硼中子俘獲治療中硼濃度測量方法的研究進展

李 林,趙 倩,張瑞平,*,李利平,*

1.山西醫科大學第一醫院,山西 太原 030001;2.山西醫科大學,山西 太原 030001

硼中子俘獲治療(boron neutron capture therapy, BNCT)是一種基于細胞水平的二元靶向的精準放射療法[1],對惡性程度高、浸潤性強的惡性腫瘤如黑色素瘤、腦腫瘤和復發性頭頸部腫瘤等展現出獨特的治療優勢[2-4]。BNCT治療原理是通過(超)熱中子照射預先注射10B藥物的患者,在病灶處引發核反應10B(n,α)7Li*,釋放出高傳能線密度粒子(α粒子和7Li粒子)在細胞尺度內釋放所有能量,定點摧毀癌細胞而幾乎不損傷周圍組織(圖1)[5-8]。BNCT技術具有雙靶向精準制導、高生物效應、低副作用、短療程等優勢,是目前國際最前沿的抗癌治療技術,已成為未來腫瘤放療的重要選擇。

圖1 硼中子俘獲治療機理圖Fig.1 Principle of boron neutron capture therapy

BNCT的輻射劑量與硼濃度呈正相關。因此,在臨床治療過程中實時、準確監測硼濃度動態變化對于優化中子輻照時間和調整輻射劑量至關重要[9]。在臨床治療中,主要通過測量血液中的硼濃度,再根據經驗公式來估測腫瘤區域硼含量。但由于個體差異和新陳代謝作用,在體硼濃度的動態變化使實施劑量難以準確掌握,影響BNCT有效性和安全性。因此,迫切需要可量化硼濃度的監測技術用于精確計算治療劑量。本綜述將介紹BNCT中硼濃度測量方法和成像技術的進展,以推動BNCT的臨床應用。

1 傳統硼濃度測量方法

目前,BNCT治療中對硼濃度的監測主要通過測量血液、腫瘤組織中硼含量來實現,其測量方法主要有以下三種:(1) 物理測量法——徑跡刻觸技術;(2) 核測量法——瞬發γ射線中子活化分析法;(3) 化學測量法——等離子體原子光譜分析法。

1.1 物理測量法

基礎研究中通常采用徑跡刻觸技術的物理測量法,將含硼的組織、血液樣品經中子照射發生核裂變反應10B(n,α)7Li后,用明膠制成切片,通過顯微鏡觀察核分裂產物α粒子在組織內遷移的徑跡大小和深淺。隨后用同一切片上僅有組織結構的顯微照片做精準疊加,從而確定α粒子與組織結構的關聯,反推算出核反應的輻射劑量。Portu實驗室[10-11]基于對沉積在探測器上的組織切片產生的核徑跡進行計數,開發了一種定量放射自顯影技術來測量10B分布濃度。這種方法適宜于測量毫克級樣品中的硼濃度,但從患部實體取樣到10B濃度分析操作復雜,耗時,不適合臨床治療之需。

1.2 核測量法

核測量法(PGRA)是基于硼中子俘獲反應過程中10B在中子照射下發射出478 keV的瞬發γ射線,在中子源確定的條件下該γ射線的強度與硼濃度密切相關。因此,可通過探測478 keV瞬發γ射線對腫瘤中的硼濃度進行直接評估[12-14]。研究者通常將抽取的含硼微量組織或體液樣品放入照射罐內,用氣動傳輸系統快速到達核反應堆內照射,俘獲熱中子的10B原子核在裂變的瞬時會釋放出能量為478 keV的γ射線。使用瞬發γ射線能譜儀(PGS)快速探測其強度、分辨其能量,就能推算未知樣品中10B濃度。該法已被用于BNCT治療時患者血硼濃度的測量。通過利用患者血液中測量得到的10B濃度,來調整假設的理想藥代動力學曲線以適應不同患者的實際情況,從而可以在BNCT治療期間重新調整束流照射時間來達到預期總劑量。這種核分析方法測量迅速、精確,樣品不需要復雜處理,可保持樣品的完整性,時間和精確度上都有所提升,但該方法測量的組織體積遠遠大于用硼中子捕獲反應輻照的體積,獲得的硼濃度是樣品中的積分10B濃度,導致對不均勻樣品中10B濃度測量不精確,限制了進一步的臨床應用。

1.3 化學測量法

電感耦合等離子體原子發射光譜分析法(inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy, ICP-AES)檢測是將樣品引入氬氣等離子體中,利用等離子體形成的高溫,使待測元素產生獨特的原子發射光譜,通過對光譜強度的檢測進行定性、定量分析。具體方法是取樣含硼的組織與血液,經消解處理后,利用ICP-AES儀器測量樣品與10B相對應的光譜發射線強度,計算出樣品中的硼濃度。通過生物動力學模型分析獲得的血硼數據,以估算輻照期間的平均血硼濃度。最后,用估計的平均血硼濃度來衡量中子輻照的持續時間。ICP-AES的檢測限在10 μg/L范圍內,優于PGRA等其他檢測技術。Gubanova等[15]將硼籠巰基鈉鹽(BSH)和4-二羥基硼?；奖彼?BPA)分別注射在正常小鼠組織和人腦膠質瘤U87MG細胞原位移植的免疫缺陷小鼠中,1、2.5、5 h采樣,用ICP-AES方法對硼的生物分布動力學進行了詳細的統計分析。數據顯示,硼在不同組織中的濃度差異取決于所使用的化合物以及動物間的顯著差異。該研究對進一步規劃BNCT治療膠質瘤具有一定的指導意義。

相比ICP-AES,電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma-mass spectroscopy, ICP-MS)的靈敏度更高,檢測限可達ng/L級別。ICP-MS使用離子質譜法來分離和檢測不同的質量電荷比,能夠區分同位素,可用于測量樣品中10B和11B這兩種穩定同位素的比例以及總的硼濃度[16-17]。臨床研究中ICP-MS被廣泛用于估算血清、血漿、尿液、鹽水、水和組織中的硼濃度。ICP-MS方法具有較高的準確性和靈敏度,分析樣品不需要進行中子輻照,適用于BNCT中測定不同組織及病灶部位的硼濃度。然而活體組織檢查得到的信息具有區域局限性,且樣品經處理后易被污染,對于某些特定部位的腫瘤,切取、鉗取或穿刺的過程難以進行,嚴重時甚至會危及患者的生命。

綜上所述,上述三種方法均屬于離線、有創、間接的測量方法,單點取樣無法及時獲取靶區10B濃度分布數據,導致不能準確計算治療劑量,影響BNCT的有效性和安全性。亟待開發一種新型無創、實時監測在體硼濃度動態變化的技術,以滿足目前臨床對BNCT個性化治療的需求。

2 新型硼濃度監測方法

分子影像技術的出現為無創、實時動態監測在體硼濃度帶來新的希望。它是一門交叉融合學科,集合醫學影像學、分子生物學、化學、材料學和生物醫學等多個學科,能無創地將腫瘤發生、發展過程中基因表達、生理、生化、功能、代謝改變可視化,可以反映藥物分子在體內分布、攝取、代謝行為,對研究BNCT精準治療具有重要意義。

2.1 正電子發射斷層成像

正電子發射斷層成像(positron emission tomography, PET)技術是將標記有能夠產生正電子的放射性核素(如18F等)的示蹤藥物導入體內,根據這些放射性核素在衰變過程中釋放的射線獲得放射性藥物在生物體內聚集情況的三維圖像[18]。這種技術定位精準、信息整體性強、靈敏度高,其分辨率可達3 mm。目前臨床上主要通過PET成像引導BNCT治療。4-二羥基硼?；奖彼?BPA)是BNCT臨床上的主要硼藥,其結構與酪氨酸類似,可通過LAT-1通路特異性進入腫瘤細胞并聚集,從而實現BNCT治療。2020年,BPA正式在日本被獲批用于BNCT治療,但在臨床上由于個體性差異導致治療劑量不確定。為解決該問題,研究人員開發了18F標記的4-10B-硼-2-18F-苯丙氨酸([18F]FBPA)作為BPA的放射性標記衍生物,可通過PET成像協助BPA-BNCT的治療。20世紀末,日本學者Ishiwata等[19]首次合成了[18F]FBPA作為正電子發射斷層掃描成像示蹤劑,用于評估BPA在體內的藥代動力學。接著,Imahori等[20]建立了18F-BPA-PET的臨床應用技術體系,將其廣泛應用于不同腫瘤的臨床試治上,使BNCT邁向個體化治療[21-24]。[18F]FBPA可用來診斷腫瘤,確定硼藥在患者體內的分布,還可用于治療后的輻射效應、治療效果跟蹤等。因此[18F]FBPA在BNCT的治療策略中發揮了很重要的作用?；趥鹘y硼藥BPA的啟發,Li等[25]用帶負電荷的三氟硼酸基占據酪氨酸中羧基的位置合成了一種新型的硼化酪氨酸FBY,其電荷分布與BPA和酪氨酸幾乎相同,具有類似的生物學特性,可通過氨基酸代謝途徑實現腫瘤特異性。此外,FBY可直接通過同位素交換反應與18F進行放射性標記。[18F]-FBY具有高的放射化學收率和放射化學純度,在體內表現出較強的代謝穩定性。在注射了FBY和[18F]FBY后,通過建立相應的PET信號與硼生物分布之間的線性關系,可實時監測局部硼濃度。因此[18F]FBY有望成為一種新型PET成像硼攜帶劑監測在體硼濃度,為制定臨床BNCT治療方案提供指導。隨后該課題組首次將[18F]-FBY在人體中進行研究,在神經膠質瘤患者中將[18F]FBY與LAT-1相結合通過PET/CT監測LAT-1的表達水平[26]。實驗證實了[18F]FBY是一種安全的PET示蹤劑,具有良好的劑量學和藥代動力學特征。FBY的活性與神經膠質瘤患者中LAT-1的表達呈線性相關,通過PET揭示了其轉運策略和傳遞硼的能力。與BPA相比,FBY表現出更高的穩定性(4 h內無脫氟或脫硼)和較高的腫瘤/正常組織(T/N)比,充分表明FBY是潛在的硼輸送劑,將來有望用于LAT-1靶向治療中病變檢測、患者篩查以及治療反應監測。為了進一步提高腫瘤靶向性和載硼量,研究者們致力于利用納米技術開發各種納米硼藥。李利平等[27-28]合成了氮化硼納米粒子和二維富硼納米片,分別通過64Cu和89Zr核素對其進行標記,借助PET-CT成像觀察納米硼藥在體的攝取、分布以及腫瘤處的蓄積情況。Wang等[29]將鋯-(4-羧基苯基)卟啉(Zr-TCPP) MOFs與硼酸結合形成高含硼量納米共晶體MNCs,利用MNCs固有的熒光特性和89Zr正電子發射斷層成像能力,實時跟蹤其體內分布,并用于腦膠質瘤模型小鼠的BNCT治療。Pulagam等[30]將金納米棒與水溶性含硼復合物功能化,借助64Cu核素進行放射性標記,通過PET成像引導實現BNCT聯合光熱治療。

PET技術可以準確顯示腫瘤惡性轉化的程度,無需組織取樣即可定量顯示人體組織和體液中10B的濃度,確定腫瘤與正常組織的濃度比,為患者實施BNCT精準治療提供合理的治療窗口和準確的輻照劑量。它還可以預測適合接受BNCT治療的患者的療效和預后,這在BNCT中起著重要的作用。但該技術依賴的放射性核素,如64Cu、89Zr等尚未廣泛生產,從而限制長半衰期含硼藥物的實時、定量監測。此外,PET成像的臨床費用高昂,且具有放射性。

2.2 磁共振成像

除了PET成像之外,磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)也是醫學領域常用的成像技術之一。MRI是利用人體中氫原子核發生磁共振獲得電磁信號,并重建出人體信息,是一種高分辨的無創成像技術。Bendel團隊[31]首次利用BSH中10B的核磁信號實現黑色素瘤裸鼠體內的MRI成像。然而常用BNCT藥物中10B的橫向弛豫時間是微秒量級,常規MRI的回波時間是毫秒量級,使得在體內硼磁共振成像之前10B信號大幅度衰減,導致常規MRI方法難以在臨床可接受的掃描時間內得到較高分辨率的在體10B磁共振圖像。

為了改善這一問題,科學家們在設計含硼納米顆粒時傾向于添加成像功能元素。157Gd作為中子捕獲治療的另外一種靶元素,不僅可殺傷腫瘤細胞,而且在T1加權MRI成像中呈現很好的圖像對比度。Lanfranco等[32]報道了一種以生物素作為生物載體、Gd-DOTA(DOTA:1,4,7,10-四氮雜環十二烷-1,4,7,10-四乙酸)作為MRI探針和GdNCT劑,對鄰碳硼烷進行功能化研究,在T1加權圖像中可檢測到明顯的信號強度。Kuthala等[33]將Gd(Ⅲ)-DTPA(DTPA:二乙三胺五乙酸)配合物修飾到二氧化硅包裹的硼納米顆粒上,用作T1-MRI造影劑,實現了MRI成像引導的BNCT治療。這種硼藥物的基本設計理念是通過化學鍵將Gd配合物和含硼化合物連接起來,形成穩定的釓和硼的集成分子結構,使硼捕獲劑具有良好的MRI功能。最近,Shanmugam等[34]直接利用GdI3、硼酸以及鎂金屬片為原料,采用微波電弧法合成了富含157Gd和10B的納米顆粒Gd10B6NPs。Gd元素的摻雜不僅提供了額外的GdNCT能力殺傷遠端癌細胞,還賦予CT/MRI雙模態成像功能實時監測藥物的生物分布。此外還有研究者利用鐵配合物在較高磁場下具有大弛豫率的特性合成鐵硼納米顆粒,同樣可實現磁共振成像輔助的BNCT治療[35]。

MRI成像空間分辨率高,還可以在無電離輻射的情況下提供功能和形態學信息,重復掃描而不會造成任何毒性效應,從而為患者提供更安全的觀察窗口。

2.3 光學成像

與耳熟能詳的PET、MRI相比,光學成像(optical imaging, OI)技術具有其特殊的優勢。眾所周知,外科手術是治療腫瘤的關鍵,為降低癌癥患者復發率,實現腫瘤精準切除至關重要。目前臨床僅依賴PET/CT或MRI等成像技術進行術前評估和手術計劃,但難以整合到手術實際場景中。光學成像利用激發熒光探針實現細胞水平的精準熒光成像,憑借其操作簡單、安全、無創等特點已廣泛用于術中導航,為外科診療提供了新的策略與手段。

在目前開發的大量納米硼藥中,碳硼烷由于其分子中含硼量高,能有效提升瘤內硼濃度,被認為是潛在的硼攜帶劑,芘取代鄰碳硼烷(CBP-H)作為碳硼烷衍生物,具有聚集誘導發光和熒光可調的發光特性,使其成為BNCT生物成像造影劑和硼劑的潛在候選材料。為了改善其水溶性,Yamama等[36]采用高速振動球磨技術將透明質酸鈉(HA)和CBP-H有效組裝構建成水溶性復合物HA/CBP-H,通過CD44介導的內吞作用將硼劑有效地遞送到腫瘤細胞中,利用CBP-H的熒光特性實時跟蹤硼劑的亞細胞分布。刑更妹團隊[37]合成了一種外泌體包覆的含硼量子點,在量子點自身熒光成像引導下用于小鼠腦膠質瘤的BNCT高效治療。上述材料實現了硼藥在BNCT領域診療一體化的應用,然而受限于短波長熒光發射的特性,熒光信號穿透力有限,無法對深層組織成像,難以精確監測在體硼濃度。近紅外熒光成像技術穿透組織能力相對較強,在近紅外波長范圍內可獲得高靈敏度的成像,更適合臨床在體成像。卟啉具有近紅外熒光特性,且易與多個硼簇結合實現高含硼量,在BNCT領域中有很大的發展潛力。然而毒理學評價顯示含硼卟啉對血細胞有直接毒性,且腫瘤-血液攝取比值較低,從而限制了臨床應用。為了改善這一問題,Shi等[38]用聚合物膠束包覆四硼化卟啉制備了硼化卟啉納米配合物BPN,避免硼化卟啉與血細胞的直接接觸以降低其生物毒性,且增強了EPR效應。作者巧妙地將BPN作為熒光成像探針和PET成像配位劑,實現了多模態成像,為治療方案的制定提供了便利。為了進一步提高組織穿透深度、分辨率、信噪比等各方面成像性能,研究者們直接選用長波長熒光團直接修飾含硼化合物。Zhang等[39]用近紅外熒光基團Cy-7修飾設計的納米硼藥,體內熒光實時成像顯示腫瘤內硼載體的選擇性積累。Yamagami等[40]合成了一種末端偶聯硼團簇的新型樹枝狀大分子(SB12)4,并對單壁碳納米管SWCNTs進行物理修飾,獲得的納米雜化SWCNT/(SB12)4在近紅外二區展示出很好的熒光性能,有望用于近紅外二區成像引導的BNCT治療。

熒光成像技術是一種非侵入性成像方法,具有高時間分辨率和高靈敏度輸出等優點。然而,熒光成像的波長大多集中在可見光到近紅外一區波段,該波段在生物組織中的穿透性差,且存在較強的光吸收和散射,導致高背景干擾信號的產生。相比之下,近紅外二區熒光成像具有更高的空間分辨率和信噪比、更低的背景干擾、更深的穿透深度,因此近紅外二區熒光探針的研發是實現深部組織熒光成像的重要條件,也是當前生物醫學研究的前沿和熱點。相信在不遠的將來,近紅外二區熒光成像將為癌癥診斷和影像學引導治療提供實質性幫助。

2.4 其他成像

計算機斷層掃描(computed tomography, CT)是根據人體不同組織器官對X射線吸收程度不同的特征進行圖像重建。CT檢測方便、快速,密度分辨率高,解剖關系清晰。CT可以提供無組織重疊的橫斷面圖像,并可用于重建不同的平面。Park等[41]采用VHP、PINNACLE和DICOM三種CT圖像構建BNCT患者的體素,研發了BNCT治療計劃系統,縮短了BNCT劑量分析時間。然而由于CT是一種斷層圖像,在獲取器官組織以及病變狀況的時候,不能完整地顯示整體的變化以及病變,會存在一定的局限性,而且易受到部分容積效應的影響。因此臨床研究通常將CT與其他儀器軟件聯用,如CT和PET、SPECT相結合,可同時顯示病灶的病理生理變化和形態結構,從而提高診斷的準確性[42-44]。

單光子發射斷層成像(single-photon emission computed tomography, SPECT)技術是一種基于放射性同位素為示蹤劑的成像技術。將放射性同位素藥物引入人體,經代謝后在病變部位和正常組織之間形成放射性濃度差異,其在衰變過程中發射出γ射線。通過可圍繞患者旋轉的專用探測器對這些單能γ射線進行追蹤探查,所采集的數據經計算機圖像處理可用于重建獲得患者體內放射性同位素分布的二維或三維圖像,最終獲得放射性同位素的空間分布圖[45]。而在BNCT中,硼中子俘獲反應過程中所產生的478 keV瞬發γ射線的強度與硼濃度密切相關。利用該特性日本科學家Kobayashi等[46]首次將SPECT技術與瞬時γ射線分析(PGA)相結合用于BNCT治療中劑量估算。首先用探測器對478 keV瞬發γ射線進行多角度探測,然后利用基于SPECT原理的重建算法對探測所得投影進行斷層圖像求解,便可重建得到產生478 keV瞬發γ射線的位置,進而根據10B的空間分布層析圖像得到10B的濃度分布。雖然SPECT技術在探測腫瘤的靈敏度與特異性方面比CT優越,但其空間分辨率低,單光子記錄易受環境干擾,對于體內監測的精準度有待進一步提高。

光聲成像(photoacoustic imaging, PAI)是近年來發展起來的一種新興的成像方法,其基本原理是利用激光脈沖照射生物組織,組織吸收激光能量而產生瞬時熱膨脹,進而向周圍媒質輻射超聲波,這些聲波信號被探測器捕獲并轉換為圖像信息,形成光聲圖像。相比于傳統的成像技術,光聲成像技術有機結合了光學成像的高靈敏度、超聲成像的深穿透性和高成像分辨率的優點,可提供深層組織的高分辨率和高對比度的組織斷層圖像,是一種極有潛力的分子成像模式。因此,光聲成像技術有望在未來用于BNCT實施中在體硼濃度的動態定量可視化監測。

各分子影像技術的類型示于圖2。

圖2 分子影像技術的類型Fig.2 Types of molecular imaging techniques

3 展 望

硼中子俘獲治療(BNCT)是一種針對癌細胞的靶向性重離子放射治療,其核心原理是利用低能中子和親腫瘤含硼藥物發生核反應,在細胞范圍內定點摧毀癌細胞而不損傷正常組織。BNCT的發展為腫瘤治療帶來重要技術革新,成為對抗癌癥的一把“利器”,為復發的高級別膠質瘤患者注入了新希望。

在BNCT治療中由于腫瘤內硼分布不均勻,造成劑量分布的不確定性。因此,需要合適的技術量化給藥后腫瘤體內10B的濃度,從而準確計算輻射劑量。傳統的侵入式、單點采樣的硼濃度檢測技術無法有效監測硼濃度在組織中的動態變化,不能很好地滿足臨床需求。最理想的是對局部硼濃度進行成像,以此計算相應輻射劑量,確定BNCT治療的最佳時間窗口。

隨著分子影像技術的迅速發展,在體硼濃度的實時、動態監測取得了重大進展,然而由于每種成像技術所具有的特殊性和局限性,使得相關成像技術在監測硼濃度方面存在一定的缺陷與不足。目前趨于將多種分子影像技術進行深度融合,彌補既有成像技術的不足,相繼出現了PET/CT、PET/MRI、SPECT/CT、PET/OI成像、PAI成像等設備,這種多模態成像在空間分辨率、檢測靈敏度、定量化程度、圖像重建技術等方面均取得了很大的進步,將為BNCT精準治療提供更精確、全面的信息。未來BNCT研究應抓住分子影像學快速發展的有利時機,進一步聚焦臨床研究中的關鍵問題,實現硼濃度的全面可視化監測。

作為一種新型的極具潛力的腫瘤精準治療方法,BNCT還處于迅速發展階段,每一個環節都決定著最終療效以及患者預后狀態。除了前面提到的硼藥監測問題,BNCT的臨床應用仍存在很多困難,如缺乏靶向性更強、含硼量更高、具備可視化功能的含硼藥物。若能將分子影像技術與納米技術相結合,將多種成像造影劑和硼藥物整合于一體,從而實現多模態分子成像的診療一體化硼藥,克服常規硼藥含硼量低、靶向性差、與分子影像探針結合易脫靶、在生物系統中穩定性不足、檢測靈敏度低等一些局限性,從而實現腫瘤的診斷、治療、療效監測一體化,這必將成為未來硼藥物設計的重點,為BNCT診療帶來新的機遇。此外,為提高瘤內硼藥的攝取,還可以開發多途徑給藥模式。當前含硼藥物主要通過靜脈輸注方式給藥,可以結合選擇性動脈給藥、瘤內給藥等多種方式,還可以借助脈沖超聲、甘露醇等藥物提升腫瘤硼攝取。為了避免腫瘤復發,還可以考慮BNCT聯合治療模式,比如將BNCT與免疫治療、靶向治療和化療等多種治療方法有效結合,協同根除腫瘤。