用于纳米近距离放射治疗的放射性标记葡萄糖酸功能化羟基磷灰石纳米颗粒的快速一步法制备——实现便捷临床转化的工艺强化

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Rapid one-step formulation of radiolabeled glucuronic acid functionalized hydroxyapatite nanoparticles using cold kit for nanobrachytherapy - a process intensification for convenient clinical translation

　　

摘要

"纳米近距离放射治疗"作为一种新兴的癌症治疗途径正受到广泛关注。在为开发用于纳米近距离放射治疗的高效放射性标记无机生物材料而努力的过程中，我们报道了一种单瓶"冷试剂盒"的制备与评价，该试剂盒由葡萄糖醛酸功能化羟基磷灰石纳米颗粒（GAHAnp）组成，可使用多种具有颗粒物发射和广泛组织穿透范围的放射性治疗金属（¹⁷⁷Lu、¹⁶⁹Yb、¹⁶¹Tb、¹⁵³Sm 和 ⁹⁰Y）进行高效的一步法放射性标记。该方法允许在单一纳米平台上灵活选择适当的放射性金属以实现个性化治疗，并确保获得高放射性标记产率的可重复性。使用该冷试剂盒对所有放射性金属进行 GAHAnp 的放射性标记，放射性化学纯度均超过 99%。研究发现，冷试剂盒可在制造日期后长达六个月内用于制备放射性标记制剂。[¹⁷⁷Lu]Lu-GAHAnp 在动物模型中的临床前研究显示，该制剂在肿瘤中表现出优异的保留效果。同一制剂被注射入一位患有乳腺癌的女性患者的瘤内，并通过获取 SPECT 图像进行长达 24 小时的监测。结果显示，该制剂在肿瘤部位几乎完全保留。总体而言，本研究证明 GAHAnp 冷试剂盒可有效用于多种放射性金属的放射性标记，为递送局部放射治疗提供了多功能平台。

引言

癌症仍然是全球发病率和死亡率的主要原因之一，据估计 2022 年全球约有 2000 万新发癌症病例和约 970 万癌症相关死亡 [1]。这一令人震惊的负担凸显了对有效且个性化的治疗策略的迫切需求。传统的癌症治疗方法，如手术、化疗、免疫治疗和放射治疗，在提高患者生存率方面做出了重大贡献 [[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]]。在这方面，近距离放射治疗——一种将微小的密封电离辐射源永久性植入局部癌症附近的放射治疗类型——在治疗前列腺癌、宫颈癌和乳腺癌方面特别有效 [[11]，[12]，[13]，[14]]。然而，传统近距离放射治疗存在一些局限性，如难以实现均匀的剂量分布、对较深或难以到达区域的肿瘤治疗选择有限、需要手术植入种子以及处理放射性材料带来的挑战 [[15]，[16]，[17]]。所有这些局限性可以通过采用一种新兴的"纳米近距离放射治疗"程序来克服 [18,19]。在这种情况下，将均匀分散的放射性纳米制剂经瘤内注射给药，将细胞毒剂量均匀递送至病灶部位，同时保护周围健康组织。该方法无需通过手术介入来植入或给药放射性纳米载体。

在各种用于癌症管理的纳米颗粒类型中，羟基磷灰石纳米颗粒（HAnp）引起了广泛关注 [[20]，[21]，[22]，[23]]。羟基磷灰石（HA）是磷酸钙的一种天然存在的矿物形式，是骨骼和牙齿的主要无机成分。由于其生物相容性、骨传导性和生物可降解性，HA 已成为各种生物医学应用中一种极具吸引力的材料 [[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]]。此外，HA 纳米颗粒表现出对各种治疗药物（包括抗癌药物、蛋白质和放射性核素）优异的负载能力，使其成为癌症治疗的多功能载体 [21]。然而，HA 的团聚倾向限制了其在纳米医学领域的广泛应用 [30]。通过使用表面功能化的 HAnp 可以克服这一障碍 [31,32]。功能化 HA 纳米颗粒（HAnp）可增强 zeta 电位，从而改善颗粒的胶体稳定性 [31]。此外，有机部分通过减少功能化颗粒之间的空间位阻来防止凝固。一种这样的表面功能化剂是葡萄糖醛酸（GA），一种天然存在的单糖，由于其亲水性而常用于药物递送系统。用 GA 功能化 HA 纳米颗粒可增强纳米颗粒在生物流体中的胶体稳定性，并减少聚集的可能性 [33]。然而，这并不会赋予纳米制剂任何生物靶向优势。

纳米近距离放射治疗的一个关键方面是选择合适的放射性核素，将其掺入纳米颗粒基质中以在有限的肿瘤体积内递送细胞毒放射剂量 [34]。发射 β? 或俄歇电子的放射性核素尤其适用于此类应用，因为它们局部剂量沉积的范围与病灶尺寸高度匹配，从而最大限度地减少了对周围健康组织的照射。可用于纳米近距离放射治疗应用的强效放射性治疗金属及其衰变特性列于表 1 中。其中，⁹⁰Y [T_? = 2.67 d, E_β?(max) = 2280 keV] 发射高能 β? 粒子，具有较长的组织穿透范围，适用于治疗较大肿瘤体积。另一方面，中能量 β? 发射体如 ¹⁷⁷Lu [T_? = 6.64 d, E_β?(max) = 497 KeV] 和 ¹⁵³Sm [T_? = 1.95 d, E_β?(max) = 810 KeV] 提供相对较短的组织穿透范围，可有效治疗小到中等大小的病灶。相比之下，发射俄歇电子的放射性核素如 ¹⁶⁹Yb [T_? = 32.02 d] 和 ¹⁶¹Tb [T_? = 6.90 d，同时发射 β? 且 E_β?(max) = 460 KeV 以及俄歇 e^-] 在纳米至微米尺度范围内沉积电离辐射能量。这些特性使得这些放射性同位素在递送至细胞靶标附近时能够诱导高度局部化的辐射损伤。

GAHAnp 中的 HA 基质对这些放射性金属离子表现出强烈的亲和力，能够掺入具有不同辐射发射特性的放射性金属。因此，GAHAnp 在选择最适合治疗应用的放射性金属方面提供了灵活性。根据肿瘤体积和类型，可将所选放射性金属加载到 GAHAnp 的 HA 基质中并给药至病灶部位。该方法不仅确保了治疗性辐射的精确递送，还促进了高度个性化的治疗方案，从而增强了局部放射治疗的疗效。因此，GAHAnp 可作为多功能纳米平台，由通用载体组成，能够容纳具有广泛能量 β?/俄歇 e^- 且组织穿透深度范围广泛的多种放射性金属。

功能化 HAnp 的合成及其随后用各种放射性金属进行放射性标记以应用于癌症成像和治疗已有充分报道 [[30]，[31]，[32]，[33]]。最近，我们课题组证明了一锅法合成 GAHAnp，随后用 ¹⁶⁹Yb 进行放射性标记以生成 [¹⁶⁹Yb]Yb-GAHAnp 纳米制剂用于纳米近距离放射治疗应用 [35]。该制剂表现出优异的体内稳定性，在动物模型中观察到在肿瘤内几乎完全保留 [35]。尽管 [¹⁶⁹Yb]Yb-GAHAnp 等放射性标记纳米制剂在纳米近距离放射治疗中表现出令人振奋的临床前效果，但其常规临床转化仍面临挑战。大多数已报道的制剂需要多步纳米颗粒合成，并在给药前立即进行放射性标记，这要求专业人员、较长的制备时间和严格的无菌操作条件（在医院放射性药物制备设施中）。这些实际限制降低了可重复性，增加了人员的辐射暴露，并阻碍了广泛的临床采用。因此，迫切需要一种简单、即用的制剂，能够在保持局部放射性核素治疗所需物理化学特性的同时实现快速可靠的放射性标记 [36]。在本研究中，我们通过过程强化来应对这一挑战，开发了一种 GAHAnp 的即用型冷试剂盒制剂，旨在促进在繁忙的医院放射性药物制备环境中常规制备放射性标记的 GAHAnp 作为有效的纳米近距离放射治疗药物。通过系统的研究，我们证明该方法能够使用广泛的放射性治疗稀土金属和类稀土金属（如表 1 中列出的）快速、易于适应且可重复地制备放射性标记的功能化 HAnp。除了操作简便和减少制备时间外，这种策略还最大限度地降低了污染无菌的风险，提高了操作安全性。这些优势使冷试剂盒制剂方法成为高通量临床环境中高度合适的选择，在这种环境中，精确性、效率和可靠性至关重要 [34]。

总体而言，本工作代表了我们先前方法 [35] 的过程强化和转化进步，将多步纳米颗粒制备和放射性标记流程转化为简化的即用型冷试剂盒系统，该系统能够容纳多种治疗性放射性金属用于局部癌症治疗。在此，"过程强化"一词意味着将多步纳米颗粒制备和放射性标记工作流程简化为即用型冻干冷试剂盒系统，这体现在制备时间的缩短、批次间可重复性的提高，以及促进在医院放射性药物制备环境中进行无菌操作 [36]。冻干 GAHAnp 冷试剂盒的制备及其随后与前述放射性金属进行放射性标记以生成用于纳米近距离放射治疗的放射性标记纳米材料的示意图示于图 1。

各章节摘要

材料

硝酸钙四水合物、磷酸二氢铵（99.99% 纯度）、氢氧化钠、葡萄糖醛酸（均为光谱级，纯度 >99.99%）和盐酸（Suprapur?）购自印度 Merck 公司。本研究中使用的其他所有化学品均为分析级，除另有说明外，均购自知名制造商。本研究中使用的高纯度靶材料（>99.99% 化学纯度）用于放射性核素的生产，包括 Y₂O₃（天然同位素

冻干 GAHAnp 试剂盒的制备与表征

冻干 GAHAnp 试剂盒通过两步法制备，首先合成葡萄糖醛酸功能化的 HA 纳米颗粒，然后冻干分散在水相中的纳米颗粒。通过 XRD 和 FT-IR 分析对冻干 GAHAnp 固体饼进行了表征。通过 XRD（图 2A）确认了 HA 的形成，其中观测到的峰与 HA 的标准衍射图谱高度吻合 [39,40]。GA 对 HA 的掺入可通过

结论

总之，我们已成功配制了 GAHAnp 冷试剂盒，并评估了其作为各种放射性金属的通用载体平台用于纳米近距离放射治疗的效能。研究还证实了所开发的冻干 GAHAnp 试剂盒具有长达 6 个月的保质期，可用于临床领域。在荷 TNBC 肿瘤的 BALB/c 小鼠中进行的临床前研究显示，与

资金来源

本研究未从公共、商业或非营利部门的任何资助机构获得专项资助。

CRediT 作者贡献声明

Sourav Patra：撰写——初稿，调查，正式分析，数据整理。Shishukant Suman：调查，正式分析，数据整理。Priyalata Shetty：调查，数据整理。Ajit S. Shinto：方法论，正式分析，数据整理。Sudipta Chakraborty：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，正式分析，概念设计。

Sourav Patra|Shishukant Suman|Priyalata Shetty|Ajit S. Shinto|Sudipta Chakraborty

放射性药物部门，鲍勃·原子研究中心，孟买特罗姆贝，400085，印度