進展

安杰 李亞淵 武志芳 李思進

山西醫(yī)科大學第一醫(yī)院核醫(yī)學科，分子影像精準診療省部共建協同創(chuàng)新中心，太原 030001

納米載體具有獨特的物理、化學和生物特性，為克服癌癥成像、診斷和治療領域的困難提供了有效途徑。核素標記的納米載體用于活體示蹤、核素治療及預后監(jiān)測等已成為放射化學和核醫(yī)學領域中的研究趨勢[1-2]。納米載體與放射性核素的結合在改善當前的癌癥核素診斷和治療方面具有巨大潛力[3-4]。然而，放射性核素與納米載體之間的相互作用、載體表面化學修飾水平等會影響納米載體的藥代動力學和藥效學特性。因此，每一種放射性標記方法都需要仔細處理多種因素的影響，這些苛刻的要求促使研究人員為納米載體的放射性標記不斷開發(fā)不同的創(chuàng)新解決方案。根據標記過程中是否使用螯合劑將標記策略分為有螯合劑和無螯合劑兩大類。（1）有螯合劑：使用螯合劑通過配位標記放射性核素，有直接標記和預標記兩種方法。（2）無螯合劑：簡單有效的無螯合劑標記方法能夠保持納米材料本身的特性并減少反應步驟，目前常用的策略有吸附法、摻雜法、中子質子激活法、標記佐劑法等。筆者旨在綜述現有放射性核素標記納米載體的不同策略的研究進展。

1 有螯合劑的標記策略

放射性核素通過螯合劑負載是迄今為止最廣泛的經典放射標記策略。螯合劑可以通過兩個或多個鍵結合放射性金屬離子（如64Cu、99Tcm、89Zr、177Lu 等），從而產生高度放射化學穩(wěn)定的金屬配合物[5]。經典的放射標記方法是將放射性核素由線性配體或大環(huán)螯合物[如DTPA、去鐵胺（DFO）或1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四羧酸（1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid，DOTA）]等直接附著于載體，如抗體、多肽、高分子聚合物[6-7]。但采用此種方式通常需要高溫（例如DOTA 通常高于80℃）和優(yōu)化的pH 值，這可能會對蛋白或者高分子聚合物等熱敏性納米載體造成損壞[8]。因此，對于熱敏性納米載體通常使用含有官能團的雙功能螯合劑進行后絡合。在使用雙功能螯合劑標記放射性核素時，需要考慮納米載體的表面功能化和螯合劑的選擇。一般納米載體表面易修飾一種或者多種化學官能團（-NH2、-COOH、-SH 等），繼而實現與雙功能螯合劑通過酰胺鍵、二硫鍵等化學鍵偶聯[9]。另外，放射性核素需與螯合劑形成穩(wěn)定的配位化合物以確保放射化學穩(wěn)定性，從而減少核素在體內復雜體液環(huán)境中的脫落，避免某些臟器持續(xù)吸收分離的放射性核素（例如骨對223Ra、89Zr 等核素的特異性吸收）。

1.1 直接標記

直接標記是通過利用納米載體表面活性基團或者在其表面修飾官能團涂層后標記放射性核素[10-14]。納米載體表面活性基團如硫辛酸-聚乙二醇-DOTA、巰基功能化的1,4,7-三氮雜環(huán)壬烷-1-戊二酸-4,7-乙酸（1,4,7-triazacyclononane-1-glutaric acid-4,7-acetic acid，NODAGA）等雙功能螯合劑可以通過高度穩(wěn)定的Au-S鍵直接連接到金納米顆粒表面，便于放射性核素的標記[10-11]。Zhang 等[12]將DOTA-COOH和焦脫鎂葉綠酸通過酰胺化反應與乙二醇殼聚糖基納米顆粒表面的-NH2偶聯，成功標記了99Tcm和177Lu，標記率約為99%，并在血清中48 h 后仍保持穩(wěn)定。Zhang 等[13]利用雙功能螯合劑DOTA-COOH 與α 黑素細胞刺激素環(huán)肽類似物-NH2的偶聯，成功將放射性核素177Lu 標記在α 黑素細胞刺激素和聚乙二醇修飾的超小二氧化硅上，該產物用于靶向黑色素腫瘤的核素治療，可顯著抑制黑色素腫瘤的生長；但從該探針體內分布結果中可以看到肝臟、脾臟、腎臟均有較高劑量的吸收，對正常組織存在潛在的損傷風險。

1.2 預標記

與直接標記相比，預標記分為兩步。首先，使用攜帶標簽的載體在體內病灶區(qū)聚集，然后注射用于快速清除和識別載體標簽的放射標記劑。因此，預標記避免了使用長壽命放射性核素，降低了放射性核素對正常組織的損傷，減少了螯合劑對納米載體的影響，并提高了病灶成像的信噪比[14]。目前常用的方式是通過生物正交反應形成共價鍵：Diels-A lder環(huán)加成反應和疊氮化物-炔環(huán)加成反應。Stéen 等[15]首先將反式環(huán)辛烯（trans-cyclooctene，TCO）功能化的生物可降解多肽-接枝多肽類聚合物經尾靜脈注射入小鼠體內，然后注射通過雙功能螯合劑DOTA-Tz 制備標記了111In 的生物顯像劑（111In-Tetrazine），在體內通過111In-Tetrazine與TCO快速生物正交反應，實現了在體核素標記用于腫瘤靶向成像。經過實驗優(yōu)化，注射111In-Tetrazine 2 h 后就獲得了較高的腫瘤/背景比，遠少于單獨標記核素聚合物顯像所需時間，在22 h 后信噪比進一步改善。Man 等[16]先將二芐基環(huán)辛（DBCO）功能化抗CD20 抗體腫瘤靶向非霍奇金淋巴瘤，后注射疊氮和90Y 雙功能化樹突狀分子（通過酰胺鍵偶聯DOTA 標記90Y），從而增強了抗腫瘤效果，該實驗結果證實了優(yōu)化的雙功能化樹突狀分子能在生理條件下與DBCO功能化α-CD20進行快速的促進疊氮-炔環(huán)加成反應。放射性核素預標記方法改善了現有納米載體存在藥代動力學緩慢，易于在肝、脾等臟器聚集導致成像對比度低和對健康組織的高輻射劑量等問題，促進了其在臨床中的廣泛應用。

綜上所述，通過對納米材料表面化學進行功能化修飾，可用于螯合劑標記放射性核素，且操作相對容易。同時，雙功能螯合劑標記能夠在納米載體合成的最后一步進行，減少了操作人員的射線暴露。然而，并不是所有的放射性核素都適合使用螯合劑，如α 核素（225Ac、227Th、223Ra和211At），其衰變產生放射性同位素的子體難以與載體有效結合，且缺乏適當的雙功能螯合劑[17]。此外，螯合劑的加入可能導致納米材料理化性質的變化，并且載體功能團的解離也會造成放射性核素的脫落，這可能造成載體藥代動力學和生物分布的改變，從而影響體內成像結果及治療效果。因此，需要了解每一種放射性核素特定的配位化學并選擇最佳的螯合劑標記方式以達到足夠的體內穩(wěn)定性。

2無螯合劑的標記策略

有螯合劑的放射性標記策略通常需要引入功能團或螯合物，可能對納米載體的藥代動力學和毒性特性產生不利影響。而無螯合劑的標記策略是將放射性核素直接標記于納米材料的核心或表面，利用納米載體固有的物理化學性質來進行更直接、更省時、更有效的放射性標記，避免了對螯合劑的需求，能準確地反映納米顆粒與生物體的相互作用。具體方法如下。

2.1 吸附法

吸附法是放射性標記納米載體中最常用和最直接的方法，可分為化學吸附和物理吸附?；瘜W吸附是利用納米載體自身的親和性及其表面的-SH、-OH 等功能化學基團與核素相互作用，從而實現放射性核素標記。Chen 等[18]首先提出利用四氧化三鐵表面對砷離子的高親和力，開發(fā)了一種76/77As標記的四氧化三鐵，用于PET/MRI 成像。另外，Ni等[19]發(fā)現SiO2固有的路易斯堿特性可以與親氧離子89Zr、68Ga、64Cu、90Y、111In 和177Lu 等核素相結合，標記效率隨著標記溫度和時間的延長而增高，但對64Cu 的結合能力相對較弱。Shaffer 等[20]通過在二氧化硅表面修飾-SH（sulfur-SNP）以提高其對64Cu 的吸附能力，實驗結果顯示，sulfur-SNP 的64Cu 的標記率（94.15%）顯著高于未修飾-SH的二氧化硅（SNP）的標記率（74.4%）；在乙二胺四乙酸（ethylene diam ine tetraacetic acid，EDTA）和血清溶液中存放24 h 后的sulfur-SNP的穩(wěn)定性>90%；在經過10個64Cu的半衰期后，電鏡結果顯示二氧化硅的形貌、完整性和粒徑均未發(fā)生改變。Shi 等[21]在另一項研究中發(fā)現還原氧化石墨烯中的π-π 鍵可以與64Cu 相互作用，不需要螯合劑就能實現放射性核素的標記，并在體內表現出良好的放射穩(wěn)定性；該研究結果還顯示，采用螯合劑標記64Cu 時，2,2',2''-（1,4,7-三氮雜環(huán)壬烷-1,4,7-三基）三乙酸（NOTA）和氧化石墨烯之間的非特異性相互作用會導致其在體內出現成像偏差。此外，Chao等[22]制備了一種聚乙二醇修飾的二硫化鎢納米薄片（PEG-WS2），通過利用188ReIV離子與硫原子鍵結合的方式將聚乙二醇錨定在二硫化鎢表面的鎢缺陷位點，簡單混合即可得到放射性標記產率為95%的載體；在188Re標記后，二硫化鎢納米薄片粒徑和電位均未發(fā)生改變，即使在標準穩(wěn)定性試驗時，188Re仍然與粒子緊密結合?？偟膩碚f，通過化學吸附進行放射性標記的方法通常不會破壞納米顆粒的物理和生化特性，但需要放射性核素與納米載體表面化學相匹配才能發(fā)生特異性和穩(wěn)定的結合。簡單、快速、高效的化學吸附標記方法在生物醫(yī)學的應用上具有重大意義。

物理吸附是利用靜電吸附或范德華力與分子表面相互作用和結合，從而吸附某些放射性核素。物理吸附的主要特征是在放射性核素和納米載體表面之間不形成離散的共價鍵或配位共價鍵。Ognjanovi?等[23]用聚丙烯酸修飾的氧化鐵納米顆粒表面帶負電的羧基與帶正電的放射性核素混合，得到了分別標記177Lu 和90Y 的多功能納米載體，且標記率均＞97%；但該實驗未進一步觀察其在不同pH溶液及其在體內放射性標記的穩(wěn)定性。通過修飾納米載體表面容易形成一個負的ζ-電位，使得其能夠與帶正電的金屬陽離子在表面形成一個緊密的離子對，從而被靜電捕獲。然而，這種靜電吸附方式容易被體內復雜的體液環(huán)境所破壞，其在體內穩(wěn)定性的考察是必要的。納米載體的表面電位還影響其在體內的吸收、分布、代謝、排泄和毒理學特性。迄今為止，通過物理吸附過程對納米載體進行放射性標記的報道相對較少。因此，在采用物理吸附標記法時必須認真考慮放射性核素與納米材料表面之間相互作用的強度，以避免放射性化學不穩(wěn)定造成的核素脫落。

2.2 摻雜法

摻雜法一般是指在無機納米載體合成過程中加入放射性核素。為了確保納米載體結構的穩(wěn)定，標記核素應與反應物具有相同的電荷或相似的化學性質。通過摻雜法已合成了64Cu、65Zn、68Ga、109Cd、111In、153Sm、198Au 等放射性核素摻雜的納米載體[24]。其中64Cu 是一種適合于這種標記策略的典型放射性核素。Wang 等[25]通過在CuCl2與Na2S高溫反應體系中摻入64Cu，制備獲得了具有較高放射穩(wěn)定性的64CuS納米顆粒。一些研究者[26-28]將64CuCl2、氯金酸和乙酰丙酮銅置于油胺中，通過高溫反應生成了64CuAuNCs 納米顆粒。另外，Zhang 等[29]在室溫下通過在64CuCl2和PEG 混合溶液中加入硼氫化鈉后快速攪拌，成功合成了超小納米銅載體（64Cu-Cu@CuOx）。還有研究人員通過微波加熱水解64CuCl2、FeCl2和FeCl3混合溶液合成了64Cu-Fe3O4，通過陽離子交換反應成功將微量64Cu 放射性同位素摻雜到CdSe/ZnS量子點中，且標記率達到100%[8,30-31]。此外，Pellico等[32]利用微波加熱方式快速合成了摻雜68Ga 的超小氧化鐵納米載體，并在載體表面修飾精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸多肽，用于靶向腫瘤的PET/MRI雙模態(tài)成像，該載體的放射性核素標記率為90%，且在體外放射穩(wěn)定性的測試中未發(fā)現68Ga 的脫落。放射化學摻雜法的策略是：放射性前體通常處于微量水平，放射性同位素嵌在非放射性前體納米晶體的晶格內，因此得到的放射性標記納米載體具有較高的放射化學穩(wěn)定性。然而，該策略從一開始就將放射性核素集成到納米載體中，合成條件要求較高，通常需要較高的溫度和較長的時間，這在一定程度上增加了輻射污染的風險，且可重復性不高。同時，合適的放射性核素的選擇較少也是該策略的一個限制。

2.3 粒子束或反應堆激活法

粒子束或反應堆激活法依賴于用中子和（或）質子束轟擊或者反應堆輻照非放射性納米載體，然后通過發(fā)生核反應原位產生放射性核素標記的納米載體。適用于質子和（或）中子束轟擊產生放射性核素反應的靶點有18O（p，n）18F、16O（p，α）13N、165Ho（n，γ）166Ho以及硼納米管等，可與153Sm 和159Gd 通過152Sm（n，γ）153Sm 和158Gd（n，γ）159Gd 進行核反應[33]。該方法的主要優(yōu)點是可以在體外控制以及定點激活核素，具有較高的放射化學穩(wěn)定性。但這種方法需要借助加速器來產生質子和（或）中子束源，并存在一定的運輸問題。在采用反應堆輻照方面，國外90Y 玻璃微球TheraSphere?已被大量臨床治療結果證明其在治療各期肝癌患者方面具有良好的效果，患者均有良好的生存期獲益[34]。然而，90Y 玻璃微球在制備的過程中需要反應堆輻照，這在一定程度上影響了其推廣[35]。粒子束或反應堆暴露可能對有機納米材料（聚合物、蛋白等）的性能和無機納米材料的結構造成影響，特別是當納米載體的表面偶聯生物活性分子時。到目前為止，采用粒子束或反應堆激活法制備的納米載體鮮有報道，因此該方法的應用前景有限。

2.4 標記佐劑法

標記佐劑法能夠提高放射性核素的標記率，例如：目前在碘核素的標記中常使用氯胺-T或Iodogen 碘化法、在锝標記中使用SnCI2等。氯胺-T或Iodogen 碘化法已被廣泛用于對大量生物分子中的酪氨酸殘基和一些衍生物進行放射性碘化標記。這兩種佐劑均為氧化劑，可與碘陰離子反應，產生親電合成子，進一步在酪氨酸殘基上的酚基鄰位進行親電取代。放射性碘化反應通常在幾秒到幾分鐘內發(fā)生且標記產率很高。已有大量納米載體標記放射性123I、124I、125I或131I用于腫瘤的核素治療或成像，例如：Su 等[36]將131I通過Iodogen 碘化法標記在TAT修飾的金納米顆粒上用于腫瘤治療，其標記率高于96%；在不同生理條件下存放25 h 后放射化學純度仍保持在78%以上，其良好的穩(wěn)定性為持續(xù)治療提供了充足的時間。SnCI2因能夠還原99Tcm使其與細胞成分結合而常被用于99Tcm的標記，但該反應無特異性，在標記過程中如有血清等其他蛋白質存在會降低標記效率。Yi等[37]采用SnCI2還原法成功將99Tcm標記到以腫瘤細胞膜為模板制備的硫化銅納米載體上，99Tcm標記率為89.43%，在PBS和小鼠血清中37℃孵育1 d 后仍表現出良好的放射標記穩(wěn)定性，且該載體的表面生物特性及粒徑均保持了良好的穩(wěn)定性。Karpov 等[38]使用SnCl2/HCl溶液和吐溫?80成功將診斷性99Tcm和治療性188Re 放射性核素分別標記到聚乳酸、二氧化硅、金和氧化鐵納米顆粒上，且均具有較高的放射性標記率（94%～98%）和放射化學穩(wěn)定性（>95%）。SPECT 成像分析結果證明放射標記納米顆粒在體內沒有明顯的泄漏。使用標記佐劑時需要考慮其溶解性、化學反應活性及如何與標記產物分離等問題，選擇合適的標記佐劑應盡量避免對納米載體結構造成影響。

3 小結與展望

本文綜述了基于納米載體標記放射性核素中使用螯合劑和無螯合劑兩大類不同的方法。納米載體因其自身固有的化學和物理特性為放射性核素的標記提供了便利，但每一種放射性核素標記方法都有其固有的優(yōu)點和缺點。螯合劑法適用范圍廣，但可能會導致納米材料的理化性質發(fā)生變化。吸附法雖然快速且特異，但只有少數同位素和納米載體的組合被探索過。摻雜法和粒子束或反應堆激活可提高放射性核素標記納米載體的放射化學穩(wěn)定性，但惡劣的合成條件和粒子束或反應堆可能對納米載體造成損傷，限制了其應用前景。標記佐劑法標記率高，但與之相適應的核素選擇較少。

理想的放射性核素標記方法應該是可靠、快速、安全和高效的，并且應該對納米載體的原始性質產生最小的影響。最終方法的選擇應綜合考慮放射性核素半衰期及化學活性、納米材料的自身特點、標記過程所需的反應條件和時間之間的相適應等問題。在任何涉及放射性標記納米載體評估的研究中應盡可能評價其在不同條件下的標記穩(wěn)定性，為其進一步應用奠定基礎。放射性核素標記的納米載體在基礎研究和臨床應用中展現出巨大的潛力及應用價值。

利益沖突所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻聲明安杰負責文獻的查閱、綜述的撰寫；李亞淵負責文獻的整理、綜述的校對；武志芳負責綜述的審閱與修改；李思進負責綜述的總體設計與指導