177Lu标记HEDP功能化锰取代磁赤铁矿纳米载体用于局部放射性核素治疗

《Pharmaceutics》：177Lu-Labeled HEDP-Functionalized Manganese-Substituted Maghemite Nanocarriers for Localized Radionuclide Therapy

　　

背景/目标：有效的瘤内放射性核素治疗需要能够实现稳定放射性核素配位和延长肿瘤滞留的纳米载体。将这些特性与高效的磁热性能整合于单一纳米平台仍具有挑战性，因为某一性能的优化可能会损害另一性能。本研究探讨了锰取代能否改善1-羟基亚乙基-1,1-二膦酸（HEDP）功能化磁赤铁矿纳米颗粒的磁热性能，同时保持其适用于放射性药物应用的特性。方法：研究人员评估了三种Mn_xFe_2?xO₃组成（x = 0、0.221和0.480）的结构和理化性质、胶体稳定性及磁热性能。研究人员对最具前景的锰取代配方和未取代参比制剂进行了¹⁷⁷Lu放射性标记、体外放射化学稳定性测试、全身成像、离体生物分布分析以及在4T1荷瘤小鼠中的治疗效果评估。结果：中等程度锰取代（x = 0.221）提供了磁热性能（比吸收率SAR = 360 W g^?1；固有损耗功率ILP = 5.65 nH m² kg^?1）与胶体稳定性的最佳组合。HEDP功能化实现了与¹⁷⁷Lu的直接放射性标记，标记产率为86–92%，在生理盐水和人血清中96小时后放射化学稳定性超过94%。瘤内给药后，定性全身成像显示两种纳米颗粒制剂在第5天和第14天均存在持续的肿瘤相关放射性。在第14天，[¹⁷⁷Lu]Lu-NP1和[¹⁷⁷Lu]Lu-NP2的肿瘤相关活性分别为91.68 ± 0.73%ID和84.53 ± 2.26%ID，而游离[¹⁷⁷Lu]LuCl₃仅为17.49 ± 8.06%ID。与生理盐水相比，两种纳米颗粒制剂均抑制了肿瘤生长，在治疗开始时肿瘤较小的动物中观察到更显著的反应和部分肿瘤消退。结论：中等程度锰取代改善了磁热性能和胶体稳定性，同时保持了¹⁷⁷Lu标记HEDP功能化纳米载体的放射化学稳定性、瘤内滞留和治疗效果。该纳米平台值得进一步研究其在瘤内¹⁷⁷Lu治疗及与磁热疗潜在整合方面的应用。

## 论文解读：锰取代策略协同HEDP功能化构建177Lu标记磁赤铁矿纳米平台用于局部放射性核素治疗

### 一、研究背景与科学问题

放射治疗仍是实体肿瘤治疗的重要支柱，但如何在向肿瘤递送足够高辐射剂量的同时保护周围健康组织，始终是临床面临的重大挑战。传统近距离放疗通过将密封放射源直接置于肿瘤内部或邻近区域实现高度局域化的剂量递送，但其有创操作和依赖精准植入的限制推动了可注射放射性标记纳米载体的发展。磁性氧化铁纳米颗粒因其良好的生物相容性和可调控的结构、磁学及表面性质而受到广泛关注，尤其是多核纳米花结构在交变磁场下可产生协同磁响应和高效产热。在此基础上，阳离子部分取代作为一种调控尖晶石铁氧化物磁性能的策略被引入，但现有研究多聚焦于磁热性能和磁共振成像性能的提升，对专用于局部放射性核素治疗的纳米颗粒体系关注不足。更为关键的是，在该类体系中，单一性能的优化可能损害其他性能——磁热性能必须与胶体稳定性、放射性核素配位能力、放射化学稳定性、生物学性能及瘤内滞留协同考量，而非孤立优化。

¹⁷⁷Lu因其适宜的半衰期（6.65 d）、中等能量β^?发射（平均射程670 μm、最大2 mm）和伴随γ发射（113 keV占6.4%，208 keV占11%）而成为局部放射性核素治疗的理想核素，其γ发射可用于治疗后显像和剂量测定。表面化学方面，1-羟基亚乙基-1,1-二膦酸（HEDP）的膦酸基团可与铁氧化物表面强结合，其氧供体原子可配位镧系放射性核素，从而同时充当表面配体和放射性金属配位位点，免除了额外双功能螯合剂的需求。然而，锰取代能否在保持放射性药物所需放射化学稳定性和生物学性能的同时改善HEDP功能化磁赤铁矿纳米颗粒的磁热性能，此前尚不清楚。本研究正是针对这一空白，系统评估了锰含量对纳米颗粒结构、理化性质、胶体稳定性及磁热性能的影响，并将最优配方与未取代参比制剂在¹⁷⁷Lu标记、放射化学稳定性、生物分布、瘤内滞留及4T1荷瘤小鼠治疗效果方面进行了对比。

### 二、研究设计与核心发现

研究人员合成了三种不同锰含量的Mn_xFe_2?xO₃纳米颗粒（x = 0、0.221和0.480），经HEDP表面功能化后系统表征其结构、胶体和磁热性能。基于理化表征结果，Mn_0.221Fe_1.779O₃@HEDP（NP2）在磁性性能和胶体性质之间展现出最优组合，被选为后续放射性标记和生物学评价的候选配方，γ-Fe₂O₃@HEDP（NP1）作为未取代参比制剂。研究结果表明，中等程度锰取代（x = 0.221）提供了磁热性能（SAR = 360 ± 2 W g^?1；ILP = 5.65 ± 0.04 nH m² kg^?1）与胶体稳定性的最佳平衡。HEDP功能化实现了两种纳米颗粒的高效直接¹⁷⁷Lu标记，标记产率分别为86.6 ± 2.1%和92.3 ± 2.5%，且在生理盐水和人血清中孵育96小时后放射化学纯度均保持在94%以上。体内研究方面，定性全身成像显示两种纳米制剂在第5天和第14天均表现出持续的肿瘤相关放射性；第14天的离体生物分布定量分析显示，[¹⁷⁷Lu]Lu-NP1和[¹⁷⁷Lu]Lu-NP2的肿瘤相关活性分别高达91.68 ± 0.73%ID和84.53 ± 2.26%ID，而游离[¹⁷⁷Lu]LuCl₃仅17.49 ± 8.06%ID，且在骨和肝中检测到较高放射性。在治疗效果方面，两种纳米制剂均显著抑制了肿瘤生长，尤其在小肿瘤组（45–75 mm³）中观察到明显的肿瘤生长抑制和部分肿瘤消退，而大肿瘤组（150–200 mm³）的肿瘤生长抑制效果相对有限。所有治疗组在整个观察期间均未出现明显的体重变化。

### 三、关键技术方法

研究人员采用改进的多元醇法合成了Mn_xFe_2?xO₃纳米颗粒，通过HEDP表面功能化实现膦酸基团修饰。元素组成采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定，晶体结构通过X射线粉末衍射（XRPD）表征，形貌通过透射电子显微镜（TEM）观察，表面官能团采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。胶体性质通过动态光散射（DLS）和zeta电位测量评估，磁热性能通过交变磁场下的量热测量计算比吸收率（SAR）和固有损耗功率（ILP）。放射性标记采用直接标记法，放射化学稳定性通过放射薄层色谱（radio-TLC）监测。体内研究使用BALB/c雌性小鼠（8–10周龄，购自贝尔格莱德生物研究所“Sini?a Stankovi?”）建立的4T1小鼠乳腺癌皮下移植瘤模型，进行全身成像、离体生物分布分析和治疗效果评估。

### 四、研究结果分述

**1. 结构与组成表征：** 通过ICP-OES确定实际锰含量分别为Mn_0.221Fe_1.779O₃和Mn_0.480Fe_1.520O₃，对应锰掺入效率为66.4%和72.1%。XRPD确认所有样品均为尖晶石结构，无二次结晶相，且(311)反射峰随锰含量增加向低角度系统位移，表明锰成功进入尖晶石晶格。平均晶粒尺寸从γ-Fe₂O₃的20.4 ± 0.8 nm降至锰取代样品的约15 nm。TEM显示多核纳米花形貌，但组织程度随组成而异。FTIR证实HEDP成功接枝于纳米颗粒表面，其特征性膦酸酯P–O伸缩振动出现在900–1150 cm^?1区域。

**2. 胶体性质：** DLS测定显示锰含量与水动力尺寸呈非线性关系——中等锰取代（x = 0.221）减小了水动力直径并收窄了粒径分布，而最高锰含量（x = 0.480）则使水动力直径增至约830 nm，表明发生了明显的二次颗粒团聚。HEDP功能化的效果高度依赖于纳米颗粒的初始胶体状态：对已良好分散的Mn_0.221Fe_1.779O₃影响甚微（65 ± 13 nm至63 ± 9 nm），但对易团聚的γ-Fe₂O₃（230 ± 70 nm至100 ± 20 nm）和Mn_0.480Fe_1.520O₃（830 ± 170 nm至95 ± 35 nm）产生了显著的分散效果。zeta电位测量显示HEDP功能化将等电点从约pH 7.6移至pH 1.3，生理pH下zeta电位从约+4.9 mV变为接近?40 mV，表明强静电稳定作用。

**3. 磁热性能：** 在H₀ = 200 Oe、f = 252 kHz条件下，Mn_0.221Fe_1.779O₃@HEDP在约60秒内达到治疗温度42 °C，SAR为360 ± 2 W g^?1，ILP为5.65 ± 0.04 nH m² kg^?1，显著高于γ-Fe₂O₃@HEDP和Mn_0.480Fe_1.520O₃@HEDP。该非单调依赖关系表明磁热性能受内在磁性能与胶体分散状态的共同调控，过度锰取代会因团聚诱导的集体磁行为改变而抵消组成调控的增益。

**4. 放射化学表征：** 直接标记法获得86.6 ± 2.1%（NP1）和92.3 ± 2.5%（NP2）的标记产率，证实HEDP层即使在锰取代后仍保持有效的放射性金属配位功能。体外稳定性研究中，两种制剂在生理盐水和人血清中37 °C孵育96小时后，游离¹⁷⁷Lu释放量极低（3.2–5.8%），放射化学纯度保持94%以上。该稳定性与HEDP以三齿配位模式通过两个膦酸基团的氧原子结合三价镧系离子的分子机制一致。

**5. 生物分布与瘤内滞留：** 全身成像显示纳米制剂在第5天和第14天均保持持续的肿瘤相关放射性，而游离[¹⁷⁷Lu]LuCl₃呈广泛全身分布。第14天离体定量分析确认[¹⁷⁷Lu]Lu-NP1和[¹⁷⁷Lu]Lu-NP2的肿瘤相关活性为91.68 ± 0.73%ID和84.53 ± 2.26%ID，非靶器官放射性水平低，而游离[¹⁷⁷Lu]LuCl₃组骨（28.35 ± 2.19%ID）和肝（29.97 ± 4.63%ID）放射性显著升高。锰取代未对生物分布特征产生明显影响。

**6. 治疗效果：** 在4T1乳腺肿瘤模型中，两种纳米制剂均较生理盐水对照组显著抑制肿瘤生长，且小肿瘤组的治疗反应更为明显，出现了部分肿瘤消退。游离[¹⁷⁷Lu]LuCl₃虽也抑制了肿瘤生长，但效果不及纳米制剂。所有组均未见明显体重变化。肿瘤大小依赖的治疗反应可能与较小肿瘤中更高的放射性浓度和更有利的瘤内分布有关。

### 五、总结与讨论

本研究通过组成工程与表面工程的协同设计，成功构建了兼具磁热功能与¹⁷⁷Lu标记功能的HEDP功能化磁性纳米平台。中等程度锰取代在不损害放射性药物性能的前提下改善了磁热性能和胶体稳定性，HEDP功能化则实现了高效直接放射性标记并保障了放射化学稳定性。经瘤内给药后，该纳米平台展现出优异的瘤内滞留和有限的非靶器官分布，并在14天观察期内有效抑制了肿瘤生长。研究结论指出，中等程度锰取代和HEDP功能化代表了基于磁性纳米颗粒的放射性药物开发的互补设计策略，该纳米平台为未来在相同实验模型中直接评估局部放射性核素治疗与磁热疗联合应用的临床前研究奠定了基础。研究人员同时指出，14天观察期的限制意味着该结果尚不能确立持久的肿瘤控制和生存获益；瘤内放射性核素的三维空间分布、吸收剂量与初始肿瘤体积间的定量关系仍需结合放射自显影和组织学分析的整合成像工作流进行验证；此外，血清和电解质介导的胶体稳定性、锰的长期安全性以及联合治疗潜能均有待后续系统研究。