基于汞-197m/g治疗诊断对的Tetrathiol螯合剂开发及双同位素SPECT/CT定量成像平台构建

《EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry》：Quantitative dual-isotope preclinical SPECT/CT imaging and biodistribution of the mercury-197m/g theranostic pair with [197m/gHg]HgCl2 and a [197m/gHg]Hg-tetrathiol complex as a platform for radiopharmaceutical development

本研究针对汞-197m/g治疗诊断对在核医学应用中缺乏合适螯合剂和准确量化方法的难题，开发了Tetrathiol配体高效螯合197m/gHg2+，并建立了HgQuant定量分析工具和SPECT/CT成像流程。结果表明该复合物具有优异的体外稳定性和独特的体内药代动力学特征，空间分辨率达1.1 mm，为汞基治疗诊断药物研发提供了完整的化学和成像技术平台。

　　

在精准医疗时代，治疗诊断学（theranostics）作为核医学的新范式，通过使用化学性质相同的诊断和治疗性放射性核素，为实现癌症的个性化治疗带来了革命性希望。其中，能够发射俄歇电子（Auger electrons）的核素因其高线性能量转移和短组织穿透距离的特点，在靶向放射治疗中展现出独特优势。汞-197的两种核异构体——汞-197m（^197mHg，半衰期23.8小时）和汞-197g（^197gHg，半衰期64.14小时）——正是这样一种理想的治疗诊断对，它们不仅发射适合SPECT成像的光子，还释放出强效的俄歇电子和转换电子，理论上对单个靶细胞的剂量传递是临床常用核素铟-111的2-3倍。

然而，要将汞-197m/g的潜力转化为临床现实，研究人员面临着三大挑战：一是需要开发能够稳定螯合化学性质活泼的Hg²⁺离子的合适双功能螯合剂；二是需要建立准确量化这两种异构体的方法，特别是考虑到它们复杂的衰变关系（^197mHg有91.4%通过同质异能跃迁衰变为^197gHg）；三是需要验证它们在活体内的成像和治疗能力。此前虽有零星研究探索了汞-197m/g的SPECT成像可行性，但缺乏系统的定量验证和可靠的螯合策略。

在这项发表于《EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry》的研究中，加拿大西蒙菲莎大学和TRIUMF的研究团队开展了一项综合性工作，旨在同时突破汞-197m/g的螯合化学和定量成像技术瓶颈。他们选择了一种商业可得的硫醇富集配体——季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)(H₄Tetrathiol)作为模型系统，评估其螯合^197m/gHg²⁺的能力，并建立了一套完整的SPECT/CT成像和定量分析流程，为推进汞基治疗诊断药物的开发奠定了坚实基础。

研究人员主要应用了放射性标记化学、密度泛函理论计算、幻模体SPECT/CT成像和体内外生物分布评价等关键技术方法。研究使用了健康雄性C57BL/6小鼠（经加拿大动物护理委员会批准）进行实验，通过静脉注射方式给予放射性示踪剂，采用高纯度锗γ谱仪进行活度量化，并开发了Python工具HgQuant进行Bateman衰变校正。

结果

Tetrathiol与汞的高效配位化学

研究人员首先通过核磁共振波谱(NMR)和高分辨率质谱(HRMS)表征了天然汞(^natHg)与Tetrathiol配体的配位化学。结果显示，配体与Hg²⁺形成1:1的金属-配体复合物，所有四个硫醇基团均发生去质子化并与汞中心配位。密度泛函理论(DFT)计算表明，四配位复合物是最热力学稳定的构型，汞离子与四个硫原子以扭曲四面体几何结构配位。

4Tetrathiol配体及其Hg²⁺复合物的1H NMR谱图 (右)预测和实验获得的[Hg(HTetrathiol)]?高分辨率质谱'>

放射性标记效率与稳定性

放射性标记实验证明，Tetrathiol在极低配体浓度(10^-6M)和生理温度(37°C)下仍能实现高效标记(93±1%)，创下了目前报道的放射性汞标记中最低的配体-金属比记录。稳定性研究表明，[^197m/gHg]Hg-Tetrathiol复合物在血清中72小时内保持86±1%的完整性，在谷胱甘肽(GSH)和生物相关金属(Zn²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Mg²⁺和Co²⁺)存在下也表现出优异稳定性，但在过量HgCl₂存在下会发生金属-配体交换。

197m/gHg]Hg-Tetrathiol的体外稳定性测试'>

幻模体成像性能表征

通过点源、分辨率和均匀度幻模体实验，研究人员系统评估了^197mHg和^197gHg的SPECT成像性能。使用超高清灵敏度(XUHS)准直器时，两种同位素均能分辨直径≥1.1 mm的棒状结构，达到了临床前SPECT的高分辨率标准。定量图像质量指标显示，^197gHg在图像对比度和噪声抑制方面表现更佳，而^197mHg因散射较少在定量准确性方面更具优势。

均匀度幻模体实验证实了定量测量的时间一致性，拟合得到的半衰期(22.4±1.1小时 for ^197mHg，60.7±5.9小时 for ^197gHg)与物理半衰期高度一致，验证了衰减和散射校正的准确性。

体内生物分布与成像

体内实验显示，[^197m/gHg]Hg-Tetrathiol与未螯合的[^197m/gHg]HgCl₂具有截然不同的药代动力学特征。HgCl₂主要积聚于肾脏，而Hg-Tetrathiol则通过网状内皮系统(RES)快速清除，主要在肝脏和脾脏积累，这与其疏水性(logD_7.4=0.35±0.1)一致。SPECT/CT成像进一步证实了这一分布模式，并显示^197gHg的77 keV光峰因探测灵敏度更高而更适合体内定量成像。

讨论与结论

本研究成功建立了Tetrathiol作为放射性汞的高效螯合平台，实现了目前最低的配体-金属比标记条件，并验证了其优异的体外稳定性。研究人员开发的HgQuant工具有效解决了^197mHg和^197gHg衰变关系带来的量化难题，通过Bateman方程实现了时间分辨的活度校正。幻模体研究证实了双同位素SPECT成像的可行性，空间分辨率达到1.1 mm，为临床前应用提供了可靠的技术基准。

尽管Hg-Tetrathiol复合物表现出良好的化学和药代动力学特性，但其较高的疏水性导致的肝脾积累可能限制其在靶向放射药物中的应用。未来研究需要探索亲水性修饰或连接子策略来改善其生物分布特性。此外，开发可靠的放射性高效液相色谱分析方法对于明确放射化学物种和评估纯度至关重要。

这项工作的重要意义在于首次提供了汞-197m/g治疗诊断对的完整开发框架，从高效螯合化学到精确定量成像，为后续靶向汞基放射药物的开发奠定了方法学基础。通过解决螯合稳定性和同位素量化两大核心挑战，研究团队为推进这一有前景的治疗诊断对向临床应用转化提供了坚实的技术支撑。