發射俄歇電子核素靶向治療應用研究

論文類別:醫藥學論文 > 藥學論文
論文作者: 佚名
上傳時間:2005/12/18 9:58:00

  俄歇電子的細胞毒性作用及其在靶向内放射治療中的應用,特別是對125I及125I標記的碘苷(IUdR)的長期研究,使人们對這一領域的認識有了突破性進展。國际原子能機構(IAEA)於1976年啟動了國际合作攻關項目,以研究125I-UdR治療人類腫瘤的機制、可行性和實用價值[1]。J Nucl Med(美國)1996年增刊系统報道了這一領域的研究進展。


  一、發射俄歇電子的核素


  發射俄歇電子的核素很多,可分為3類[2]:①發射γ射線同時發射俄歇電子的有51Cr、67Ga、75Sr、80Brm、99Tcm、114Inm、


  115 Inm、123I、125I、193Ptm和195Ptm等;②發射α射線同時發射俄歇電子的有212Bi、211At和255Fm;③發射正電子同時發射俄歇電子的有73Se、94Tc和124I。


  二、俄歇電子的物理學特性


  放射性核素在電子俘獲或內轉換過程中有俄歇電子發射[2]。不同核素衰變發射的俄歇電子具有不同的能量,其中多數俄歇電子的能量为20~500 eV,生物組織內的射程為1~10 nm,线性能量轉換(LET)為10~25 keV/μm,屬高LET,與α粒子的LET接近[3]。如125I的衰變分為2步,第1步是電子俘獲,第2步是内轉換,在這2步過程中分别發射出等量的俄歇電子,共22个。而123I則首先通過電子俘獲發射11個俄歇電子,再通過同質異能转換發射γ光子。所以,125I每次衰變產生的俄歇電子數2倍於123I。其它放射性核素每次衰變產生的俄歇電子數:99Tcm為4個,111In为8個,201Tl为20個。125I發射的俄歇電子每次衰變的吸收劑量為0.74~100 Gy[2,3]。


  三、俄歇電子的細胞毒性機制


  1. 體外和體內、動物和人體大量實驗已經证實,發射俄歇電子核素标記載體參入S期細胞DNA,核素衰變發出的俄歇电子靠其高LET打斷DNA鏈,破坏細胞的遺傳物質,致死細胞。由于俄歇電子的射程極短(<10 nm),僅相當于6個堿基對的距離,所以核素衰變的位置就是打斷DNA的位置。這是俄歇電子最主要的作用機制[4]。


  2. 已發現用半胱胺(MEA)、VC等化學保護劑可以降低俄歇電子的細胞毒性,測定显示衰變點附近的OH、H、H3O+等自由基濃度高,隨著離衰變位置距離的增加而濃度降低。所以提出,俄歇電子的作用機制除破壞DNA的直接作用外,还應包括其電離作用引起自由基增加而產生的間接細胞毒性作用[3]。


  3. Beckmann等[5]进行125I-雌二醇(E)和人乳癌細胞株(MCF-7)的實驗結果表明,125I-E與染色體的雌激素受體結合,同樣可使染色體斷裂,致死細胞,提示受體配體結合沒有細胞周期依賴性問題。


  四、載體


  1. IUdR是研究最多、應用最廣泛的125I、123I和77Br的載體,胸腺嘧啶脱氧核苷(TdR)5位上的甲基被1個碘原子取代,就成为IUdR。在這一位置上的甲基與碘原子有相似的範得華力,所以TdR與IUdR的生物學行為極其相似[6]。用TdR或IUdR參入DNA研究細胞的增殖分裂和核酸代謝,已是十分成熟的技術。實驗結果表明,IUdR只能參入S期细胞的DNA。體外細胞培養IUdR極易參入細胞DNA,參入量與培养基中加入的IUdR濃度成正比。Sastry等[3]用V79細胞株,培養基中加入125I-UdR,培養18 h之後,測定細胞內的放射性是培養基中的1 800倍。用正常人W138和Hela細胞株進行實驗,並用米-孟方程計算出125I-UdR參入DNA的Vmax為4.424×10-18 mol/min,K=3.717×10-6 mol。還算得:如果在1個S期內所有的TdR都被125I-UdR置換,CHO細胞有6.6×10-12g DNA,6.1×109堿基對(bp),其中如果25%的bp為TdR,表明有1.525×109個125I-UdR分子在1個S期內參入DNA。如1个S期為7&nb sp;h,則125I-UdR參入DNA的速度为6.05×104 mol/s[7]。这從理論上證明,IUdR作為載体在內放射治療中有巨大的潛力。但IUdR存在一定的缺點:①細胞周期依賴性;②全身給藥會造成體內骨髓和上皮組織中增殖分裂活跃細胞的損傷,所以到目前為止僅為局部給藥[6-8]。


  2. 關於類固醇激素的研究主要集中於以雌激素为載體,與細胞染色體上的雌激素受體結合,靠受體介導的靶向作用,使核素到達染色体,發射俄歇電子破壞染色體,殺死細胞。乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌和子宮內膜癌等都富含雌激素受體,如每個人乳癌MCF-7細胞有500~2×104個雌激素受體。其優點是無细胞周期依賴性[4,5]。


  3. 生長因子為多肽類物質,能與染色體結合,其載體作用正在研究中[4]。


  4. 用發射俄歇電子的核素標記核苷酸鏈分為2種情況:一種是用反義鏈为載體,即載體核苷酸链的堿基序列與靶細胞DNA或RNA的某一段序列互補,在細胞的分裂增殖過程中,反義鏈就與其互補的DNA或RNA結合,形成雙螺旋結構。另一种情況是如靶序列由同一的嘌呤/嘧啶堿基對組成,在酸性pH條件下含多個嘧啶(C和T)的核苷酸鏈和在中性pH條件下含多個嘌呤(G和A)的核苷酸鏈能與靶序列結合,形成三螺旋結構,由所載核素發射俄歇电子打斷DNA[4]。


  5. Beckmann等[5]用125I標記單抗17-Ia造成人结腸癌細胞株染色體損傷;Harrison等[9]用125I-UdR-Ab復合物進行腫瘤治療,發現125I-UdR-Ab被靶細胞內吞後,被溶酶體酶水解,遊離出125I-UdR參入DNA。


  五、俄歇电子治療作用的亞細胞位置效应


  由於俄歇電子的射程很短,發射俄歇电子的核素分布在細胞的不同部位(不同的亞細胞結構),其產生的細胞毒性作用差别很大。研究工作證實,用125I標記伴刀豆球蛋白A,使其結合在CHO細胞的細胞膜上,毒性作用僅相似於低LET X線進行的外照射,或仅相當於3H或131I參入DNA發射β射線的微弱作用。當125I-UdR参入DNA時,會產生極高的細胞毒性[3]。Sastry等[3]的研究證明,以X線外照射作对照時,125I分布於胞漿內,相對生物效應(RBE)=1.3;若用125I-乙酰氨基碘化硫酸原黃素與DNA結合(不是參入,而是緊密結合,與DNA的距離仅幾個埃),RBE=4.8;用125I-UdR、123IUdR和77Br-UdR參入DNA,獲得同樣的RBE,均為7.9。在一般情況下,DNA對射線最為敏感,研究顯示DNA內不同區域對射線的敏感性不均勻[3]。用鼠睾丸模型進行動物體內研究,將125I-UdR、210Po-枸櫞酸和125I-HIPDM(一種腦灌註顯像劑)進行比較,它們的RBE分別為7.9±2.4、6.7±1.4和1.0。表明參入DNA的俄歇電子與210Po發射的5.3 MeV的α射線作用相近,由於125I-HIPDM分布於胞漿,故其RBE較低。以上是觀察致死精細胞為指標得出的結論。精子畸變是射线作用最敏感的指標。若仍以X線外照射為參照,精子畸變為觀察指標,則125I-UdR與210Po-枸櫞酸的RBE分別為60和250。这是因為俄歇電子射程小於1個細胞的直徑,α粒子射程為幾個細胞的距離,故α射線能殺死精細胞,還能使大量精細胞畸變。致畸與致死的RBE間有線性關系:RBEA=8.8(RBES)-5.3,RBEA是致畸RBE值,RBES是存活RBE值(代表致死作用)。Narra等[10]也發現RBE与參入DNA的125I量呈线性關系:RBE=1.0+7.4fd,其中fd=參入DNA的125I放射性/器官總放射性。采用131I做以上同樣实驗,結果表明不同的亚細胞分布對131I的細胞毒性作用無影響。用培養的單层UVW細胞進行實驗,则細胞存活率降至37%,培養基中所用125I-UdR為2.36 MBq/L,123I-UdR為9.75 MBq/L,131I-UdR為18.9 MBq/L[10]。要將CHO細胞存活率降至37%,如果用125I-UdR参入DNA,每個細胞僅需少于45次衰變,如125I附著於細胞膜上,則需要105次衰變,這一結果進一步證明俄歇電子細胞毒性對其亞細胞分布的依賴性。如每個細胞DNA參入200~500個125I-UdR,可殺死99%的S期細胞,但腫瘤组織中僅1 5%~50%腫瘤細胞處于S期,故多次治療才能取得更好效果[3,11]。


  六、臨床試驗


  國外已经將125I-UdR試用於人體內肿瘤治療,均是局部給药,例如瘤體直接註射、腔內灌註和局部動脈灌注等,取得了一定的療效。Mariani等[12]用125I-UdR對4例膀胱癌患者術前行腔內灌註,24 h後手術,測定切下的組織,有0.289%ID參入腫瘤組織,腫瘤组織/正常膀胱組織放射性比值為20。作者認為,125I-UdR的腔內灌註不適用於膀胱癌的治療,可能適合於術後殺伤殘留腫瘤細胞。Kassis等[13]將123I-UdR直接註入1例神經胶質瘤患者的腫瘤竈內,用顯像方法進行動力學研究,腫瘤部位放射性降至一半的時间為8.4 h,僅在胃和膀胱發現放射性,甲狀腺有一過性放射性分布。123I-UdR在病竈停留較長時間,表明有大量的123I-UdR參入腫瘤細胞。進入血液的123I-UdR,在肝臟脫碘,遊離碘濃聚到甲狀腺和胃。Mariani等[14]用123I-UdR 111~296 MBq,肝動脈插管灌註治療16例結腸癌肝轉移的病人,肿瘤攝取量為2%~17.6%ID,42 h后病竈仍保留有1.4%~11.1%ID。Macapinlac等[15,16]分別用185 MBq 125 I-UdR和370 MBq 131 I-UdR通過肝動脈灌注治療結腸癌肝轉移病人,并進行藥代動力學研究,腫瘤部位有125I-UdR的持續攝取,肝穿刺發現15%~50%的腫瘤細胞處於S期,故須多次給药。


  利用发射俄歇電子的核素治療腫瘤,主要是發揮俄歇電子的高LET和在生物組織中短射程的優點,達到提高療效,減少毒副作用的目的。發射俄歇電子的核素多伴有其他射線的發射,如γ射線、α射線和正電子。俄歇電子和α射線的治療作用相加,可望提高療效。γ射線和正电子可用於顯像,觀察放射性核素在病竈的濃聚及其在體內的代謝,還可对療效進行評價。研制能將發射俄歇電子的核素運載到盡可能靠近或者參入腫瘤細胞DNA的载體, 是利用俄歇電子腫瘤靶向治疗獲得成功的關鍵。反義寡聚核苷酸和多肽類物質作為核素載體的研究已顯示了良好的前景。

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參考文獻


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