发射俄歇电子核素靶向治疗应用研究俄歇电子的细胞毒性作用及其在靶向内放射治疗中的应用,特别是对125I及125I标记的碘苷(IUdR)的长期研究,使人们对这一领域的认识有了打破性进展。国际原子能机构(IAEA)于1976年启动了国际合作攻关工程,以研究125I-UdR治疗人类肿瘤的机制、可行性和实用价值1。JNuled(美国)1996年增刊系统报道了这一领域的研究进展。一、发射俄歇电子的核素发射俄歇电子的核素很多，可分为3类2：发射射线同时发射俄歇电子的有51r、67Ga、75Sr、80Br、99T、114In、115In、123I、125I、193Pt和195Pt等；发射射线同时发射俄歇电子的有212Bi、211At和255F；发射正电子同时发射俄歇电子的有73Se、94T和124I。二、俄歇电子的物理学特性放射性核素在电子俘获或内转换过程中有俄歇电子发射2。不同核素衰变发射的俄歇电子具有不同的能量,其中多数俄歇电子的能量为20500eV,生物组织内的射程为110n,线性能量转换(LET)为1025keV/,属高LET,与粒子的LET接近3。如125I的衰变分为2步,第1步是电子俘获,第2步是内转换,在这2步过程中分别发射出等量的俄歇电子,共22个。而123I那么首先通过电子俘获发射11个俄歇电子,再通过同质异能转换发射光子。所以,125I每次衰变产生的俄歇电子数2倍于123I。其它放射性核素每次衰变产生的俄歇电子数:99T为4个,111In为8个,201Tl为20个。125I发射的俄歇电子每次衰变的吸收剂量为0.74100Gy2,3。三、俄歇电子的细胞毒性机制1.体外和体内、动物和人体大量实验已经证实,发射俄歇电子核素标记载体参入S期细胞DNA,核素衰变发出的俄歇电子靠其高LET打断DNA链,破坏细胞的遗传物质,致死细胞。由于俄歇电子的射程极短(10n),仅相当于6个碱基对的间隔 ,所以核素衰变的位置就是打断DNA的位置。这是俄歇电子最主要的作用机制4。2.已发现用半胱胺(EA)、V等化学保护剂可以降低俄歇电子的细胞毒性,测定显示衰变点附近的H、H、H3+等自由基浓度高,随着离衰变位置间隔 的增加而浓度降低。所以提出,俄歇电子的作用机制除破坏DNA的直接作用外,还应包括其电离作用引起自由基增加而产生的间接细胞毒性作用3。3.Bekann等5进展125I-雌二醇(E)和人乳癌细胞株(F-7)的实验结果说明,125I-E与染色体的雌激素受体结合,同样可使染色体断裂,致死细胞,提示受体配体结合没有细胞周期依赖性问题。四、载体1.IUdR是研究最多、应用最广泛的125I、123I和77Br的载体,胸腺嘧啶脱氧核苷(TdR)5位上的甲基被1个碘原子取代,就成为IUdR。在这一位置上的甲基与碘原子有相似的范得华力,所以TdR与IUdR的生物学行为极其相似6。用TdR或IUdR参入DNA研究细胞的增殖分裂和核酸代谢,已是非常成熟的技术。实验结果说明,IUdR只能参入S期细胞的DNA。体外细胞培养IUdR极易参入细胞DNA,参入量与培养基中参加的IUdR浓度成正比。Sastry等3用V79细胞株,培养基中参加125I-UdR,培养18h之后,测定细胞内的放射性是培养基中的1800倍。用正常人138和Hela细胞株进展实验,并用米-孟方程计算出125I-UdR参入DNA的Vax为4.42410-18l/in,K=3.71710-6l。还算得：假如在1个S期内所有的TdR都被125I-UdR置换,H细胞有6.610-12gDNA,6.1109碱基对(bp),其中假如25%的bp为TdR,说明有1.525109个125I-UdR分子在1个S期内参入DNA。如1个S期为7h,那么125I-UdR参入DNA的速度为6.05104l/s7。这从理论上证明,IUdR作为载体在内放射治疗中有宏大的潜力。但IUdR存在一定的缺点：细胞周期依赖性；全身给药会造成体内骨髓和上皮组织中增殖分裂活泼细胞的损伤,所以到目前为止仅为部分给药6-8。2.关于类固醇激素的研究主要集中于以雌激素为载体,与细胞染色体上的雌激素受体结合,靠受体介导的靶向作用,使核素到达染色体,发射俄歇电子破坏染色体,杀死细胞。乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌和子宫内膜癌等都富含雌激素受体,如每个人乳癌F-7细胞有5002104个雌激素受体。其优点是无细胞周期依赖性4,5。3.生长因子为多肽类物质,能与染色体结合,其载体作用正在研究中4。4.用发射俄歇电子的核素标记核苷酸链分为2种情况：一种是用反义链为载体,即载体核苷酸链的碱基序列与靶细胞DNA或RNA的某一段序列互补,在细胞的分裂增殖过程中,反义链就与其互补的DNA或RNA结合,形成双螺旋构造。另一种情况是如靶序列由同一的嘌呤/嘧啶碱基对组成,在酸性pH条件下含多个嘧啶(和T)的核苷酸链和在中性pH条件下含多个嘌呤(G和A)的核苷酸链能与靶序列结合,形成三螺旋构造,由所载核素发射俄歇电子打断DNA4。5.Bekann等5用125I标记单抗17-Ia造成人结肠癌细胞株染色体损伤；Harrisn等9用125I-UdR-Ab复合物进展肿瘤治疗,发现125I-UdR-Ab被靶细胞内吞后,被溶酶体酶水解,游离出125I-UdR参入DNA。五、俄歇电子治疗作用的亚细胞位置效应由于俄歇电子的射程很短,发射俄歇电子的核素分布在细胞的不同部位(不同的亚细胞构造),其产生的细胞毒性作用差异很大。研究工作证实,用125I标记伴刀豆球蛋白A,使其结合在H细胞的细胞膜上,毒性作用仅相似于低LETX线进展的外照射,或仅相当于3H或131I参入DNA发射射线的微弱作用。当125I-UdR参入DNA时,会产生极高的细胞毒性3。Sastry等3的研究证明，以X线外照射作对照时,125I分布于胞浆内,相对生物效应(RBE)=1.3；假设用125I-乙酰氨基碘化硫酸原黄素与DNA结合(不是参入,而是严密结合,与DNA的间隔 仅几个埃),RBE=4.8；用125I-UdR、123IUdR和77Br-UdR参入DNA,获得同样的RBE,均为7.9。在一般情况下,DNA对射线最为敏感,研究显示DNA内不同区域对射线的敏感性不均匀3。用鼠睾丸模型进展动物体内研究,将125I-UdR、210P-枸橼酸和125I-HIPD(一种脑灌注显像剂)进展比拟,它们的RBE分别为7.92.4、6.71.4和1.0。说明参入DNA的俄歇电子与210P发射的5.3eV的射线作用相近,由于125I-HIPD分布于胞浆,故其RBE较低。以上是观察致死精细胞为指标得出的结论。精子畸变是射线作用最敏感的指标。假设仍以X线外照射为参照,精子畸变为观察指标,那么125I-UdR与210P-枸橼酸的RBE分别为60和250。这是因为俄歇电子射程小于1个细胞的直径,粒子射程为几个细胞的间隔 ,故射线能杀死精细胞,还能使大量精细胞畸变。致畸与致死的RBE间有线性关系：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也发现RBE与参入DNA的125I量呈线性关系：RBE=1.0+7.4fd,其中fd=参入DNA的125I放射性/器官总放射性。采用131I做以上同样实验,结果说明不同的亚细胞分布对131I的细胞毒性作用无影响。用培养的单层UV细胞进展实验,那么细胞存活率降至37%,培养基中所用125I-UdR为2.36Bq/L,123I-UdR为9.75Bq/L,131I-UdR为18.9Bq/L10。要将H细胞存活率降至37%,假如用125I-UdR参入DNA,每个细胞仅需少于45次衰变,如125I附着于细胞膜上,那么需要105次衰变,这一结果进一步证明俄歇电子细胞毒性对其亚细胞分布的依赖性。如每个细胞DNA参入200500个125I-UdR,可杀死99%的S期细胞,但肿瘤组织中仅15%50%肿瘤细胞处于S期,故屡次治疗才能获得更好效果3,11。六、临床试验国外已经将125I-UdR试用于人体内肿瘤治疗,均是部分给药,例如瘤体直接注射、腔内灌注和部分动脉灌注等,获得了一定的疗效。ariani等12用125I-UdR对4例膀胱癌患者术前行腔内灌注,24h后手术,测定切下的组织,有0.289%ID参入肿瘤组织,肿瘤组织/正常膀胱组织放射性比值为20。作者认为,125I-UdR的腔内灌注不适用于膀胱癌的治疗,可能合适于术后杀伤残留肿瘤细胞。Kassis等13将123I-UdR直接注入1例神经胶质瘤患者的肿瘤灶内,用显像方法进展动力学研究,肿瘤部位放射性降至一半的时间为8.4h,仅在胃和膀胱发现放射性,甲状腺有一过性放射性分布。123I-UdR在病灶停留较长时间,说明有大量的123I-UdR参入肿瘤细胞。进入血液的123I-UdR,在肝脏脱碘,游离碘浓聚到甲状腺和胃。ariani等14用123I-UdR111296Bq,肝动脉插管灌注治疗16例结肠癌肝转移的病人,肿瘤摄取量为2%17.6%ID,42h后病灶仍保存有1.4%11.1%ID。aapinla等15,16分别用185Bq125I-UdR和370Bq131I-UdR通过肝动脉灌注治疗结肠癌肝转移病人,并进展药代动力学研究,肿瘤部位有125I-UdR的持续摄取,肝穿刺发现15%50%的肿瘤细胞处于S期,故须屡次给药。利用发射俄歇电子的核素治疗肿瘤,主要是发挥俄歇电子的高LET和在生物组织中短射程的优点,到达进步疗效,减少毒副作用的目的。发射俄歇电子的核素多伴有其他射线的发射,如射线、射线和正电子。俄歇电子和射线的治疗作用相加,可望进步疗效。射线和正电子可用于显像,观察放射性核素在病灶的浓聚及其在体内的代谢,还可对疗效进展评价。研制能将发射俄歇电子的核素运载到尽可能靠近或者参入肿瘤细胞DNA的载体,是利用俄歇电子肿瘤靶向治疗获得成功的关键。反义寡聚核苷酸和多肽类物质作为核素载体的研究已显示了良好的前景。参考文献1IAEA.IAEAnsultantreprtn“radiatinbilgyfaugereittersandthEirtherapeutiappliatin.Vienna,Austria,1976.2StepanekJ,LarssnB,einreihR.Augereletrnspetrafradinulidesfrtherapyanddiagnstis.Atanlgia,1996,35:863-868.3SastryKSR.Bilgialeffetsfaugereitter125I.edPhysis,1992,19:1361-1370.4DnghueJA.Strategiesfrseletivetargetingfaugereletrneitterstturells.JNuled,1996,37Suppl:3-6.5Bekann,SharlA,RsinskyBJ,etal.BreakinDNAapanyestrgenreeptrediatedyttxiityfr16-125I-17-estradil.anerReslinnl,1993,119:207-214.6AdelsteinSJ,KassisAI,BaranskaKJ,etal.Ptentialfrturtherapyith125Ilabelediunglbulins.IntJRadApplInstruB,1991,18:43-44.7ShneideranH,ShneideranGS.Radiiddexyuridinei