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厦门大学郑南峰、张现忠等 Chem Sci：放射性 ¹²⁵ᐟ¹³¹碘标记的钯纳米片用于原位肝细胞癌的成像与治疗
近日，英国皇家化学会旗舰期刊 Chemical Science 发表了厦门大学郑南峰、张现忠等的前沿论文（Edge Article）。利用 ¹³¹I 和 ¹²⁵I 在钯 (Pd) 表面上的特异性吸附，本文作者开发出了一种放射性碘同位素标记的超薄 Pd 纳米片，并将其作为一种 pH 敏感的诊疗平台成功用于癌症的诊断和治疗研究。放射性同位素标记的纳米颗粒在生物成像方面具有广阔的应用前景，但是存在着背景干扰高的重大问题；本研究中，Pd 纳米片表面放射性碘的标记效率超过 98%，并且在位于皮下的『4T1 肿瘤』模型、位于肝脏深部的『原位 LM3 肿瘤』模型以及复杂的『Mst1/2 双敲除原发性肝癌』模型中均获得了零背景干扰的优异成像效果，为高背景干扰问题提供了一个简便、高效的解决途径。
厦门大学郑南峰课题组陈美博士（现任职于湖南大学材料科学与工程学院）、厦门大学分子影像暨转化医学研究中心郭志德博士（厦门大学公共卫生学院博新计划博后）为本文的共同一作。
Pd nanosheets with their surface coordinated by radioactive iodide as a high-performance theranostic nano-agent for orthotopic hepatocellular carcinoma imaging and cancer therapy
Jingping Wei, Jingchao Li, Changrong Shi, Duo Xu, Dawang Zhou, Xianzhong Zhang* and Nanfeng Zheng*
Chem. Sci., 2018, 9, 4268-4274, http://dx.doi.org/10.1039/C8SC00104A
非常感谢郑南峰教授、张现忠教授、陈美博士、郭志德博士等对本报道的审阅与修改。
研究背景
放射性 NPs 标记的肿瘤成像
单光子发射计算机断层成像术 ( Single-Photon Emission Computed Tomography, SPECT ) 和正电子发射断层成像术( Positron Emission Tomography, PET ) 是核医学的两种成像技术，其原理依赖于放射性同位素药物在体内衰变所发出的辐射。在 PET 和 SPECT 中，放射性同位素标记的纳米颗粒 (NPs) 在灵敏度、组织穿透深度和药代动力学方面具有优异的表现，因此受到科研人员的广泛关注。
用四种不同放射性同位素对小鼠进行的 SPECT 成像。Source: TU Delft
近年来，人们开发出了多种由放射性同位素和纳米材料组合的复合物，并成功地将它们用于癌症的早期诊断，其中包括 ⁶⁴Cu 标记的 MoS₂ 纳米片、¹²⁵I 标记的碳纳米管、¹³¹I 标记的还原型氧化石墨烯等。与小分子探针相比，放射性同位素标记的 NPs 具有更长的半衰期，在肿瘤组织中具有更高的富集量。尽管如此，放射性标记的 NPs仍然面临诸多无法避免的问题：
● NPs 会在肝脏中大量累积所造成得背景信号干扰，已成为影响成像质量的最关键因素（用活性靶分子修饰亦会如此）；
● 此外，放射性同位素在正常组织中的长期滞留可能导致体内毒副作用。
目前，大多数研究集中在皮下异位移植瘤 (subcutaneous xenograft tumors) 的成像上，很少有深部组织成像研究的报道（特别是在原位肝癌中）。因此，设计和构建能使背景干扰信号最小化并使肿瘤与正常组织 (tumor-to-normaltissue, T/N) 信号比最大化的放射性标记 NPs 具有非常重要的意义。
肿瘤微环境的利用
肿瘤与正常组织之间存在着差异，利用这种差异可以开发出对肿瘤微环境敏感的肿瘤诊疗物质；这也是改善肿瘤成像的 T/N 比的一种常见策略。
肿瘤微环境的主要构成部分。Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 3830-3852（厦门大学孙晓莲、美国 NIH 陈小元等）
最为常用的肿瘤微环境因素就是 pH 值。实体瘤细胞的典型外环境是微酸性的 (pH = 6.5~6.8)，而血液和正常组织的 pH 值是中性的 (pH = 7.4）。考虑到放射性核素成像的高背景干扰，构建 pH 敏感的放射性标记纳米颗粒，有望为肝内解剖结构成像和肿瘤精确定位提供新策略。
本篇论文
郑南峰教授课题组在六边形超薄钯纳米片 (Ultra-small Pd nanosheet) 的研究领域取得了很多开拓性的成果；作为一种光热治疗剂，这些超薄钯纳米片表现出优异的生物相容性、较高的光热转换效率以及肾脏清除率。
平均尺度分别为 5 nm、30 nm、80 nm 的六边形超薄钯纳米片。Biomater.Sci., 2017, 5, 2448-2455（陈小兰、郑南峰等）
在此前研究工作的基础上，本文作者利用 ¹³¹I 和 ¹²⁵I 在钯 (Pd) 表面上的特异性吸附，开发出了一种放射性碘同位素标记的超薄 Pd 纳米片，并将其作为一种pH 敏感的诊疗平台用于癌症的诊断和治疗研究。
合成与表征
合成与修饰过程如下图所示。根据先前报道的方法合成出平均尺寸为 5 nm 的超薄 Pd 纳米片，随后通过硫醇-聚乙二醇 (SH-PEG) 进行修饰得到 PEG 化的 Pd 纳米片，再将其与 Na¹³¹I 或 Na¹²⁵I 溶液混合搅拌 30 分钟，即可得到放射性碘同位素标记的超薄 Pd 纳米片，分别记作 ¹³¹I–Pd–PEG 和 ¹²⁵I–Pd–PEG。
研究表明，放射性碘的标记效率高于 98%，而且 Pd 纳米片在标记后的形貌没有发生明显的改变。这一较为直接和简便的制备过程使这种放射性碘标记的探针材料在转化医学研究方面体现了较大的优势。
在不同 pH 值的磷酸缓冲液 (PB buffer) 中，利用透析膜来研究 ¹³¹I–Pd–PEG 中的放射性碘的脱附情况（下图左）。结果表明，¹³¹I–Pd–PEG 在酸性和弱酸性环境下具有非常好的稳定性，但在中性和碱性环境下不稳定（下图右）（因为 I⁻ 与 OH⁻ 相互竞争）。
如前所述，与周围组织相比，肿瘤的微环境更为酸性；因此，本文作者猜测 ¹²⁵ᐟ¹³¹I–Pd–PEG 在肿瘤的酸性微环境中更为稳定，从而有助于在后期的成像研究中获得较高的 T/N 比。这是首次报道的用于肿瘤诊疗的 pH 敏感性放射性碘标记的钯纳米平台。
皮下 4T1 肿瘤模型的 SPECT/CT 成像
通过一台小动物 SPECT/CT 扫描仪，本文利用 ¹²⁵I–Pd–PEG 对小鼠皮下 4T1 肿瘤进行了成像研究，结果如下图所示。通过尾静脉将 ¹²⁵I–Pd–PEG 注射进小鼠体内，初期血液、肝脏、肺部和胃部有着明显的放射性信号，但在注射后 24 小时至 48 小时的窗口时间内则可实现无正常器官干扰的清晰肿瘤成像（下图 a）。
作为对比，在 Na¹²⁵I 的 SPECT 图像中，心脏和血液中的 ¹²⁵I 都实现了快速清除，但肿瘤成像的增强效应却不明显（上图 b）。
原位 LM3 肿瘤模型的 SPECT/CT 成像
鉴于上述优异的皮下瘤成像效果，本文作者再进一步将这一放射性碘标记的 Pd 纳米片用于肝脏部位的深层肿瘤（原位 LM3 肿瘤）的成像研究，结果如下图所示。
在 ¹²⁵I–Pd–PEG 成像的早期阶段，血液等的放射性强度较高，随后逐渐降低；注射 48 小时后，正常肝脏部分（以及其它脏器）的放射性信号几乎已经完全消失，而肿瘤部位的放射性信号强度依然很高。由此可见，¹²⁵I–Pd–PEG 在深度部位的肿瘤内较为稳定，在正常的肝脏组织中则被迅速清除。
Mst1/2 双敲除肝癌模型的 SPECT/CT 成像
受到皮下肿瘤和原位肝脏肿瘤成像应用中的良好表现的鼓舞，本文作者进一步将 ¹²⁵I–Pd–PEG 应用到了更为复杂的情况：因 Mst1/2 双敲除而诱发产生原发性肝癌的小鼠。成像结果如下图所示。
由上图 a 可见，开始时整只小鼠表现出放射性信号；随着时间的推移，肿瘤的边界逐渐变得清晰。由于肝脏中存在着许多原发性肿瘤（上图 b），所以获得的肿瘤图像也是分散性的。结合锝标记的半乳糖基人血清白蛋白 ( ⁹⁹ᵐTc-GSA ) 对正常肝脏部分的显像（上图 c），可见 ¹²⁵I–Pd–PEG 对肿瘤部位的显像具有良好的灵敏度和特异性。
肿瘤治疗中的应用
为了验证在 ¹³¹I–Pd–PEG 在活体肿瘤模型中的治疗作用，接种 4T1 肿瘤细胞的小鼠被分为了 6 组（每组 10 只），每组的处理分别为：
● PBS 对照组 (control)
● 仅 Pd-PEG
● 仅 ¹³¹I
● 仅 ¹³¹I–Pd–PEG
● Pd-PEG + 激光
● ¹³¹I–Pd–PEG + 激光
激光的波长为 808 nm，采用超低的功率密度 (0.14 W cm⁻²)。利用红外照相机来监测肿瘤部位的温度变化（下图 a），「Pd-PEG + 激光」组和「¹³¹I–Pd–PEG + 激光」组都观察到温度的迅速上升（下图 c）。
在进行光热治疗的一天后，用刻度尺对肿瘤的尺寸进行测量（下图 b 和 d）。由结果可知，接受 ¹³¹I –Pd–PEG 治疗的小鼠肿瘤被显著消除，并且肿瘤的生长被更为有效地抑制（与「Pd-PEG+ 激光」组相比）。在治疗期间，并无显著毒性反应、死亡以及体重显著下降的情况出现。¹³¹I–Pd–PEG 治疗 18 天后，对相应小鼠的器官进行的组织学分析也未发现明显的器官损伤。
小结
作者最后指出，本文报道的工作为将来的放射化学研究以及纳米材料的体内生物应用提供了新方向。今后还需进一步努力，以使 ¹²⁵ᐟ¹³¹I–Pd–PEG 在肿瘤位点的积聚更为迅速和高效。
通讯作者简介
郑南峰 博士 / 教授 / 博士生导师
郑南峰，1977 年生。教授、博导，能源材料化学协同创新中心副主任。1998 年本科毕业于厦门大学，2005 年在加州大学河滨分校获化学博士学位。2005-2007 年在加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究。2007 年被聘为厦门大学特聘教授，2009 年获国家杰青资助，2010 年获聘 “长江学者”特聘教授。
主要从事纳米表界面化学方面的研究，已在 Science (3 篇)、Nature、Nature Mater.、Nature Nanotech. (2 篇).、Nature Commun. (5 篇)、J. Am. Chem. Soc. (34 篇)、Angew. Chem. (11 篇)、Adv. Mater. (5 篇) 等国际刊物上发表论文 140 余篇，被引 11000 余次，h-指数 63。获美国化学会无机杰出青年科学家奖、中国化学会青年化学奖、日本东京大学 Zasshi-kai 讲席奖、中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖、教育部青年科学奖等奖项。先后入选中组部青年拔尖人才、科技部中青年科技创新领军人才、国家百千万入选国家百千万人才工程，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号。2016 年，获中国青年科技奖，并入选“中国优秀青年科技人才”（全国十名）。
现任 ACS Central Science、Nano Research、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Advanced Materials Interfaces、Inorganic Chemistry Frontiers、Small Methods、ChemNanoMat、《中国科学-化学》等（顾问）编委。
张现忠 博士 / 教授 / 博士生导师
厦门大学特聘教授、分子影像暨转化医学研究中心副主任。1995 年获得化学理学学士学位（北京师范大学），1998 年获得放射化学理学硕士（北京师范大学），2002 年获得无机化学理学博士（北京师范大学），2004-2005 年美国 Stanford 大学博士后/访问学者。曾任北京师范大学化学学院助教、讲师、副教授和博士生导师（1998.8-2012.9）；北京师范大学放射性药物教育部重点实验室主任助理、应用化学研究所副所长 （2010.1-2012.9）。2012.10 - 至今：厦门大学特聘教授、博士生导师。
主要从事分子影像放射性探针的设计、合成、标记以及体内外评价等工作。迄今已在Journal of Nuclear Medicine、Advanced Materials 和 ACS Nano 等专业学术期刊发表论文 121 篇，其中 SCI 收录论文 89 篇；获得授权国家发明专利 48 项；主持科技部 973 课题、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目 15 项，参加 10 项；曾获北京师范大学京师英才二等奖（2012）和福建青年科技奖（2014）等。
厦门大学郑南峰课题组 陈美 博士（现任职于湖南大学材料科学与工程学院）、厦门大学分子影像暨转化医学研究中心 郭志德 博士为本文的共同一作。
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