Cílená alfa terapie a její místo v moderní nukleární medicíně

Souhrn

Cíl:
Shrnutí vývoje terapie pomocí radionuklidů a potenciálu alfa radionuklidů v cílené terapii.

Úvod:
Zájem o radionuklidy emitující alfa částice v nukleární medicíně vzrůstá. V rámci cílené alfa terapie jsou využívány nejen samotné radionuklidy podléhající jedné nebo několika alfa přeměnám, ale dochází především k vývoji nosičů alfa zářičů se specifickou akumulací v nádorových buňkách, následně využitelných jako radiofarmak.

Materiál:
Radium se již od roku 1908, tedy necelých deset let po jeho objevu, používalo v medicíně především k léčbě kožních onemocnění. Od té doby prošla terapie pomocí radionuklidů dlouhou cestu – od ²²⁶Ra, přes negatronové zářiče, ²¹¹At, až po nuklidy tvořící krátké rozpadové řady označované jako in vivo generátory, např.: ²²⁵Ac, ²¹³Bi či ²²³Ra.

Předností alfa terapie je uvolnění vysoké energie v malém objemu, čímž dochází k nižší radiační zátěži okolních tkání. Díky vysokému LET alfa částic vznikají dvojité zlomy DNA, které jsou pro buňku letální. Z tohoto důvodu by měly být nosiče alfa radionuklidů schopné odolat vysoké uvolněné energii, aby nedošlo k jejich radiolýze. Rovněž je důležitá stabilizace odraženého dceřiného radionuklidu tak, aby nedošlo k jeho úniku do okolní tkáně, a tedy k jejímu poškození. Mezi studovanými nosiči alfa radionuklidů převažují anorganické nanomateriály, např. nanočástice oxidu železa, titanu, zlata či hydroxyapatity.

Závěr:
Výzkum cílené alfa terapie otevírá cestu k léčbě některých druhů nádorových onemocnění, především ke zvýšení kvality a prodloužení života pacientů. Proto by mělo být i nadále věnováno úsilí přípravě nových radionuklidů, vhodných jak pro včasnou diagnostiku, tak i pro následnou terapii. Patřičná pozornost by měla být rovněž dedikována nosičům terapeutických radionuklidů, nejlépe splňujících i teranostický koncept, s ohledem na jejich chemickou a radiační stabilitu a dostupnost.

Klíčová slova:
alfa radionuklidy, ²²³Ra, nosiče, nanočástice, cílená terapie, teranostika

Úvod

Radionuklidová terapie onkologických onemocnění využívá emitory částicového záření, zejména beta, alfa, či v menší míře přeměn emisí Augerových elektronů, které působí na mnohobuněčné, buněčné, respektive subbuněčné úrovni. Alfa radionuklidy začaly být využívány pro medicínské účely už krátce po svém objevu.

V prosinci 1898 manželé Marie a Pierre Curieovi ohlásili objev nového prvku vyseparovaného ze smolince – radia. Vědecká veřejnost ale požadovala viditelný důkaz tohoto prvku, a tak si manželé Curieovi práci rozdělili: Pierre se věnoval výzkumu radioaktivity a Marie (Obr. 1) izolaci radia. Po nemalém úsilí se jí podařilo získat 0,1 g čistého RaCl₂ a určila hmotnostní číslo takto připraveného radia: 226.

Roku 1900 Walkhoff a Giesel zjistili, že radium má i fyziologické účinky, a tak se Pierre Curie ve spolupráci s mnoha významnými lékaři pustil do studia těchto účinků na zvířatech. Velmi rychle si všimli, že radium dokáže hojit rány a dokonce i vyléčit nádory. V červnu 1901 Pierre Curie spolu s Henrim Becquerelem vydali „Pojednání o fyziologických účincích paprsků radia“. Tehdy začala éra radioterapie, původně zvaná „radiumterapie“ nebo „Curieterapie“.

Radium se ihned stalo téměř univerzálním lékem na různá onemocnění, např. nádory kůže. V průběhu první světové války se dokonce pomocí radia „rentgenovali“ postřelení, aby mohli lékaři rychleji a lépe lokalizovat kulku v jejich těle. Za pár let se radia chopily i farmaceutické firmy a začaly vyrábět nespočet produktů se „zázračnými účinky“: mastičky, obklady, kapky či dokonce výživové doplňky pro zvířata.

Postupně ale byly odhaleny i negativní dopady „radiového“ záření na lidský organizmus a v roce 1921 byla vydána pravidla a doporučení pro zacházení s radiem. V roce 1937 bylo radium zakázáno k nelékařským účelům až nakonec, v roce 1976, bylo od radia upuštěno definitivně a vystřídalo ho iridium-192 nebo cesium-137.

Od časů manželů Curieových urazila radioterapie pořádný kus cesty, přičemž po objevu umělé radioaktivity už není odkázána jen na radionuklidy, které se vyskytují v přírodě. Díky různým fyzikálním a chemickým charakteristikám uměle připravených nuklidů se naskytla možnost vybrat radionuklid pro daného pacienta „na míru”. ^1,2,3

Cílená alfa terapie (TAT)

Využití radionuklidů emitujících alfa částice ve výzkumu a klinických testech neustále roste. Prvními systémy používanými pro cílenou alfa terapii (angl. targeted alpha therapy – TAT) byly radionuklidy rozpadající se pouze jedním alfa rozpadem, např. ²¹¹At. ^4,5 Následně byla pozornost věnována tzv. in vivo generátorům. Jedná se o radionuklidy, které se rozpadají kaskádou alfa rozpadů, např. ²²³Ra, ²²⁵Ac nebo ²¹³Bi.

Vysoká uvolněná energie při alfa rozpadu, která je přínosem pro alfa terapii, je však komplikací při konstrukci radiofarmaka. Během rozpadu dochází k radiačnímu poškození nosiče daného radionuklidu. Tento problém je důležité vyřešit především pro molekuly nesoucí radionuklidy, které se rozpadají kaskádou několika rozpadů. Může totiž docházet k úniku dceřiných produktů, které následně mohou zvyšovat radiační zátěž okolních tkání.

Na Obr. 2 je uveden příklad simulace stopy uvolněného horkého atomu v kortikální kostní tkáni za předpokladu, že je mateřský radionuklid uprostřed částice o poloměru 50 nm. Jak je z obrázku patrné, uvolněný horký atom může jednoduše z částice uniknout.  Alfa částice, která odnáší převážnou většinu energie, má v tomto materiálu dosah okolo 37 µm, což odpovídá několika buněčným poloměrům. Pokud je atom na povrchu nanočástice, může následně dojít k jeho zpětné sorpci. ⁶

Pokud nadefinujeme buněčný poloměr 20 µm, bude průměrný dosah beta částic emitovaných radionuklidy 215 buněčných poloměrů pro ⁹⁰Y (E_βmax = 2,3 MeV), 40 buněčných poloměrů pro ¹³¹I (E_{β max} = 606,3 keV), ale u alfa částic emitovaných radionuklidem ²¹¹At bude průměrný dosah pouze 6 buněčných poloměrů. Bylo vypočítáno, že frakce energie, která se uvolní v nádorové tkáni o průměru 200 µm, bude pouze 1,5 % pro ⁹⁰Y, 17 % pro ¹³¹I, avšak 50 % pro ²¹¹At. Ve srovnání s ²¹¹At je tedy potřeba tisíckrát více rozpadů ⁹⁰Y pro dosažení stejného efektu. ⁷

Alfa radionuklidy

Mezi radionuklidy, které si již našly místo jak v preklinických, tak i klinických testech a z nichž některé jsou v terapii již běžně využívány, patří například izotopy aktinia (²²⁵Ac), bismutu (²¹²Bi, ²¹³Bi) nebo radia (²²³Ra, ²²⁴Ra), jejichž vlastnosti shrnuje Tab. 1.

Zvláštní postavení mezi alfa terapeutickými radionuklidy přísluší astatu (²¹¹At), který je předmětem mnoha in vitro i in vivo experimentů. Astat-211 je jedním z prvních studovaných radionuklidů pro alfa terapii. Předpokládá se, že by díky své podobnosti s jodem mohl být využitelný k léčbě hypertyreózy. Nejčastěji je ²¹¹At navazován na protilátku. Avšak v důsledku jeho nejasné chemie není v klinické praxi rozšířen. Jedním ze studovaných příkladů terapeutického potenciálu ²¹¹At byla léčba intraperitoneálně rozšířeného ovariálního karcinomu OVCAR-3 pomocí ²¹¹At značené protilátky MOv18. Myším byla intraperitoneální cestou podána aktivita 400 kBq. Byl zjištěn medián přežití 213 dní oproti 138 dnům u kontrolních zvířat, které byly léčeny fyziologickým roztokem. ¹³ Také byla studována výhoda alfa zářičů oproti beta zářičům a byla demonstrována studií ²¹¹At značené protilátky MOv18 (A = 310–400 kBq) a ¹³¹I značené protilátky MOv18 (aplikovaná aktivita 5,1–6,2 MBq). V prvním případě byl u 9 z 10 zvířat pozorován zánik makro- i mikronádorů, kdežto ve druhém pouze u 3 z 10. ¹⁴

Jedním z velmi perspektivních preklinicky i klinicky ověřených radionuklidů přeměňujících se kaskádou rozpadů (Obr. 3) doprovázenou současnou emisí gama záření je ²²⁵Ac (10 d). Doprovodného gama záření lze s výhodou využít pro zobrazení biodistribuce pomocí SPECT. Aktinium-225 je připravováno (p,2n) reakcí na terči ²²⁶Ra, přičemž jednou z dalších možností jeho přípravy (oproti Tab. 1) je separace ²²⁹Th/²²⁵Ra z ²²³U, která probíhá iontovou výměnou a extrakční chromatografií. ¹⁵ V klinických studiích ^16,17 jsou nyní protilátky anti-CD33 (myší protilátka akutní myeloidní leukémie) a HuM195 (lidská protilátka akutní myeloidní leukémie) konjugovány s ²²⁵Ac. V jiné studii ¹⁸ se autoři zaměřují na využití konjugátu ²²⁵Ac-PSMA-617 v terapii karcinomu prostaty ve srovnání s ¹⁷⁷Lu-PSMA-617, který byl pacientovi kontraindikován a místo beta zářiče byla pacientovi aplikována dávka 9–10 MBq ²²⁵Ac-PSMA-617 ve třech cyklech (100 kBq/kg) s další premedikací. Postterapeutický PET/CT pomocí ⁶⁸Ga-PSMA indikoval úplný úbytek léze a signifikantní depresi PSA (z původně 2 923 ng/mL na ˂ 0,1 ng/mL) devět měsíců po zahájení experimentální terapie.

Pozornost jak v preklinických, tak i klinických studiích byla rovněž věnována izotopům bismutu ²¹²Bi a ²¹³Bi. První z nich – izotop ²¹²Bi – je získáván elucí generátoru ²²⁴Ra/²¹²Bi (Obr. 4), alternativně však také pomocí mateřského radionuklidu ²¹²Pb, který je beta zářičem s poločasem rozpadu 10 h a tvoří komplex s 2-(4-isothiokyanatobenzyl)-1,4,7,10-tetraaza-1,4,7,10-tetra-(2-karbamoyl methyl)-cyklododekanem (TCMC) (Obr. 5-1). Konjugát ²¹²Pb-TCMC byl následně využíván jako in vivo generátor ²¹²Bi. Klinické testy ²¹²Pb-TCMC-trastuzumab byly prováděny u pacientů s HER-2 exprimujícím karcinomem ovárií, přičemž byla zjišťována toxicita, farmakokinetika a dozimetrie. Klinická studie ukázala minimální distribuci radiofarmaka mimo peritoneální dutinu, což koreluje s preklinickými studiemi. ¹⁹

Rovněž druhý izotop – ²¹³Bi – nachází potenciální využití v TAT. Byly studovány různé případy značení protilátek tímto nuklidem, avšak bylo zapotřebí se vypořádat s jeho krátkým poločasem rozpadu. Z tohoto důvodu je tedy klíčové nalezení vhodné protilátky s adekvátně rychlou kinetikou. Ve většině studií byl využíván jako chelátor N-[2-amino-3-(p-isothiokyanatofenyl)propyl]-trans-cyklohexan-1,2-diamin-N,N´,N´,N´´,N´´-pentaoctová kyselina jako (CHX-A´´-DTPA) (Obr. 5-2), konjugát ²¹³Bi-CHX-A´´-DTPA je následně navázán na protilátku. První cílená radioterapie s alfa emitujícími radionuklidy byla studována u pacientů s akutní myeloidní leukémií s využitím konjugátu ²¹³Bi-HuM195. Celková podávaná aktivita byla v rozmezí 0,6–1,6 GBq ve 3–6 aplikacích i.v. po 10,4 – 15,5 – 20,7 MBq/kg během 48 h. Poměr absorbované dávky mezi kostní dřeň, játra a slezinu k celému tělu byl přibližně 1000krát větší než u radioterapeutik beta-emitujících radionuklidů. I když pacienti nedosáhli úplné remise, byla poprvé ukázána realizovatelnost cílené alfa terapie s přijatelnou bezpečností pro pacienta i zdravotnický personál. ²⁰

Z hlediska cílené alfa terapie je v současnosti pravděpodobně nejatraktivnějším izotopem ²²³Ra, jehož jednou z výhod je kratší poločas dceřiného radonu (²¹⁹Rn – 3,9 s) oproti ²²⁰Rn z přeměnové řady ²²⁴Ra, který se rozpadá s poločasem 55,5 s a u kterého je tedy větší pravděpodobnost emanace z kostní tkáně.

Izotop ²²³Ra sleduje metabolismus vápníku a díky tomu je selektivně cílen do kosti, především v místě zvýšeného metabolizmu kostní tkáně – metastáz, kde tvoří komplexy s hydroxyapatitem. ²¹ Xofigo^{© 223}RaCl₂ je schválen FDA a používán v klinické praxi už několik let. Dodává se v podobě injekčního roztoku o objemové aktivitě 1 000 kBq/ml. Indikace pro použití přípravku Xofigo^© je kastračně rezistentní karcinom prostaty se symptomatickými metastázami v kostech bez známých viscerálních metastáz, přičemž intravenózně podávaná aktivita je 50 kBq/kg/inj. v intervalu 4 týdnů v 6 terapeutických dávkách. ²²

V nedávno publikované klinické studii týkající se terapie kastračně rezistentního karcinomu prostaty přípravkem Xofigo^© bylo retrospektivně prozkoumáno 110 pacientů. Primárně bylo sledováno celkové přežití, přežití bez kostních příhod a selhání kostní dřeně a dále parametry stanovené před prvním podáním ²²³Ra, tedy sérová hladina hemoglobinu, hladina PSA, alkalické fosfatázy, skóre bolesti, použití chemoterapie či externího ozařování. Na základě těchto informací bylo zjištěno, že pacienti dobře tolerují chemoterapii a sekundární hormonální terapii doprovázenou ²²³Ra. Na druhé straně riziko selhání kostní dřeně vzrostlo se současným externím ozařováním. Následky externího ozařování během terapie přípravkem Xofigo^© však doposud nebyly popsány, a je proto nutná jejich další studie. ²³ Kromě klinicky používaného ²²³Ra je vyvíjeno značné úsilí o nalezení nosičů, které by společně s ²²³Ra a případně i dalšími radionuklidy byly vhodné pro TAT, jako například hydroxyapatity ²¹, LaPO₄ ²⁴, nanozeolity ²⁵ či superparamagnetické nanočástice. ²⁶

Nosiče alfa radionuklidů

Nosiče radionuklidů rozpadajících se jednou nebo několika emisemi alfa i beta částic musí kromě obecných požadavků na chemické sloučeniny používané pro značení či transport splňovat i další specifické nároky.

Kromě účelové volby vhodného radionuklidu je nutné věnovat patřičnou pozornost také nosiči a celému cílícímu systému – vektoru. Výběrem diagnostického (PET, SPECT) či terapeutického radionuklidu s využitím konkrétního vektoru je možné připravit přínosné teranostické léčivo. Cílení systému do nádorové tkáně může probíhat několika způsoby: jednak pasivním cílením např. na základě velikosti částic, jednak cílením aktivním, kdy dochází k vychytání daného radiofarmaka na základě specifické interakce, např. vazby na nosiči vázaného ligandu nebo antigenu na receptor.

K pasivnímu cílení farmak i radiofarmak do nádorové tkáně lze využít EPR efektu (Enhanced Permeation and Retention). Nádorová tkáň roste poměrně rychle, a tedy tvorba nových cév není precizní a stává se tak pro velké molekuly přístupnější a díky nedostatečnému odtoku lymfy jsou v ní i zadržovány. Velikost struktury tedy může určit akumulaci farmak v nádorové tkáni. EPR lze využít i pro cílení látek do tkání, jejichž cévy jsou zúženy a farmakum je aplikováno přímo do cévy vyživující příslušnou tkáň či orgán. ^27,28

Na druhé straně, prostřednictvím specifického ligandu nebo antigenu dochází k aktivnímu transportu radiofarmak přímo do nádorové tkáně. Vazbou ligandu či antigenu na daný receptor dojde k jejich selektivnímu vychytání v cílových oblastech. Nádorové buňky ve většině případů mají na svém povrchu velké množství receptorů na rozdíl od zdravé tkáně, kde je jejich počet podstatně menší nebo úplně chybí. Navázáním selektivního ligandu či antigenu na povrch nanočástice nesoucí radionuklid je možné výrazně ovlivnit či přímo docílit transport radionuklidu do nádorové tkáně a tím přispět ke snížení radiační zátěže pacienta. Vazba ligandu s nanočásticí musí být zprostředkována kovalentní vazbou přes tzv. spacer – dvojvazný alifatický nebo aromatický uhlíkatý řetězec, aniž by negativním způsobem ovlivňovala specifickou vazbu ligand-receptor. ²⁹

Dalším důležitým faktorem ovlivňujícím konstrukci nového alfa-radiofarmaka je stabilizace dceřiných produktů v nosiči. Touto stabilizací je možné dosáhnout přesnějšího cílení a uvolnění energie v požadované tkáni. Jedním z možných přístupů je využití nanočástic, např. nanočástic kovů jako je zlato, stříbro či železo (superparamagnetické nanočástice). ²⁶Dále jsou studovány částice hydroxyapatitu, který je přirozenou složkou kostní tkáně, nanozeolity nebo oxid titaničitý.

Nanočástice zlata mají hned několik důvodů pro využití v nanotechnologiích pro terapii i diagnostiku nádorových onemocnění. Jejich syntéza je jednoduchá, ekonomicky nenáročná, lze je syntetizovat v širokém rozmezí velikostí (od 2 do 500 nm) a tvarů. Další výhodou je možnost jejich povrchové modifikace pomocí biomolekul. Byla potvrzena jejich biokompatibilita a nízká akutní toxicita. ³⁰ Pro terapeutické účely byly syntetizovány zlaté nanočástice značené ²¹¹At, které byly konjugovány se substancí P (krátký peptid s vysokou afinitou k NK1 receptorům buněk gliomu). Stabilita těchto nanočástic byla studována v roztoku chloridu sodného, cysteinu, glutathionu a v lidském séru. Uvolněná aktivita ve všech roztocích se pohybovala pod 0,1 %. ³¹

Podobně jako zlato jsou využívány i nanočástice stříbra, které jsou studovány především z důvodu jejich antibakteriálních vlastností, např. k čištění vody. V rámci studie TAT byly připraveny nanočástice stříbra obalené PEO (poly (ethylen oxid)), které odpuzují plazmatické proteiny a spolu se správnou velikostí částic mohou chránit před pohlcením makrofágy. Takto modifikované nanočástice byly značeny ²¹¹At. Stabilita [²¹¹At]Ag-PEO nanočástic byla studována při 37°C po dobu 3,5 h v přítomnosti kompetitivních chloridových iontů. Z těchto prvotních experimentů vyplynulo, že za takto zadaných podmínek jsou značené nanočástice v suspenzi stabilní. ³²

Zeolity jsou biokompatibilní krystalické hlinitokřemičité materiály. Jejich zajímavost tkví v prostorovém uspořádání: jsou tvořeny kanálky a dutinkami, které mají konstantní rozměry. V intersticiálních polohách jsou zachyceny ionty alkalických kovů a kovů alkalických zemin. Toho bylo využito pro syntézu nanozeolitů značených radioizotopy Ra. ²⁵

Hydroxyapatity jsou minerální látky přirozeně se nacházející v kostní tkáni či zubech. Jedná se o materiály, které se díky své biokompatibilitě běžně používají ve formě bločků či prášku k náhradě kosti a již jsou schváleny FDA. Díky své biokompatibilitě, dobré radiační stabilitě a schopnosti stabilizovat dceřiné atomy jsou tyto materiály studovány ve spojitosti s TAT. Bylo prováděno značení ²²³Ra pro terapii, které díky své analogii s vápníkem při inkorporaci radionuklidu do struktury hydroxyapatitu nahrazuje jeho místo. Uvolněné aktivity byly studovány ve fyziologickém roztoku. Po 24 hodinách bylo uvolněno méně než 5 % celkové aktivity. ²¹

Magnetické nanočástice jsou využívány především v diagnostice. Jejich využití s terapeutickými radionuklidy je teprve studováno. První vlaštovkou je studie přípravy ²²³Ra-SPIONs (nanočástice Fe₃O₄). Jejich dobrá stabilita in vitro je slibný předpoklad pro další in vivo testy. Bylo zjištěno, že proces záchytu ²²³Ra nanočásticemi Fe₃O₄ odpovídá sorpci a povrchové komplexaci spíše než mechanismu srážení. Počáteční vychytávání ²²³Ra na povrchu je následováno pomalejším procesem zabudovávání ²²³Ra do intersticiálních poloh. ²⁶

Závěr

Cílená radionuklidová terapie si klade za cíl nastavit léčbu pro pacienta na míru a má potenciál být levnější s nižší morbiditou v porovnání se standartní terapií (např. radiační synovektomie je alternativou k chirurgickému zákroku při revmatoidní artritidě; je levnější a pacient se po ní může dříve vrátit do běžného života). Výzkum na poli cílené alfa terapie tedy jednoznačně otevírá cestu ke zkvalitnění léčby některých druhů onemocnění, zvýšení kvality a prodloužení života pacientů. To jsou jednoznačně důvody, proč by mělo být i nadále věnováno nemalé úsilí přípravě nových a perspektivních radionuklidů a jejich nosičů ve vývoji tohoto typu léčby. Aby to všechno bylo možné, bude potřeba vysoce kvalifikovaný personál s interdisciplinárním zázemím ve fyzice, chemii, biologii, medicíně a dalších odvětvích vědy a techniky. Jinak by hrozilo, že se z TAT stane sice vysoce účinná, ale jen teoretická nebo jen zřídka využívaná možnost léčby.

Ján Kozempel

jan.kozempel@fjfi.cvut.cz