发射俄歇电子核素靶向治疗应用研究
俄歇的细胞毒性作用及其在靶向内放射中的应用,特别是对125I及125I标记的碘苷(IUdR)的长期研究,使人们对这一领域的认识有了突破性进展。国际原子能机构(IAEA)于1976年启动了国际合作攻关项目,以研究125I-UdR治疗人类肿瘤的机制、可行性和实用价值［1］。J Nucl Med(美国)1996年增刊系统报道了这一领域的研究进展。
一、发射俄歇电子的核素
发射俄歇电子的核素很多，可分为3类［2］：①发射γ射线同时发射俄歇电子的有51Cr、67Ga、75Sr、80Brm、99Tcm、114Inm、
115 Inm、123I、125I、193Ptm和195Ptm等；②发射α射线同时发射俄歇电子的有212Bi、211At和255Fm；③发射正电子同时发射俄歇电子的有73Se、94Tc和124I。
二、俄歇电子的物特性
放射性核素在电子俘获或内转换过程中有俄歇电子发射［2］。不同核素衰变发射的俄歇电子具有不同的能量,其中多数俄歇电子的能量为20～500 eV,生物组织内的射程为1～10 nm,线性能量转换(LET)为10～25 keV/μm,属高LET,与α粒子的LET接近［3］。如125I的衰变分为2步,第1步是电子俘获,第2步是内转换,在这2步过程中分别发射出等量的俄歇电子,共22个。而123I则首先通过电子俘获发射11个俄歇电子,再通过同质异能转换发射γ光子。所以,125I每次衰变产生的俄歇电子数2倍于123I。其它放射性核素每次衰变产生的俄歇电子数:99Tcm为4个,111In为8个,201Tl为20个。125I发射的俄歇电子每次衰变的吸收剂量为0.74～100 Gy［2,3］。
三、俄歇电子的细胞毒性机制
1. 体外和体内、动物和人体大量实验已经证实,发射俄歇电子核素标记载体参入S期细胞DNA,核素衰变发出的俄歇电子靠其高LET打断DNA链,破坏细胞的遗传物质,致死细胞。由于俄歇电子的射程极短(＜10 nm),仅相当于6个碱基对的距离,所以核素衰变的位置就是打断DNA的位置。这是俄歇电子最主要的作用机制［4］。
2. 已发现用半胱胺(MEA)、VC等化学保护剂可以降低俄歇电子的细胞毒性,测定显示衰变点附近的OH、H、H3O+等自由基浓度高,随着离衰变位置距离的增加而浓度降低。所以提出,俄歇电子的作用机制除破坏DNA的直接作用外,还应包括其电离作用引起自由基增加而产生的间接细胞毒性作用［3］。
3. Beckmann等［5］进行125I-雌二醇(E)和人乳癌细胞株(MCF-7)的实验结果表明,125I-E与染色体的雌激素受体结合,同样可使染色体断裂,致死细胞,提示受体配体结合没有细胞周期依赖性问题。
四、载体
1. IUdR是研究最多、应用最广泛的125I、123I和77Br的载体,胸腺嘧啶脱氧核苷(TdR)5位上的甲基被1个碘原子取代,就成为IUdR。在这一位置上的甲基与碘原子有相似的范得华力,所以TdR与IUdR的生物学行为极其相似［6］。用TdR或IUdR参入DNA研究细胞的增殖分裂和核酸代谢,已是十分成熟的技术。实验结果表明,IUdR只能参入S期细胞的DNA。体外细胞培养IUdR极易参入细胞DNA,参入量与培养基中加入的IUdR浓度成正比。Sastry等［3］用V79细胞株,培养基中加入125I-UdR,培养18 h之后,测定细胞内的放射性是培养基中的1 800倍。用正常人W138和Hela细胞株进行实验,并用米-孟方程出125I-UdR参入DNA的Vmax为4.424×10-18 mol/min,K=3.717×10-6 mol。还算得：如果在1个S期内所有的TdR都被125I-UdR置换,CHO细胞有6.6×10-12g DNA,6.1×109碱基对(bp),其中如果25%的bp为TdR,表明有1.525×109个125I-UdR分子在1个S期内参入DNA。如1个S期为7&nb sp;h,则125I-UdR参入DNA的速度为6.05×104 mol/s［7］。这从理论上证明,IUdR作为载体在内放射治疗中有巨大的潜力。但IUdR存在一定的缺点：①细胞周期依赖性；②全身给药会造成体内骨髓和上皮组织中增殖分裂活跃细胞的损伤,所以到目前为止仅为局部给药［6-8］。
2. 关于类固醇激素的研究主要集中于以雌激素为载体,与细胞染色体上的雌激素受体结合,靠受体介导的靶向作用,使核素到达染色体,发射俄歇电子破坏染色体,杀死细胞。乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌和子宫内膜癌等都富含雌激素受体,如每个人乳癌MCF-7细胞有500～2×104个雌激素受体。其优点是无细胞周期依赖性［4,5］。
3. 生长因子为多肽类物质,能与染色体结合,其载体作用正在研究中［4］。
4. 用发射俄歇电子的核素标记核苷酸链分为2种情况：一种是用反义链为载体,即载体核苷酸链的碱基序列与靶细胞DNA或RNA的某一段序列互补,在细胞的分裂增殖过程中,反义链就与其互补的DNA或RNA结合,形成双螺旋结构。另一种情况是如靶序列由同一的嘌呤/嘧啶碱基对组成,在酸性pH条件下含多个嘧啶(C和T)的核苷酸链和在中性pH条件下含多个嘌呤(G和A)的核苷酸链能与靶序列结合,形成三螺旋结构,由所载核素发射俄歇电子打断DNA［4］。
5. Beckmann等［5］用125I标记单抗17-Ia造成人结肠癌细胞株染色体损伤；Harrison等［9］用125I-UdR-Ab复合物进行肿瘤治疗,发现125I-UdR-Ab被靶细胞内吞后,被溶酶体酶水解,游离出125I-UdR参入DNA。
五、俄歇电子治疗作用的亚细胞位置效应
由于俄歇电子的射程很短,发射俄歇电子的核素分布在细胞的不同部位(不同的亚细胞结构),其产生的细胞毒性作用差别很大。研究工作证实,用125I标记伴刀豆球蛋白A,使其结合在CHO细胞的细胞膜上,毒性作用仅相似于低LET X线进行的外照射,或仅相当于3H或131I参入DNA发射β射线的微弱作用。当125I-UdR参入DNA时,会产生极高的细胞毒性［3］。Sastry等［3］的研究证明，以X线外照射作对照时,125I分布于胞浆内,相对生物效应(RBE)=1.3；若用125I-乙酰氨基碘化硫酸原黄素与DNA结合(不是参入,而是紧密结合,与DNA的距离仅几个埃),RBE=4.8；用125I-UdR、123IUdR和77Br-UdR参入DNA,获得同样的RBE,均为7.9。在一般情况下,DNA对射线最为敏感,研究显示DNA内不同区域对射线的敏感性不均匀［3］。用鼠睾丸模型进行动物体内研究,将125I-UdR、210Po-枸橼酸和125I-HIPDM(一种脑灌注显像剂)进行比较,它们的RBE分别为7.9±2.4、6.7±1.4和1.0。表明参入DNA的俄歇电子与210Po发射的5.3 MeV的α射线作用相近,由于125I-HIPDM分布于胞浆,故其RBE较低。以上是观察致死精细胞为指标得出的结论。精子畸变是射线作用最敏感的指标。若仍以X线外照射为参照,精子畸变为观察指标,则125I-UdR与210Po-枸橼酸的RBE分别为60和250。这是因为俄歇电子射程小于1个细胞的直径,α粒子射程为几个细胞的距离,故α射线能杀死精细胞,还能使大量精细胞畸变。致畸与致死的RBE间有线性关系：RBEA=8.8(RBES)-5.3,RBEA是致畸RBE值,RBES是存活RBE值(代表致死作用)。Narra等［10］也发现RBE与参入DNA的125I量呈线性关系：RBE=1.0+7.4fd,其中fd=参入DNA的125I放射性/器官总放射性。采用131I做以上同样实验,结果表明不同的亚细胞分布对131I的细胞毒性作用无影响。用培养的单层UVW细胞进行实验,则细胞存活率降至37%,培养基中所用125I-UdR为2.36 MBq/L,123I-UdR为9.75 MBq/L,131I-UdR为18.9 MBq/L［10］。要将CHO细胞存活率降至37%,如果用125I-UdR参入DNA,每个细胞仅需少于45次衰变,如125I附着于细胞膜上,则需要105次衰变,这一结果进一步证明俄歇电子细胞毒性对其亚细胞分布的依赖性。如每个细胞DNA参入200～500个125I-UdR,可杀死99%的S期细胞,但肿瘤组织中仅1 5%～50%肿瘤细胞处于S期,故多次治疗才能取得更好效果［3,11］。
六、临床试验
国外已经将125I-UdR试用于人体内肿瘤治疗,均是局部给药,例如瘤体直接注射、腔内灌注和局部动脉灌注等,取得了一定的疗效。Mariani等［12］用125I-UdR对4例膀胱癌患者术前行腔内灌注,24 h后手术,测定切下的组织,有0.289%ID参入肿瘤组织,肿瘤组织/正常膀胱组织放射性比值为20。作者认为,125I-UdR的腔内灌注不适用于膀胱癌的治疗,可能适合于术后杀伤残留肿瘤细胞。Kassis等［13］将123I-UdR直接注入1例神经胶质瘤患者的肿瘤灶内,用显像方法进行动力学研究,肿瘤部位放射性降至一半的时间为8.4 h,仅在胃和膀胱发现放射性,甲状腺有一过性放射性分布。123I-UdR在病灶停留较长时间,表明有大量的123I-UdR参入肿瘤细胞。进入血液的123I-UdR,在肝脏脱碘,游离碘浓聚到甲状腺和胃。Mariani等［14］用123I-UdR 111～296 MBq,肝动脉插管灌注治疗16例结肠癌肝转移的病人,肿瘤摄取量为2%～17.6%ID,42 h后病灶仍保留有1.4%～11.1%ID。Macapinlac等［15,16］分别用185 MBq 125 I-UdR和370 MBq 131 I-UdR通过肝动脉灌注治疗结肠癌肝转移病人,并进行药代动力学研究,肿瘤部位有125I-UdR的持续摄取,肝穿刺发现15%～50%的肿瘤细胞处于S期,故须多次给药。
利用发射俄歇电子的核素治疗肿瘤,主要是发挥俄歇电子的高LET和在生物组织中短射程的优点,达到提高疗效,减少毒副作用的目的。发射俄歇电子的核素多伴有其他射线的发射,如γ射线、α射线和正电子。俄歇电子和α射线的治疗作用相加,可望提高疗效。γ射线和正电子可用于显像,观察放射性核素在病灶的浓聚及其在体内的代谢,还可对疗效进行评价。研制能将发射俄歇电子的核素运载到尽可能靠近或者参入肿瘤细胞DNA的载体, 是利用俄歇电子肿瘤靶向治疗获得成功的关键。反义寡聚核苷酸和多肽类物质作为核素载体的研究已显示了良好的前景。
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