本文档是一篇发表于《Russian Journal of Coordination Chemistry》2022年第48卷第11期的综述性文章。文章由来自俄罗斯联邦医疗生物局Burnazyan联邦医疗生物物理中心的V. B. Bubenshchikova和A. A. Larenkov撰写。文章标题为《用于放射性药物合成的锆-89螯合剂：现状与发展前景》。
本文旨在全面回顾和总结锆-89（⁸⁹Zr）放射性药物中螯合剂的研究现状、面临的挑战以及未来的发展方向。⁸⁹Zr是一种具有近乎理想核物理特性的正电子发射断层扫描（PET）核素，其较长的半衰期（78.42小时）使其特别适用于基于单克隆抗体（mAbs）等大分子载体、药代动力学缓慢的放射性药物的标记与成像，这一领域被称为免疫PET（immunoPET）。然而，⁸⁹Zr复杂的配位化学性质，如其倾向于形成组成和聚合度随pH和时间变化的多核物种，为其稳定螯合带来了巨大挑战。目前临床和临床前研究中最常用的螯合剂是去铁胺（Deferoxamine, DFO），但其形成的六齿配合物并非最稳定的八配位构型，导致体内（尤其在骨骼中）存在一定程度的⁸⁹Zr脱金属现象，可能影响成像准确性和辐射剂量评估。因此，开发新型、更稳定的⁸⁹Zr螯合剂是该领域的研究热点。本文综述了DFO的局限性，系统梳理了各类新型螯合剂（包括线性与环状羟肟酸盐、羟基吡啶酮类及其他类型螯合剂）的设计、合成、体外/体内稳定性评估等方面的最新进展，并对不同螯合剂的性能进行了比较分析。
一、 ⁸⁹Zr的核特性、生产及其在核医学中的应用价值 文章首先介绍了⁸⁹Zr的核物理特性：半衰期78.42小时，通过电子俘获（77.2%）和正电子发射（22.8%，Eβ⁺=902 keV）衰变。其较长的半衰期与单克隆抗体等大分子药物的体内分布时间相匹配，而较低的正电子能量有助于获得高分辨率的PET图像。目前，⁸⁹Zr主要通过质子辐照⁸⁹Y靶材的⁸⁹Y(p, n)⁸⁹Zr反应生产，并常通过固相萃取法以[⁸⁹Zr]Zr-草酸盐的形式分离纯化，这种形式是合成⁸⁹Zr-mAb放射性药物的常用前体。
二、 锆的配位化学特性与DFO作为“金标准”的局限性 锆（Zr⁴⁺）是硬路易斯酸，偏好与含氮、氧等硬碱基团配位，理想的配位数是8。其在水溶液中的化学行为非常复杂，易形成多核物种，这使得通过常规技术（如EXAFS、X射线衍射、水溶液电位滴定）研究其配合物变得困难。最初尝试使用EDTA、DTPA等经典螯合剂效果不佳。DFO作为一种天然的铁载体，含有三个羟肟酸基团，能与⁸⁹Zr形成稳定的六齿配合物，自1992年被报道用于⁸⁹Zr标记后，已成为临床应用的“金标准”螯合剂。其与抗体通过异硫氰酸苯酯（p-Bn-NCS）连接子进行偶联的方法已相对成熟。然而，DFO的主要缺陷在于其六齿配位模式与Zr⁴⁺的八配位倾向不匹配，导致形成的配合物在体内动力学稳定性不足，表现为⁸⁹Zr从配合物中解离并特异性沉积于骨骼（可达注射剂量的~10% ID/g），这不仅可能干扰诊断结果，也增加了骨髓的辐射剂量。这一根本性问题推动了新型、更稳定螯合剂的研发。
三、 新型螯合剂的研究进展与性能评估 文章的核心部分详细分类综述了多种新型⁸⁹Zr螯合剂。
1. 线性羟肟酸类螯合剂： 这类螯合剂主要是对DFO分子进行修饰，旨在提供更多的配位点以满足八配位需求。 * DFO* 和 DFOCyclo*：在DFO骨架上引入第四个羟肟酸基团，形成八齿配体。多项研究表明，基于DFO的⁸⁹Zr配合物在体外挑战实验（如在过量EDTA或DFO中孵育）中表现出比DFO配合物更高的稳定性。在体内实验中，DFO-抗体偶联物在骨骼中的非特异性摄取通常低于DFO偶联物，证明了其改进的体内稳定性。然而，DFO*的疏水性较强（logP较高），在标记抗体时需要更高浓度的有机溶剂（如DMSO），可能引起蛋白聚集。 * OxoDFO*：为了改善水溶性，在DFO*中引入了四个醚键桥。OxoDFO*具有更高的亲水性。研究表明，[⁸⁹Zr]Zr-oxoDFO*在过量DTPA存在下比[⁸⁹Zr]Zr-DFO更稳定。量子化学计算也表明其配合物具有很高的热力学稳定常数（logβ = 54.16）。 * 其他衍生物（DFO-O系列、DFOSq等）：通过引入醚键增加亲水性（DFO-O3），或使用方酰胺酯（DFOSqOEt）作为连接子以提高水溶性和偶联效率。体内研究显示，基于DFOSq的抗体偶联物在肝脏和骨骼中的摄取较低，肿瘤/背景组织比值较高。 * 4HMS：一种新型线性四羟肟酸螯合剂。其⁸⁹Zr配合物在过量DTPA和Fe³⁺存在下表现出比DFO配合物更高的稳定性。在小鼠体内，[⁸⁹Zr]Zr-4HMS显示出快速的血液清除和极低的骨骼摄取（24小时后仅为0.01 %ID/g），前景看好，但需要进一步的功能化研究和长期体内稳定性验证。 * 总结：总体而言，通过增加配位齿数（从六齿到八齿）和优化骨架亲水性，线性羟肟酸类螯合剂（尤其是DFO*及其衍生物）在改善⁸⁹Zr配合物体内外稳定性方面取得了显著进展，是目前最有希望替代DFO的候选者之一。
2. 环状羟肟酸类螯合剂： 这类螯合剂包括大环结构，如Fusarinine C (FSC)、其三乙酰化衍生物TAFC，以及设计合成的CTH36等。 * FSC/TAFC：天然存在的环状铁载体。研究表明，[⁸⁹Zr]Zr-TAFC和[⁸⁹Zr]Zr-FSC-肽偶联物在过量EDTA中比DFO配合物更稳定。体内分布显示其主要通过肾脏快速清除，骨骼摄取低。但FSC含有多个氨基，需要修饰以避免非特异性相互作用。 * CTH36：通过量子化学计算指导设计的大环四羟肟酸螯合剂。其⁸⁹Zr配合物在体外挑战实验中表现出高稳定性，计算得到的热力学稳定常数也很高（logβ = 52.84）。它已成功用于点击化学介导的肽标记。 * 挑战：环状螯合剂的成功高度依赖于环腔尺寸与Zr⁴⁺离子半径的匹配度。如果环尺寸不合适，会因空间位阻导致配合物稳定性下降。研究表明，某些环尺寸不匹配的环状螯合剂（C5, C6）及其开链类似物（L5, L6）形成的配合物稳定性甚至不如DFO。因此，与相对灵活的开链螯合剂相比，环状螯合剂的设计更具挑战性。
3. 羟基吡啶酮类螯合剂： 这类配体最初用于钚的促排，对四价金属离子有强亲和力。 * DFO-HOPO：将HOPO单元与DFO骨架结合的杂交配体。其⁸⁹Zr配合物在血清和EDTA/DFO溶液中非常稳定，并能从DFO配合物中高效置换⁸⁹Zr。体内显示快速清除和极低的骨骼摄取，但其高亲脂性导致肠道摄取较高。 * 3,4,3-(LI-1,2-HOPO)：一种高效的八齿HOPO配体。其⁸⁹Zr配合物在多种挑战条件下（血清、EDTA、竞争金属离子）均表现出比DFO配合物更高的稳定性，尤其是在Fe³⁺存在下。其抗体偶联物（[⁸⁹Zr]Zr-HOPO-Trastuzumab）在体内显示出比DFO偶联物更低的骨骼摄取和更高的肿瘤/骨骼比值。 * 其他HOPO衍生物（如3,2-HOPO, THPN, CP256/YM103）：尽管部分配合物在体外表现出高稳定性，但其抗体偶联物在体内却显示出比DFO更高的骨骼摄取，表明其动力学稳定性不足。例如，[⁸⁹Zr]Zr-YM103-Trastuzumab在7天后骨骼摄取高达25.9 %ID/g，而DFO对照组仅为6.5 %ID/g。作者认为，连接基团的引入可能破坏了配体的理想配位几何构型。 * 总结：HOPO类螯合剂对⁸⁹Zr具有很强的热力学亲和力，但将其转化为功能化、可用于抗体偶联的稳定螯合剂时，需要精心设计以避免因修饰而损害其配位性能和体内动力学稳定性。
4. 其他类型螯合剂： 文章还简要评述了与经典大环多胺配体（如DOTA、NOTA、PCTA、TRITA等）以及基于羟基间苯二甲酰亚胺（IAM）和羟基对苯二甲酰胺（TAM）的新型配体的配位研究。 * 大环多胺类（DOTA, NOTA等）：虽然[⁸⁹Zr]Zr-DOTA在体外表现出极高的稳定性（在1000倍过量EDTA中7天不变），但其形成需要高温加热（>70°C），这限制了其与热敏性抗体（如mAbs）的直接偶联标记策略。NOTA和PCTA能在更温和条件下与⁸⁹Zr配位，但研究表明它们可能形成双核配合物，且体内稳定性并不优于DFO。 * IAM与TAM系列：这些配体在体外挑战实验中可能表现优异，但体内实验往往显示较高的骨骼和/或肝脏摄取，表明其体内动力学稳定性不足，无法满足应用要求。
四、 螯合剂评估方法与关键考量因素 文章强调，评估⁸⁹Zr螯合剂不能仅依赖热力学稳定常数（logβ）。尽管热力学数据有助于初步筛选，但决定其能否应用于核医学的关键是动力学稳定性，即在复杂的生物体内环境中抵抗金属离子置换和蛋白质转螯合作用的能力。因此，一套综合的评估流程至关重要： 1. 体外稳定性挑战实验：包括在过量竞争性螯合剂（如EDTA、DFO）、过量竞争性金属离子（如Fe³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等）以及血清/血浆中孵育，监测配合物的完整性随时间的变化。 2. 体内生物分布研究：这是最关键的评估步骤。通过测量放射性在小鼠或大鼠各器官组织（特别是骨骼、肝脏、肾脏、血液和靶向肿瘤）中的摄取随时间的变化，直接评估配合物的体内稳定性。骨骼摄取是⁸⁹Zr从配合物中解离的敏感指标。 3. 标记条件：理想的螯合剂应能在近中性pH、室温或37°C的温和条件下与⁸⁹Zr快速、定量地形成配合物，以适应抗体等生物大分子的标记需求。 4. 偶联化学：螯合剂需要具备合适的生物正交连接基团（如异硫氰酸酯、NHS酯、点击化学基团等），以便高效、可控地与载体分子（抗体、肽段等）偶联，且偶联过程不影响其配位能力和生物活性。
五、 结论与展望 作者总结道，过去十年在⁸⁹Zr放射性药物化学领域取得了重大进展。尽管DFO仍是当前临床应用的“金标准”，但其体内不稳定性推动了大量新型螯合剂的开发。综合现有文献，DFO* 及其亲水性衍生物 OxoDFO* 是目前最具应用前景的候选者，它们在多项研究中显示出优于DFO的体内外稳定性。环状螯合剂CTH36和杂交配体DFO-HOPO也显示出潜力，但需要更多功能化和体内靶向研究。 开发“理想”⁸⁹Zr螯合剂的主要挑战在于其热力学稳定性与体内动力学稳定性之间的差异。许多在体外挑战中表现优异的配合物，在体内却因各种原因（如配体刚性、连接基团影响、代谢途径等）发生解离。因此，体内生物分布实验是不可或缺的最终验证环节。 目前，全球已有超过30项涉及⁸⁹Zr的临床试验正在进行或计划中。然而在俄罗斯，⁸⁹Zr放射性药物的开发仍处于早期阶段，面临⁸⁹Zr生产基础设施不足和新型放射性药物监管法规不明确等挑战。作者相信，随着核医学在精准医疗中的作用日益凸显，这些障碍将在不久的将来被克服。
六、 本文的价值与意义 本文是一篇非常全面和及时的综述，其价值体现在： 1. 系统性：文章不仅综述了DFO的局限性，还按照化学结构分类（线性羟肟酸、环状羟肟酸、羟基吡啶酮等），系统梳理了各类新型螯合剂的设计思路、合成方法、理化性质及生物学评价数据，为读者提供了一个清晰的研究全景图。 2. 批判性与指导性：文章不仅罗列成果，更注重分析和比较。它明确指出热力学稳定性与体内动力学稳定性的区别，强调了体内实验的决定性作用。通过对不同螯合剂性能的横向对比（常以表格形式呈现数据），为研究者选择和发展下一代螯合剂提供了宝贵的参考和明确的方向。 3. 前瞻性：文章在总结现有成果的基础上，指出了当前最有希望的候选螯合剂（DFO*, OxoDFO*），并分析了该领域面临的核心挑战与未来发展方向，对从事⁸⁹Zr放射性药物研发的科研人员具有重要的指导意义。 4. 信息详实：文中引用了大量原始研究数据（如稳定性百分比、骨骼摄取%ID/g、logP值等），并附有详细的参考文献，使得论述具有很高的可信度和参考价值。