关于¹⁷⁷Lu-放射性药物放射分解相关放射性化学纯度下降及所选淬灭剂有效性比较的研究报告
本报告旨在向中国科研工作者介绍由 Anton Larenkov 等人于2023年2月16日在《Molecules》期刊上发表的一项原创性研究。该研究深入探讨了治疗性放射性药物，特别是基于¹⁷⁷Lu（镥-177）的[¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617，在其合成与储存过程中因自身辐射引发的放射分解（radiolysis）问题，系统评估了影响其放射性化学纯度（radiochemical purity, RCP）的关键因素，并比较了多种自由基清除剂（淬灭剂）的稳定化效果。
一、 研究作者、机构及发表信息
本研究由 Anton Larenkov*、Iurii Mitrofanov、Ekaterina Pavlenko 和 Marat Rakhimov 共同完成，他们均来自俄罗斯联邦医学生物局所属的 Burnasyan 联邦医学生物物理中心国家研究中心。研究论文题为“Radiolysis-associated decrease in radiochemical purity of ¹⁷⁷Lu-radiopharmaceuticals and comparison of the effectiveness of selected quenchers against this process”，于2023年2月16日发表于《Molecules》期刊第28卷第4期。
二、 研究背景与目的
学术领域： 本研究属于核医学与放射性药物化学领域，聚焦于治疗性放射性药物的配方稳定性研究。
研究背景： ¹⁷⁷Lu因其适宜的核性质（发射β-粒子用于治疗，发射γ光子用于成像）和成熟的制备工艺，已成为靶向放射性核素治疗（targeted radionuclide therapy, TRT）中最有前景的核素之一。[¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617（Pluvicto™）和[¹⁷⁷Lu]Lu-DOTA-TATE（Lutathera®）等药物已获批准用于临床。然而，治疗性放射性药物通常使用高活度的放射性核素（如¹⁷⁷Lu临床剂量可达数GBq至数十GBq），这导致药物溶液在制备和储存期间会承受显著的辐射剂量。这种辐射主要引起水的放射分解，产生高反应活性的自由基（如·OH、e⁻aq、H·等），这些自由基会攻击并降解靶向分子（如PSMA-617），导致放射性化学纯度下降，从而影响药物的药代动力学、靶向特异性及最终疗效。因此，抑制放射分解、开发稳定的药物剂型是此类药物成功应用于临床的关键。
尽管已有研究探讨了使用乙醇、抗坏血酸、龙胆酸等淬灭剂来稳定放射性药物，但不同研究的结果存在显著差异，这归因于实验条件（如活度浓度、前体量、缓冲剂浓度、体积、分析方法等）的不统一。此外，对于放射分解过程与关键参数（如吸收剂量）之间的定量关系缺乏系统研究，使得难以预测和优化药物配方的稳定性。
研究目的： 本研究旨在以[¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617为模型，达成以下目标：1）系统研究放射分解导致的RCP下降随时间变化的规律；2）评估并量化关键参数（时间、核素活度、缓冲剂浓度、前体量、制备体积）对放射分解的影响；3）建立RCP与吸收剂量之间的定量关系模型；4）在统一条件下，比较一系列潜在淬灭剂（包括DMSA、半胱氨酸、龙胆酸、香兰素、甲硫氨酸、腺嘌呤等）在抑制放射分解方面的有效性，为治疗性放射性药物剂型的优化提供科学依据。
三、 详细研究流程与方法
本研究包含多个相互关联的实验流程，采用系统的体外实验方法。
1. [¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617的合成与基本表征： 研究首先建立了[¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617的合成方法。在典型的合成中，将特定活度的¹⁷⁷LuCl₃溶液与PSMA-617前体在特定体积（通常为1 mL）的醋酸钠缓冲液（pH 4.5）中混合，于95°C下反应30分钟。反应结束后，通过高效液相色谱（HPLC，文中使用了三种不同的方法）和薄层色谱（TLC，使用了三种不同的展开系统）对产物进行放射性化学纯度分析。研究特别指出，除了放射分解产物外，在高温合成条件下还会产生PSMA-617药效团（Glu-urea-Lys）环化形成的副产物（约占总活度的5-15%），在后续的RCP计算中对此进行了校正，以专注于评估放射分解的影响。
2. 放射分解动力学与关键参数评估： 这是研究的核心部分，通过设计一系列对照实验来探究不同变量对RCP的影响。 * 吸收剂量作为主导因素： 研究制备了具有相同化学组成但不同初始¹⁷⁷Lu活度（如430 MBq/mL至4.3 GBq/mL）的[¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617样品，并在室温下储存不同时间。定期取样，通过放射性HPLC监测RCP随时间的变化。同时，研究结合计算机模拟（使用Geant4工具包配合Penelope物理列表）和弗里克（Fricke）化学剂量法，计算了在不同样品体积（模拟标准注射小瓶几何形状）中，¹⁷⁷Lu衰变产生的吸收剂量（单位：Gy）。通过将RCP数据与计算得到的累积吸收剂量关联，而非单纯与时间关联，揭示了吸收剂量是影响RCP的关键物理因素。 * 前体（PSMA-617）量的影响： 在固定活度和体积的条件下，制备了含有不同量PSMA-617前体（如10 μg, 50 μg, 100 μg）的样品，监测其在储存期间RCP随吸收剂量的变化，评估前体浓度对辐射稳定性的保护作用。 * 样品体积（稀释效应）的影响： 制备总活度相同（780 MBq）但最终体积不同（1 mL vs. 5 mL）的样品，比较其RCP随时间（或等效吸收剂量）的下降速率，验证稀释是否能通过降低活度浓度来延长药物有效期。 * 缓冲剂（醋酸钠）浓度的影响： 在固定其他条件下，考察了不同浓度醋酸钠缓冲液（0.03 M 至 1.00 M）对[¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617放射分解稳定性的影响。同时，也评估了高浓度醋酸钠对标记反应动力学的影响（在不同温度和体积下）。 * 数据分析流程： 所有RCP数据均以均值±标准差表示（n=3）。使用统计方法（如p值）评估组间差异的显著性。通过曲线拟合（线性与指数拟合）分析RCP与吸收剂量之间的关系。
3. 淬灭剂有效性比较研究： 基于文献调研和分子特性，研究筛选了12种化合物作为潜在淬灭剂：DMSA（二巯基丁二酸）、半胱氨酸、龙胆酸、香兰素、甲硫氨酸、腺嘌呤、多贝斯酸、胸腺嘧啶、尿嘧啶、烟酰胺、葡甲胺和甘露醇。所有淬灭剂以相同的摩尔浓度（7.4 μM/mL）添加到[¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617的合成体系中（活度450 MBq，体积1 mL，前体100 μg，pH 4.5，醋酸钠0.03 M）。合成后，在室温下储存长达72小时，定期通过放射性HPLC测定RCP，比较各淬灭剂维持RCP的能力。 * 针对半胱氨酸沉淀问题的优化： 观察到含半胱氨酸的样品在储存过程中会形成不溶性的胱氨酸沉淀。为解决此问题，研究引入了金属螯合剂DMSA，利用其与半胱氨酸形成可溶性混合二硫化物的特性，评估了DMSA单独使用以及与半胱氨酸混合使用（不同摩尔比）的效果。 * 临床相关活度下的验证： 最终，在接近临床使用的条件下（7.4 GBq ¹⁷⁷Lu，体积2 mL），比较了最佳候选淬灭剂组合（半胱氨酸+DMSA）与目前常用淬灭剂（龙胆酸，5 mg）在维持高活度样品RCP方面的表现，并观察了样品的外观变化（如颜色、沉淀）。
四、 主要研究结果
1. 放射分解是导致RCP下降的主要原因，且RCP与吸收剂量呈指数关系。 在不添加任何淬灭剂的情况下，使用临床级高活度（如4.8 GBq）合成的[¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617，在合成结束时（EOS）的RCP即已低于可接受标准（<95%），可能低至约54%。放射性HPLC图谱显示产生了至少10种放射分解副产物。研究发现，RCP的下降与样品累积的吸收剂量密切相关，且符合指数衰减规律（RCP = RCP₀·e^(-Dκ)），其中D为吸收剂量，κ为剂量常数。线性近似仅在吸收剂量低于约0.75-0.80 kGy时成立。对于¹⁷⁷Lu，研究推导并评估了剂量系数ψ（Gy·mL·MBq⁻¹），用于估算给定活度浓度和体积下的吸收剂量。
2. 关键参数对放射分解的影响得以量化。 * 前体量： 增加前体（PSMA-617）的量可以提高药物的辐射稳定性，延长其有效期。这是因为更多的靶向分子可以“分摊”自由基攻击的概率。 * 样品体积/稀释： 在总活度不变的情况下，增加最终剂型的体积（即稀释活度浓度）可以显著延缓RCP的下降。例如，780 MBq活度分布在5 mL中的样品，24小时后的RCP（40.1%）远高于分布在1 mL中的样品（16.8%）。这直接印证了降低活度浓度可减少单位体积内的辐射剂量率。 * 缓冲剂浓度： 提高醋酸钠浓度可在一定程度上抑制放射分解。即使在1 M的高浓度下，对于高活度（5 GBq）样品，RCP下降仍然很快（6小时后降至43.2%），表明仅靠增加缓冲剂浓度不足以提供临床所需的长期稳定性，必须使用专用淬灭剂。
3. 多种淬灭剂的有效性得到系统评估与比较。 在12种测试的化合物中，半胱氨酸、龙胆酸和香兰素表现出最佳的辐射保护效果。储存72小时后，含这些物质的样品RCP仍保持在95%以上，显著优于其他淬灭剂（p < 0.01）。值得注意的是，在48小时时间点，半胱氨酸的效果略优于龙胆酸和香兰素。
4. 发现了半胱氨酸的局限性并提出了解决方案。 研究发现，半胱氨酸虽然有效，但在辐射作用下会迅速氧化形成不溶于水的胱氨酸沉淀，这不符合注射剂型的要求。引入DMSA后，问题得到解决。DMSA本身也是一种有效的淬灭剂，其与半胱氨酸的混合物（1:1摩尔比）在72小时后能保持最高的RCP（97.5%），且样品保持澄清无色，无沉淀产生。
5. 在临床活度下验证了优化配方的优越性。 在7.4 GBq的临床相关活度下，比较了“半胱氨酸+DMSA”混合物与单独使用龙胆酸（5 mg）的效果。结果显示，在储存6.5小时后，“半胱氨酸+DMSA”样品的RCP（96.3%）显著高于龙胆酸样品（93.9%）。此外，龙胆酸样品在储存一天后开始变为棕色（推测因其氧化产物所致），而“半胱氨酸+DMSA”样品在整个监测期（长达144小时）内保持无色澄清。这表明新提出的淬灭剂组合在维持高RCP和溶液外观稳定性方面均优于目前常用的单一龙胆酸稳定剂。
五、 研究结论与价值
本研究系统揭示了¹⁷⁷Lu放射性药物放射分解的基本规律，明确指出吸收剂量是导致其RCP下降的主导因素，并建立了RCP与吸收剂量之间的指数衰减模型。研究量化了前体量、样品体积、缓冲剂浓度等配方参数对稳定性的影响，为剂型优化提供了具体指导。最重要的是，研究通过严格的平行比较，筛选出半胱氨酸、龙胆酸、香兰素和DMSA等高效淬灭剂，并创新性地提出使用“半胱氨酸+DMSA”组合方案，有效解决了半胱氨酸的沉淀问题，在维持高RCP和溶液物理稳定性方面展现出优于当前临床常用方案（龙胆酸）的潜力。
科学价值： 本研究为理解治疗性放射性药物的辐射分解动力学提供了定量框架，建立的剂量-RCP关系模型可用于预测不同配方和储存条件下的药物稳定性。对多种淬灭剂的比较研究为自由基清除机制在放射性药物中的应用提供了新的实验数据。
应用价值： 研究成果可直接应用于[¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617及其他¹⁷⁷Lu标记治疗性放射性药物的配方开发与优化。提出的“半胱氨酸+DMSA”稳定剂方案有望延长药物的货架期，确保其在临床使用前保持高纯度和有效性，具有重要的转化医学前景。研究强调的缓冲剂浓度、前体量等因素对比较不同研究结果的重要性，也对未来相关领域的实验设计标准化具有指导意义。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的发现
研究还指出，在分析高活度¹⁷⁷Lu放射性药物的RCP时，需谨慎解读HPLC结果。研究发现某些放射分解产物在HPLC上的保留时间与游离的[¹⁷⁷Lu]Lu³⁺相似，但通过阳离子交换柱实验证实这些杂质并非解离的Lu³⁺。这一发现提醒科研人员和质控人员，在依赖HPLC进行放化纯度分析时，需要结合TLC等其他方法进行综合判断，以避免对标记效率或放射化学转化率产生误解。这一观察对于确保放射性药物质量控制的准确性具有重要价值。