关于177Lu放射性药物辐射分解相关放射化学纯度降低及所选淬灭剂效果比较研究的学术报告
一、 主要作者与发表信息 本研究由来自俄罗斯联邦医学生物局Burnasyan联邦医学生物物理中心国家研究中心的Anton Larenkov（通讯作者）、Iurii Mitrofanov、Ekaterina Pavlenko和Marat Rakhimov共同完成。该研究以题为《Radiolysis-associated decrease in radiochemical purity of 177Lu-radiopharmaceuticals and comparison of the effectiveness of selected quenchers against this process》的论文形式，于2023年2月16日发表在学术期刊《Molecules》上（2023, 28, 1884）。
二、 学术背景与研究目的 本研究隶属于放射性药物化学与核医学领域，具体聚焦于靶向放射性核素治疗（Targeted Radionuclide Therapy, TRT）用治疗性放射性药物的稳定性问题。以镥-177（177Lu）为代表的治疗性放射性核素因其优异的核性质及成熟的临床疗效，在癌症治疗中的应用日益广泛。然而，177Lu等发射β-粒子的核素在药物中衰变时产生的电离辐射会引发水溶液的辐射分解（Radiolysis），产生高活性的自由基（如•OH、e-aq等），这些自由基会攻击并降解药物中的靶向分子（如PSMA-617），导致其放射化学纯度（Radiochemical Purity, RCP）下降，从而可能影响药物的疗效与安全性，并限制其货架期。
尽管已有研究认识到辐射分解的危害，并尝试使用各种自由基清除剂（淬灭剂）如抗坏血酸、龙胆酸、乙醇等来稳定药物，但不同研究报道的结果存在显著差异。这些差异源于实验条件（如活性浓度、前体量、缓冲剂浓度、体积、分析方法）的不统一，使得难以系统比较和评估不同稳定策略的有效性。此外，对于辐射分解动力学与关键参数（如吸收剂量）之间的定量关系，尚缺乏深入和普适性的理解。
因此，本研究旨在以临床广泛应用的[177Lu]Lu-PSMA-617为例，系统性地研究辐射分解导致其RCP下降的规律。具体目标包括：1) 评估时间、放射性核素活度、缓冲剂浓度、前体量、制剂体积等参数对[177Lu]Lu-PSMA-617辐射分解的影响，并确定主导因素；2) 建立RCP与吸收剂量之间的定量关系模型；3) 通过计算机模拟和化学剂量学评估177Lu的剂量系数；4) 比较一系列候选淬灭剂（包括DMSA、半胱氨酸、龙胆酸、香兰素、甲硫氨酸、腺嘌呤、dobesilic酸、胸腺嘧啶、尿嘧啶、烟酰胺、葡甲胺和甘露醇）在抑制[177Lu]Lu-PSMA-617辐射分解方面的有效性，以期为优化治疗性放射性药物制剂配方、预测其稳定性提供科学依据和实用工具。
三、 详细研究流程与方法 本研究是一个系统的实验性研究，包含多个相互关联的步骤，流程如下：
1. 研究体系建立与基础表征： 研究以[177Lu]Lu-PSMA-617为模型药物。首先，研究人员建立了高效液相色谱（HPLC）和薄层色谱（TLC）分析方法，用于精确测定RCP。他们观察到，除了目标产物峰外，色谱图中还存在三类杂质峰：一类是由PSMA-617药效团Glu-C(O)-Lys在合成加热过程中热环化产生的副产物（约占5-15%），这类杂质在后续RCP计算中被扣除；另一类则是在储存过程中新出现的、至少10种以上的放射性化学杂质，被确认为辐射分解产物。
2. 辐射分解关键影响因素的系统评估： 这是本研究的核心实验部分，旨在量化不同变量对RCP下降的影响。 * 研究对象与样本量： 所有实验均以[177Lu]Lu-PSMA-617溶液为对象。每组实验条件（如不同活度、不同前体量等）通常设置3个平行样本（n=3），结果以均值±标准差表示。 * 实验设计与处理： * 吸收剂量的核心作用验证： 研究人员制备了具有相同组成（1 mL体积，100 μg PSMA-617，pH 4.5，0.03 M醋酸钠）但初始177Lu活度不同（430 MBq/mL至4.3 GBq/mL）的样品。在室温下储存不同时间后，通过HPLC监测其RCP随时间的变化。同时，他们使用Geant4（配合Penelope物理列表）软件模拟了特定几何（模拟ISO 8362-1:2018标准注射小瓶的圆柱体）下，177Lu在水溶液中产生的吸收剂量随时间、体积的变化。此外，还采用了弗里克（Fricke）化学剂量法进行实验验证。通过将不同活度样品在不同储存时间后的RCP数据，与根据模拟和计算得到的对应累积吸收剂量相关联，绘制了RCP随吸收剂量变化的曲线。 * 前体（PSMA-617）量的影响： 在固定活度（450 MBq）、体积（1 mL）和缓冲条件（pH 4.5，0.03 M醋酸钠）下，制备了含有不同量PSMA-617前体（10 μg， 50 μg， 100 μg）的[177Lu]Lu-PSMA-617样品，监测其在不同吸收剂量下的RCP变化。 * 样品体积（稀释效应）的影响： 制备了两组总活度相同（780 MBq）但最终体积不同的样品：一组为1 mL（高活度浓度），另一组用纯水稀释至5 mL（低活度浓度）。比较两者在相同储存时间内的RCP下降情况。 * 缓冲剂（醋酸钠）浓度的影响： 在固定活度（100 MBq）、体积（1 mL）和前体量（100 μg）下，制备了醋酸钠浓度从0.03 M到1.00 M不等的系列样品，监测其RCP随时间的变化。同时，也评估了高浓度醋酸钠（1 M）在高临床活度（5 GBq）条件下的短期稳定性。 * 合成条件优化验证： 为了排除高浓度缓冲剂可能对标记效率的负面影响，研究人员还在不同温度（70°C， 95°C）、不同反应体积（1 mL， 5 mL）和不同醋酸钠浓度（0.1 M， 0.5 M， 1.0 M）下进行了[177Lu]Lu-PSMA-617的标记动力学实验，确保在所有后续辐射分解研究中使用的合成条件都能实现高放射化学转化率。
3. 多种淬灭剂效果筛选与比较： * 筛选实验： 选择了12种具有潜在自由基清除能力的化合物（DMSA、半胱氨酸、龙胆酸、香兰素、甲硫氨酸、腺嘌呤、dobesilic酸、胸腺嘧啶、尿嘧啶、烟酰胺、葡甲胺、甘露醇）作为候选淬灭剂。为确保公平比较，所有淬灭剂的摩尔浓度保持一致（7.4 μM/mL），该浓度基于溶解度最低的化合物（腺嘌呤）的最大水溶性确定。在标准条件（1 mL体积， 450 MBq 177Lu， 100 μg PSMA-617， pH 4.5， 0.03 M醋酸钠）下合成[177Lu]Lu-PSMA-617，并在反应体系中分别添加等摩尔浓度的不同淬灭剂。合成后，在室温下储存长达72小时，定期取样通过HPLC测定RCP，评估各淬灭剂的保护效果。 * 深入优化与机制探究： 在筛选出高效淬灭剂（半胱氨酸、龙胆酸、香兰素）后，针对半胱氨酸在辐射作用下易氧化生成不溶性胱氨酸沉淀的问题，研究人员引入了meso-二巯基丁二酸（DMSA）。DMSA本身是一种金属螯合剂，并能与半胱氨酸/胱氨酸形成可溶性的混合二硫化物，理论上可防止沉淀。他们设计了实验，比较单独使用DMSA、半胱氨酸、龙胆酸，以及半胱氨酸与DMSA以不同摩尔比（1:1， 1:0.5）混合使用的效果。 * 临床相关活度下的最终验证： 为了模拟真实临床场景，研究人员在更高活度（7.4 GBq）和更大体积（2 mL）下，对比了两种稳定方案：一种是单独使用龙胆酸（5 mg， 32 μmol），这是文献中报道的常用方案；另一种是使用半胱氨酸（3.9 mg， 32 μmol）与DMSA（2.9 mg， 16 μmol）的混合物。监测了样品在144小时内的RCP变化，并观察了其物理外观（颜色、沉淀）。
4. 数据分析流程： 所有RCP数据均通过HPLC色谱峰的积分面积百分比计算，并扣除了热环化杂质的影响。数据以均值±标准差表示。使用统计方法（如t检验）评估不同组间结果的显著性差异（p值）。对于RCP与吸收剂量的关系，采用指数函数和线性函数进行拟合，并通过决定系数（R²）评估拟合优度。吸收剂量计算结合了蒙特卡洛模拟（Geant4）和理论公式推导。
四、 主要研究结果 1. 吸收剂量是决定RCP下降的主导因素，且呈指数依赖关系。 实验结果表明，在固定其他条件时，不同初始活度的[177Lu]Lu-PSMA-617样品，其RCP随时间下降的速率不同。然而，当将储存时间和活度（经衰变校正）换算为样品累积吸收剂量（D，单位Gy）后，所有数据点落在了一条共同的曲线上。这清晰证明，吸收剂量是影响RCP值的关键物理因素。研究进一步发现，RCP与吸收剂量之间并非简单的线性关系，而是指数衰减关系，符合公式：RCP = RCP0 · e^(-D·κ)。其中，RCP0是初始RCP，κ是剂量常数（Gy⁻¹），与PSMA-617的浓度有关。线性回归仅在吸收剂量低于约0.75-0.80 kGy的初始阶段近似成立。蒙特卡洛模拟显示，对于临床常见的7.4 GBq 177Lu活度，在1 mL样品中仅需约1.7小时即可累积1 kGy的吸收剂量，凸显了高活度浓缩制剂面临的严峻辐射分解挑战。
2. 其他制剂参数的影响。 * 前体量： 增加PSMA-617前体的量可以提高药物的辐射稳定性（即在相同吸收剂量下，RCP更高）。这是因为更多的靶向分子提供了更多的“靶点”，分散了自由基攻击的概率。然而，对于受体特异性药物，比活度（摩尔活度）是更关键的参数，前体量的选择需首先满足此要求。 * 样品体积（稀释）： 在总活度相同的情况下，增大制剂体积（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%）显著高于分布在1 mL中的样品（16.8%）。这归因于体积增大后，吸收剂量率降低。稀释是一种有效的辅助稳定策略，尤其适用于可转换为输注剂型的情况。 * 缓冲剂（醋酸钠）浓度： 增加醋酸钠浓度能在一定程度上抑制辐射分解。即使将浓度提高到1 M，对于高活度（5 GBq）样品，其保护作用仍然有限（6小时后RCP降至43.2%）。此外，高浓度醋酸钠在低温或大体积反应时可能降低标记效率。这一发现提示，在比较不同研究的稳定性数据时，必须考虑缓冲剂浓度的差异。
3. 色谱分析中一个关键方法学发现。 在分析经历辐射分解的样品时，HPLC色谱图中出现了一个保留时间约为1.1分钟的杂质峰，其面积随辐射分解加剧而增加，易被误判为未结合的[177Lu]Lu³⁺。然而，TLC分析并未检测到相应量的游离Lu³⁺。通过阳离子交换柱（CM柱）实验证实，该杂质并非游离的镥离子或其弱络合物，因为加入的游离Lu³⁺可被CM柱有效去除，而辐射分解样品中的该杂质则不能。这表明该杂质可能是辐射导致的PSMA-617分子断裂产物，但并非简单的脱金属产物。这一发现强调，在分析高活度177Lu药物时，需谨慎解读HPLC结果，并建议结合多种分析方法（如TLC）来准确评估RCP。
4. 淬灭剂筛选与评估结果。 在12种候选淬灭剂中，半胱氨酸、龙胆酸和香兰素表现出最优异的辐射保护效果。储存72小时后，含这三种物质的样品RCP仍保持在95%以上（分别为96.5%， 95.9%， 95.4%），显著优于其他物质（如甲硫氨酸、腺嘌呤等）。 然而，半胱氨酸存在一个严重缺陷：在储存过程中会迅速被辐射氧化，形成不溶于水的胱氨酸沉淀，这在注射用制剂中是不可接受的。 DMSA本身被发现是一种有效的淬灭剂。更重要的是，将DMSA与半胱氨酸联用，不仅保留了半胱氨酸优异的自由基清除能力，还通过形成可溶性的混合二硫化物，完全抑制了胱氨酸沉淀的生成。在72小时测试中，“半胱氨酸+DMSA (1:1)”组合的RCP高达97.5%，略优于单独使用半胱氨酸或龙胆酸。
5. 临床活度下的最终验证结果。 在7.4 GBq高活度条件下，对比“龙胆酸（5 mg）”方案和“半胱氨酸（3.9 mg）+ DMSA（2.9 mg）”方案： * RCP保持： 储存6.5小时后，“半胱氨酸+DMSA”组的RCP（96.3%）显著高于“龙胆酸”组（93.9%）。 * 制剂外观： “龙胆酸”组样品在储存第一天内即开始变为棕色，且颜色随时间加深，这可能是龙胆酸被自由基氧化为醌类等有色产物的结果。而“半胱氨酸+DMSA”组样品在整个144小时监测期内保持澄清无色，且无肉眼可见沉淀。
五、 研究结论与价值 本研究系统阐明了[177Lu]Lu-PSMA-617治疗性放射性药物在储存过程中辐射分解导致RCP下降的规律，并成功筛选出了一种高效且制剂学性质更优的稳定剂组合。
主要结论： 1. 吸收剂量是驱动辐射分解并导致RCP下降的根本物理量，且两者呈指数衰减关系。这一定量关系的建立，为预测特定活度、体积配方下药物的有效期提供了理论模型。 2. 除了吸收剂量，前体浓度、制剂体积和缓冲剂浓度也是影响辐射稳定性的重要变量，在优化配方和比较不同研究数据时必须予以考虑。 3. 半胱氨酸是一种高效的自由基清除剂，但其氧化产物胱氨酸的沉淀问题限制了其单独应用。 4. DMSA与半胱氨酸联用是一种极具前景的稳定策略。该组合不仅能有效维持高RCP，优于常用的龙胆酸，还能防止不溶性沉淀的产生，并保持制剂溶液澄清无色，在制剂学上更具优势。
研究价值： * 科学价值： 首次系统量化了[177Lu]Lu-PSMA-617辐射分解与关键参数（尤其是吸收剂量）之间的定量关系，提出了用于剂量估算的剂量系数（ψ）和剂量常数（κ）概念，深化了对治疗性放射性药物辐射分解动力学的理解。 * 应用价值： 为放射性药物研发人员和药师提供了明确的指导。研究指出，在开发177Lu或其他治疗性核素的药物制剂时，应优先基于吸收剂量模型来评估和预测稳定性。同时，推荐“半胱氨酸+DMSA”作为一种新型稳定剂组合，可用于优化现有[177Lu]Lu-PSMA-617或其他肽类放射性药物的配方，以延长其货架期，保障临床用药的安全性与有效性。
六、 研究亮点 1. 系统性与定量化： 研究没有停留在定性比较淬灭剂效果，而是首先深入探究了辐射分解的根本物理驱动因素（吸收剂量）及其定量模型，使研究站在更普适的物理化学基础上。 2. 发现并解决了一个关键制剂学问题： 不仅识别出半胱氨酸作为高效淬灭剂，更敏锐地发现了其临床应用中的致命缺陷（沉淀），并创新性地引入DMSA这一已知药物来巧妙解决该问题，体现了从基础研究到应用转化的连贯思维。 3. 方法学警示： 研究揭示了在高活度177Lu药物分析中，HPLC可能因辐射分解产物而产生误导性结果（误判为游离核素），强调了多方法联用进行质量控制的必要性。 4. 临床相关性高： 所有实验设计，特别是最终验证阶段，均采用了接近临床实际使用的活度（7.4 GBq），使得研究结论对实际生产与临床应用具有直接的参考价值。 5. 广泛的筛选范围： 对比评估了12种不同机制的化合物，为寻找新型稳定剂提供了丰富的数据参考。
七、 其他有价值内容 本研究还间接证实了[177Lu]Lu-PSMA-617合成中热环化杂质的存在，并指出其形成主要依赖于合成温度。虽然这部分内容非本研究重点，但提醒了在评估RCP时需区分热降解产物和辐射分解产物。此外，研究中对醋酸钠缓冲剂浓度影响标记效率的考察，也为合成工艺优化提供了实用信息。