成功进行了可视化各种元素分布的“放射化成像”期待迄今为止难以实现的药代动力学可视化等在诊断治疗中的应用发表要点
早稻田大学理工学术院的片冈淳教授等的研究小组是大阪大学放射线科学基础机构的丰岛厚史教授、该研究生院医学系研究科放射线综合医学讲座的加藤弘树副教授、角永悠一郎特任助教(常务) 医药分子成像学共同研究讲座的特任助教松永惠子(专职)、理化学研究所光量子工程研究中心的小林知洋专职研究员、若林泰生研究员、京都大学复合原子力科学研究所的高宫幸一(高宫幸一) 与冈山大学学术研究院医药学系的上田真史教授等人共同提出了可视化各种元素分布的创新手法“放射化成像”，并实证了其原理。 即使是之前无法可视化的药物，也可以从身体外部进行成像，作为诊断、治疗的新的可视化工具，有望得到广泛的应用。 本研究成果将于2022年11月7日(周一) (当地时间)在线版《Applied Physics Letters》，另外，相关论文也于2022年11月3日(周四) (当地时间)作为Corrected Proof刊登在《nuclear instruments and methods in physics research–section a》上。 【論文信息】
(1)雑誌名:应用物理学快报Applied Physics Letters
論文名:使用混合康普顿相机对药物进行激活成像:一项概念验证研究Activation imaging of drugs with hybrid Compton camera: A proof-of-concept study (2)雑誌名:物理研究中的核仪器和方法——A部分 論文名:激活成像:用宽带X射线和γ射线成像仪观察药物分布的新概念 (1)迄今为止的研究中了解到的事情“药物输送系统(以下简称DDS )”的开发目前正在全世界范围内进行，该系统在需要时将药物以需要的量送到病灶。 如果提高DDS的水平，就可以减少注射和吃药的次数，减少副作用。 另一方面，药物一旦进入体内，其动态就不清楚，很难“当场”确认药物是否按照目标到达病灶，或者是否正在进行目的治疗。 老鼠等小动物一般在药物上标记荧光色素进行成像，但可见和红外的荧光无法透过人体。 作为代替的方法，也提出了标识铁和钆等磁性体金属，用MRI (磁共振图像诊断)进行成像的方法。 在这种情况下，原本可以使用的元素就有限，需要从外部施加强力磁场，另外，在剂量较大的情况下，有可能产生毒性或副作用。 另外，核医学诊断中使用放射性( RI )药剂，由此产生的x射线和伽马射线通过SPECT (单光子放射断层摄影)或PET (正电子发射断层摄影)进行成像。 RI药剂具有即使超低浓度也可以从体外成像的优点，但存在可以使用的药剂进一步限定，另外成像装置昂贵，用途也有限，缺乏通用性的问题。 此外，使用SPECT或PET进行成像时，需要将特定的RI核素修饰为药物，可能会改变药物原本的性质和集聚状况。 表1总结了这三种方法的优缺点。
表1 :药物体内动态可视化各种方法比较 (2)在这次的研究中新想要实现的事情了解给药药物在身体内的何处聚集和移动，有助于诊断和治疗疾病，甚至是新药的研发。 在这次的研究中，我们以作为抗癌剂使用的顺铂、作为DDS载体而被期待的金纳米粒子和白金纳米粒子、作为造影剂使用的钆为样品。 这些药物不能直接成像。 因此，我们着眼于热中子与药物相撞后，一部分原子核会活化，发出高能量光即x射线伽马射线的“放射化”现象。 这里产生的x射线γ射线具有药物中所含元素固有的能量，并且在被称为半衰期的特征性时间尺度上衰减。 也就是说，我认为从能量和时间两个方面，可以高精度地可视化“什么”含有“多少”。 到目前为止进行的放射化分析中，仅使用光谱信息正确地鉴定ppm(ppm以浓度为单位为百万分之一)以下的极微量元素。 如果能在这里加入独特的成像技术，就能构建不仅能追踪药物种类，还能追踪空间分布的全新可视化技术。 例如，热中子照射抗癌剂之一的顺铂，会激活某些铂原子( Pt-196 )，生成将质量数增加1的Pt-197。 Pt-197不稳定，因此会发出77keV(keV为能量单位为千电子伏)的x射线，并在半衰期20小时内崩溃。 也就是说，通过对该x射线进行成像，应该可以在不重新修饰RI的情况下，可视化顺铂的体内动态。 另外，癌症周边的血管中存在着很多不正常存在的间隙。 纳米粒子的直径很小，只有几十纳米(纳米为10-9 m )，只在癌症周边穿过血管壁向组织中透过的性质( EPR效果:图1 )是众所周知的。 因此，如果在纳米粒子上修饰抗癌剂等药剂，有望作为有效的DDS载体发挥作用。 例如，用热中子辐射金纳米粒子时，金( Au-197 )的质量数增加1，制作Au-198。 Au-198由于不稳定，半衰期2.7天崩溃，在这个过程中发射412keV的伽马射线和961keV的β射线(电子) (图1 )。 如果能对这个伽马射线进行成像的话，就有可能从身体外部对抗癌剂等药物动态进行成像。 图1 :用热中子辐射金纳米粒子时的应用实例。 由于EPR效应，纳米粒子容易选择性地进入癌症，所以通过412keV伽马射线成像，可以确认药物向癌症传递的情况。 同时产生的β射线，有望对癌症产生杀伤效果。 像这样，“放射化成像”有望作为简单迅速地可视化迄今为止被视为困难的各种药物的新方法，但另一方面，每个元素释放出怎样的x射线和伽马射线却完全不同。 目前，核医学诊断中使用的SPECT仅为约300 keV以下的伽马射线，而PET仅为511keV的伽马射线的成像技术，因此可视化的药物种类有限。 也就是说，开发出用现有的可视化装置很难实现的、能够同时可视化高能x射线和伽马射线的新相机是必不可少的。 (3)新开发的方法和由此得到的实证结果首先，重要的是表明可以充分放射出不能直接成像的药物。 本研究利用理化学研究所的小型中子源系统RANS-II※2进行了热中子照射的预备实验，对每种药物所需的热中子的照射量和生成的核素进行了详细的调查。 接着，在强度更高的京都大学复合原子能科学研究所的研究用核反应堆( KUR※3 )进行了中子照射实验。 试样在渗透到滤纸中的状态下挥发，分别对金纳米粒子、顺铂、白金纳米粒子、造影剂之一的钆进行照射，获得了药物释放的x射线伽马射线光谱。 照射条件和试样的一例如表2所示，得到的光谱如图2所示。 测量使用了能量分辨率高的高纯度锗检测器。 可以确认，金纳米粒子在412keV、顺铂和白金纳米粒子在77 keV、Gadoteridol（中文钆特醇）在364keV出现较强的峰。 这个实验结果证实了药物被放射化了。
表2 :热中子辐射的药物样品
图2 :各种药剂的放射化光谱。 黑圈是用于图3的成像的、元素特有的x射线伽马射线。 接下来，为了掌握药物动力学，有必要用照相机捕捉药物是如何移动的。 为此，需要能够以高灵敏度对x射线·伽马射线进行成像的照相机，因为要准确且在短时间内拍摄药物的位置，并依次测定其位置。 为了使这些元素特有的x射线伽马射线可视化，我们尝试了使用独自开发的“混合康普顿相机※4”的成像。 数百keV以上的伽马射线将一部分能量传递给电子，自身发生向其他方向散射的被称为“康普顿散射”的反应。 康普顿相机通过“散射体”和“吸收体”同时准确求解电子和散射伽马射线，可以确定入射伽马射线的到达方向，但能量低的x射线无法成像。 混合康普顿相机是通过在散射体的中心开设3×3mm左右的针孔，可以一次拍摄几十千电子伏到几兆电子伏的装置。 如图3所示，对于所有药剂，在20分钟以内的短时间内成像成功。 通过在这些短时间内重复成像，可以掌握药物的移动。
图3 :中子辐射的各种药剂的伽玛射线图像。 用混合康普顿相机(※4 )拍摄 (4)研究的波及效果和社会影响一般来说，药物一旦进入身体，就很难追踪其动态。 如果能从身体外部简单地确认药物是否正确到达病灶，以及是否正在进行目标治疗，就能期待各种各样的展开。 此次提出的“放射化成像”与以往使用的(1)基于荧光色素(2) MRI (3) RI药剂的可视化的任何方法都不同。 硬而言，从使用X射线γ射线的成像观点来看，与(3)相似，但不需要SPECT或PET特殊的RI药剂的修饰，可以更加通用且直接地进行药物本身的动态成像。 特别是照射热中子时，反应前后原子的质量数增加+1(例如，上文提到了Pt-196变为Pt-197的例子和Au-197替代Au-198的例子)。 在这里，即使质量数增加，元素本身也是相同的这一点很重要。 因此，作为药剂的集聚状况不会改变，其元素本身就作为发出x射线伽马射线的示踪剂发挥作用。 此外，许多辐射过程不仅发射x射线和γ射线，还同时发射β射线，这是值得注意的事实。 例如，在前面提到的金纳米粒子中，通过辐射生成的Au-198中子过剩，在半衰期2.7天释放电子，试图转变为质子。 此时，与剩馀能量412keV的伽马射线一起发射961keV的β射线。 β射线对癌症的治疗效果备受期待，蕴藏着同时进行治疗诊断的两面性。 而且，纳米粒子通过EPR效应，作为各种药剂，特别是抗癌剂的载体，蕴藏着很多可能性。 例如，提出了在修饰了高分子化合物mPEG的金纳米粒子上标记作为α射线释放核素的阿司他丁( At-211 )。 在使用老鼠的实验中，有报告显示，通过传达给肿瘤的At-211，也就是阿尔法射线的强烈杀伤效果，肿瘤的生长被大幅抑制※5。 At-211也会产生x射线，但这是因为半衰期很短，只有7个小时，所以几天很难探索药物的体内动态。 因此，例如，如果能够在给药前放射一部分金纳米粒子，则可以通过金纳米粒子产生的伽马射线(半衰期2.7天)长期追踪药代动力学，且可以期待使用β射线的双重治疗效果(交叉效应) (图4 )。近年来，将治疗( Therapeutics )和诊断( Diagnostics )一体化的新医疗技术“selanostics”备受瞩目，从这个观点来看，这次的放射化成像也可以说是冲击很大的技术。 图4 :基于放射的金纳米粒子和阿司他汀开拓治疗诊断学 (5)今后的课题通过放射化进行的药物动态成像，虽然是极微量的，但前提是生成放射性药剂，向生物体内给药。 因此，条件是(1)半衰期短至几天左右，不会停留很久(2)不会因放射化而生成有害物质。 金纳米粒子和白金纳米粒子中，由于是单一元素(金和白金)的块，所以不用担心，但一般的药剂由各种元素构成。 例如，抗癌药物顺铂的化学式为[Pt(NH3 ) 2Cl2]，除铂外还包括氮、氢和氯。 在这种情况下，不一定只有目标元素(例如铂)会放射化。 另外，也有必要设想在放射化的过程中，由于原子核的反弹等，分子的化学键有可能会破坏。 例如，在图5中，我们对用高效液相色谱( HPLC )测定的顺铂的紫外-可见吸收光谱，在中子照射前后进行了比较。 强度最强的峰对应顺铂分子，其强度、位置都几乎没有变化。 另一方面，在其前后的极小的峰值中发现了差异，可以认为这是由于放射化而损坏的分子造成的影响。 这些多馀的副产物可以用HPLC去除，但今后将同时调查各种药剂的放射化导致的性质改变。
5 :热中子照射前(左)和照射后(右) HPLC的紫外―可见吸收光谱比较 (6)研究者评论在这次的研究中，我们将“中子撞击稳定的原子，增加一个质量数制造重原子”，将被称为“中子捕获”的反应应用于医疗，提出了新的药物动态可视化手法“放射成像”。 实际上，完全相同的反应是宇宙中元素合成的基础。 在我们身边，存在着约300种稳定的原子核。 原子序数26号的铁是在星星中的核聚变中生成的，但我们知道，比这更重的元素是在捕获一个个中子的同时，经过漫长的令人眼花缭乱的岁月生成的(因为它们的反应很慢，所以称为缓慢过程slow process或s-过程)。 另一方面，这次的主角金(原子序数79 )和白金(原子序数78 )等稀有金属，在那样的s-过程中是绝对不会被制作出来的，其起源也是个谜。 近年来，在恒星爆炸后最后剩下的中子星合并的特殊系统(千新星)中，虽然发现会产生引力波，但同时也有人指出，千新星通过快速中子捕获(称为rapid process或r-过程)，是稀有金属的有力生成现场。 这次，虽然是突然的想法，但是想到了在实验室水平上模仿宇宙的元素合成，可以在医疗领域展开新的技术。 希望您能感受到医疗和宇宙，其实是一个似乎很远很近的领域。 此外，要迅速可视化辐射产生的各种x射线伽马射线，需要高灵敏度、宽带宽的照相机。 本研究中使用的混合康普顿相机原本是为搭载卫星而开发的技术，在这里也实现了横跨不同领域的新型桥梁。 (7)术语解说※1从以下论文转载图像示例 荧光色素成像: Wang，D. et al. 2017，J. Am. Chem. Soc . MRI成像: Schleich，N. et al. 2014，J. Control Release RI成像: Simone，E. et al. 2012，Biomaterials ※2关于理研小型中子源系统RANS-II，请参照以下内容 https://www./press/2019/2019 11 18 _4/ index.html ※3关于京都大学复合原子能科学研究所的研究用核反应堆KUR，请参照以下内容 https://www.RRI.Kyoto-u.AC.jp/facilities/kur ※4关于混合康普顿相机，请参照以下内容 Omata et al. 2020，“performance demonstration of a hybrid compton camera with an active pinhole for wide-band x-ray and gamma-ray imagid DOI: 10.1038/s41598-020-71019-5 "可同时可视化x射线、伽马射线" https://www.wase da.jp/top/news/69935 ※5参考以下文献 Kato et al. 2021，“intratumoral administration of asta tine-211-labeled gold nanoparticle for alpha therapy”，journal of nano bioted DOI: 10.1186/s12951-021-00963-9 |
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