利用回旋加速器生产206Bi，用于SPECT技术追踪体内铋放射性同位素的重新分布情况

《Applied Radiation and Isotopes》：Cyclotron production of 206Bi for SPECT tracing of bismuth radioisotopes’ redistribution in vivo.

　　爱德华多·阿卢西奥-萨尔杜伊|劳伦·E·韦纳|贾斯汀·J·杰弗里|尼古拉斯·P·莱维特|杰森·C·米克斯多夫|托德·E·巴恩哈特|雷尼尔·埃尔南德斯|乔纳森·W·恩格尔

•一种简单且可自动化的单柱萃取色谱法，用于206Pb/206Bi的放射化学分离。
•用于SPECT检测225Ac及212Pb子核在体内重新分布的高纯度206Bi制备。
•首次将206Bi作为SPECT成像放射性核素进行体内评估。
•高效回收与再利用富集后的206Pb靶材。

引言
近年来推出的放射性药物疗法依赖于能够发射β粒子的放射性核素，这类高能电子在组织中的穿透深度仅为几毫米。在比较研究中，由于α粒子具有更高的线性能量转移率，其效果往往优于发射α粒子的放射性核素（Lee, 2022）。然而，针对基于225Ac的靶向α疗法药物的临床研究显示存在长期的非靶向辐射毒性，这促使人们努力更深入地了解子核的重新分布情况（Kratochwil等，2021）。在可能的非靶向效应中，肾脏毒性与放射性铋的重新分布尤为相关，因为游离或弱结合状态的铋元素更容易在肾脏中积累。鉴于α粒子的传播路径较短（仅数个细胞直径），这些毒性被认为主要是由初始衰变后子核的重新分布所导致的（Kruijff等，2019）。发射α粒子的放射性核素通常具有较长的子核衰变链，而这些子核的反冲能量远大于分子结合能。当衰变事件打破母核与子核之间的结合后，子核可能会根据其元素生物化学特性，通过主动或被动方式从目标位置发生迁移，这一过程受细胞内化、亚细胞定位以及生物清除等因素影响。发射α粒子的子核的重新分布现象已被广泛研究（Jaggi等，2005），也有大量文献探讨了如何制备并研究相关衰变链中元素的化学类似物（Finn等，2005）。这一现象是目前正在研究用于临床应用的两种最具前景的靶向α疗法放射性核素——225Ac（半衰期=9.92天，100% α衰变）和212Pb（半衰期=10.63小时，100% β-衰变）——所面临的主要问题，其衰变链如图1所示。这两种元素的衰变链都包含铋系子核（212Bi，半衰期=60.55分钟，35.94% α衰变；213Bi，半衰期=45.61分钟，2.14% α衰变），它们虽然会发生α衰变，但很难被用于成像。尽管212Bi和213Bi能够发射伽马射线，理论上可以被探测到，但由于它们的半衰期较短、伽马射线发射特征不理想、成像时间窗口有限，以及可能干扰治疗效果，再加上给药活度方面的限制，使得它们难以用于大规模的放射性铋生物分布的纵向临床前研究。铋-206（半衰期=6.24天，100% EC+β+衰变）虽然具有多种适用于SPECT检测的伽马射线，但目前尚未有关于其在体内成像的报道。除了与225Ac和212Pb衰变链产生的子核的重新分布有关外，206Bi还可以作为研究基于铋的靶向α疗法（尤其是涉及213Bi的疗法）的生物分布的实用临床前成像替代物。另一种潜在的放射性铋成像核素是204Bi，但由于206Pb的丰度（24.1%）远高于204Pb（1.4%），且更容易获得富集的靶材，因此选择了206Bi。此外，204Bi也无法解决206Bi高能伽马射线发射所带来的SPECT成像限制问题。有一项研究（Russ等，1975）描述了放射性铋在大鼠体内的生物分布情况。与其他使用固体铋化合物的研究结果一致，腹腔注射206Bi柠檬酸盐会导致206Bi在肾脏中大量积累并长期滞留。值得注意的是，在给药24小时后，肾脏中的206Bi浓度比其他任何组织都要高出两个数量级。全身平面闪烁扫描也证实了这一现象，显示肾脏是唯一存在活性的部位。对肾脏的数字自显影结果显示，大部分残留的放射性物质集中在肾皮质，这与近端肾小管上皮对206Bi的吸收一致。重要的是，这项研究得出结论：肾脏能够轻易地吸收并排出“游离”或弱结合状态的206Bi，而与蛋白质结合的铋则形成一种清除速度极慢的固定组分。因此，虽然206Bi可用于研究放射性铋的定位与滞留情况，但若要将研究结果直接应用于半衰期较短的212Bi或213Bi，就必须考虑其生物吸收/清除动力学以及由其衰变链带来的其他影响。无需添加载体的、可用于SPECT成像的铋系放射性核素，将有助于实现放射性铋在体内生物分布的无创成像，从而为靶向α疗法药物的临床前优化提供支持，并帮助制定策略以减少放射性铋在非目标组织中的积累。206Bi的制备与分离面临着核反应与放射化学方面的双重挑战。回旋加速器可以通过206Pb(p,n)206Bi反应轻松制备206Bi，但关于如何从大量铅靶材中高效分离微量铋的报道却很少。历史上，从经过辐照的铅中分离铋系放射性核素需要采用多种步骤，包括选择性沉淀法（Choudhury等，2017；Fischer等，1993）、液液萃取法（Brown和Callahan，1975）、离子交换色谱法（van der Walt和Coetzee，1989），以及使用冠醚类树脂或三辛基磷氧化物（TOPO）等具有铅选择性功能的萃取色谱法（Henriksen和Hoff，1998；Horváth等，2022）。尽管这些方法有效，但往往需要多个处理步骤、大量的试剂以及较长的处理时间，因此不太适合常规的206Bi生产。基于二甘醇胺（DGA）配体的萃取色谱树脂在硝酸介质中对三价金属离子具有很强的亲和力，被广泛用于锕系元素和镧系元素的分离（Aluicio-Sarduy等，2019；Pourmand和Dauphas，2010）。近期有研究探索了在经过辐照的铅铋混合物中应用基于DGA的系统进行铅与铋的分离，表明该方法可能有助于放射性铋的分离（Choudhury等，2020；Pourmand和Dauphas，2010；Triskem International，2015）。不过，将其应用于从回旋加速器产生的206Bi中分离富集的铅靶材，还有待进一步系统研究。此前的研究主要描述的是通过用质子辐照天然铅靶材来制备206Bi，通常使用的质子能量超过12 MeV，以提高产率，但这样会产生多种铋系放射性核素的混合产物（Fischer等，1993；Horváth等，2022）。206Pb在自然界的丰度为24.1%，这一较高比例不仅降低了206Bi的产率，还会引发其他稳定铅同位素（尤其是204Pb，丰度为1.4%，以及207Pb，丰度为22.1%）的(p,n)核反应，从而导致放射性核素杂质的产生。此外，当质子能量超过11.63 MeV时，还会发生206Pb(p,2n)205Bi反应。205Bi的生成是不希望出现的，因为205Bi与206Bi共存时，由于两者具有不同的物理半衰期，会给准确的活性测定、SPECT校准以及定量图像分析带来困难。使用富集的206Pb靶材可以提高206Bi反应的放射化学产率，而采用较低的能量（低于12 MeV）进行辐照则可以减少不必要的放射性核素杂质。另外，由于富集的206Pb靶材成本更高且不如天然铅容易获得，因此高效回收与再利用靶材对于重复进行206Bi的生产而言至关重要。在本研究中，我们介绍了一种基于回旋加速器的206Bi生产方法，该方法使用经同位素富集的206Pb靶材，并结合基于支链型DGA树脂的简化单柱萃取色谱技术。该方法能够快速高效地实现铅与铋的分离，获得较高的放射化学产率，同时还能有效回收富集的靶材，为常规的206Bi生产提供了可行的途径。此外，我们还通过模型实验以及初步的体内成像研究，证明了206Bi作为SPECT成像放射性核素的可行性，为其在研究靶向α疗法中铋系子核的重新分布方面的应用奠定了基础。

材料与方法
本研究使用了Isoflex公司提供的经同位素富集的206Pb金属箔（206Pb含量为99.51%，204Pb含量为0.09%，207Pb含量为0.31%，208Pb含量为0.09%）。这些富集箔材的检测报告还说明了其中稳定铋元素的微量含量（10 ppm），以及其他相关的过渡金属杂质，如铝（3 ppm）、铜（3 ppm）和锌（90 ppm）。萃取色谱用树脂则由Eichrom公司提供，其为N,N,N’,N’-四-2-乙基己基二甘醇胺（支链型DGA）树脂。Fisher Chemical公司则提供了相关实验所需的其它试剂。

辐照与产率
要获得高纯度的206Bi，就必须使用富集的206Pb靶材。天然铅中206Pb的含量仅为24.1%，这不仅会降低206Bi的产率，还会因其他稳定铅同位素（如204Bi，半衰期=11.28小时，100% EC+β+衰变；207Pb，半衰期=31.55年，100% EC+β+衰变）的(p,n)核反应而产生放射性核素杂质。若使用富集靶材，原本为16 MeV的GE PETtrace质子能量需通过0.25毫米厚的铌箔降低至11.9 MeV才能实现有效的206Bi生成。

结论
本研究提出了一种高效且实用的206Bi制备与纯化方法，所得产品的放射化学纯度和化学纯度均很高，非常适合用于临床前研究。所开发的策略结合了用富集的206PbO靶材进行回旋加速器辐照，以及通过单柱萃取色谱法进行纯化，不仅能够获得较高的放射化学产率，还能有效回收富集的靶材。更重要的是，据我们所知，这是首次有研究对相关工作的贡献进行CRediT作者身份分类说明。

作者贡献
爱德华多·阿卢西奥-萨尔杜伊：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，研究工作，正式分析，数据整理，概念设计。
劳伦·E·韦纳：撰写——审阅与编辑，研究工作，数据整理。
雷尼尔·埃尔南德斯：撰写——审阅与编辑，监督工作，资源协调，项目管理，方法学设计，资金获取，正式分析，概念设计。
乔纳森·W·恩格尔：撰写——审阅与编辑，监督工作，资源协调，项目管理，方法学设计。

利益冲突声明
? 作者声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益/个人关系：
爱德华多·阿卢西奥·萨尔杜伊与RPTLabworks存在合作关系，具体形式包括咨询或顾问服务。
雷尼尔·埃尔南德斯与RPTLabworks存在合作关系，具体形式包括持有该公司股权或股票。
雷尼尔·埃尔南德斯与Archeus Technologies存在多重关系，包括就业关系、持有该公司股权或股票，以及获得该公司的资金资助。
乔纳森·恩格尔则声明存在其他相关关系。

致谢
本研究得到了威斯康星大学研究与研究生教育事务副校长办公室颁发的“研究前沿奖”的支持。作者们还要感谢威斯康星大学卡本癌症中心的中小动物成像与放射治疗实验室，该实验室的部分运营资金来自NIH/NCI的P30 CA014520资助项目。