α放射性金屬藥物的研究現狀與展望

崔海平，沈浪濤,2,3,*

1.原子高科股份有限公司，北京 102413；2.中國同輻放藥研發中心，北京 102413； 3.中國原子能科學研究院 國家同位素工程技術研究中心，北京 102413

在元素周期表中89—103號元素被稱為錒系元素(actinoid element)。錒系元素均具有放射性。在自然界中僅存在錒、釷、鏷和鈾這4種錒系元素。錒和鏷在地球中的含量極低，但是釷和鈾以較大的量(釷的地殼元素豐度約為6 ppm(1 ppm=1×10-6)，鈾的地殼元素豐度約為1.8 ppm)存在，因此可以采用常規的開采方法進行提取。其它的錒系元素只能通過人工方法合成[1-2]。從Becquerel放射性的發現(1896年)，Hahn等實現鈾的裂變(1938年)到人類第一個核反應堆的建成(1942年)，標志著人類已進入了原子能時代[3]。到目前為止，錒系元素中的鈾、钚等元素已在核能等領域得到了廣泛應用[4]。在2018年年底，全世界運行中的核電站共有450座。在這些核電站中使用的核燃料均為鈾、钚元素的氧化物[5]。一方面，鈾、钚等錒系元素在核電、核武器等方面的應用已廣為人知；另一方面，盡管錒系元素在人類疾病、尤其是惡性腫瘤治療方面已顯示出了很有希望的應用前景[3, 6-8]，但相對來說，人們對此還是了解得較少。因此，本文將從與靶向α治療(targeted alpha therapy, TAT)相關的錒系元素以及其放射性金屬衰變子體(225Ac、227Th、223Ra、212/213Bi和212Pb)著手，對這些放射性金屬核素的基本性質、制備方法、雙功能螯合劑、TAT藥物的研究現狀、所面臨的挑戰性問題和前景展望等方面進行評述。

1 腫瘤的療法、靶向放射性核素治療和靶向α治療

目前，治療腫瘤的方法主要有手術、全身化療和放療(包括外部射線照射)、免疫治療、抗激素治療、靶向放射性核素治療(targeted radionuclide therapy, TRNT)等[9]。具體選擇哪種治療方法要根據腫瘤所在的部位、分期以及病人的狀態而定。在許多腫瘤的治療中，化療越來越多地與手術結合使用。化學療法與細胞周期或細胞代謝的重要過程相互作用，因此阻止或抑制腫瘤的生長。化療藥物不能區分某些健康細胞和腫瘤細胞，因此，化療是非特異的治療方法。外部射線放療不適用于已轉移的腫瘤。免疫療法通常需要解決特定的耐藥性問題[10]。

靶向放射性核素治療(TRNT)通過使用優化的載體把細胞毒性的放射性傳送到腫瘤細胞，從而對腫瘤細胞實行選擇性的輻射，而對周圍健康組織產生最小的毒性。TRNT是正在增長且有利的治療腫瘤的方法。在TRNT中，一般利用β粒子、俄歇電子和α粒子這三種輻射。長期以來，TRNT主要使用發射β粒子的放射性藥物。例如，131I ([131I]NaI)用于分化型甲狀腺腫瘤的治療，89Sr([89Sr]SrCl2)和153Sm([153Sm]Sm-EDTMP)用于骨轉移瘤的治療，177Lu標記的奧曲肽([177Lu]Lu-DOTATATE)用于神經內分泌腫瘤的治療，90Y標記的單抗(Zevalin)用于非霍奇金淋巴瘤的治療等。直到2013年5月，世界上第一種α核素藥物([223Ra]RaCl2)才獲準上市。與同類藥物[89Sr]SrCl2和[153Sm]SmEDTMP比較，[223Ra]RaCl2不但改善了病人的生活質量，而且延長了病人的生命[3]。首個α核素藥物的成功上市，激發了人們對靶向α治療(TAT)的濃厚興趣[11-12]。

靶向α治療(TAT)被定義為將發射α粒子的放射性藥物選擇性地傳送到癌細胞和腫瘤微環境，以控制腫瘤并同時最大程度地降低毒性的治療方法[13]。關于TAT的臨床前研究歷史可以追溯到幾十年前，但第一位患者于1995年接受治療，TAT在1999年才首次出現在臨床研究文獻中[14]。

表1[15]列出了目前常用的β粒子與α粒子在物理和輻射生物學等方面性質的差異。

α粒子和β粒子在質量、能量、電荷等方面的顯著差別將導致它們與生物材料作用時產生顯著不同的后果。α粒子的質量約為β粒子的7 300倍。β粒子在生物組織中的行進距離可達1.5～19 mm，而α粒子的行進距離約為16～75 μm。動物細胞為真核細胞，其直徑為10～30 μm。這意味著α粒子只能穿過幾個細胞，而β粒子能穿過幾百個細胞。

表1 α粒子與β粒子的性質比較[15]Table 1 Physical property of α particles and β particles[15]

線性能量傳遞 (linear energy transfer, LET,單位keV/μm)是單位長度原子電離/激發的量度，指粒子穿過單位長度傳遞給被作用物質的能量。高的LET是高電離輻射的典型特征并表示能量的密集沉積，對生物組織的生物和化學損傷大[16]。對于大腫瘤的治療，能產生長射程組織作用的粒子是有利的，然而，人們越來越多地認識到，長射程組織作用是不可取的，因為它與脫靶毒性直接相關。粒子的LET和在生物組織中的作用范圍與放射性核素相關并受衰變類型和能量的影響較大。β粒子的LET約為0.2 keV/μm，其作用范圍為1.5～19 mm，相當于約50～1 000個細胞的直徑；而α粒子的LET高達約50～230 keV/μm，其作用范圍約為16～75 μm，相當于約2～10個細胞的直徑[13, 15-17]。

不同種類的輻射產生不同的生物效應，這被定義為相對生物學效應(relative biological effectiveness, RBE)。它通過將劑量乘以加權因子(WT)得到。粒子的LET越大，產生的生物效應越大，因此，賦予它的加權因子就越高。光子或電子的WT被定義為1，而具有高電荷的α粒子的WT為20。與β粒子相比，α粒子的相對生物學效應更大[18]。放射生物學細胞存活研究表明，殺死哺乳動物細胞的最有效LET約為100 keV/μm。在此最佳的LET下，電離事件與DNA雙鏈的直徑(≈2 nm)一致，導致細胞中致命的DNA雙鏈斷裂[15]。當細胞被低LET的β粒子以低的劑量率輻照時，在輻照期間細胞就能修復損傷，因此，殺死細胞是困難的。同樣，如果氧的濃度低或無氧狀態，比如在乏氧和壞死組織中，用輻照殺死細胞也是很困難的。但是，具有高LET的α粒子具有強大的細胞殺傷效率，即其殺傷作用與輻射劑量率和氧的濃度無關。假設1個橫穿單個細胞的α粒子就可以將該細胞殺死的話，要達到同樣的效果，則需要有400個橫穿該細胞的β粒子才行。

總之，當通過適當的方法把α粒子靶向到疾病部位，其巨大的能量就沉積到此局部位點，通過細胞核中DNA雙螺旋鏈的斷裂引起細胞的凋亡。α粒子殺死細胞的效率與細胞中的氧濃度無關。因此，在標準放化療中具有抗藥性的乏氧腫瘤細胞在α粒子治療中卻是脆弱的。α粒子在相對較小的范圍內對細胞產生直接的損傷作用。此外，α粒子還通過輻射誘導的旁觀者效應對相鄰細胞造成額外的損傷。但是，與長射程的β粒子相比，α粒子的旁觀者效應更小，對鄰近腫瘤微環境中的正常細胞的間接損害較小，即毒副作用低。

2 源自錒系元素的α放射性金屬核素

如上所述，從輻射生物效應等方面考慮，α粒子的治療效果應該比β粒子更好且副作用小，到目前為止，已發現100多種放射性核素在放射性衰變過程中發射α粒子[13]。但在這些核素中，只有極少的一部分可用于醫學治療。當選擇合適的醫用α放射性核素時，應當綜合考慮以下因素：(1) 發射α的豐度；(2) 物理半衰期；(3) 它所產生的子體以及子體的半衰期；(4) 生產的成本。與高α豐度的核素相比，低α豐度的核素需要采用更高活度的核素才能獲得同樣的α劑量，而更高活度的放射性將產生大的非靶毒性。核素的半衰期也很重要，太短(如小于30 min)，未到達體內靶點前大部分的放射性藥物就會衰變，另外，過短半衰期的核素很難制備放射性藥物并很難在藥物大量衰變前完成質控工作。過長的半衰期(如超過1個月)也不利，會給病人帶來更多的輻射損害。核素發生衰變時所產生的子體的性質也是需要考慮的重要因素。最理想的情形應該是，該放射性核素衰變成一種穩定的同位素，而沒有其它放射性物質產生。但實際情況多是，放射性核素衰變成另一種放射性核素，而這種新產生的放射性核素再繼續衰變成另一種放射性核素，等等。如果一種發射α的放射性核素產生于母體核素，那么所產生的子體在體內可能重新分布并產生有害的毒性。

現已被用于放射性藥物研究中的α放射性核素有223Ra、225Ac、212/213Bi、212Pb、227Th、211At和149Tb等。本文僅討論有望用于TAT的源自錒系元素的α放射性金屬核素，其性質列于表2[19]。

表2 源于錒系元素用于靶向α治療的放射性核素[19]Table 2 α-emitting radionuclides from actinides for use in TAT[19]

表2中，225Ac和227Th本身就是錒系元素中的核素，而其它核素均是錒系元素衰變產生的子體。這些α核素的共同特點均是放射性金屬核素。除223Ra藥物外，其它α核素構建靶向放射性藥物時均需考慮其配位化學性質。

2.1 錒(Ac)元素及其同位素225Ac

2.1.1錒的基本化學性質 Ac是第89號元素，于1899年被法國化學家Andre-Louis Debierne在瀝青殘渣中首次發現；1902年德國化學家Friedrich Oskar Giesel也獨立發現了Ac元素并研究了Ac的化學性質。到目前為止，人們已經發現或人工合成了32種Ac的同位素。在這些同位素中，只有227Ac和228Ac在自然界中存在，它們分別來自235U和232Th的衰變。由于所有Ac的同位素都是放射性的，并且來源有限，因此，人們對Ac的基本性質的了解并不完整。在水溶液中，Ac3+是最穩定的。Ac3+具有與La3+相似的化學性質。在元素周期表中Ac3+是最大的+3價離子。在pH=8.6～10.4之間，可以觀察到Ac3+的水解。在Ac的配合物中，金屬與配體的鍵合主要取決于靜電相互作用和空間位阻。大離子半徑的Ac3+形成動力學不穩定的配合物。Ac3+為硬的路易斯酸，根據軟硬酸堿理論，它傾向于與非極化、帶負電荷的路易斯堿如氧供體的陰離子配位[1,20]。

2.1.2225Ac的衰變性質和主要來源

1)225Ac的衰變性質

225Ac (T1/2=240 h)是最有前景的治療放射性核素之一，為α發射體。圖1為233U的衰變鏈。從圖1可知，225Ac在衰變過程中釋放4個α粒子成為穩定的209Bi。這一連串的α衰變使得225Ac具有強大的細胞殺傷能力。225Ac在最初釋放1個α粒子后(Eα=5.79 MeV)，緊接著釋放2個α粒子(Eα=6.30 MeV和Eα=7.07 MeV)，產生短半衰期的中間子體放射性核素221Fr(T1/2=4.9 min)和217At (T1/2=32.6 ms)。217At產生213Bi (T1/2=45.6 min)。213Bi本身就是一種治療放射性核素。因此，225Ac被視為213Bi的體內發生器。在225Ac的α衰變中，具有4個高的LET(80、75、64、61 keV/μm)。這使得這些α粒子在軟組織中的最大射程為85 μm。221Fr和213Bi釋放適合于SPECT顯像的低/中能γ射線(221Fr：Eγ=218 keV,分支比Iγ=11%;213Bi：Eγ=440 keV,Iγ=26%)。225Ac具有長半衰期，因此，適合用于體內循環緩慢的生物偶聯物，如抗體等的研究。但是，目前人們也把它用于體內循環較快的多肽藥物的研究中[21]。此外，與213Bi相比，由于多了3個α衰變，因此，225Ac的細胞殺傷力要比213Bi大得多[21]。

圖1 233U的衰變鏈Fig.1 233U decay chains

2)225Ac的來源

目前，獲得225Ac主要有兩種途徑：一是從229Th中提取獲得，二是通過加速器制備。

長期以來，生產225Ac和213Bi的主要過程是通過從233U衰變產生的229Th中進行放射化學提取[22](圖1)。至今為止，所有的臨床試驗和絕大多數臨床前試驗中所使用的225Ac/213Bi均來自于229Th的衰變。從229Th生產用于臨床的225Ac/213Bi僅能從美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)、德國卡爾斯魯厄(Karlsruhe)的歐盟核安全與保障聯合研究中心(Directorate for Nuclear Safety and Security of the Joint Research Centre, JRC)及俄羅斯奧布寧斯克(Obninsk)物理和動力工程研究所(Institute of Physics and Power Engineering, IPPE)獲得[23-24]。而229Th一直從久置的233U中分離獲得。最近，加拿大核實驗室也報道了229Th的分離[25]。從1990年代中期起，JRC就向臨床研究單位提供了225Ac/213Bi。目前，JRC每年生產約12 987 MBq(351 mCi)的225Ac。ORNL的225Ac的最大年產量約為33 004 MBq(892 mCi)。IPPE每年225Ac的年產量約為22 015 MBq(595 mCi)。但到目前為止，IPPE生產的225Ac在臨床中的直接應用未見報道。

225Ac的全球年產量約為66 600 MBq(1 800 mCi)。當使用225Ac藥物治療時，每次的治療劑量范圍為3.996～49.987 MBq(0.108～1.351 mCi)。然而，目前的供應量不能滿足在全球醫院的廣泛使用和常規治療應用。因此，各種大規模生產225Ac的替代方法正在研究中[26]。

生產225Ac的方法包括用中子、質子、氘核或γ射線輻照226Ra靶以及用高能質子輻照232Th靶和天然鈾靶(natU)[26]。在這些方法中，通過232Th的散裂生產225Ac是目前最先進的。該制備工藝的可行性已被美國等多國的研究機構證明[27-28]。2015年，美國能源部通過國家同位素項目促進了布魯海文(BNL)、洛斯阿拉莫斯(LANL)和橡樹嶺國家實驗室(ORNL)聯合研發團隊的建立，共同研發225Ac生產的新途徑。232Th靶的輻照分別在BNL (200 MeV, 165 μA)和LANL (100 MeV, 275 μA)進行，而輻照后靶的處理和最終產品225Ac的配送由ORNL承擔[29]。該生產方法的主要缺點是同時產生了微量(0.1%～0.2%)的長半衰期同位素227Ac(T1/2=21.8 a)。由于225Ac和227Ac不能通過化學方法分離，因此，在臨床應用中采用該法制備的225Ac產品時應該考慮227Ac雜質的影響。初步研究表明，227Ac雜質對患者劑量學的影響可以忽略不計[30]。目前，美國這三個實驗室組成的研發團隊已可以給用戶日常提供225Ac產品。現在每次批量為1 850～3 700 MBq(50～100 mCi)，在今后4年內，研發團隊將把每次批量提高到3 700～37 000 MBq(100～1 000 mCi)。用這種加速器方法制備的225Ac產品已于2020年1月份在美國食品和藥品管理局(FDA)備案[31]。

2.2 鉍(Bi)元素和其同位素213/212Bi

Bi是第83號元素，為最重的穩定元素。Bi經常被分類為半金屬(semi-metal)或準金屬(metalloid)。Bi的基態電子構型為[Xe]4f145d106s26p3，通常在形成化學鍵時，3個6p電子參與成鍵，而2個6s電子不參與成鍵(惰性電子對)。因此，在大多數的鉍化合物中，Bi的氧化態為+3價。在某些情形下，如一些有機鉍化合物中，2個6s電子也參與成鍵，Bi顯示了高氧化態，為+5價[32]。根據軟硬酸堿理論，Bi(Ⅲ)為交界路易斯酸。當配位數為6和8時，Bi(Ⅲ)的離子半徑分別為1.03 ?(1 ?=0.1 nm)和1.17 ?；而在配位數為6的配合物中，Bi(Ⅴ)的離子半徑為0.76 ?。三價鉍是最常見和穩定的，在水溶液中Bi(Ⅴ)是強氧化劑。Bi(Ⅲ)在水溶液中容易水解。Bi(Ⅲ)對含氧、氮的多齒配體有高親和力[33]。但是，Bi(Ⅲ)也傾向于與硫醇鹽基團(SR)配位，如配體為半胱氨酸和谷胱甘肽。大多數Bi(Ⅴ)的配合物是五配位的[34]。

1)213Bi

如圖1所示，213Bi的半衰期為45.6 min。213Bi衰變的主要途徑是先經一次β-衰變產生半衰期僅為3.72 μs的子體213Po；213Po再經一次α衰變產生半衰期為3.23 h的子體209Pb；209Pb最后經β-衰變成為穩定的209Bi。213Bi衰變的另一條途徑是先經一次α衰變產生半衰期為2.16 min的子體209Tl;209Tl再經一次β-衰變產生209Pb；最后209Pb經β-衰變成為穩定的209Bi。

213Bi從225Ac/213Bi發生器獲得[35]。在225Ac/213Bi發生器中采用AG MP-50陽離子交換樹脂。德國卡爾斯魯厄的JRC研發了一款高活度的發生器。該發生器的225Ac活度可高至4 GBq。該發生器的特點是225Ac的活度在2/3的樹脂中均勻分布，使得有機樹脂的輻射分解最小化并保證了數周以上發生器的可靠運行。這種發生器已被成功用作2.3 GBq213Bi-P物質類似物的制備，進行腦瘤的局部治療[36]。

2)212Bi

圖2為232Th的衰變鏈。半衰期很長的天然釷(232Th：T1/2=1.4×1010a)經過一次α衰變產生228Ra(T1/2=5.75 a)。228Ra經過一次β-衰變產生子體228Ac(T1/2=6.15 h)。228Ac再經過一次β-衰變產生228Th (T1/2=1.91 a)。

從圖2可知，212Bi是228Th衰變產物的一部分，而且是212Pb衰變的直接子體。212Bi通過兩條獨立的途徑衰變為穩定的208Pb。主要的途徑是212Bi發射高能β-(Eβ-=771 keV,Iβ-=64%)先變成212Po(T1/2=0.30 μs)，然后再經過一次α衰變(Eα=8 780 keV,Iα=100%)成為208Pb。次要的衰變途徑涉及到212Bi先經過一次α發射(Eα,avg=6 210 keV,Iα=36%)產生208Tl(T1/2=3.05 min)，隨后通過一次高能β-粒子衰變(Eβ-,avg=560 keV,Iβ-=100%)成為208Pb。中間子體208Tl產生的低能γ可以用于顯像；然而，208Tl也發射高能、高強度的γ射線(Eγ=2 614 keV,Iγ=99%)，因此，對核醫學工作人員必須進行更高標準的屏蔽防護。這是在臨床應用中212Bi的一個主要缺點[37]。

圖2 232Th的衰變鏈Fig.2 232Th decay chains

212Bi是通過發生器生產的短半衰期放射性同位素。212Bi由半衰期為3.63 d的224Ra獲得，而224Ra是半衰期為1.91 a的228Th的子體放射性核素[38]。首先用8 mol/L的硝酸溶解釷，然后把溶解液加到一種陰離子交換樹脂上淋洗。該樹脂保留硝酸釷陰離子，而淋洗下224Ra以及伴生子體核素。如圖2所示，224Ra經過一次α衰變產生220Rn(T1/2=55.6 s)。220Rn再經過兩次α衰變產生212Pb(T1/2=10.6 h)。212Pb衰變產生212Bi。將224Ra加載到一種陽離子交換樹脂上制備212Bi發生器。采用0.5～2 mol/L HCl或HI淋洗發生器獲得212Bi。通過使用較低酸度的酸可以使淋洗液中的212Pb最小化，但是，常常把212Pb和212Bi這兩種放射性核素淋洗并標記[39-41]。由于212Bi的子體208Tl發射高能、高強度的γ射線，需要更高標準的輻射防護。這一缺點使得在Bi的放射性核素中，213Bi的應用前景可能更好。

2.3 鉛(Pb)元素和其同位素212Pb

鉛(Pb)是第82號元素。鉛有4種穩定同位素(204Pb、206Pb、207Pb和208Pb)和多種放射性同位素。206Pb、207Pb和208Pb 是天然放射性衰變系的穩定終產物(206Pb來自鈾系衰變，207Pb來自錒系衰變，而208Pb來自釷系衰變)，因此，鉛的同位素組成取決于其地質成因。Pb原子的電子構型為[Xe]4f145d106s26p2。Pb有兩種常見的氧化態即Pb(Ⅱ)和Pb(Ⅳ)。在無機化合物中，Pb一般以Pb(Ⅱ)形式存在，而在有機鉛化合物中，Pb一般以Pb(Ⅳ)形式存在。Pb(Ⅱ)的穩定性大于Pb(Ⅳ)，在環境中Pb一般以Pb(Ⅱ)形式存在。根據軟硬酸堿理論，Pb(Ⅱ)屬于交界路易斯酸。由于Pb(Ⅱ)的離子半徑較大，Pb(Ⅱ)可以形成各種幾何構型的配合物。Pb(Ⅱ)配合物的配位數可以是1～12。在水中，Pb(Ⅱ)以水合離子形式存在，估計在內水合層中有9個水分子。當pH約為5，在非常稀的水溶液中(鉛離子的總濃度小于10-6mol/L)，Pb(Ⅱ)形成[Pb(OH)]+、Pb(OH)2和[Pb(OH)3]-等單核的氫氧配合物[42-43]。

212Pb具有較長的半衰期(T1/2=10.6 h)。它是212Bi的母體核素。如圖2所示，212Pb經過一次β-衰變生成子體212Bi，212Bi再通過兩條途徑繼續衰變，最終產生穩定的208Pb。

與212Bi一樣，212Pb源自228Th的衰變鏈，從224Ra(228Th的子體)的發生器獲得。在發生器中，采用DOWEX-50×8陽離子交換樹脂，在0.01 mol/L HCl中，228Th被吸附到樹脂上，用1 mol/L HCl或0.5 mol/L HI淋洗可獲得212Pb。為了除去樹脂本身輻射分解的副產物，有時需要進行進一步的純化處理。處理過程是在pH=5的醋酸緩沖溶液中將212Pb加載到Chelex-100樹脂上，然后用5 mol/L HNO3淋洗得到212Pb[44]。

2.4 釷(Th)元素和其同位素227Th

Th是第90號元素。它是在自然界中發現的含量最高的放射性元素。Th最常見的同位素是半衰期為1.4×1010a的232Th。232Th是長衰變系中最頂端的元素，通過α衰變，并伴隨著γ輻射，其最終衰變產物為穩定的208Pb。大多數的Th是天然的，但是Th的一些同位素可以通過衰變過程在核反應堆中生產[1]。

Th的基態電子構型為6d27s2。在水溶液中，Th唯一穩定的氧化態是Th(Ⅳ)。在pH=7.4(接近生理pH)，釷鹽水解形成Th(OH)4膠體顆粒。在9配位的環境中，Th(Ⅳ)的離子半徑是1.09 ?，為最大的、穩定的四價金屬離子。由于Th(Ⅳ)具有最小的電荷與離子半徑的比值，因此，與大多數金屬離子相比，它的水解性較差，可以在pH≤4的范圍內進行研究。水溶液中的Th(Ⅳ)發生多核反應、膠體形成并容易形成碳酸鹽配合物。此外，含水的氧化物或氫氧化物是很難溶的[45]。Th(Ⅳ)離子屬于路易斯硬酸，可以多種配位數與各種配體形成配合物，已發現的配位數為4～15。Th(Ⅳ)與小配體配位時可以達到很高的配位數[46]。

圖3 231Pa的衰變鏈Fig.3 231Pa decay chains

227Th是鈾-錒衰變系的中間產物之一，半衰期為18.72 d。227Th的衰變過程示于圖3。如圖3所示，經過5次α衰變，最終生成穩定的207Pb[15]。227Th首先經α衰變，放出5.9 MeV的能量，生成半衰期為11.43 d的子體223Ra。223Ra經α衰變，放出5.7 MeV的能量，產生半衰期為3.96 s的子體219Rn。219Rn經α衰變，放出6.8 MeV的能量，生成半衰期為1.78 ms的子體215Po。215Po經α衰變，放出7.4 MeV的能量，生成半衰期為36.1 min的子體211Pb。211Pb為β-發射體，經過衰變后產生半衰期為2.14 min的子體211Bi。211Bi最主要的衰變是通過α衰變，放出6.6 MeV的能量，生成半衰期為4.77 min的207Tl。207Tl最后經過β-衰變產生穩定的207Pb。211Bi另一條次要的衰變途徑是先經β-衰變產生半衰期為516 ms的子體211Po。最后211Po經α衰變，放出7.4 MeV的能量，生成終產物207Pb。

在過去的幾十年中，227Th主要來源于天然衰變鏈或使用后儲存的核材料。最初獲得227Th的方法是將它從天然存在的放射性核素227Ac(半衰期為21.77 a)中分離得到[15]，但是用這種方法獲得的227Th的量很有限，因為母體核素231Pa(半衰期為32 760 a)衰變生成227Ac的速度很緩慢。現在研發中制備227Th的方法是利用核反應堆、帶電粒子加速器和高能加速器進行生產。使用100、200、800 MeV的強質子束流和天然釷靶可以較大規模生產227Th、223Ra、225Ac等核素[47-48]。通過227Ac的β-衰變可以獲得大量的227Th。而227Ac可以通過在反應堆中用熱中子輻照226Ra來制備。目前，美國橡樹嶺國家實驗室就采用226Ra靶和高通量同位素生產堆生產227Ac。因為227Ac有較長的半衰期(21.77 a)，因此，它可以用來生產227Th幾十年。

2.5 鐳(Ra)元素和其同位素223Ra

Ra是第88號元素，為堿土金屬元素，具有高的化學反應性。Ra有33種已知的同位素，沒有穩定同位素。最常見的同位素是224Ra(以3.63 d的半衰期經α衰變為220Rn)、226Ra(以1 600 a的半衰期經α衰變為222Rn)和228Ra(它先以5.7 a的半衰期經過兩次β-衰變生成228Th，然后再經過兩次α衰變生成220Rn)。各種各樣的鐳同位素由鈾和釷的衰變形成，226Ra在238U的衰變系中，而228Ra和224Ra在232Th的衰變系中。Ra以極低的含量存在于幾乎所有的水、土壤、巖石、動物和植物中[49]。

Ra的化學性質與Ba非常相似[50]。Ra的電子構型為7s2。Ra2+的離子半徑約為1.4 ?。Ra一般形成離子型化合物，不易形成穩定的配合物。

與227Th類似，223Ra是235U(235U先經過一次α衰變產生231Th，再經過一次β-衰變生成231Pa，之后的衰變圖如圖3所示)的衰變產物。227Th是223Ra的母體核素。227Ac又是227Th的母體核素。因此，可用227Ac/227Th/223Ra發生器系統獲得223Ra。223Ra獲得途徑同227Th。一種方法是從存放很久的天然鈾樣品中分離獲得223Ra，但所獲得的223Ra活度低。另一種方法是在反應堆中通過中子輻照226Ra獲得223Ra。該法取決于226Ra靶材的多次中子俘獲，需要在高通量反應堆中進行。227Ac再經由227Th(半衰期為18.72 d)衰變為223Ra。

3 與α放射性金屬核素和生物靶向分子結合的雙功能螯合劑

α放射性金屬核素本身的輻射毒性很大，要取得治療腫瘤的良好效果并且對腫瘤周圍良性組織的毒副作用最低，TAT藥物的靶向性至關重要。

在TAT中，實現藥物到腫瘤的靶向有兩種策略。第一種策略是利用放射性核素本身內在的分子性質，即放射性核素自然地在腫瘤組織中積聚，從而實現腫瘤靶向。例如，223Ra是與Ca性質很相似的同位素，它與Ca一樣被結合到增加骨轉換和成骨活性的部位[51-52]，但是，具有這樣幸運、能自然靶向于腫瘤的α放射性金屬核素不多。人們需要精心設計并合成TAT藥物。第二種策略是將α放射性金屬核素與生物靶向載體，如多肽、單克隆抗體或小分子偶聯，這樣偶聯的放射性藥物就能靶向到多種類型的腫瘤[21, 53]。采用雙功能螯合劑通過共價連接靶向載體并螯合α放射性金屬核素藥物的一般結構示于圖4。

圖4 α放射性金屬核素靶向藥物的一般結構Fig.4 General structure of targeted radiometallic radiopharmaceutical with α emitter

在TAT藥物中，雙功能螯合劑的作用一方面是與生物靶向載體偶聯，另一方面是與α放射性金屬離子發生配位反應，生成放射性標記物。對雙功能螯合劑的主要要求是：(1) 標記反應快速、定量，具有熱力學穩定性；(2) 標記反應的條件溫和，如在常溫下進行(因為這有利于生物大分子如抗體、蛋白等敏感物質的標記)；(3) 生成的標記物配位結構單一、明確，最好無其它配位異構體；(4) 生成的標記物具有動力學穩定性；(5) 生物靶向載體偶聯時定量、快速、反應條件溫和；(6) 雙功能螯合劑易于合成或已有商品。

雙功能螯合劑的設計與合成時要充分考慮α放射性金屬的化學性質、優先的氧化態和優先的配位數等因素。關于α放射性金屬螯合劑已有一些評述[21, 54-55]。到目前為止，雖然許多螯合劑已被合成并被標記研究，但是僅有一小部分的螯合劑被用來標記α放射性金屬的靶向分子。在金屬放射性藥物中使用較為廣泛的有代表性的螯合劑示于圖5。

在這些螯合劑中，常用來偶聯靶向分子的活性基團是與胺基能發生反應形成酰胺鍵的活性酯，如N-羥基琥珀酰亞胺或四氟苯基酯和能形成硫脲鍵的異硫氰酸苯酯。在實際標記操作時有兩種方法。第一種方法是先用α放射性金屬標記雙功能螯合劑，然后再與靶向分子偶聯。第二種方法是先把雙功能螯合劑與靶向分子偶聯，然后再用α放射性金屬標記。第二種方法一般更為優先，因為該法的標記率更高并且易對連有靶向載體的分子進行表征和靶向結合性質的評價。

DTPA是無環的八齒多胺基多羧酸螯合劑，它通過5個解離的羧酸根中的氧陰離子和3個叔胺基中的氮原子與金屬離子進行配位。DTPA是最早用于美國FDA批準的放射性藥物([111In]In-DTPA-octreotide)中的一種螯合劑。DTPA類螯合劑能與多種金屬離子迅速形成熱力學穩定的配合物，但是，其不足之處是大多數DTPA金屬螯合物由于在人體內發生放射性金屬離子的解離和轉絡合，因此，放射性標記物的體內穩定性不夠好。目前已研發了多種DTPA衍生物的螯合劑，提高了放射性金屬標記物的體內穩定性，如1B4M-Bn-NCS等。

在放射性藥物化學研究中，DOTA是使用最廣泛和最普及的螯合劑。該螯合劑的普及使用是由于DOTA和它的多種類似物已商品化。DOTA是大環多胺基多羧酸螯合劑，當它與金屬離子配位時通過大環中的4個叔胺氮和4個臂上的羧酸氧來實現。在美國FDA最近批準的[68Ga]Ga-DOTATATE和[177Lu]Ga-DOTATATE這兩種放射性藥物中的雙功能螯合劑就是DOTA。研究表明，DOTA對于212/213Bi、212Pb和225Ac等α放射性金屬離子是合適的雙功能螯合劑。

(Me-2,3-HOPO)4-Bn-NCS是一種由4個2,3-HOPO(羥基吡啶酮)官能團構成的八齒雙功能螯合劑。它通過羥基氧和酮氧與金屬離子進行配位。該螯合劑最適合與硬的、親氧的金屬離子如Th4+形成配合物。在用放射性金屬標記時，該螯合劑的優點是在溫和的條件下(如常溫、溫和的pH下)具有快速的標記動力學。

到目前為止，DOTA仍然是225Ac雙功能螯合劑的金標準。212/213Bi最常用的雙功能螯合劑是CHX-A″-DTPA-Bn-NCS和DOTA。212Pb最常用的雙功能螯合劑是TCMC-Bn-NCS。227Th最常用的雙功能螯合劑是DOTA和(Me-2, 3-HOPO)4-Bn-NCS。目前還沒有找到適合223Ra的雙功能螯合劑。

圖5 典型的雙功能螯合劑的結構Fig.5 Selected representatives of bifunctional chelators

4 TAT藥物的研究現狀和最新進展

2013年，美國食品藥品管理局(FDA)批準了第一種TAT藥物，即[223Ra]RaCl2。這也是目前為止已被美國FDA批準并在臨床中應用的唯一TAT藥物。[223Ra]RaCl2是利用Ra離子與Ca離子的相似性，在藥物注射到人體內后能自然地靶向到骨基質的成骨細胞區，因此，它已被用于治療去勢抵抗性前列腺癌并發生骨轉移的患者。該藥能延長患者的生命[3]。除了前列腺癌以外，該藥對其他癌癥中的可能用途(如乳腺癌發生的骨轉移、骨肉瘤等)正在研究中[56-57]。由于難以找到與223Ra螯合并形成熱力學和動力學均穩定的雙功能螯合劑，以配合物形式存在的223Ra藥物的研究沒有明顯進展。

近幾年來，人們的研究興趣在于利用225Ac/213Bi、212Pb/212Bi和227Th設計合成各種針對神經內分泌腫瘤、前列腺癌、腦腫瘤、膀胱癌和白血病的TAT藥物[13, 21]，尤其是以利用核素225Ac/213Bi為主的藥物。

4.1 以多肽或小分子為靶向分子的TAT藥物

已被用于TAT藥物研究中的一些多肽或小分子示于圖6。

在神經內分泌腫瘤中，生長抑素受體(somatostatin receptors, SSTR)被過表達。DOTATOC和DOTATATE中分別含有能與SSTR選擇性結合的生長抑素類似物多肽。基于此，68Ga標記的DOTATOC和DOTATATE藥物已被美國FDA和歐洲藥品管理局(EMA)批準上市用于神經內分泌腫瘤的PET顯像診斷。此外，177Lu標記的DOTATATE藥物也已被美國FDA和歐盟EMA批準上市用于神經內分泌腫瘤的治療。Kratochwil等[58]用213Bi-DOTATOC研究了25例已用β發射體標記藥物90Y-/177Lu-DOTATOC

圖6 用于TAT藥物中的多肽或小分子Fig.6 Peptides or small molecules in TAT radiopharmaceuticals

治療但產生了抗藥性的病人，結果發現213Bi-DOTATOC的TAT可以產生大量持久的抗腫瘤反應，包括1例病人的完全緩解。血液毒性與藥物劑量相關，后續的工作將是對血液毒性和長期的腎毒性進行深入研究。Kratochwil等[59]開展了225Ac-DOTATOC治療神經內分泌腫瘤患者的研究。結果表明，在39名患者中，2個月內分別給予18.5 MBq的藥物，累積劑量為75 MBq時是安全的，并在一些患者中發現了治療效果。Ballal等[60]研究了已用177Lu-DOTATATE治療后病情穩定或進展的32名患者，再用225Ac-DOTATATE治療的情況。結果發現其中15例患者部分緩解，9例患者疾病穩定。中位隨訪8個月(2～13個月)未發現疾病進展或死亡。

在所有類型的前列腺腫瘤中，前列腺特異性膜抗原(prostate specific membrane antigen, PSMA)被高表達，因此，PSMA成為了前列腺腫瘤顯像診斷和治療的重要靶點。PSMA-617等PSMA小分子抑制劑能與PSMA特異地結合。目前用68Ga/177Lu標記的PSMA-617診斷和治療藥物已進入了臨床試驗階段。到目前為止，已有400多名前列腺腫瘤患者用225Ac-PSMA-617進行了治療，該藥物顯示了明顯的治療效果，而口干癥(口干綜合癥)被認為是導致10%的患者中止治療的主要不良反應[61-63]。為了進一步提高治療效果并減少口干的副作用，Kelly等[64]合成了預期能通過增強與血清白蛋白的結合來增加清除半衰期的藥物225Ac-RPS-074并在荷瘤鼠中驗證了該藥物可提高治療效果。Sathekge等[65]報道了在去勢抵抗性前列腺癌患者中首次使用213Bi-PSMA-617進行治療的情況。11個月后使用68Ga-PSMA PET/CT重新分期，顯示出明顯的分子成像響應。此外，患者還表現出生化反應(前列腺特異性抗原(prostate-specific antigen，PSA)水平從237 μg/L降低至43 μg/L)。該研究表明213Bi-PSMA-617適用于臨床轉化研究，因此，有必要在更大范圍的患者群中進行更詳細地研究以確定該方法的有效性。

多形性膠質母細胞瘤(GBM)是最常見的惡性腦腫瘤，主要表現為原發性新生，較少表現為繼發性神經膠質瘤。GBM過表達NK-1受體。NK-1受體的主要配體為P物質(substance P)，因此放射性治療核素標記的P物質類似物可用作靶向治療。波蘭的Krolicki等[66]研究了213Bi-DOTA-[Thi8,Met(O2)11]-substance P (即213Bi-DOTA-SP) 治療繼發性膠質母細胞瘤的效果。他們發現，當使用活度范圍為1.4～9.7 GBq(中位數5.8 GBq)213Bi-DOTA-SP時，治療耐受性良好，僅出現輕度的短暫不良反應，主要是由于短暫性水腫反應而引起的頭痛。開始α治療后腫瘤無進展的平均生存期和總生存時間分別為5.8個月和16.4個月。首次診斷后的中位總生存時間為52.3個月。

促進腫瘤生長和進展的成纖維細胞活化蛋白(fibroblast activation protein, FAP)在許多人上皮癌(如乳腺癌、結腸癌和胰腺癌等)相關的成纖維細胞中過表達，而在正常器官中為低表達，因此，FAP是腫瘤診斷和治療的絕佳靶標。近年來，已有多個FAP的小分子抑制劑FAPI(fibroblast activation protein inhibitor)的68Ga顯像劑被研發并成功應用于多種腫瘤的PET顯像診斷[67]。最近，大阪大學的Watabe等[68]制備了225Ac-FAPI-04并在荷瘤鼠中研究了該藥物的治療作用。他們發現，與對照組相比，225Ac-FAPI-04注射液明顯抑制了腫瘤的生長，而治療后荷瘤鼠的體重沒有顯著變化。

總的來說，到目前為止以生長抑素類似物為靶向小分子，針對神經內分泌腫瘤的TAT藥物研究得最多。研究結果表明，即使對于177Lu-DOTATATE等β治療藥物已產生抗藥性、難以治療的病人，TAT藥物仍然是有效的。然而，由于治療的病人數仍然有限，這些TAT藥物的廣泛療效、毒性和長期耐受性，需要在更大的患者群體中進行進一步評估。針對前列腺腫瘤的治療，雖然以225Ac-PSMA-617為代表的TAT藥物的研究起步較晚，因其初步治療效果令人鼓舞，并且由于具有良好市場前景的預期，這類藥物的研發步伐正在加速。

4.2 以單克隆抗體或蛋白為靶向分子的TAT藥物

除了以多肽或小分子為靶向分子的TAT藥物，以單克隆抗體為靶向分子的TAT藥物也在研究中，特別是利用227Th、225Ac 和212Pb等半衰期較長的核素。

目前227Th抗體偶聯藥物的研究重點是乳腺癌、淋巴癌、腎癌、卵巢癌、急性粒細胞白血病和前列腺癌的新型放射性藥物。Dahle等[69]的研究表明，227Th-rituximab(利妥昔單抗)每單位吸收劑量的治療效果優于90Y-tiuxetan-ibritumomab(Zevalin)或外部射線放療。227Th-曲妥珠單抗治療人類表皮生長因子受體2(HER2+)陽性的卵巢癌和乳腺癌的臨床前研究顯示了令人鼓舞的抗癌作用但沒有嚴重的毒性[70-71]。227Th-PSMA偶聯物(PSMA-TTC)在體外和體內均有選擇性和強抗癌活性[72]。間皮素(MSLN)靶向的227Th偶聯物在體內具有顯著的抗腫瘤作用、良好的耐受性并顯示出癌細胞活力降低，免疫應答上調[73]。這些研究結果推動227Th偶聯藥物進入了臨床研究階段。

225Ac標記的抗CD33抗體的臨床Ⅰ期試驗表明，該藥物對急性粒細胞白血病有抗癌作用和安全性[74]。225Ac-lintuzumab(林妥珠單抗)與化療藥物阿糖胞苷(cytarabine)聯合使用的Ⅰ/Ⅱ臨床試驗表明其能導致腫瘤的緩解[75]。采用225Ac-lintuzumab治療晚期骨髓性白血病的臨床試驗表明，56%的患者具有治療響應，而只有中等的副作用[76]。

212Bi與腫瘤特異性抗體標記的藥物已有一些研究，與對照組相比，這些藥物延長了生命[77-78]。采用212Pb-trastuzumab(曲妥珠單抗)進行了人類表皮生長因子受體2陽性(HER2+)的卵巢癌、結腸癌和胰腺癌治療的臨床Ⅰ期試驗，結果表明毒性低[79]。

213Bi標記的抗體對于白血病的治療具有潛力[78]。依次使用化學療法(阿糖胞苷(cytarabine)和213Bi-lintuzumab)的Ⅰ/Ⅱ期試驗研究證明：該治療方法具有良好的耐受性并且能夠誘導急性粒細胞白血病患者病情的緩解[80]。在一項前瞻性研究中，對12例已對標準療法有抗藥性的膀胱癌患者采用了213Bi標記的抗EGFR藥物在膀胱內給藥，結果顯示了顯著的腫瘤緩解作用和低毒性[81]。

以單克隆抗體為靶向分子的TAT藥物在多種腫瘤的治療中已顯示了一定的效果。單克隆抗體TAT藥物的主要優勢在于它對腫瘤細胞上腫瘤相關抗原表位的特異性和親和力。但是，單克隆抗體TAT藥物也有一些缺點，如由于其分子量大，它到達腫瘤靶點的速度慢(通常需要十幾小時甚至幾天)，從血液等正常組織中清除的時間長；容易在肝等正常組織中累積；藥物在實體瘤中的滲透性較差、分布不均勻等。由于血液和骨髓中的惡性腫瘤細胞對放射性特別敏感，而且單克隆抗體TAT藥物容易接近這些惡性腫瘤細胞，因此，單克隆抗體TAT藥物對于血液和骨髓惡性腫瘤的治療是最有希望的。為了改善實體腫瘤的治療效果，通過采用小抗體或抗體片段等組成的TAT藥物是主要研發趨勢。

5 TAT藥物研發的挑戰和前景展望

2013年獲得美國FDA批準的第一種TAT藥物([223Ra]RaCl2)，也是至今為止唯一的TAT藥物，目前已在50多個國家臨床應用。盡管在過去的多年中，人們已對其它源于錒系元素的α發射核素(如225Ac、212/213Bi、212Pb和227Th)的放射性藥物進行了許多研究，但是這些藥物均還處于臨床前或臨床Ⅰ/Ⅱ期的研究。這些TAT藥物治療腫瘤的初步研究結果令人振奮。然而，目前TAT藥物研究存在著一些挑戰性的問題。(1) α發射放射性核素的供應短缺。不管是已成藥的223Ra核素，還是處于研究中、但已顯示很有應用前景的225Ac/213Bi核素均不足以在全球進行常規臨床使用。只有美國、德國、加拿大等少數國家能夠生產或提供少量的這些核素。經過前幾年的部署和努力，美國能源部所屬的某些國家實驗室已攻克了一系列核素生產和分離的技術難關，能批量生產223Ra和225Ac等核素。我國應當加快和加強TAT藥物所需核素制備技術的研究并形成批量生產能力。只有這樣才能在我國開展TAT藥物的研發并推動未來藥物的產業化。(2) 缺乏一些TAT金屬核素合適的雙功能螯合劑。雙功能螯合劑除了需要穩定母體金屬核素以外，還需穩定螯合在發生α衰變過程中產生的多個子體的金屬核素。這個問題目前仍難以解決。(3) 由于發生α衰變時所產生的反沖能很大，遠大于金屬核素與雙功能螯合劑之間的化學鍵能。這可能導致TAT藥物的脫靶和子體核素在體內的再分布。這些問題有待于深入研究并予以解決。(4) 為了最大程度地降低TAT藥物的脫靶毒性，需要研發具有腎臟或肝膽代謝產物的高選擇性TAT藥物。

由于已有多個TAT藥物已處于臨床Ⅰ或Ⅱ期的研究階段，預期新的TAT藥物可能在5～10年內獲得美國或歐盟藥監部門的批準上市。除了針對惡性腫瘤的治療以外，TAT藥物還可能用于諸如病毒、細菌感染等其它疾病的治療，造福于人類。總之，TAT藥物具有良好的應用前景。

致謝：在論文插圖的制作中，周旭博士提供了幫助，在此表示衷心的感謝。