發布時間：2020-03-23所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：切倫科夫光是放射性核素衰變過程中的發光現象，在生物醫學領域受到越來越多的關注(切倫科夫光的可見光波段可以直接被相機捕獲實現切倫科夫成像，有望運用于術中導航(同時，切倫科夫光在此過程中作為體內光源的性質也受到關注，將核素作為體內光源結合
摘要：切倫科夫光是放射性核素衰變過程中的發光現象，在生物醫學領域受到越來越多的關注(切倫科夫光的可見光波段可以直接被相機捕獲實現切倫科夫成像，有望運用于術中導航(同時，切倫科夫光在此過程中作為體內光源的性質也受到關注，將核素作為體內光源結合納米顆粒進行光動力治療可以取得較好的腫瘤抑制性(但是由于切倫科夫光的發光效率極低，相關研究仍存在爭議，其可能并不是僅有切倫科夫光起作用的結果(雖然切倫科夫光在生物醫學領域具有獨特運用，但其較低的發光效率是限制其發展的關鍵因素(基于納米顆粒-核素相互作用的體系則可解決這一問題，為進一步拓展切倫科夫光在生物醫學研究中的應用奠定基礎。
關鍵詞：切倫科夫光;納米藥物;放射性核素;診療一體化;光動力治療
切倫科夫光(Cherenkov/Cerenkovlight,CL)是指當帶電粒子(如電子)的速度超過介質中光速時，介質被激發產生的電磁輻射，也被稱為瓦維洛夫-切倫科夫光(SergeyVavilov-Cherenkovlight)。早在1888年，物理學家OliverHeaviside提出了一個預測性的理論:帶電粒子以大于光的相速度運動時，其與介質的相互作用會導致發光。在此之后，許多核物理學家在此方面做出了許多貢獻。其中，前蘇聯科學家切倫科夫是第一個通過實驗檢測它的人，因此榮獲1958年諾貝爾獎,并以其名字命名這種輻射。
相關期刊推薦：《核化學與放射化學》Journal of Nuclear and Radiochemistry(雙月刊)1979年創刊，是中國核學會與放射化學學會主辦的學術刊物。辦刊宗旨是為核化學與放射化學科學技術領域提供一個學術交流、成果推廣的園地。本刊主要報道核化學與放射化學基礎研究、放化工藝研究、輻射化學、同位素化學及有關分離分析方法的科研成果，適當報道國內外核化學與放射化學的新成就和發展動態及重要會議消息等。
1切倫科夫光產生的原理
在真空中，粒子的運動速度必然小于光速;但在介質中，光速會由于介質的影響而下降,導致粒子的運動速度可以高于介質中的光速。切倫科夫光的產生原理示于圖1(帶電粒子在介質中運動時，介質會被帶電粒子極化而激發至激發態，隨后又通過弛豫回到基態并放出電磁波(圖1(a)「3+)。由于帶電粒子的運動速度()大于介質中的光速(),即介質產生的電磁波的傳播速度小于粒子的運動速度，基于惠更斯原理(圖1(b)「3+),電磁波發生相長干涉形成連續的電磁波譜，并沿著粒子運動方向的一定夾角發出。這一原理與音爆產生的原理相同。
切倫科夫光是由帶電粒子運動的介質發出而不是帶電粒子本身(圖1(c)「3+)。+核素產生切倫科夫光的根本條件是+粒子能量大于切倫科夫閾值(261keV(水中))。切倫科夫光的強度根據Frank-Tamm公式⑷給出：
切倫科夫光在紫外-可見光區呈連續光譜，光強以1/&2關系減小，而在X射線及以下的短波段由于介質折光率的下降(n<1)造成帶電粒子無法超過介質光速而無法產生切倫科夫光，因而切倫科夫光主要集中在紫外-藍光區囚。
在過去，切倫科夫光的相關研究主要集中在其物理性質及材料性能方面,如檢測宇宙中的伽馬射線與強子射線等宇宙粒子或使用發射的切倫科夫光的角度進行粒子速度計算。近年來也有少量研究報道關注于將切倫科夫光用于活體成像與光動力治療(PDT)7應，而納米藥物科學則成為其重要的應用方向。
2切倫科夫成像
2009年Robertson等在注射了臨床放射性示蹤劑的動物體內首先觀察到切倫科夫光，隨后開發了切倫科夫成像技術。在此之后，許多科學家研究了不同醫用放射性核素的切倫科夫成像的特征「9「11+。因此，借助切倫科夫成像技術，同一放射性核素探針可以提供兩種獨立的成像模態(光學和正電子發射斷層掃描(PET)成像)。切倫科夫成像與傳統的PET成像相比,具有一定的優勢*+(1)光學相機比昂貴的核成像儀器更具成本效益2切倫科夫成像的成像時間更短;(3)切倫科夫成像可以對常規活體核成像手段(PET、單光子發射計算機斷層成像(SPECT)無法成像的核素進行成像，如90Y*2+或225Ac*3+(具有+發射子體的，發射體。
由于18F等放射性核素常用于癌癥診斷，因此切倫科夫光的醫學應用研究主要集中在腫瘤學研究中。但是切倫科夫成像同樣存在一定的缺陷1)切倫科夫光在紫外光區強度高而在長波區強度迅速減小，通過光學掃描儀得到了體外的100MCi(3.7MBq)18F-FDG或89Zr的切倫科夫光的定量光譜，其符合Frank-Tamm方程所預期的特征1&2譜(圖2(a))「3+體內切倫科夫成像時，可以看到高頻光子的衰減，小鼠膀胱中18F-FDG的切倫科夫光譜在紅光及近紅外區域有最大吸收，而89Zr的切倫科夫光則在短波區表現出較強的吸收(平均值士標準差3=4)(圖2(b))「3+,由于組織對短波光子有較強的吸收與散射，短波波譜衰減顯著，因此難以檢測到幾厘米深處的切倫科夫光2)切倫科夫光比環境光的強度低約10億倍「14+,這意味著在成像時需要阻擋環境光，并且需要數分鐘的采集時間。
放射性核素與納米粒子結合使用在一定程度上可以解決第一個問題「"15+。納米粒子通常具有光致發光的特性，放射性核素衰變產生的切倫科夫光與納米粒子相互作用可以產生長波輻射(圖3(a))。由圖3(a)可知，從正電子-熒光納米粒子系統獲得三個信號：切倫科夫光、紅移熒光和PET信號，而高能電子-納米顆粒系統僅產生切倫科夫光和紅移熒光。切倫科夫光-熒光納米粒子系統可大致分為三類：與納米粒子分離的切倫科夫發射體、與納米粒子表面結合的發射體和納入納米粒子晶格的發射體(圖3(b))。
當將納米粒子與放射性核素結合用于切倫科夫成像時，需要考慮到放射性核素的切倫科夫光強度等因素。如果需要高強度的切倫科夫光，則68Ga或90Y等放射性示蹤劑優于18F或64Cu;如果需增加切倫科夫光的深度滲透，則應優選具有被藍光激發的高量子產率的光致發光納米顆粒，并且發射光譜處于紅光或近紅外光區域(其中組織吸收性較低)
3基于切倫科夫光的光動力治療
光動力治療PDT)已成為生物醫學研究的新前沿。在典型的PDT中，光敏劑需要由外部光源激活，但由于常規光源(波長400〜800nm)容易被生物組織吸收和散射*6+，深層腫瘤的治療效果并不理想，必須借助纖維光源「17+。為此，醫生與科學家們提出使用化學/生物發光系統：將化學/生物發光作為內部光源來解決光的組織穿透能力不足的問題「18+�；诜派湫允聚檮┑腜ET成像是一種活體全身成像技術，與其他光學成像方式相比沒有組織深度的限制*9+，可以提供腫瘤大小和位置的信息，通過圖像引導治療「20+。在PDT治療中PET成像技術可以對PDT治療效果進行評價，設計PDT治療時間「21+。因此PET和PDT的組合可能成為治療癌癥的絕佳方法之一(2015年，華盛頓大學的SamuelAchilefu及其同事報道了利用放射性核素產生切倫科夫光作為光源，激發二氧化鈦納米顆粒實現PDT治療，打破PDT光源穿透深度限制的方法「22「23+(圖4)。從放射性核素的衰變中發出的切倫科夫光被用作內部光源以激活充當納米光敏劑的二氧化鈦納米顆粒，活化的二氧化鈦納米粒子產生羥基自由基(・OH)誘導局部細胞凋亡*4+。
Achilefu及其同事使用用于腫瘤PET成像的64Cu作為PDT光源*2+。將聚合物包被的納米光敏劑和64Cu正電子發射體共同注射至侵襲性纖維肉瘤腫瘤中，在30d內觀察到小鼠腫瘤完全消退，而納米光敏劑和非放射性“冷”銅的共注射不會導致任何治療后果。但由于臨床上藥物難以通過局部注射的方法直接作用于腫瘤部位，該方法受到較大的限制。聚合物包被的二氧化鈦納米光敏劑不具有腫瘤靶向性，Achilefu隨后開發了可與腫瘤細胞膜上高表達的轉鐵蛋白受體相結合的去鐵轉鐵蛋白修飾的第二代粒子，最后用去鐵轉鐵蛋白攜帶二茂鈦作為額外的光引發劑以提高功效*2+。去鐵轉鐵蛋白包被的納米光敏劑和18F氟脫氧葡萄糖(18F-FDG)均以靜脈注射的方式注射到小鼠體內，去鐵轉鐵蛋白修飾的納米光敏劑和18F-FDG均在腫瘤具有高攝取，進而無須任何外部光源即實現PDT。而使用具有二茂鈦的納米光敏劑可以增大對腫瘤的治療效果，從而實現對腫瘤的“雙重打擊-同時，使用具有靶向性的臨床放射性示蹤劑作為內部光源，可以將PDT擴展到多轉移性疾病。與傳統PDT中的外照射相比，放射性核素的切倫科夫光通量nJ/cm2)遠小于傳統PDT的總光通量mj/cm2)24+。因此該策略具有很高的應用前景，然而仍有待進一步探討PDT激發中放射性核素(較長時間、較低光子通量)與外部光束(較短、高強度激發)之間的差異*5+。提高PDT效率的關鍵途徑是探索產生更多切倫科夫光的放射性核素及符合切倫科夫光光譜的光敏劑(.
蔡偉波課題組利用中空的介孔二氧化硅納米粒子HMSNs)載帶二氫嚇吩(Ce6)，并使用氧化鋯-89(51/2(89Zr)m78.4h)進行放射性標記，實現了高效PDT,使得Ce6可以在同一個納米結構中通過89Zr的切倫科夫光激活*6+。體外細胞活性實驗中證明細胞死亡率與Ce6和89Zr濃度成正相關的函數關系。體內研究表明：當小鼠皮下注射89Zr-HMSN-Ce6時，腫瘤生長受到抑制，腫瘤切片的組織學分析顯示腫瘤組織受損，這意味著活性氧物質介導了這種損傷。同時，放射性標記的89Zr-HMSN-Ce6納米結構也可用于PET圖像引導的PDT。
與Achilefu的研究亦相比，蔡偉波使用了更長半衰期(T1/z(#Zr)=78.4h)與更高能量(909keV)的+發射體89Zr作為切倫科夫光源激發Ce6，以產生活性氧物種。Ce6具有在400nm處達到峰值的強吸收帶，其與89Zr的切倫科夫光譜相匹配，增大了能量轉換效率。但是89Zr-HMSN-Ce6納米粒子在肝臟中的大量富集將導致嚴重的肝損傷，需要進一步改良與優化。
劉志博課題組用68Ga作為切倫科夫光源激發葡聚糖修飾的TiOz納米顆粒(D-TiOzNPs)，實現了切倫科夫光介導的光動力治療與18F相比，68Ga介導的光動力治療能更好地抑制4T1細胞生長，并顯示出更強的DNA損傷。體內研究表明，當用D-TiOzNPs和68Ga-BSA的組合處理荷瘤小鼠時，腫瘤生長幾乎被完全抑制。該研究證明，68Ga是一種比18F更有效的PDT切倫科夫光光源，而且68Ga的優勢在于其切倫科夫光生產率比18F高約20倍;此外，68Ga標記的PET示蹤劑如68Ga-PSMA[Z8],68Ga-DOTA-TATE[Z9]和68Ga-DOTA-TOC[30]已廣泛用于癌癥診斷，并且對腫瘤靶向具有高度特異性;而且68Ga很容易從68Ge/68Ga發生器獲得，而無需通過回旋加速器生產，更加方便臨床醫療以及科學研究*31+。
4基于切倫科夫光的光動力治療的爭論
但在2018年，斯坦福大學醫學院的Pratx等指出以上研究結果只能表明放射性核素和光敏劑以協同方式相互作用，增加了對腫瘤的治療效果，但它們并未證明這種相互作用是通過切倫科夫光產生的。因為切倫科夫發光是一種非常微弱的現象*5+,常用的18F在純水中(折射率n=1.33)衰變一次平均發射1.32個光子就能量而言,切倫科夫光占18F放射性衰變期間釋放總能量的不到0.006%，絕大部分能量(>99.99%)通過分子激發、電離、韌致輻射和熱量消散。而單個18F衰變(*+*250keV)通過水的輻解產生6800個羥基自由基(・OH)*3+,這些電離輻射產生的•OH可能在與DNA的相互作用中起主要作用。若認為切倫科夫光在腫瘤細胞的凋亡中起主導因素，其對DNA的作用必須與6800個・OH相當或更大。然而，由于TiOz的帶隙(3.2eV),1.32個光子無法產生超過兩個・OH°Pratx認為觀察到的細胞凋亡可能是正電子與TiOz納米顆粒直接相互作用所產生,TiOz納米顆粒只是一個放療增敏劑。
Achilefu教授對此進行了發文回應他指出+衰變的放射性核素與半導體如TiOz等光催化劑的相互作用可能涉及許多過程，包括:(1)通過電離輻射對大量水進行輻解，產生電子和・OH;(2)通過放射性能量轉換在TiOz中產生電子和空穴對*5+;(3)通過切倫科夫發光和其他發光現象的能量轉移在TiOz中產生電子和空穴對。通過控制18F-FDG劑量，確保18F輻射不會在不存在TiOz的情況下導致任何可觀察到的生物效應。使用HT1080腫瘤模型，在高達30MBq時未觀察到腫瘤負荷的減少�？梢耘懦緩�(1)的原因。在上述途徑(2)和途徑(3)中，通過催化作用可以在固-液界面上產生過氧化氫、單線態氧、羥基自由基和超氧自由基[3637]，這些自由基的累積效應會誘導腫瘤細胞凋亡。通過一個簡單的模型計算，腫瘤體積為50mm3累積的18F-FDG劑量為1.6MBq(約為注射劑量的5%)，核素完全衰變將產生約500億光子，在腫瘤區域內可以產生較大的局部光子密度，平均每個細胞接收1000個光子，將激活大量的TiOz納米顆粒，可以產生足夠多的活性氧物質以誘導生物效應，切倫科夫光介導的光動力治療完全可行。且90Y、9Zr和68Ga等放射性核素較18F可以產生更多的光子，提供更強的切倫科夫光源。
為了進一步探索上述途徑(2)中的現象，Achilefu教授研究了切倫科夫閥值(250keV)以下的電離輻射照射TiOz的生物效應，結果示于圖5*4。由圖5可知:TiO納米顆粒(2.5)g/mL)與不產生切倫科夫輻射的X射線(能量小于切倫科夫閥值)在HT1080癌細胞凋亡過程中無協同作用,TiOz納米顆粒對細胞生存率沒有影響。而在6MeV的電子輻射下，加入TiOz會造成細胞活力的顯著降低這表明切倫科夫光在生物效應中起主導作用
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