用锝-99m标记的胺官能化聚苯乙烯微塑料：一种用于环境和生物学研究的创新方法

《Applied Radiation and Isotopes》：Technetium-99m labelled amine-functionalized polystyrene microplastics: An innovative approach for environmental and biological studies

微塑料污染问题日益严峻，放射性标记技术为追踪研究提供新方法。本研究成功将锝-99m标记至氨基功能化聚苯乙烯微塑料（PS-NH2），标记效率达96.0±1.5%，并验证其体外稳定性（海水94%、鱼Ringer氏液94%、胃液83-86%），证实99mTc作为示踪剂不会改变微塑料的物理化学特性。

　　

迈克尔·邓肯·约霍（Michael Duncan Yoho）|亚武兹·汉·弗拉特（Yavuz Han F?rat）|阿伊费尔·尤尔特·克尔贾尔（Ayfer Yurt K?l?ar）|查格拉·普拉纳（?a?la Plana）|巴努·约霍（Banu Yoho）

埃杰大学（Ege University）核科学研究所，博尔诺瓦（Bornova），伊兹密尔（Izmir），35100，土耳其

摘要

全球污染问题已持续数十年，其中微塑料已成为最严重的污染物之一。除了对环境的直接影响外，最近在生物体内也检测到了微塑料，这引发了重大的健康和生态问题。准确的追踪方法对于评估这些影响并制定有效的缓解策略至关重要。在各种技术中，放射性标记具有独特优势，因为它能够以高灵敏度和空间精度追踪特定颗粒，并允许在生物组织深处进行检测。在这项研究中，使用锝-99m（^99mTc）成功地对市售的氨基功能化聚苯乙烯（PS）微塑料进行了放射性标记，生成了[^99mTc]Tc-NH₂-PS，标记效率达到了96.0 ± 1.5%。

放射性标记的微塑料在体外表现出较强的稳定性，在24小时内稳定性超过94%，而在鱼Ringer溶液和模拟海水中稳定性较低（约83-86%）。最后，Z平均水动力直径和ζ电位在放射性标记过程中没有显著变化，表明^99mTc是一种可靠的示踪剂，不会导致颗粒降解、聚集、交联或表面电荷密度的变化。这些结果表明[^99mTc]Tc-NH₂-PS为环境和生物系统中微塑料的定量追踪提供了一个实用、灵敏且多用途的放射性示踪平台。

引言

环境中的塑料污染水平日益增加，这是一个严重的问题（Guo等人，2021年）。微塑料（<5毫米）现在几乎存在于环境的每个部分，包括河流、海洋、污水管道、空气和土壤中（Arthur等人，2009年；Gasperi等人，2018年；Ferreira等人，2019年）。研究表明，塑料产量将大幅增加，每年大约会产生4亿吨塑料（Barra和Leonard，2018年）。微塑料引起的生态问题直接作用于生物体或进入食物链，产生滚雪球效应（Carbery等人，2018年）。在某些鱼类或甲壳类动物中，消化道中的塑料积累会导致营养吸收减少（Wright等人，2013年）。土壤中的微塑料或纳米塑料可以被植物吸收，并通过植物的导管传递到叶子、花朵甚至果实中（Li等人，2021年；Yu等人，2024年）。使用人类细胞模型的研究还表明，接触微塑料或纳米塑料也会导致细胞毒性、DNA损伤、氧化应激和炎症（Winiarska等人，2024年）。此外，如果微塑料通过吸入、摄入或皮肤接触在体内积累，可能会对免疫系统、神经系统和激素系统产生负面影响（Vethaak和Legler，2021年）。因此，微塑料对环境和人类健康构成了日益严重和紧迫的威胁，需要紧急的科学关注和创新性的监测方法。

由于上述问题，研究微塑料与生物系统相互作用的动态变得至关重要。目前最常用的方法之一是荧光染料。荧光染料有其优点和缺点。虽然荧光染料不会带来安全风险，但它们在进入特定环境后容易扩散，可能会影响对特定目标的精确标记并降低实验结果的效率（Burdziakowski等人，2021年）。在活细胞成像中，长时间的光照会导致光毒性和光漂白，限制了基于荧光的观察的持续时间和准确性（Waters，2009年）。另一方面，荧光染料通常价格便宜，易于在实验室环境中使用。此外，由于染色是可见的，可以快速进行视觉检测。例如，尼罗红（nile red）常用于微塑料监测研究（Sturm等人，2023年）。荧光染料还使得可以用钯等金属标记的分子进行荧光成像（Yan等人，2016年；Pekarik等人，2020年）。

最近，放射性标记技术作为追踪复杂生物和生态系统中微塑料和环境命运、生物分布及其相互作用的强大分析方法而受到越来越多的关注（Kein?nen等人，2021年；Schymura等人，2021年；Munir等人，2024年）。对于使用放射性同位素的研究，正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）成像具有非破坏性分析、高信噪比以及目标与标记物之间强共价或配位键的优点（Kein?nen等人，2021年）。在Munir等人的研究中，使用¹³¹I对PS微塑料进行了放射性标记（Munir等人，2024年）。¹³¹I的半衰期较长（8天），可能允许进行更长期的研究。然而，由于其高挥发性以及碘物种在甲状腺中积累的倾向，需要谨慎处理，因为这可能导致显著的辐射剂量和未来的健康问题（Suhariyono等人，2024年）。虽然医学研究中有时会使用¹³¹I并采用SPECT，但其相对较高的伽马能量（364 keV）需要特殊的准直器，并且产生的图像相对于其他低能量伽马射线（如^99mTc，141 keV）的灵敏度和空间分辨率较低（Van Gils等人，2016年）。在Kein?nen等人的研究中（2021年），使用⁸⁹Zr同位素对PS微塑料进行了放射性标记。⁸⁹Zr的半衰期为78.4小时，仍允许进行更长时间的研究。然而，897 keV的最大伽马射线能量对工作人员的安全构成威胁，必须通过适当的辐射安全程序来缓解（Deri等人，2013年）。表1总结了几种适用于微塑料环境示踪研究的放射性同位素的优点和缺点。

尽管放射性示踪剂具有高信噪比和非破坏性成像的潜力，但在环境示踪研究中使用它们存在实际限制。处理放射性材料需要许可的实验室设施、受过培训的人员以及遵守机构和国家的安全规定。这些要求可能限制了该技术的可访问性，相比之下荧光标记方法更为便捷。然而，通过标准化放射性标记协议、使用短寿命的放射性核素或发射较低能量伽马辐射的放射性核素（如^99mTc），以及与成熟的放射化学实验室合作，可以缓解这些限制。当遵循适当的安全程序和标准化协议时，放射性示踪方法可以提供高度敏感和定量的测量结果。

在本研究中，使用^99mTc作为放射性标记同位素来研究基于放射性示踪剂的PS微塑料追踪潜力。^99mTc是核医学中最常用的放射性核素（Mettler和Guiberteau，2006年）。^99mTc的半衰期约为6小时，伽马射线能量为140 keV，非常适合SPECT（Zaheer等人，2024年）。虽然较短的半衰期与更强烈的SPECT成像相关，但它将医学或环境研究的持续时间限制在大约24小时（4个半衰期）。^99mTc通常形成八面体几何结构的复合物，对氮、氧和硫等供体原子具有高亲和力，特别是在+3至+5的氧化态下（Schwochau，2000年）。

氨基功能化聚苯乙烯微塑料由含有悬挂在颗粒表面的伯胺（NH₂）基团的聚苯乙烯骨架组成。这些胺基团作为电子供体配体，能够通过氮供体原子与还原态的锝物种配位，从而形成表面结合的Tc复合物。这种相互作用主要是锝与氮的自由电子对之间的配位作用，而不仅仅是简单的离子结合。这种配位作用使锝能够稳定地附着在颗粒表面，这是含胺配体在放射药物化学中广泛利用的机制（Jurisson和Lydon，1999年；Mukiza等人，2018年）。关于使用^99mTc标记微塑料的研究较少。^99mTc作为环境示踪剂的潜在优势包括其适用于SPECT成像、化学稳定性以及在医院和研究机构中的广泛可用性。

本研究的主要目标是开发并验证一种使用^99mTc对氨基功能化聚苯乙烯微塑料进行放射性标记的方法（[^99mTc]Tc-NH₂-PS），以确定其作为环境污染研究示踪剂的可行性。为此，研究了放射性标记参数（聚苯乙烯质量、孵育时间和pH值）以优化产量，并评估了各种溶剂用于放射TLC分析的适用性。为了验证该方法，评估了标记是否改变了物理化学性质（水动力直径和ζ电位），并在标准化的环境相关介质（包括超纯水、模拟海水、鱼Ringer溶液和模拟胃液）中评估了放射性标记物的体外稳定性。

材料与方法

所有化学品均从标准商业供应商处购买，未经额外修改即可使用。除非另有说明，试剂均为分析级或药用级。Na[^99mTc]TcO₄是从土耳其伊兹密尔的Monrol公司提供的⁹⁹Mo/^99mTc发生器中新鲜洗脱的，该发生器由埃杰大学医学院核医学系提供。氨基功能化聚苯乙烯颗粒（NH₂-PS；直径约1微米）从美国伊利诺伊州Lake Forest的Spherotech公司购买。

放射性标记结果

放射性标记参数优化研究的结果见表2。对放射性标记产量影响最大的参数是pH值，轻微酸性和轻微碱性的pH值分别导致产量减少了约10%（标记前）。孵育时间超过15分钟并未增加产量（标记前），因此选择此时间以简化工作流程。标记前的PS质量在不确定性范围内吻合良好。建议

结论

本研究成功地对PS-NH₂（直径约1微米）进行了^99mTc的放射性标记。经过放射性标记参数优化后，实现了96.0 ± 1.5%的高标记产量。通过离心进行的质量控制证实了标记过程的稳健性。通过基于过滤的补充质量控制方法也确认了微塑料相关的活性，该方法产生了非常相似的产量（96.03 ± 0.26%），表明颗粒相关的活性并未

CRediT作者贡献声明

迈克尔·邓肯·约霍（Michael Duncan Yoho）：概念化、正式分析、资金获取、研究、方法论、项目管理、资源协调、监督、验证、撰写——审阅与编辑。亚武兹·汉·弗拉特（Yavuz Han F?rat）：概念化、研究、方法论、验证、撰写——初稿。阿伊费尔·尤尔特·克尔贾尔（Ayfer Yurt K?l?ar）：概念化、方法论、监督、可视化、撰写——审阅与编辑。查格拉·普拉纳（?a?la Plana）：研究、验证。巴努·约霍（Banu Yoho）：数据管理、研究、方法论

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

• 本工作得到了土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）的资助，合同编号为123Y397。

• 作者感谢Burcu Kaplan Türk?z博士提供的胃蛋白酶。