用于惡性腫瘤治療的225Ac放射性藥物的研究現狀與展望

柳佳娣,徐度玲,李鴻巖,*,張 紅,*

1.中國科學院 近代物理研究所 醫學物理研究室,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省同位素實驗室,甘肅 蘭州 730300;3.中國科學院大學 核科學與技術學院,北京 100039; 4.先進能源科學與技術廣東省實驗室,廣東 惠州 516006; 5.中國科學院 重離子輻射生物學與醫學重點實驗室,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,世界衛生組織國際癌癥研究機構(International Agency for Research on Cancer, IARC)報告稱:2020年全球新發癌癥病例1 929萬例。我國癌癥的發病率很高,2020年患者人數為457萬例,占全球患者總數的23.7%[1]。因此,早發現、早治療仍然是癌癥研究面臨的巨大挑戰。利用放射性同位素的內照射作用,在不損傷正常組織的情況下,實現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,通過放射性同位素的內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]。隨著核技術的發展,近幾年,能夠發射α粒子的放射性同位素被成功應用于放射免疫治療,包括211At、213Bi、223Ra、224Ra、227Th和225Ac在內的多種α核素在腫瘤治療研究中均取得了一定成果。美國食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration, FDA)批準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)的優點[5]。225Ac衰變產生的高傳能線密度α粒子可以導致腫瘤細胞的DNA雙鏈斷裂。本文從225Ac的產生、與靶向配體偶聯的螯合劑以及225Ac在腫瘤治療中的應用進行闡述,以期為惡性腫瘤的225Ac放射性藥物的研究與應用提供參考。

1 225Ac衰變特性與產生

1.1 225Ac的衰變特性

225Ac依次衰變為3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射的α粒子累加能量為28 MeV,最后,213Bi通過β衰變為穩定的209Bi(圖1[6])。相對較長的半衰期和衰變鏈中產生的多個α粒子使225Ac成為一種具有持續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堆通過233U衰變產生的229Th進行放射化學提取,然而229Th的年產量僅為不到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的產量不足限制了225Ac的臨床應用。

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

2 225Ac與配體偶聯的螯合劑

由于225Ac必須與靶向配體結合才能發揮靶向治療作用,因此選擇合適的螯合劑偶聯225Ac和配體、保證225Ac在體內的穩定性是研發225Ac放射性藥物的前提條件之一。雙功能螯合劑已經成功應用于多種金屬放射性同位素的相關研究,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:無環和大環配合物。無環配合物在特定金屬上表現出很高的熱力學穩定性,而且在體外表現出良好的動力學惰性[14-15]。與大環類似物相比,無環配合物具有更快的金屬結合動力學特征。由于225Ac具有相對較長的半衰期,其在無環螯合劑上的動力學惰性得到了增強,很難通過無環螯合劑將其穩定地附著在靶向配體上。因此,225Ac的螯合劑主要集中在大環類化合物[16]。225Ac的常用雙功能螯合劑包括1,4,7,10-四氮雜環十二烷-1,4,7,10-四羧酸(DOTA)、環乙基-二乙烯三胺五乙酸(CHX-A″-DTPA)、1,4,7,10,13-五氮雜環十五烷-N,N′,N″,N?,N″″′-五乙酸(PEPA)、1,4,7,10,13,16-六氮雜環十八烷六乙酸(HEHA)和乙二胺四乙酸(EDTA)(圖2)。已有研究發現,EDTA、DTPA和CHX-A″-DTPA與225Ac配位時表現出不穩定性[17]。DOTA屬于十二元四氮雜大環配體,對金屬同位素有很高的親和力,與225Ac配位表現出較好的穩定性[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的應用方面將繼續發揮重要作用。

圖2 225Ac常用螯合劑的結構示意圖[15]Fig.2 Structure diagram of commonly used chelating agents[15]

3 225Ac在惡性腫瘤治療中的應用

225Ac放射性藥物已經在前列腺癌、膠質母細胞瘤、乳腺癌和神經內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標記靶向多肽已經用于腦膠質瘤和神經內分泌腫瘤等腫瘤類型的治療;利用225Ac標記小分子化合物,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和劑量學特征,對今后的臨床應用具有指導意義。

3.1 前列腺癌

前列腺癌是老年泌尿生殖系統常見的惡性腫瘤疾病,臨床常用的治療方法包括手術治療、內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特異性結合的靶向配體[21-22],與前列腺癌的結合能力強,且腎臟攝取較低[23]。225Ac-PSMA-617對晚期轉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量,且未觀察到明顯的血液毒性。Sathekge等[24]追蹤了經225Ac-PSMA-617治療后的17例晚期前列腺癌患者,結果表明,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68Ga-PSMA-11給藥后,正電子發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患者的臨床數據,結果顯示,mCRPC患者的整體生存期(overall survival,OS)為18個月(95%置信區間(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,患者會產生口干癥[29]。Khreish等[30]將225Ac-PSMA-617與177Lu-PSMA-617聯合應用于mCRPC治療,結果表明,聯合治療可以降低口干癥的發生。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臨床應用的難點之一。

3.2 膠質母細胞瘤

膠質母細胞瘤(glioblastoma, GBM)是最常見、惡性級別最高的原發性腦腫瘤。盡管已有抗血管生成靶向治療的研究報道,但膠質母細胞瘤的治療仍未取得重大進展。225Ac的應用為膠質母細胞瘤的治療帶來了新希望。與許多實體瘤一樣,膠質母細胞瘤的侵襲性和異常的新生血管關系密切,近年來針對血管生成已經成為單抗藥物的重要靶點。E4G10是一種針對血管內皮鈣粘蛋白的單抗,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母細胞瘤的效果,結果發現,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,但沒有出現肝毒性。P物質(substance P,SP)是人膠質母細胞瘤的重要靶向配體。Majkowska-Pilip等[35]通過優化225Ac標記DOTA-SP的條件,得到了高比活度和高放射化學純度的225Ac標記藥物,225Ac-DOTA-SP在無血清腦脊液中經體外培養30 d后仍表現出很高的穩定性。此外,Majkowska-Pilip等[35]還研究了225Ac-DOTA-SP對人膠質母細胞瘤細胞以及膠質母細胞瘤干細胞的作用,結果發現,225Ac-DOTA-SP能夠誘導細胞發生晚期凋亡和G2/M期阻滯,增加藥物劑量和持續時間會進一步加劇S期阻滯,證實了225Ac-DOTA-SP通過抑制膠質母細胞瘤細胞活力和周期,發揮治療膠質母細胞瘤的潛力。Rosiak等[36]對比了225Ac-1,4,7,10-四氮雜環十二烷-1,4,7,10-四乙酸(DOTAGA)-SP與氧含量對膠質母細胞瘤細胞的影響,將43例膠質母細胞瘤患者的術后標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,結果發現,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已經進入Ⅱ期臨床試驗,結果表明,225Ac-DOTA-SP比手術切除、放療和化療的治療效果更顯著。Sattiraju等[37]針對膠質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),設計出了IL13RA2的靶向多肽Pep-1L,并將其應用于225Ac靶向治療小鼠原位膠質母細胞瘤,結果發現,225Ac-DOTA-Pep-1L能夠提高小鼠存活率、抑制腫瘤生長。隨著分子生物學醫學的不斷發展,將會有更多的膠質母細胞瘤新靶點被發現,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,且預后差[39]。Puttemans等[39]將抗HER2單抗Rs15d分別與225Ac和131I進行偶聯,結果發現,單獨使用131I-2Rs15d和225Ac-2Rs15d以及聯合應用曲妥珠單抗(Herceptin)可以顯著提高小鼠生存期。Pruszynski等[40]利用225Ac標記納米抗體(nanobodies, Nbs),經細胞實驗發現,225Ac-Nb通過HER2介導產生細胞毒性;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]研究發現225Ac標記抗HER2/nue單抗可顯著延長HER2/nue陽性轉移性乳腺癌患者的生存期。Ballangrud等[42]研究表明,225Ac標記曲妥珠單抗可能是治療轉移性乳腺癌的有效藥物。此外,225Ac標記曲妥珠單抗治療轉移性小鼠乳腺癌的小鼠存活率優于單獨使用曲妥珠單抗治療。Solomon等[43]報道了利用225Ac標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。納米技術已經應用于靶向藥物輸送以及準確診斷和治療腫瘤的研究,顯示出很高的臨床應用價值[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,合成225Ac@Fe3O4-CEPA-曲妥珠單抗偶聯藥物,結果顯示,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。由于放射性標記的納米結構在肝臟、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移的癌癥類型,但對225Ac應用于乳腺癌治療的相關研究具有一定促進作用。

3.4 肺癌

肺癌是全球死亡人數最多的癌癥類型之一,我國盡管已經有多種化療藥物應用于臨床,但經手術、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,可以在小鼠體內高效蓄積,將225Ac與HEHA-201B結合物偶聯,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,注射1 h和4 h后的生物分布數據顯示,225Ac能夠有效地被輸送到肺癌組織。肺神經內分泌腫瘤(neuroendocrine tumors, NETs)主要是源于神經內分泌細胞,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作為肺神經內分泌腫瘤的新療法顯示出潛在的臨床應用價值。

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放射性藥物已經在前列腺癌、腦膠質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。主要表現在以下幾方面。(1)225Ac產量低和生產成本高限制了研究人員探索225Ac的臨床應用。225Ac供應不足難以滿足全球的臨床研究,只有少數發達國家擁有生產和提供225Ac的能力,具有被“卡脖子”的風險。因此,225Ac放射性藥物的研發進度緩慢,且被少數國外機構高度壟斷。(2) 分離純化工藝仍需要改進,在生產過程中,需要先進的化學提純工藝將225Ac從眾多同位素中分離出來。(3) 具有持續配位作用的螯合劑仍需改進,螯合劑除了需要穩定母體核素外,還需要穩定α衰變過程中產生的多個子體核素,因此,發掘對225Ac以及子體核素具有持續配位作用的螯合劑具有一定挑戰。(4) 特異性高的靶向配體是發揮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臨床應用的關鍵之一。總體而言,225Ac產量不足是限制225Ac放射性藥物臨床應用的最主要難題。目前,提高225Ac產量最有前景的方法之一是用高能(>70 MeV)質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產生。雖然,225Ac作為治療藥物應用于臨床治療仍存在諸多挑戰,但中國科學院近代物理研究所基于20世紀80年代開始積淀的同位素生產技術,積極利用加速器探索α核素生產與分離的技術創新。2020年以來,中國科學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225Ac奠定了技術基礎。由中國科學院近代物理研究所牽頭建設的加速器驅動嬗變研究裝置(CiADS)和甘肅省同位素實驗室,將在近幾年實現利用強流質子束輻照釷靶生產225Ac。隨著核技術和生物醫學技術的不斷進步,相信在不久的將來,國產化的225Ac治療藥物將發揮重要作用,成為克服癌癥的良藥。