納米核藥的研究進展

張華明，羅順忠，魏洪源

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621999)

放射性藥物是核醫學臨床診治的關鍵因素之一，創新研發可獲得特異、高效的放射性診治藥物，為腫瘤治療提供基礎。近年來，納米技術飛速發展，為放射性藥物的設計提供了新的思路。目前，納米藥物、納米醫學領域受到空前關注，所謂“納米診療劑”、“多模態成像劑”多數是用放射性核素標記的納米材料，屬于放射性藥物的范疇。核藥研發是將放射性核素的特點與納米粒子的優異性質結合，研發特異性強、療效佳的納米核藥物(nuclear nanomedicines)。許多納米粒子具有良好的生物相容性、體內可生物降解性、高選擇性和快速在靶組織濃集等特性，對正常組織傷害較小，并可結合診斷和治療目的等優點成為目前藥物研究的熱點之一[1]。腫瘤診治的難點在于通過傳統的靜脈注射方法不能讓腫瘤靶獲得殺滅病灶所需要的藥物劑量，一是腫瘤組織與其他組織間的高間隙壓力(high interstitial pressures)，阻止藥物從血液循環系統穿透靶組織進入腫瘤內部，使血液循環系統中的藥物很快被肝腎清除，導致腫瘤治療的療效差；其次是微觀上，藥物在組織內部均勻分布，為了讓腫瘤靶組織獲得足夠的治療劑量，必須加大治療藥物的劑量，會對正常組織造成極大傷害[2]。由于納米粒子具有增強穿透腫瘤靶組織并延長其在靶中保留時間的效應(enhanced permeability and retention effect, EPR)，比常規腫瘤治療藥物更容易進入腫瘤內部。納米核藥被腫瘤組織的巨吞噬細胞吸附后[20]，由于腫瘤內部缺乏淋巴管, 降低了納米核藥排出靶組織的量，導致納米核藥在靶組織內部的濃集量越來越多，并長時間保留，經過一定時間后，可實現藥物的非均相(靶/非靶比值高)分布，從而具有良好的靶向性，使納米核藥成為腫瘤診治藥物研發的重點方向。本文對近

十年納米核藥的研究現狀進行了綜述，并展望了納米核藥發展的主要方向。

1 納米核藥制備

1.1 載體材料

納米核藥制備的關鍵是選擇合適的納米平臺(platform)，納米平臺包括納米籠子、納米囊、納米粒子、納米纖維、納米管等，根據納米平臺選擇合適的納米載體材料。納米核藥的載體材料包括無機材料，如碳納米管(carbon nanotubes)、玻璃、金屬的金銀等；氧化物，如TiO2、SiO2和無機鹽類，如磷酸鈣、羥基磷灰石等。生物材料，如殼聚糖(chitosan)、纖維素(cellulose)、樹狀大分子(dendrimers)、脂質體(liposomes)等，以及高分子聚合物，如聚乙二醇 (polyethylene glycol, PEG)等[3]，其結構示意圖示于圖1。納米核藥載體材料的選擇必須考慮藥物的制備方法、射線造成的輻射降解、與放射性核素的結合力、防止放射性核素被體液洗提等因素。納米核藥可口服通過胃腸道進入血液系統輸運入靶組織，或者通過靜脈給藥進入靶組織，也可在影像引導(image-guidance)下的靶組織直接注射等給藥方式，既要確保納米粒子的完整性，又要保證放射性核素不泄漏，并降低其對正常組織的輻射損傷。

圖1 用于納米藥物制備的材料[3]Fig.1 The schematic representation of nanocarriers materials

1.2 制備方法

首先制備納米粒子，通過輻照獲得納米核藥。Marmorato等[4]用質子(23 MeV的氘束)輻照Fe3O4納米粒子，核反應為56Fe(p，n)56Co，磁納米粒子中56Fe的豐度為91.72%，質子能量在13 MeV時反應截面為500 mb，活化后的產物衰變為56Co ，γ衰變分支比為99.9%，能量為846.7 keV，半衰期77.26 d，56Co核純度達99.9%，納米磁粒子中56Co含量為40.2 μg/g，活度達3×106Bq，可通過高分辨率γ譜儀在體外監測磁納米粒子的體內生物行為。用富集的165Ho聚乳酸樹脂納米球熱中子輻照可得166Ho納米核藥[3]，166Ho的放射性核純度為99.3%。輻射法制備的166Ho玻璃微球示于圖2[5]，用于肝癌治療；但后輻照活化法制備納米微球涉及復雜的輻照過程以及放射性核純度問題，極少采用此方法制備納米核藥。

(×1 000，平均粒徑40 μm)[5] 圖2 輻射法制備166Ho-玻璃微球的掃描電鏡圖(×1 000, average microsphere sizes is 40 μm)[5]Fig.2 The SEM of 166Ho-glass-microsphere by irradiation

將放射性核素包覆在納米粒子內制備納米核藥。脂質體材料是理想的納米核藥載體包覆材料，易與多數同位素配體結合，產物穩定，脂質體包覆材料制備的納米核藥列于表1。脂質體材料已被多國批準用于超聲、熒光、磁共振、SPECT/PET等醫學檢查。Ehlerding等[6]用脂質體制備64Cu/177Lu納米核藥；一些高分子納米粒子是在共聚合成過程中，聚合物直接包裹放射性核素制成納米粒子，這種納米粒子在體內輸運到腫瘤靶組織的過程中，放射性核素被體液洗提的量極少，如乳液共聚制備131I-HEMA-APH納米共聚物粒子[7]以及131I-聚乳酸納米粒子，制備示意圖示于圖3[8]，131I-聚乳酸納米粒子的核心結構為64個肌氨酸(Sar)分子和30個聚乳酸(PLLA)分子嵌段共聚而成，形成納米粒子的外層，將131I包裹入內部，制備的納米粒子粒徑為46 nm，131I放射性比活度為5×107Bq/L。也可用放射性同位素標記金屬和金屬氧化物的方法制備納米粒子[9]。

表1 臨床實驗中的腫瘤靶向放射性藥物納米載體材料[12]Table 1 The nanotargeted cancer radiopharmaceuticals in clinical trials

化學合成與納米粒子吸附放射性核素制備納米核藥。對于鹵素如131I可采用非水溶性碘化試劑法(Iodogen method)將碘標記上納米粒子。223,224,225Ra具有優良的核性質，是理想的α放射性治療核素，由于其化學性質和強α輻射，尚未找到合適的雙功能團偶聯劑和受體等，以獲得靶向藥物；采用納米技術，用含聚乙二醇(PEG)的硅烷作為雙功能團處理NaA沸石納米粒子(粒徑30～70 nm)，利用沸石豐富的孔洞吸附223,224,225Ra和受體、抗體等生物分子，可制備成納米核藥[10]，在生理鹽水、氨基酸、人血清液、乙二胺四乙酸(EDTA)等溶液中具有高穩定性，可用于腫瘤的α靶向治療。

1.3 放射性核素

根據診斷和治療目的選擇合適的核素，如131I、125I、166Ho、177Lu、90Y、225Ac、223,224,225Ra、64Cu、111In[2,4-6,8]等核素是用于納米核藥的重要核素，既可選取131I、111In作為SPECT診斷藥物的核素，又可選用64Cu作為PET診斷核素。在治療核素的選取方面，根據不同腫瘤、不同器官與組織，甚至不同分期的腫瘤選擇適合治療的α、β發射核素。理論上，俄歇電子、α粒子、β粒子在人體組織內的穿透距離分別為0.001～1 μm、40～80 μm、0.3～10 mm。單個腫瘤細胞的直徑為15～30 μm，腫瘤結節直徑為2 mm～cm級(40～80個腫瘤細胞)；對于早期15～30 μm的腫瘤，可選用發射α粒子的核素；對于2～20 mm的腫瘤，可選用發射β粒子核素，從而獲得更有效的治療納米核藥。

圖3 131I-聚乳酸納米粒子制備示意圖[8]Fig.3 The preparation of 131I-polylactosome nanoparticles[8]

核素與納米粒子結合方法主要有三種。一是包裹法，用物化性質和生物性質適合藥物制備的材料，將放射性核素包裹住，防止藥物在體內運轉過程中放射性核素被體液洗提，進入血液循環系統；另一種包裹法是將有機分子標記放射性核素，再用高分子單體聚合包裹標記物。二是吸附法，先制備多孔納米材料，用偶聯劑處理多孔納米粒子，然后吸附放射性核素，制成納米核藥，如金納米粒子吸附125I[18]；在溶液中用含Ag粒徑為15～32 nm的二氧化鈦納米粒子吸附211At，制備TiO2-Ag-211At納米粒子[19]。三是生物法，用多糖，如聚乳糖、脂質體等與單抗(mAbs)、適體(aptamers)、多肽( peptides)或各種受體特征受體分子(various receptor-specific substrates)形成穩定結構，用雙功能團分子處理放射性核素后，用載帶生物分子的納米粒子與雙功能團處理的放射性核素反應，制備成納米核藥，具有放射免疫治療的效果。

2 納米核藥的生物行為

納米核藥生物行為研究包括體內生物分布、藥代動力學、體內行為、毒性研究等。預臨床模型實驗表明，納米核藥的藥代動力學、體外排泄和全身長期毒性等需要進一步研究，取得理想療效后，才能用于臨床應用。

2.1 體內行為

腫瘤生長到1～2 mm時，需要氧氣和營養支持其生長和擴散，只有腫瘤內部生成血管輸運氧氣與營養才能支撐腫瘤組織的生長，但腫瘤組織的生長速度遠高于血管的生長速度，導致腫瘤組織內部的血管生長極不規則，血管壁產生巨大孔腔(lumen)，正常血管壁孔徑為2～6 nm，而腫瘤血管壁的孔徑為10～300 nm。通過動脈將直徑超過10 nm的納米核藥注入后，藥物大量進入腫瘤組織[6-7,12]。體積較大的腫瘤，內部的血管較少，對常規標記的生物分子或化合物濃集差，而納米核藥利用腫瘤血管的孔腔更易于進入腫瘤，實現靶組織的高濃集率和長滯留時間。

納米粒子粒徑約200 nm時，可激活人體輔助系統(human complement system)并促進枯否細胞(kupffer cell)將納米粒子從血液中清除。脾細胞可過濾捕捉200～250 nm或大于此粒徑的粒子，肝細胞可過濾捕捉大于150 nm的粒子；而腫瘤的毛細血管直徑很少超過300 nm，因此，目前研發的納米核藥的粒徑一般低于200 nm，而磁性粒子因需要大量濃集在網狀內皮系統則要求其粒徑低于100 nm[24]。

2.2 毒性研究及臨床應用

納米核藥研發和應用已成為核醫學的研究熱點之一，國際原子能機構(IAEA)資助進入臨床應用的納米藥物品種列于表2。納米核藥的生理毒性取決于納米粒子的性質，如大小、形狀和組成、比表面積、團簇穩定性、表面化學與電荷等，示意示于圖4[13]，同時，與載帶的藥物、核素等都有關系。因此，納米核藥的毒理學研究相對其他核藥更嚴謹細致，否則會嚴重危及患者的生命。

表2 臨床應用的納米藥物Table 2 Some of clinically available nanoparticle containing drugs

圖4 納米粒子物化性質對納米藥物生物毒性的影響[13]Fig.4 Influence of nanomedicines biological toxicity by nanoparticles physicochemical properties[13]

到2011年為止，美國已經批準了35個納米藥物用于臨床[4]，表2中的納米藥物已被美國食品藥品監督管理局(FDA)批準在臨床使用，對人體的毒性滿足臨床的要求，這些藥物盡管不是納米核藥，但其載體材料是納米核藥常用的載體材料與納米平臺。利用已被核準臨床應用的載體材料可減少納米核藥毒性研究的過程，加快納米核藥的研發。

研究表明，金屬、金屬氧化物、富勒烯等為納米載體材料時對人體的毒性較大；生物相容材料、生物分子材料等對人體的毒性較低或幾乎沒有毒性，因此，需要對不同納米藥物的毒性經過嚴格、科學和長期的研究，才能用于臨床醫學。

納米藥物的主要應用領域示于圖5，由圖5可見，其中42%的納米藥物用于腫瘤診治。而納米核藥主要應用于腫瘤的臨床診治，加快納米核藥的研制對治療腫瘤具有重要意義。

圖5 納米藥物的主要應用領域[16]Fig.5 Application scope of nannmedicines[16]

2.3 生物分布和藥代動力學

納米核藥的生物分布與藥代動力學研究，以及體內穩定性研究已有詳細報道[1,3-8,10-11]，納米核藥對放射性核素固定牢固度研究建立在體外研究的基礎上，將制備的納米核藥置入人血清溶液、磷酸緩沖鹽(PBS)溶液、生理鹽水溶液、EDTA溶液、乙醇溶液等模擬人體體液的溶液中，在37 ℃下恒溫保持(incubation)24 h以上，取溶液測量放射性計數，計算被洗提的放射性活度，評估其體內穩定性。

診斷和治療兩用的納米核藥，如用111In標記的-DOTA-聚乳糖(Lactosome)納米粒子作為乳腺腫瘤的SPECT診斷藥物[11]，將111In換成90Y-DOTA-聚乳糖可治療乳腺腫瘤。靜脈注射111In-DOTA-聚乳糖24 h后，SPECT清晰顯影靶組織；111In-DOTA-聚乳糖在體內的生物半衰期為11 h，納米粒子增強了藥物在靶組織的滲透和滯留。皮下注射90Y-DOTA-聚乳糖的乙醇溶液，可以獲得較佳的靶組織滲透與滯留效果，90Y-DOTA-聚乳糖與DOXIL@共用，15 d后腫瘤靶組織停止生長。

在估算納米核藥的腫瘤治療劑量時，體積較大的腫瘤，內部的血管較少，對藥物濃集差，如64Cu-liposomes 用于估計177Lu-liposomes的治療劑量[6]，測得小體積的腫瘤(2 g)吸收劑量為22.8 kGy，而大體積的腫瘤吸收劑量僅為2.3 kGy，這對確定治療劑量帶來困擾，經過計算與評估，才確定人的注射劑量為 200 MBq。177Lu-DOTA-TOC或177Lu-DOTA-TATE即將在臨床上用于神經內分泌瘤(neuroendocrine)的靶向治療。但10% PEG-177Lu-liposomes溶液在脾、肝和胃壁有較高的吸收劑量，分別為2.54×10-2mSv/MBq、2.14×10-2mSv/MBq、3.25×10-2mSv/MBq，臨床上需要考慮這些不利因素。

納米核藥注入體內后，與體內生物大分子發生系列反應，進入血液的納米藥物，會在其表面吸附血清白蛋白等形成蛋白冠(protein corona)，蛋白冠控制納米核藥與細胞膜相互作用及靶組織對納米藥物的吸收，且蛋白冠會影響納米顆粒在體內的代謝行為。為了克服納米粒子進入體內形成的蛋白冠對藥物的不利影響，可在體外對納米粒子表面進行修飾，如用載脂蛋白A-Ⅳ(ApoA4)或載脂蛋白C-Ⅲ(ApoC3)對納米粒子修飾后，降低了腫瘤細胞對納米藥物的吸收；用載脂蛋白H(ApoH)修飾后，顯著增加了腫瘤細胞對納米藥物的吸收[14]。

納米粒子與血液中蛋白質形成的蛋白冠有兩層。與納米粒子直接接觸的第一層稱為硬冠(hard corona),結合力高，不易脫落；第二層蛋白冠通過弱鍵與硬冠鏈接，稱為軟冠(soft corona),軟冠的蛋白質可以與血液中的物質發生交換。形成蛋白冠后，增加了納米藥物在血液中的循環半衰期(blood circulation half-life),降低了納米核藥的肝腎代謝率和靶組織濃集效率，納米核藥長時間保留在血液中，增加了對健康組織的傷害。為了降低納米粒子表面蛋白冠的形成，可用親水性物質如PEG對納米粒子表面進行處理，賦予其空間穩定性，抑制蛋白冠的形成，降低納米核藥的毒性[21-22]。

小于100 nm的納米銀藥物口服進入腸道，先通過腸粘膜上皮細胞，然后進入血液和淋巴，不會直接被淋巴系統攝取[15]。TiO2納米粒子進入懷孕小鼠體內后，造成生下的小鼠中樞神經和生殖系統受損[13]。靜脈注射銀納米粒子對腦血管生長造成毒害，實驗證明，納米銀粒子破壞血腦屏障，引起腦神經功能退化[16]。體內外實驗研究表明，納米顆粒直接影響機體的免疫功能，通過抑制或增強機體免疫功能調節機體免疫響應。對生理過程的關鍵是能量代謝，涉及許多細胞反應，如氧氣消耗，解偶聯代謝，腺苷三磷酸(ATP)水解，控制和調節代謝率，產生熱量和自由能消耗(dissipation)，這些細胞層面的生化反應生產涉及酶和輔酶[17]。

3 納米核藥展望

3.1 雙功能偶聯劑

放射性核素與有機配體、生物活性物質如多肽、抗體、氨基酸等標記時，有的需要雙功能團偶聯劑為中間體進行標記，才能獲得穩定的標記物。α放射性核素衰變發出高能電離輻射，難以獲得理想的雙功能團分子，如常用的DOTA、碳巢烷、穴狀化合物(cryptand)、杯芳烴等用于α放射性核素標記的雙功能團分子時，其產物的體內外穩定性較差，導致靶向腫瘤診治藥物的研究難度較大。β放射性金屬核素可根據需要標記的生物分子種類選擇合適的DOTA衍生物，如NHS-DOTA、1B4M-DOTA、MeO-DOTA、CHX-A″-DTPA等，來獲得性能優良的制劑。而鹵素放射性核素與生物分子的標記很少需要雙官能團偶聯劑。因此，針對無合適雙官能團偶聯劑的α治療核素，優先選擇納米粒子，可制備選擇特異性、高靶組織濃集率和體內穩定性良好的納米核藥。

3.2 納米粒子載體材料

在納米粒子載體材料方面，應從生物友好性、耐輻射性和人體內耐生物化學降解等方面考慮，羥基磷灰石、磷酸鈣、脂質體、聚乳酸等是較好的納米包裹材料[23]。還可選用親酯親水聚合物，如聚苯乙烯與聚乳酸的嵌段共聚物，親脂性的剛性聚苯乙烯作為納米粒子芯，用于保持其力學性能和剛性，固定治療劑；親水性的聚乳酸置于納米粒子表面，提升藥物的血清除率和在組織內的轉運效率[8]。納米粒子的制備方法根據不同載體材料確定，點擊化學合成(click)，較適宜于短半衰期放射性核素納米核藥的制備。

3.3 標記用核素

目前，關注的重點為診治兩用納米核藥的研發，利用同一種元素的不同核素制備診治納米核藥，如124I-標記納米核藥用于診斷，將124I換成131I，即可成為治療藥物；還可利用化學性質相近的核素制備診治納米核藥，如99mTc與188Re、111In與90Y、123，124I與211At，前一個核素用于診斷，后一個核素用于治療。目前，較理想的診治一體核素為186Re、188Re，188Re由188W/188Re發生器提供，發生器可用6個月，每2 d淋洗1次，188Re發射的β射線可穿透4 mm深的組織，由低分支比的155 keV γ射線發射，用于監測藥物在體內的分布和代謝過程[2]；177Lu核性質優異、價廉易得和診治兩用等優點，已成為納米藥物研究重點關注的核素。

有的納米核藥經口服、靜脈注射等用藥方式不能獲得腫瘤治療需要的藥物濃集量與保留時間(EPR)，新的給藥方式采用影像引導(image-guidance)將藥物直接注射到腫瘤組織，改進注射針頭設計，降低了注射藥液的回流，腫瘤組織中的巨吞噬細胞可將納米核藥固定，顯著提高了納米核藥在靶組織的濃集與保留[2]。

由于大體積腫瘤內部血管的缺乏，導致目前的放射免疫藥物和標記化合物的靶組織濃集率較低，不利于腫瘤的診治，而納米核藥可克服這些缺點。納米核藥多模功能示意圖示于圖6，即一個納米粒子內可含有放射性診治的核素、發熱、化學發光、磁、蛋白質、多肽、基因等功能團，還有治療增強劑等[23]，這對納米材料與納米平臺提出了嚴峻的挑戰，尤其是對其工程化提出了嚴苛的要求，需要核物理、放射化學、生物化學、材料學、計算機理論研究和輔助設計等多學科的融合，才能成功。

圖6 納米藥物未來的多模功能示意圖Fig.6 The scheme of multifunctional nanoparticles in future