【原】“辐射化成像”可视化小鼠体内金纳米粒子

Wsz6868 2025-03-16

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2025年3月13日

早稻田大学

大阪大学

京都大学

科学技术振兴机构

“辐射化成像”可视化小鼠体内金纳米粒子

面向癌症治疗药物的长期动态成像

早稻田大学研究生院先进理工学研究科博士后期课程1年级的越川七星和该大学理工学术院的片冈淳教授等的研究小组由大阪大学放射线科学基础机构的丰嶋厚史教授、角永悠一郎特任助教(常务)、加藤弘树特任教授(常务)、与京都大学复合原子能科学研究所的高宫幸一教授等人共同提出了直接可视化药剂载体金纳米粒子的“放射化成像※1”，并实际向老鼠投放金纳米粒子，使其在体内的分布可视化。

另外，成功地将准确攻击肿瘤的alpha线※2治疗药虾青素At-211标记到了放射化金纳米粒子上※3。这样，实现了迄今为止困难的At-211的长期动态跟踪。今后有望在各种治疗药物中应用于动态可视化。总结本成果的论文除了被选为论文杂志《Applied Physics Letters》的“Featured article”之外，还从AIP (美国物理学协会)发行的论文整体中收集了显著成果的Scilight (Science highlight )。

本研究成果于2025年3月12日(星期三) (美国东部时间)在《Applied Physics Letters》的在线版上公开。

图:金纳米粒子成像

发表要点

通过小鼠实验证实了将治疗癌症的药物运送到肿瘤的金纳米粒子的成像技术

实现迄今为止困难的核医学治疗药物(阿尔法射线释放核素)的长期动态跟踪

期待作为各种治疗药物长期体内动态成像方法的应用

【论文信息】

杂志名称: Applied Physics Letters

论文名称: activation imaging of gold nanoparticles for versatile drug visualization:an in vivo demonstration

DOI:10.1063/5.0251048

(1)迄今为止的研究中知道的事情

癌症长期以来是日本人的死因第一，需要有效且负担少的治疗方法。癌症的治疗方法有各种各样，但使用放射性的治疗药物对肿瘤造成损伤的核医学治疗，作为不需要手术且副作用少的方法备受瞩目。

近年来，在核医学领域，释放阿尔法射线的治疗药物正在蓬勃研究。阿尔法射线是在小范围内提供巨大能量的放射线，有望有效地只攻击肿瘤。其中，质量数为211的虾青素( At-211 )由于可以在国内的回旋加速器中比较简单地制造而被看好。此外，At-211不仅发射α射线，还发射能量79 keV (千电子伏)的x射线※2。通过检测透过鼠标身体的x射线，可以从身体外部对At-211进行成像。

为了实现有效且副作用少的治疗，需要将以At-211为首的治疗药物送到肿瘤，使其聚集。作为将治疗药物运送到肿瘤的“药物载体”，纳米尺寸(直径10-9 m左右)的金粒子(金纳米粒子)受到特别关注。实际上，如图1 (a )所示，在金纳米粒子上标记At-211给药于肿瘤时，如图1 (b )所示，金纳米粒子停留在肿瘤上，可以获得较好的治疗效果[1]。下一步，通过老鼠实验来调查从集聚到排出这几天的长期动态是必不可少的。迄今为止，已使用来自At-211的x射线对At-211标记金纳米粒子进行了成像。但是，At-211的半衰期很短，为7.2小时，给药2天后x射线的强度约为1/100，因此无法追踪长达几天的动态。另外，用这种方法无法调查At-211和金纳米粒子是否在体内分离也是一个问题。

图1:(a ) At-211标记金纳米粒子。 At-211发射阿尔法射线和x射线。 ( b )给予At-211标记金纳米粒子的大鼠的成像结果(给药4小时后。转载自Kato et al. (2021 ) [1]。

(2)在这次的研究中新想要实现的事情

本研究以金纳米粒子的“放射化成像”，At-211和金纳米粒子的个别成像，以及At-211标记金纳米粒子的长期动态跟踪为目标。辐射化是指将稳定的原子转化为放射性同位素。自然界中存在的金是质量数为197的稳定元素。当热中子(能量低的中子)与此碰撞时，金的原子核的一部分吸收中子，变成质量数为198的金( Au-198 )。 Au-198是半衰期为2.7天的放射性同位素，释放出能量412 keV的伽马射线※2。将金纳米粒子中含有的一部分金变为放射性的Au-198，从体外检测伽马射线，可以从体外可视化金纳米粒子的体内分布。

金纳米粒子的成像技术还有示踪剂(放射性物质和造影剂)的标识和CT成像(计算机断层摄影)。但是，示踪剂有可能从金纳米粒子上脱落，在CT中金纳米粒子必须是高浓度( mg/mL左右)才能成像成为了课题。放射化成像是直接对金纳米粒子进行成像的方法，从即使是低3位数(μg/mL左右)也能够进行成像这一点来看，可以成为打破以往限制的方法。 At-211标记的放射化金纳米粒子如图2 (a )所示。认为使用79 keV的x射线、412keV的伽马射线对At-211和金纳米粒子的分布分别进行成像，可以确认At-211是否脱离了金纳米粒子。此外，At-211在半衰期7.2小时时会急剧衰减，但半衰期2.7天的Au-198会连续几天发出伽马射线，因此可以连续几天追踪At-211标记金纳米粒子的聚集和代谢。

要对At-211和金纳米粒子进行独立成像，需要一台能够同时识别从数十keV到MeV (兆电子伏)附近的广泛x射线伽马射线的“宽带相机”。但是，以往的SPECT (单光子放射断层摄影)※4能够成像的x射线、伽马射线的能量有限，约为300 keV以下，PET (正电子放射断层摄影)※5只有511 keV。因此，我们使用了自己开发的“混合康普顿相机※6”作为成像装置。混合康普顿相机可以通过两种方法成像:低能量( 200 keV以下)用的针孔模式和高能量( 200 keV以上)用的康普顿模式。如图2 (b )所示，装置由两个检测器(散射体和吸收体)构成，在散射体上有3×3 mm2的孔。低能的x射线伽马射线碰到散射体时会被吸收，只有通过孔的东西到达吸收体，

图2:(a ) At-211标记的放射化金纳米粒子。 ( b )混合康普顿照相机。

低能的x射线伽马射线如①所示，高能的伽马射线如②所示。

所以，可以用针孔相机的原理进行成像(图中①)。高能伽马射线被散射体康普顿散射，被吸收体吸收。根据散射体吸收体的检测能量计算散射角，可以进行成像(图中②)。

(3)新开发的方法和由此得到的实证结果

在本研究中，首先摸索了合成可以给老鼠的极小尺寸的金纳米粒子的方法。经过反复试验，以四氯金酸( HAuCl4)为材料，成功稳定地合成了粒径5 nm (纳米)左右的金纳米粒子。接着，用京都大学研究用原子炉( KUR ) [4]放射化四氯化金酸，按照同样的步骤合成了放射化金纳米粒子。接着，用At-211的标识中不可缺少的甲氧基聚乙二醇( mPEG )对放射化金纳米粒子进行表面修饰，给予小鼠肿瘤。混合康普顿相机得到的伽马射线的能谱如图3 (a )所示。在412 keV处出现峰值，确认了辐射引起的Au-198的生成。给药9分钟后、4天后，在康普顿模式下成像的结果如图3 (b )所示。 4天后也能对金纳米粒子停留在肿瘤附近的情况进行成像，显示出这是迄今为止不可能进行的长时间动态跟踪的有效方法。

接下来，在放射化金纳米粒子上标记At-211，通过小鼠尾静脉给药。给药9分钟后、2天后的伽马射线能谱和成像结果如图4所示。给药9分钟后的能谱在79 keV(At-211 )和412 keV(Au-198 )处出现峰值。另外，At-211和金纳米粒子( Au-198 )各自的成像成功了。 79 keV的x射线采用针孔模式，412 keV的伽马射线采用康普顿模式进行分析，一次测量就可以分别得知At-211和金纳米粒子的分布。可以确认At-211和金纳米粒子聚集在大致相同的位置。给药2天后的能谱显示，由于At-211的衰减，79 keV的峰变得非常弱，而来自Au-198的412 keV的峰高变化不大。在成像结果中，At-211由于衰减而无法看到分布，而金纳米粒子可以清晰地成像。这样，通过辐射金纳米粒子，成功实现了At-211标记金纳米粒子的长期动态跟踪。

图3:(a )辐射金纳米粒子的x射线伽马射线能谱。 ( b )给予小鼠的放射化金纳米粒子的成像结果(给药9分钟后、4天后)。

图4:(上) At-211标记的放射金纳米粒子的x射线伽马射线能谱和(下) At-211、放射金纳米粒子各自的成像结果(给药9分钟后、2天后)。给药2天后，由于衰减，At-211本身无法成像，但作为载体的放射性金纳米粒子可以成像。

(4)研究的波及效果和社会影响

本研究通过将At-211标记在辐射金纳米粒子上，成功地实现了迄今为止困难的At-211和金纳米粒子的同时成像，以及At-211标记金纳米粒子的长期动态跟踪。同样，通过在放射性金纳米粒子上标记抗癌剂等迄今为止无法从体外成像的各种治疗药物，有可能调查体内动态。

另外，金纳米粒子的成像对于调查最适合治疗的金纳米粒子的尺寸和形状也很重要。据说金纳米粒子通过血管通透性滞留亢进效果( EPR效果)向肿瘤聚集。 EPR效应由两个方面组成。第一，与正常的血管不同，肿瘤附近的血管有间隙，因此血中的金纳米粒子只在肿瘤附近漏出。这样可以期待金纳米粒子被运送到肿瘤。二是在肿瘤附近，排出异物的淋巴系统不发达，金纳米粒子容易滞留。这次，我们认为直接给与肿瘤的金纳米粒子4天后仍停留在肿瘤上是第二个主要原因。但是我们知道这些效果取决于金纳米粒子的尺寸和形状等各种条件。此外，金纳米粒子被肝脏和脾脏等脏器视为异物而被捕获，这一点受到关注，其影响也取决于金纳米粒子的尺寸和形状。因此，近年来开发了各种各样的金纳米材料，寻找肿瘤集聚量更大、健康脏器集聚量小的条件的研究正在活跃地进行。放射化成像是将金变成放射性同位素的简单方法，我认为可以用同样的方法对各种尺寸和形状的金纳米粒子进行成像，今后可以期待广泛的应用。

(5)今后的课题

本研究利用宽带X射线γ射线摄谱仪混合康普顿相机对At-211和放射化金纳米粒子进行了成像。混合康普顿相机的优点是宽频带，即使x射线和伽马射线的强度较弱也能成像，但在分辨率上存在课题。与鼠标距离5 cm时，混合康普顿照相机的分辨率为8 mm左右。即使是现在，也可以大致看到在肿瘤和内脏器官的集聚，但是详细的成像需要2~3 mm的分辨率。现在正在开发更高分辨率的装置，为了更高精度的放射化金纳米粒子的成像正在进行研究。

(6)研究者评论

在本研究中，通过将原子中子放射化并可视化的“放射化成像”，成功地实现了迄今为止困难的At-211 (治疗药)和金纳米粒子(药剂载体)的独立成像，以及At-211标识金纳米粒子的长期动态成像。我们认为，以往无法成像的各种治疗药物都可以用同样的方法成像，可以成为通用的药代动力学成像方法。他还认为，金纳米粒子的辐射化成像在开发适合药物传递的尺寸和形状的金纳米材料方面也将发挥重要作用。为了实现有效的癌症治疗，期待放射成像对广泛的技术的发展做出贡献。

(7)术语解说

※1放射成像

一般来说，原子有稳定的同位素和不稳定的同位素。它们只是原子核内部的质子数( =原子序数)相同，中子数不同，因此化学性质不变。不稳定的原子核在特定的半衰期内崩溃，成为稳定的核素。此时，将剩馀的能量作为x射线和伽马射线(参照以下※2 )释放到原子核外。本研究的“放射化成像”就是将该伽马射线可视化。

※2阿尔法射线、x射线、伽马射线

放射线有很多种。阿尔法射线是氦的原子核，带有两个正电荷。它的特点是质量非常重，在体内飞行的距离只有几十微米(和细胞的尺寸差不多)。因此，如果顺利聚集在肿瘤上，就可以选择性地只杀伤肿瘤细胞。另一方面，x射线和伽马射线是电磁波的一种，不带有电荷。它们都来自不稳定的同位素，但将原子核发出的能量较高的电磁波作为伽马射线，将电子轨道发出的能量较低的电磁波作为x射线来区别。

※3标识

是指在化合物中，使放射性核素与特定的原子结合。在这次的研究中，金纳米粒子是运送治疗药物的载体，在这里标记了治疗药物主体虾青素( At-211 )。

※4 SPECT (单光子放射断层扫描)

核医学诊断法之一，将放射性药品输入体内，将其分布作为断层图像描绘出来。例如，使TC-99 m ( technoticum )与具有聚集在骨头代谢和反应旺盛的地方的性质的物质化合，可以诊断癌细胞转移到了骨头的哪个部位。 Tc-99m的可视化使用140 keV的伽马射线。在其他药剂中，用SPECT可以可视化的伽马射线也仅限于大致300 keV以下。

※5 PET (正电子发射断层扫描)

这也是被广泛使用的核医学诊断法，是通过向体内输入用释放阳电子的放射性核素标记的医药品，检测其放射线，将肿瘤的位置和活性度成像的核医学检查。为了用相对的检测器捕捉对消的伽马射线，原理上是只以511 keV的伽马射线为对象的成像法。

※6混合康普顿相机

混合康普顿相机是一台实现不同成像技术“康普顿相机”和“针孔相机”的新技术。混合康普顿相机由散射体和吸收体两个检测器组成，每个检测器由闪烁体(辐射时显示荧光的物质)和读取荧光的传感器组成。低能量的x射线无法透过散射体，只有通过针孔到达吸收体。也就是说，如果加上“散射体未命中，只命中吸收体”“吸收体的能量(例如)在200keV以下”的条件，就可以作为针孔相机进行可视化。另一方面，高能量的伽马射线有透过散射体到达吸收体的射线、通过散射体康普顿散射到达吸收体的射线，混合着各种成分。但是，如果施加“散射体和吸收体同时命中”的条件，就可以和普通的康普顿照相机一样进行可视化。

(8)参考信息

[1] Kato et al. 2021，“intratumoral administration of asta tine-211-labeled gold nanoparticle for alpha therapy”，journal of NAND

DOI: 10.1186/s12951-021-00963-9

[2]关于放射化成像，参照以下

Koshikawa et al. 2022，“proof of concept of activation imaging with hybrid compton camera”，Applied Physics Letters，121，193701，DD

Koshikawa et al. 2023，“activation imaging:new concept of visualizing drug distributionwith wide-band x-ray and gamma-ray imager”，nuclear instruments and methods in physics research–section a，1045，167599，doi

“可视化各种元素分布的'放射化成像’成功”

https://www.wase da.jp/top/news/85249

[3]关于混合康普顿相机，请参照以下内容

Omata et al. 2020，“performance demonstration of a hybrid compton camera with anactive pinhole for wide-band x-ray and gamma-ray imaging "，Scientific Reports，10，14064

DOI: 10.1038/s41598-020-71019-5

“可同时可视化x射线伽马射线”https://www./top/news/69935

[4]关于京都大学复合原子能科学研究所的研究用核反应堆KUR，请参照以下内容

https://www.RRI.Kyoto-u.AC.jp/facilities/kur

(9)论文信息

杂志名称: Applied Physics Letters

论文名称: activation imaging of gold nanoparticles for versatile drug visualization:an in vivo demonstration

撰文人姓名: Nanase Koshikawa1、Yuka Kikuchi1、Kazuo S. Tanaka1、Katsuyuki Tokoi2和Akina

Mitsukai2

，Hiroki Aoto2

，Yuichiro Kadonaga3

，Atsushi Toyoshima3