用于惡性腫瘤治療的225Ac放射性藥物的研究現(xiàn)狀與展望

柳佳娣,徐度玲,李鴻巖,*,張 紅,*

1.中國科學(xué)院 近代物理研究所 醫(yī)學(xué)物理研究室,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省同位素實驗室,甘肅 蘭州 730300;3.中國科學(xué)院大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100039; 4.先進能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室,廣東 惠州 516006; 5.中國科學(xué)院 重離子輻射生物學(xué)與醫(yī)學(xué)重點實驗室,甘肅 蘭州 730000

癌癥,又稱惡性腫瘤,是引起人類死亡的最主要病因之一,世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(gòu)(International Agency for Research on Cancer, IARC)報告稱:2020年全球新發(fā)癌癥病例1 929萬例。我國癌癥的發(fā)病率很高,2020年患者人數(shù)為457萬例,占全球患者總數(shù)的23.7%[1]。因此,早發(fā)現(xiàn)、早治療仍然是癌癥研究面臨的巨大挑戰(zhàn)。利用放射性同位素的內(nèi)照射作用,在不損傷正常組織的情況下,實現(xiàn)腫瘤的靶向診斷和治療,具有重要的臨床價值[2]。將放射性同位素與腫瘤特異性的單克隆抗體偶聯(lián),通過放射性同位素的內(nèi)照射作用定向殺死腫瘤細胞的治療方法稱為放射免疫治療(radio immunotherapy, RIT)[3]。隨著核技術(shù)的發(fā)展,近幾年,能夠發(fā)射α粒子的放射性同位素被成功應(yīng)用于放射免疫治療,包括211At、213Bi、223Ra、224Ra、227Th和225Ac在內(nèi)的多種α核素在腫瘤治療研究中均取得了一定成果。美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)批準(zhǔn)Xofigo(223RaCl2)上市銷售,證實了α核素用于腫瘤治療的前景與可靠性[4]。225Ac的半衰期相對于其他醫(yī)用核素較長(半衰期10 d),能夠釋放出4個α粒子,具有射程短(<100 μm)和高能量沉積(80～100 keV/μm)的優(yōu)點[5]。225Ac衰變產(chǎn)生的高傳能線密度α粒子可以導(dǎo)致腫瘤細胞的DNA雙鏈斷裂。本文從225Ac的產(chǎn)生、與靶向配體偶聯(lián)的螯合劑以及225Ac在腫瘤治療中的應(yīng)用進行闡述,以期為惡性腫瘤的225Ac放射性藥物的研究與應(yīng)用提供參考。

1 225Ac衰變特性與產(chǎn)生

1.1 225Ac的衰變特性

225Ac依次衰變?yōu)?個壽命相對較短的子體放射性核素221Fr(T1/2=4.8 min)、217At(T1/2=32.3 ms)和213Bi(T1/2=45.6 min),此過程中每個子體核素發(fā)射的α粒子累加能量為28 MeV,最后,213Bi通過β衰變?yōu)榉€(wěn)定的209Bi(圖1[6])。相對較長的半衰期和衰變鏈中產(chǎn)生的多個α粒子使225Ac成為一種具有持續(xù)細胞毒性的放射性核素[7]。

圖1 225Ac的衰變過程[6]Fig.1 Decay process of 225Ac[6]

1.2 225Ac的產(chǎn)生

目前用于臨床研究的225Ac主要由美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)、歐盟委員會聯(lián)合研究中心(European Commission Joint Research center, JRC)及俄羅斯物理和動力工程研究院(Institute of Physics and Power Engineering, IPPE)提供,每年產(chǎn)量約為63 GBq(1.7 Ci,1 Ci=3.7×1010Bq)[8]。225Ac的來源之一是基于核反應(yīng)堆通過233U衰變產(chǎn)生的229Th進行放射化學(xué)提取,然而229Th的年產(chǎn)量僅為不到200 mCi(ORNL實驗室約150 mCi,德國卡爾斯魯厄的超鈾元素研究所(Institute for Transuranium Elements, ITU)約46 mCi)[9]。因此,229Th的產(chǎn)量不足限制了225Ac的臨床應(yīng)用。

由于反應(yīng)堆生產(chǎn)225Ac工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、產(chǎn)量少,研究人員探索利用加速器生產(chǎn)225Ac的工藝步驟。2005年Apostolidis等[9]首次在低能質(zhì)子回旋加速器實現(xiàn)了利用226Ra(p,2n)生產(chǎn)225Ac的實驗研究,結(jié)果表明,當(dāng)質(zhì)子能量為16.8 MeV時,225Ac的產(chǎn)額最大。Nagatsu等[10]基于回旋加速器(質(zhì)子能量為15.6 MeV)利用電鍍226Ra生產(chǎn)高純度225Ac,并建立了225Ac的化學(xué)分離和純化方法。中國原子能科學(xué)研究院設(shè)計了用于中能質(zhì)子加速器和低功率靶生產(chǎn)同位素的裝置,經(jīng)100 MeV回旋加速器照射232Th后,經(jīng)過化學(xué)分離獲得了高純度的225Ac,產(chǎn)額為2.39×105Bq/(μA·h)[11]。此外,利用高能質(zhì)子束照射天然釷靶也是大規(guī)模生產(chǎn)225Ac的重要方法之一[12]。Zhuikov等[13]建立了利用高能質(zhì)子束(90、135 MeV)輻照232Th產(chǎn)生225Ac的方法,結(jié)果表明,90 MeV和135 MeV質(zhì)子束產(chǎn)生225Ac的貢獻率分別為45.8%和86.5%。230Th、228Th、228Ac和228Ra也是產(chǎn)生225Ac的潛在靶材料,但由于來源有限,無法用于實際生產(chǎn)。因此,在未來一段時間,利用加速器照射釷靶是解決225Ac量產(chǎn)問題的主要途徑之一。

2 225Ac與配體偶聯(lián)的螯合劑

由于225Ac必須與靶向配體結(jié)合才能發(fā)揮靶向治療作用,因此選擇合適的螯合劑偶聯(lián)225Ac和配體、保證225Ac在體內(nèi)的穩(wěn)定性是研發(fā)225Ac放射性藥物的前提條件之一。雙功能螯合劑已經(jīng)成功應(yīng)用于多種金屬放射性同位素的相關(guān)研究,具有重要的實用價值。用于放射性藥物的常見配合物分為兩類:無環(huán)和大環(huán)配合物。無環(huán)配合物在特定金屬上表現(xiàn)出很高的熱力學(xué)穩(wěn)定性,而且在體外表現(xiàn)出良好的動力學(xué)惰性[14-15]。與大環(huán)類似物相比,無環(huán)配合物具有更快的金屬結(jié)合動力學(xué)特征。由于225Ac具有相對較長的半衰期,其在無環(huán)螯合劑上的動力學(xué)惰性得到了增強,很難通過無環(huán)螯合劑將其穩(wěn)定地附著在靶向配體上。因此,225Ac的螯合劑主要集中在大環(huán)類化合物[16]。225Ac的常用雙功能螯合劑包括1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四羧酸(DOTA)、環(huán)乙基-二乙烯三胺五乙酸(CHX-A″-DTPA)、1,4,7,10,13-五氮雜環(huán)十五烷-N,N′,N″,N?,N″″′-五乙酸(PEPA)、1,4,7,10,13,16-六氮雜環(huán)十八烷六乙酸(HEHA)和乙二胺四乙酸(EDTA)(圖2)。已有研究發(fā)現(xiàn),EDTA、DTPA和CHX-A″-DTPA與225Ac配位時表現(xiàn)出不穩(wěn)定性[17]。DOTA屬于十二元四氮雜大環(huán)配體,對金屬同位素有很高的親和力,與225Ac配位表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性[18]。225Ac-DOTA-VLA-4、DOTA-HuM195(抗CD33)等DOTA配位的225Ac放射性藥物都顯示出良好的治療潛力[19-20]。因此,DOTA作為225Ac的螯合劑在225Ac的應(yīng)用方面將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

圖2 225Ac常用螯合劑的結(jié)構(gòu)示意圖[15]Fig.2 Structure diagram of commonly used chelating agents[15]

3 225Ac在惡性腫瘤治療中的應(yīng)用

225Ac放射性藥物已經(jīng)在前列腺癌、膠質(zhì)母細胞瘤、乳腺癌和神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤等多種惡性腫瘤類型中開展了多項臨床試驗。利用225Ac標(biāo)記靶向多肽已經(jīng)用于腦膠質(zhì)瘤和神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤等腫瘤類型的治療;利用225Ac標(biāo)記小分子化合物,具有血液毒性小的特點,例如:225Ac-PSMA-617治療轉(zhuǎn)移性前列腺癌正處于Ⅱ期臨床試驗,治療效果顯著,改善了病人的生活質(zhì)量。多種225Ac放射性藥物的臨床試驗將有助于更好地了解225Ac放射性藥物的藥代動力學(xué)和劑量學(xué)特征,對今后的臨床應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

3.1 前列腺癌

前列腺癌是老年泌尿生殖系統(tǒng)常見的惡性腫瘤疾病,臨床常用的治療方法包括手術(shù)治療、內(nèi)分泌治療和放射性治療。前列腺特異性膜抗原(prostate-specific membrane antigen, PSMA)在轉(zhuǎn)移性前列腺癌中高表達,已被證實是前列腺治療的有效靶點。PSMA-617是與PSMA特異性結(jié)合的靶向配體[21-22],與前列腺癌的結(jié)合能力強,且腎臟攝取較低[23]。225Ac-PSMA-617對晚期轉(zhuǎn)移去勢抵抗性前列腺癌(metastatic astrate-resistant prostate cancer, mCRPC)患者顯示出良好的治療效果[24-27]。Kratochwil等[27]研究表明,經(jīng)225Ac-PSMA-617治療后,mCRPC患者的前列腺特異性抗原(prostate-specific antigen, PSA)水平下降,有效改善了患者的生活質(zhì)量,且未觀察到明顯的血液毒性。Sathekge等[24]追蹤了經(jīng)225Ac-PSMA-617治療后的17例晚期前列腺癌患者,結(jié)果表明,在治療2～3個周期后有14例患者的PSA值下降≥90%,在其中7例患者的血清中未被檢測到PSA;有15例患者經(jīng)68Ga-PSMA-11給藥后,正電子發(fā)射型計算機斷層顯像/計算機X射線斷層掃描(PET/CT)顯示病灶對示蹤劑的攝取下降>50%,其中11例患者的病灶完全消退,未見嚴(yán)重的副作用,表明治療效果顯著。Sathekge等[28]報道了225Ac-PSMA-617治療73例mCRPC患者的臨床數(shù)據(jù),結(jié)果顯示,mCRPC患者的整體生存期(overall survival,OS)為18個月(95%置信區(qū)間(CI):16.2～19.9個月),無進展生存期(progression-free survival, PFS)為15.2個月(95%CI:13.1～17.4個月);82%的患者PSA下降,70%的患者PSA下降≥50%,29%的患者經(jīng)68Ga-PSMA-11給藥后,PET/CT顯示病灶在治療后消失。然而,利用225Ac-PSMA-617治療時,患者會產(chǎn)生口干癥[29]。Khreish等[30]將225Ac-PSMA-617與177Lu-PSMA-617聯(lián)合應(yīng)用于mCRPC治療,結(jié)果表明,聯(lián)合治療可以降低口干癥的發(fā)生。PSMA-I&T是PSMA的另一種安全性很高的小分子配體,Zacherl等[31]首次使用225Ac-PSMA-I&T治療14例前列腺癌患者,結(jié)果表明,225Ac-PSMA-I&T對晚期mCRPC患者的治療效果良好,該臨床試驗為沒有更好的治療方案的晚期mCRPC患者提供了一種可靠選擇。Pelletier等[32]報道了2例225Ac-PSMA-617治療后引起的慢性腎病的病例,表明225Ac-PSMA-617對患者的腎臟會有一定潛在毒性,其原因是由于225Ac在腎小管的積累引起。因此,在利用225Ac-PSMA-617治療mCRPC的同時,降低腎臟毒性仍是225Ac-PSMA-617臨床應(yīng)用的難點之一。

3.2 膠質(zhì)母細胞瘤

膠質(zhì)母細胞瘤(glioblastoma, GBM)是最常見、惡性級別最高的原發(fā)性腦腫瘤。盡管已有抗血管生成靶向治療的研究報道,但膠質(zhì)母細胞瘤的治療仍未取得重大進展。225Ac的應(yīng)用為膠質(zhì)母細胞瘤的治療帶來了新希望。與許多實體瘤一樣,膠質(zhì)母細胞瘤的侵襲性和異常的新生血管關(guān)系密切,近年來針對血管生成已經(jīng)成為單抗藥物的重要靶點。E4G10是一種針對血管內(nèi)皮鈣粘蛋白的單抗,在新形成血管中的血管細胞-細胞連接處特異表達[33]。Behling等[34]探討了225Ac-E4G10治療小鼠移植人膠質(zhì)母細胞瘤的效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn),225Ac-E4G10能夠顯著提高小鼠存活率,并抑制腫瘤生長。雖然在治療10 d后,225Ac-E4G10在肝臟累積超過20%ID/g,但沒有出現(xiàn)肝毒性。P物質(zhì)(substance P,SP)是人膠質(zhì)母細胞瘤的重要靶向配體。Majkowska-Pilip等[35]通過優(yōu)化225Ac標(biāo)記DOTA-SP的條件,得到了高比活度和高放射化學(xué)純度的225Ac標(biāo)記藥物,225Ac-DOTA-SP在無血清腦脊液中經(jīng)體外培養(yǎng)30 d后仍表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性。此外,Majkowska-Pilip等[35]還研究了225Ac-DOTA-SP對人膠質(zhì)母細胞瘤細胞以及膠質(zhì)母細胞瘤干細胞的作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn),225Ac-DOTA-SP能夠誘導(dǎo)細胞發(fā)生晚期凋亡和G2/M期阻滯,增加藥物劑量和持續(xù)時間會進一步加劇S期阻滯,證實了225Ac-DOTA-SP通過抑制膠質(zhì)母細胞瘤細胞活力和周期,發(fā)揮治療膠質(zhì)母細胞瘤的潛力。Rosiak等[36]對比了225Ac-1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸(DOTAGA)-SP與氧含量對膠質(zhì)母細胞瘤細胞的影響,將43例膠質(zhì)母細胞瘤患者的術(shù)后標(biāo)本消化為單個細胞后,在正常氧含量和低氧(φ=0.7%～0.8%O2)條件下,利用225Ac-DOTAGA-SP處理細胞,結(jié)果發(fā)現(xiàn),225Ac-DOTAGA-SP對低氧與正常氧含量條件下腫瘤細胞的DNA具有顯著的損傷作用,說明225Ac-DOTAGA-SP對缺氧腫瘤細胞的治療效果顯著。225Ac-DOTA-SP已經(jīng)進入Ⅱ期臨床試驗,結(jié)果表明,225Ac-DOTA-SP比手術(shù)切除、放療和化療的治療效果更顯著。Sattiraju等[37]針對膠質(zhì)母細胞瘤限制性受體之一的白介素13受體α2(interleukin 13 receptor alpha 2, IL13RA2),設(shè)計出了IL13RA2的靶向多肽Pep-1L,并將其應(yīng)用于225Ac靶向治療小鼠原位膠質(zhì)母細胞瘤,結(jié)果發(fā)現(xiàn),225Ac-DOTA-Pep-1L能夠提高小鼠存活率、抑制腫瘤生長。隨著分子生物學(xué)醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展,將會有更多的膠質(zhì)母細胞瘤新靶點被發(fā)現(xiàn),對加速225Ac放射性藥物的研究具有促進作用。

3.3 乳腺癌

乳腺癌是全世界女性最常見的癌癥類型,在新確診癌癥患者中的發(fā)病率排第二[38]。人表皮生長因子受體2型(human epidermal growth factor receptor 2, HER2)在乳腺癌、肺癌和前列腺癌中過表達,使腫瘤更具侵襲性,且預(yù)后差[39]。Puttemans等[39]將抗HER2單抗Rs15d分別與225Ac和131I進行偶聯(lián),結(jié)果發(fā)現(xiàn),單獨使用131I-2Rs15d和225Ac-2Rs15d以及聯(lián)合應(yīng)用曲妥珠單抗(Herceptin)可以顯著提高小鼠生存期。Pruszynski等[40]利用225Ac標(biāo)記納米抗體(nanobodies, Nbs),經(jīng)細胞實驗發(fā)現(xiàn),225Ac-Nb通過HER2介導(dǎo)產(chǎn)生細胞毒性;生物分布顯示,225Ac-Nb在高表達HER2的腫瘤中積聚較快,且相比低表達HER2的腫瘤中積聚的更多。Song等[41]研究發(fā)現(xiàn)225Ac標(biāo)記抗HER2/nue單抗可顯著延長HER2/nue陽性轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者的生存期。Ballangrud等[42]研究表明,225Ac標(biāo)記曲妥珠單抗可能是治療轉(zhuǎn)移性乳腺癌的有效藥物。此外,225Ac標(biāo)記曲妥珠單抗治療轉(zhuǎn)移性小鼠乳腺癌的小鼠存活率優(yōu)于單獨使用曲妥珠單抗治療。Solomon等[43]報道了利用225Ac標(biāo)記抗胰島素生長因子受體(insulin growth factor 1 receptor, IGF-1R)的西妥木單抗(cixutumumab),評估了225Ac-cixutumumab對人乳腺癌SUM149PT細胞荷瘤小鼠的治療效果,結(jié)果顯示,低比活度的225Ac-cixutumumab(0.15 kBq/μg;2.5 mg/kg)可以延長SUM149PT細胞荷瘤小鼠的生存期。納米技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于靶向藥物輸送以及準(zhǔn)確診斷和治療腫瘤的研究,顯示出很高的臨床應(yīng)用價值[44]。Cedrowska等[45]采用共沉淀法制備了225Ac@Fe3O4納米粒子,并通過3-膦酸基丙酸(CEPA)與曲妥珠單抗偶聯(lián),合成225Ac@Fe3O4-CEPA-曲妥珠單抗偶聯(lián)藥物,結(jié)果顯示,藥物在體外對高表達HER2的卵巢癌SKOV-3細胞具有較強的細胞毒作用。由于放射性標(biāo)記的納米結(jié)構(gòu)在肝臟、脾臟和肺部中蓄積較高,在血液中會被快速清除,因此,靜脈注射225Ac@Fe3O4-CEPA-曲妥珠單抗治療卵巢癌或乳腺癌治療效果并不顯著,雖然該治療方法可能適合于微轉(zhuǎn)移的癌癥類型,但對225Ac應(yīng)用于乳腺癌治療的相關(guān)研究具有一定促進作用。

3.4 肺癌

肺癌是全球死亡人數(shù)最多的癌癥類型之一,我國盡管已經(jīng)有多種化療藥物應(yīng)用于臨床,但經(jīng)手術(shù)、化療等綜合治療后,肺癌的5年生存率僅為48.0%[46],因此,迫切需要尋找新的治療手段和治療靶點。Kennel等[47]研究表明,螯合劑HEHA與單抗201B偶聯(lián),可以在小鼠體內(nèi)高效蓄積,將225Ac與HEHA-201B結(jié)合物偶聯(lián),將放射性藥物注射到荷人肺癌EMT-6細胞移植瘤的小鼠體內(nèi),注射1 h和4 h后的生物分布數(shù)據(jù)顯示,225Ac能夠有效地被輸送到肺癌組織。肺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤(neuroendocrine tumors, NETs)主要是源于神經(jīng)內(nèi)分泌細胞,生長抑素受體2(somatostatin type receptor 2, SSTR2)在NETs中廣泛表達[48]。Tafreshi等[49]研究證實,SSTR2在人肺癌H69和H727細胞中表達水平較高,在同時接種H69和H727細胞的小鼠中單獨使用225Ac-DOTA-D-苯丙氨酸1-酪氨酸3-蘇氨酸8-奧曲肽(TATE)治療后,腫瘤體積顯著縮小,腫瘤生長被抑制,由于SSTR2在H69細胞中的表達比H727細胞中更高,225Ac-DOTA-TATE對H69細胞移植瘤的抑制作用更加顯著。因此,225Ac-DOTA-TATE作為肺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤的新療法顯示出潛在的臨床應(yīng)用價值。

4 展 望

225Ac放射性藥物具有治療效果良好、毒性低、安全性更高等特點,225Ac-PSMA-617、225Ac-DOTA-SP等225Ac放射性藥物已經(jīng)在前列腺癌、腦膠質(zhì)瘤等惡性腫瘤上開展了臨床試驗,證實了225Ac放射性藥物的巨大潛力,但225Ac放射性藥物的研究仍存在挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)在以下幾方面。(1)225Ac產(chǎn)量低和生產(chǎn)成本高限制了研究人員探索225Ac的臨床應(yīng)用。225Ac供應(yīng)不足難以滿足全球的臨床研究,只有少數(shù)發(fā)達國家擁有生產(chǎn)和提供225Ac的能力,具有被“卡脖子”的風(fēng)險。因此,225Ac放射性藥物的研發(fā)進度緩慢,且被少數(shù)國外機構(gòu)高度壟斷。(2) 分離純化工藝仍需要改進,在生產(chǎn)過程中,需要先進的化學(xué)提純工藝將225Ac從眾多同位素中分離出來。(3) 具有持續(xù)配位作用的螯合劑仍需改進,螯合劑除了需要穩(wěn)定母體核素外,還需要穩(wěn)定α衰變過程中產(chǎn)生的多個子體核素,因此,發(fā)掘?qū)?25Ac以及子體核素具有持續(xù)配位作用的螯合劑具有一定挑戰(zhàn)。(4) 特異性高的靶向配體是發(fā)揮225Ac治療作用的前提,不斷探索新高特異性的靶向配體仍然是225Ac臨床應(yīng)用的關(guān)鍵之一?？傮w而言,225Ac產(chǎn)量不足是限制225Ac放射性藥物臨床應(yīng)用的最主要難題。目前,提高225Ac產(chǎn)量最有前景的方法之一是用高能(>70 MeV)質(zhì)子束輻照金屬釷靶和利用回旋加速器以<20 MeV的束流能量轟擊226Ra產(chǎn)生。雖然,225Ac作為治療藥物應(yīng)用于臨床治療仍存在諸多挑戰(zhàn),但中國科學(xué)院近代物理研究所基于20世紀(jì)80年代開始積淀的同位素生產(chǎn)技術(shù),積極利用加速器探索α核素生產(chǎn)與分離的技術(shù)創(chuàng)新。2020年以來,中國科學(xué)院近代物理研究所利用蘭州重離子研究裝置(HIRFL)提供的100 MeV質(zhì)子束輻照釷靶,探索了制備225Ac的工藝流程,為基于加速器量產(chǎn)225Ac奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。由中國科學(xué)院近代物理研究所牽頭建設(shè)的加速器驅(qū)動嬗變研究裝置(CiADS)和甘肅省同位素實驗室,將在近幾年實現(xiàn)利用強流質(zhì)子束輻照釷靶生產(chǎn)225Ac。隨著核技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷進步,相信在不久的將來,國產(chǎn)化的225Ac治療藥物將發(fā)揮重要作用,成為克服癌癥的良藥。