厦门大学刘刚、毛景松AFM：辐射诱导“C-H”键活化绿色合成工程化放射性微球用于动脉内近距离内照射治疗肝癌

肝细胞癌（Hepatocellular carcinoma，HCC）由于其较高的发病率和致死率、隐匿性和侵袭性等特点一直是恶性肿瘤治疗领域的一大难题，严重威胁人类生命健康。HCC是全球第五大常见恶性肿瘤，每年有超过50万例新发病例，是全球肿瘤相关死亡的第二大原因，并且全球HCC负担不断增加，大约有 72%的HCC发生在亚洲，中国占全球肝癌发病率近50%。到2040年，全球每年确诊肝癌以及因此死亡的人数预计将增长55%以上。目前，全球肝癌防治形势极其严峻，中国作为乙肝大国，是肝癌发病重灾区，每年新发肝癌患者高达46.6万人，并且我国肝癌患者占全球50%以上，其中原发性肝癌是目前我国第2位肿瘤致死病因。由于肝癌生长具有隐匿性和侵袭性特点，以及潜在肝功能差的问题，只有10%的患者有条件接受肝段手术切除、消融和肝移植等治疗。我国肝癌患者就诊时约80%已属中晚期，失去了手术机会。根据WHO统计结果表明，癌症的治愈率为55%，其中外科手术贡献率为27%，放射治疗贡献率为22%，化疗和其他治疗贡献率仅为6%。据统计，近60%的肿瘤病人需要接受放射治疗，放疗主要利用穿透能力强的高能电离辐射直接离子化DNA分子或间接地与水作用产生大量具有细胞毒性的活性氧物质（Reactive oxygen species，ROS）来诱导DNA双链产生损伤，从而起到抑制肿瘤细胞增殖的作用。动脉内近距离内照射治疗，是通过数字减影血管造影仪（Digital subtraction angiography，DSA）介导肿瘤供血动脉进行超选注射放射性微球，药物利用率近90%，且不受耐药限制，不依赖靶点，能控制肿瘤进展、可降级降期，而且肿瘤内高剂量的短程β辐射形成的辐照野在一定范围内不会伤害附近健康的肝脏组织及其他主要器官，可以达到肿瘤精准治疗的目的。此外，国家八部委于2021年发布的《医用同位素中长期发展规划2021—2035》文件中明确指出我国需要在2025年之前突破放射性微球卡脖子技术研制出符合医用标准的90Y微球以满足国内肝癌治疗领域重大需求；且于2026—2030年开展166Ho微球小规模生产技术研究。因此，具有临床应用潜力且可工业化生产的新型放射性微球的设计和开发对满足我国肝癌临床治疗新技术的迫切需求具有重要意义。

近日，厦门大学刘刚教授、毛景松副主任医师、上海大学马红娟研究员联合报道了一种具有尺寸均一、粒径可控、球形度良好、较高的比表面积（1.5 m2/g）、亲水性良好、耐辐照性能优异、密度（1.11 g/mL）接近血液密度（1.05 g/mL）特性的新型177Lu标记聚磷酸胆碱基聚合物微球（177Lu-PCMs），可用于不可切除晚期肝癌的动脉内近距离内照射治疗（图1）。该研究首次结合EXAFS、DFT计算、IGMH模拟和MD计算技术手段阐明177Lu碱沉淀前与磷酸胆碱结合的配位机制：（1）利用第一性原理DFT计算揭示了在脂肪族和苯环C-H键上进行RIGP反应的合成机理（图2）；（2）通过EXAFS实验结合DFT计算研究了前期177Lu与磷酸胆碱基聚合物微球的配位机制为六配位模式；（3）随后利用IGMH计算量化了177Lu与配位O原子形成配位键的键强以及相互作用强度，进一步定量分析了177Lu-PCMs前期结合强度和配位键作用力；（4）MD计算阐释177Lu-PCMs的带电荷基团与水分子间氢键介导的水化层协同增强放射稳定性（图3）。

图1.采用单分散悬浮乳液聚合结合辐射接枝聚合技术规模化（kg级）制备177Lu-PCMs的合成工艺及其在肝癌诊疗中的应用研究示意图；177Lu-PCMs显示出较高的放射稳定性、优良的机械性能、耐辐照性能、良好的亲水性和可控的球体大小，可用于动脉内近距离内照射治疗的需要。在大鼠N1S1原位肝癌模型、兔VX2原位肝癌模型、正常猪肝段模型和离体的人肝癌组织中，证实177Lu-PCMs可作为一种放疗栓塞剂实现肝癌的有效诊断和治疗

图 2.基于第一性原理DFT计算的PCMs合成反应路径能量分布图；60Co γ-射线引发辐射接枝聚合反应通过断裂（A）脂肪族C-H键和（B）芳香族C-H键发生；水平虚线表示TS，相对能量(ΔE, eV)用黑色文字表示

图3.结合EXAFS、DFT、IGMH模拟和MD计算技术手段阐明177Lu与磷酸胆碱结合的配位机制。（a）Lu-PCMs的LIII边EXAFS光谱图；（b）Lu-PCMs的k3加权EXAFS信号小波变换图；（c）Lu-PCMs的LIII边k3加权EXAFS光谱（黑线）和最佳理论拟合曲线（红色虚线）；（d）对应的k3加权EXAFS光谱傅里叶变换图；R空间中Lu-PCMs的EXAFS实验数据（黑线）和拟合数据（红色虚线）；（e）在B3LYP/SDD/6-31G(d,p)理论水平上进行几何优化后得到的Lu与磷酸胆碱基团复合物的化学结构。以Å为单位的配位键键距已与化学结构一起列出；（f）Lu-PCMs（构型-B）的IGMH图；VMD渲染IGMH定量分析数据以获得配体与Lu相互作用强度的可视化图像；与Lu-O相互作用对应的键临界点和键路径也显示在IGMH图像中；（g） 浸没在开放水环境中的Lu-PCMs（构型-B）的MD模拟系统示意图；（h）水分子的空间密度分布函数，ρ，作为平均坐标分量和的函数；在xy平面上投影的水分子的Lu和O原子之间的距离被用作色条

体内外生物学实验验证了177Lu-PCMs具有良好的物理化学稳定性和细胞相容性以及血液相容性，兔肾脏栓塞模型验证了PCMs在组织中保持了完整的物理结构，不受注射方式、体内环境和沉积时间的影响。177Lu-PCMs在25 kg猪靶肝段栓塞模型和兔VX2肝脏肿瘤模型中表现出良好的体内放射性稳定性和生物安全性(图4)。值得注意的是，SPECT/CT影像结果表明177Lu-PCMs可作为TARE诊疗啮齿类动物和离体人肝癌组织的显像剂。此外，大鼠N1S1原位肝癌模型和兔VX2原位肝癌模型同时验证了177Lu-PCMs具有优异的抗肿瘤效果，可促使肿瘤坏液化和坏死，且促进了肿瘤微环境的免疫激活，引起机体免疫应答，归因于兔VX2原位肝肿瘤局部微环境中T细胞浸润及CD8+T细胞分化。离体人肝癌组织治疗效果验证了177Lu-PCMs具有较大临床转化潜力（图5）。总之，177Lu-PCMs在DSA、SPECT/CT和MRI引导下可作为肝癌诊疗的一种放射性栓塞剂，肿瘤内照射放疗以及引起机体免疫应答治疗策略可为临床肝癌诊疗一体化提供一定的理论基础和实验依据。

图4.177Lu-PCMs具有良好的物理化学稳定性和血管分布特性，兔肾脏栓塞模型验证了PCMs在组织中保持了完整的物理结构，不受注射方式、体内环境和沉积时间的影响。177Lu-PCMs在25 kg猪靶肝段栓塞模型中表现出良好的体内放射性稳定性和生物安全性。

图5.兔VX2原位肝癌诊疗效果及机体免疫激活。（a）兔VX2原位肝癌模型近距离内照射诊疗实验流程图；（b）在DSA引导下介入注射177LuCl3进行TARE治疗5 d后，兔VX2原位肝癌模型的SPECT/CT影像图（红色箭头表示177Lu的摄取位置）；（c）在DSA引导下介入注射177Lu-PCMs进行TARE治疗第5 d和第10 d，兔VX2原位肝癌模型的SPECT/CT影像图（红色箭头表示肿瘤的位置）;介入注射（d）177LuCl3、（e）PCMs和（f）177Lu-PCMs第0、5和10 d后，兔VX2原位肝癌模型的代表性磁共振影像图（黄色箭头表示肿瘤的位置）;（g-j）离体人肝癌组织177Lu-PCMs治疗效果。

来源：高分子科学前沿

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