该协议概述了脂质微泡的制造和兼容的一锅微泡放射性标记方法,该方法具有免纯化 >95% 的标记效率,可保留微泡物理化学特性。该方法对不同的脂质微泡配方有效,并且可以定制以产生放射性和/或荧光微泡。
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该协议概述了脂质微泡的制造和兼容的一锅微泡放射性标记方法,该方法具有免纯化 >95% 的标记效率,可保留微泡物理化学特性。该方法对不同的脂质微泡配方有效,并且可以定制以产生放射性和/或荧光微泡。
微泡是脂质外壳、充满气体的颗粒,已经从血管超声造影剂演变为革命性的癌症治疗平台。当与治疗性聚焦超声 (FUS) 结合使用时,它们可以安全、局部地克服生理障碍(例如血脑屏障),将药物输送到其他无法接近的癌症(例如胶质母细胞瘤和胰腺癌),并治疗神经退行性疾病。微泡 FUS 的治疗库正在朝着新的方向发展,包括协同联合放疗、多模态成像以及从微泡壳进行一体化药物加载和递送。
用放射性示踪剂标记微气泡是建立这些扩展的治疗诊断能力的关键。然而,现有的微气泡放射性标记策略依赖于已知会扰乱微气泡物理化学性质的纯化方法,使用短寿命放射性同位素,并且并不总是产生稳定的螯合物。总的来说,这导致微泡放射成像的准确性和肿瘤放射性同位素递送的效率变得模糊。
该协议描述了一种新的一锅法、免纯化的微气泡标记方法,该方法在实现 >95% 放射性同位素螯合效率的同时保留了微气泡的物理化学性质。它用途广泛,可成功应用于具有不同酰基脂质链长度、电荷和螯合剂/探针(卟啉、DTPA、DiI)组成的定制和商业微泡配方。它可以在研磨的微气泡制造过程中自适应地应用于预制的微气泡配方,具有荧光和多模态荧光/放射性特性的模块化可定制性。因此,这种灵活的方法可以生产定制的、可追溯的(放射性、荧光或放射性/荧光活性)多模态微泡,这些微泡可用于推进机制、成像和治疗性微泡-FUS 应用。
微泡是微米级的超分子治疗诊断剂,其气芯由蛋白质、聚合物或在大多数情况下由脂质壳稳定(图 1A)。当注射到血液中时,微气泡在其气芯溶解之前,会在几分钟之内保持可被超声波检测到的气/液界面 1,2。因此,微泡的首次临床用途是作为实时超声成像造影剂3。治疗性聚焦超声 (FUS) 的发明扩展了微泡临床用途。当受到低频 FUS 刺激时,微泡振荡并产生有针对性的、可调的机械力,范围从瞬时血管通透到局灶性组织消融 4,5。因此,在过去的 20 年里,微泡-FUS 已被探索用于血脑屏障 (BBB) 开放、肿瘤(例如胰腺癌、脑癌和肝转移性癌症)药物和成像探针递送、神经退行性疾病治疗和癌症消融 6,7,8,9,10,11。
微气泡的治疗诊断学武器库继续朝着新的和令人兴奋的方向发展。传统的微泡 FUS 递送应用依赖于治疗或成像货物与商业微泡的共同给药。通过了解微泡壳/生物相互作用,探索定制的非商业微泡配方,以及生成将货物直接加载到微泡壳上的一体化治疗诊断微泡,增强微泡-FUS 递送能力的兴趣日益浓厚 12,13,14。事实上,大约 40% 的脂质微泡药物递送研究使用这种加载壳的微泡15。除了成像和药物递送之外,微泡-FUS 还显示出增强癌症放疗16 的前景,并通过声动力学疗法激活其他良性贝壳负载药物的抗肿瘤作用17,18。
通过使用放射性示踪剂标记微泡壳,可以在战略上推进微泡癌应用中的这些传统和扩展方向。在多合一载货微气泡领域,这种放射性标记 1) 有助于对这些负载的微泡壳的靶上和靶外生物分布进行金标准定量评估,2) 得出药代动力学结构-活性关系,为微泡组合物的最佳选择提供信息,以最大限度地提高靶点递送,以及 3) 指导战略性和适当的图像引导应用和治疗计划(例如,组织靶标的类型, 剂量测定、减轻脱靶安全问题的药物选择、与传统联合治疗范式相比的实用性)多合一载货系统15,19。在临床前阶段,对微泡壳命运的这种理解也可以阐明更广泛的微泡-FUS 作用机制。例如,脂质从微泡壳转移到靶细胞已被证明会影响启用 FUS 的超声12,20。因此,了解和优化这种转移可以为涉及超声的临床前和临床微泡 FUS 疗法(体外转染、药物递送、肿瘤消融、放射增敏和声动力学疗法)提供信息20,21,22,23,24,25).双超声和放射成像设施还将从单一药物而不是传统的双药设计中实现 FUS 血管开放和治疗监测(例如,BBB 开放动力学)26。同样,脂质微泡放射性标记可以作为微泡-FUS + 放射性药物共同递送平台的一体化单药微泡-FUS/放射治疗替代方案27。
微气泡的脆弱性是这种标记的一个不小的挑战。所有现有的放射性标记策略都受到已知会干扰微泡稳定性和大小的纯化方法的限制,而有些策略还具有无效和不稳定的放射性标记 28,29,30,31,32。纯化要求也会导致方案更长。结合使用短寿命放射性同位素(例如,18F t1/2 1.8 h,28,29 99mTc t1/2 6 h,3268Ga t1/2 1 h31),这造成了与放射性同位素衰变相关的效率低下,并限制了放射成像和治疗计划的时间框架。总的来说,这些限制有可能获得缩短且不具代表性的放射成像、不准确的药代动力学数据和低效的肿瘤放射性同位素递送。
在本报告中,通过利用卟啉强大而稳定的金属螯合能力,克服了这些限制。卟啉是有机的杂环大分子,具有高度共轭的平面环和可以容纳多种金属的中央配位点。这包括寿命较长的放射性同位素,如铜-64 (t1/2 12.7 h)、一种具有正电子发射断层扫描 (PET) 的放射性药物,以及 γ计数可行性33。当与脂质骨架偶联时,卟啉可以很容易地掺入超分子结构中,随后用铜 64 标记,具有速度、高螯合效率和血清稳定性,同时保持母体未标记颗粒的性质33,34。此外,卟啉具有荧光活性,在纳米和微粒中具有模块化自淬灭作用,在颗粒破碎时恢复;PET 和 γ 计数的补充读数,有助于进行体壳和微观壳命运分析(图 1A)15。
通过使用卟啉脂质作为螯合剂,这些特性被用来生成一种新的一锅法、免纯化的微气泡放射性标记方法(图 1B、C),该方法克服了与现有微气泡放射性标记方法相关的限制。该方案实现了 >95% 的铜-64 螯合效率,不需要标记后纯化,并保留了微泡的物理化学特性。在脂质微泡活化之前,它可以很容易地集成到脂质微泡的“磨碎”制造中(图 1B)。它用途广泛,可成功应用于具有不同酰基脂质链长度(C16 至 C22)、电荷(中性和阴离子)和卟啉脂质组成(1 mol%、10 mol%、30 mol%)的定制和商业微泡配方,产生具有放射性和荧光活性的微泡。它的适应性也可以延伸到卟啉之外。一锅法方案可以修改为使用替代的市售螯合剂(例如,五乙酸二乙烯三胺 (DTPA) - 脂质)和荧光团(例如,DiI)。它还可以通过“加标”方法进行改性,以标记预制的微气泡配方。因此,该方法能够生产定制的、可追溯的(放射性、荧光或双重放射性/荧光活性)微泡,可用于推进机械、成像和治疗性微泡-FUS 应用。下面的协议概述了脂质微泡的制造、一锅法放射性标记协议的应用、必要的放射性标记和物理化学性质表征以及可能的修改。

图 1:微泡制造和放射性标记方案。 (A) 卟啉脂质,以焦啉-a-脂质的形式,在该方案中用作多模式螯合剂。作为与铜 64 (i) 螯合的单体,它具有 PET 和成像功能。其荧光以颗粒形式(微泡 (ii) 及其溶解后纳米后代 (iii))淬灭,并通过颗粒破碎 (iv) 未淬灭。(B) 本报告中描述的脂质膜水合/激活方案,用于从头开始生成脂质微气泡,以及 (C) 脂质悬浮液形成和微气泡激活之间的一锅法放射性标记整合。此图经 Rajora 等人 15 许可改编。 请单击此处查看此图的较大版本。
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1. 试剂的制备
2. 脂质膜的形成
注:该程序概述了脂质膜的形成,其成分模拟商业微泡 Definity®,其中卟啉脂质取代宿主脂质并构成总脂质的 30 mol%。然而,放射性标记方案可应用于不同的脂质制剂(C16、C18、C22 链长、中性或阴离子电荷、不同的卟啉脂质摩尔组成)。附上补充电子表格(补充文件 1),其中提供了所述配方和其他配方的计算、成分、质量和库存量。除卟啉脂质、焦啉脂质 (pyropheophorbide-a-lipid) 外,所有脂质均可在市场上买到,其合成已在前面详细描述过 35,36。
3. 脂膜水合
注:如果微泡 在体外 或 体内使用,除非另有说明,否则在步骤 3.3 至 5.4 中使用无菌微量移液器吸头、试管、注射器和针头。
4. 放射性标记
注:对于未螯合的对照或仅荧光的微泡,请跳至方案第 5 节。
注意:除非另有说明,否则在放射性实验室中执行本方案的步骤 4.4-4.6。 64CuCl2 是一种放射性危害,通过皮肤暴露、吸入或摄入存在多系统毒性风险。尽可能使用橡胶镊子在通风橱中间接处理它。处理时,请穿戴防护实验服、个人戒指和徽章剂量计,并戴双层手套。确保在 64英寸铅屏蔽层上处理 2 CuCl2 。必要时,将其放在铅护套容器中运输。屏蔽废物容器,并在使用后进行污染作调查。
(公式 1)5. 微气泡活化和隔离
6. 验证放射性标记效率
(公式 2)7. 微气泡物理化学表征
注:除非实验室有指定的放射性样品处理设备,否则必须使用非放射性的“冷”铜螯合样品进行微气泡物理化学表征。这种“冷”标签有助于评估微气泡产量,这对于评估用于预期应用的微气泡剂量至关重要。此外,它允许与对照未螯合的微泡进行比较,以确保放射性标记过程不会干扰微泡的特性。这种“冷”标记和相关的物理化学表征应在放射性标记的微气泡应用之前进行,如果需要对放射性标记进行修改,可以用作反馈(参见讨论)。
(公式 3)8. 协议的修改
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制造放射性标记的微气泡时,关键的可量化结果是放射化学纯度和放射性标记效率。该协议分别使用 iTLC 和经过验证的离心程序来表征每个。 图 2A 显示,在成分为 1 mol%、10 mol% 或总脂质的 30 mol% 时,用宿主脂质替代焦释脂质的商业微气泡模拟配方实现了 ≥95% 的平均放射化学纯度和效率。1 mol% 和 10 mol% 焦释脂质制剂需要更高浓度的脂质悬浮液(0.15 mL vs 1 mL)才能达到这些值。当前方案中实现的高放射化学纯度和螯合效率消除了对标记后纯化的任何需求。
对于由 C16、C18 和 C22 链长脂质组成的替代制剂也是如此,这些脂质具有整体中性或阴离子表面电荷(图 2B)。这些变体加载了 30 mol% 的焦释脂质组成,基于先前确定的上限,以保持平均微泡大小、可接受的微泡产量(>1 x 109 个微泡·mL-1),并限制 >8 μm 微泡群的产生,同时最大限度地提高热释脂...
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目前的脂质微泡放射性标记方案可实现 >95% 的放射化学纯度、>95% 的螯合效率和微泡物理化学性质的保留,而无需任何标记后纯化。这些成就代表了现有标记方案以前未曾取得的进步。缺乏纯化步骤可以更快地使用放射性同位素(在本例中为铜 64),从而减少放射性衰变引起的低效活性损失。由此产生的微泡特性保留,结合铜-卟啉螯合33 的已知稳定性,更好地确保任何后续放射成像或治疗都代表感兴趣的微泡,而不是与游离放射性同位素或纯化修饰的微泡群相关的微泡。
目前的方案也是第一个集成平行“冷”标记和关键表征技术的方案,以确保保持微泡物理化学特性。事实上,这是第一个对微泡大小、产率和稳定性进行稳健表征的微泡放射性标记方案。了解这些特性对于放射性标记微泡的应用至关重要。需要了解微泡大小、气体体积和产率来确定微泡剂量,这反过来又会影响微泡-FUS 治疗的安全性和有效性。例如,微泡-FUS BBB 打开与微泡剂量/气体体积的上限相关,超过该上限,FUS 后出血和炎症会引起安全问题
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作者报告没有利益冲突。
我们感谢 Deborah Scollard 和 Teesha Komal(安大略省多伦多市大学健康网络时空定位和辐射响应放大 (STTARR) 计划)的技术服务和指导。我们还感谢 Mark Zheng 和 Alex Dhaliwal 博士在共聚焦显微镜期间提供的技术帮助,以及高级光学显微镜设施(安大略省多伦多)提供相关设备。我们感谢我们的资金来源:加拿大卫生研究院、特里福克斯研究所、加拿大自然科学与工程研究委员会、加拿大创新基金会、玛格丽特公主癌症基金会、加拿大研究主席计划、麦克劳克林中心、瓦尼尔奖学金计划、安大略省研究生奖学金计划、加拿大前列腺癌和彼得伯勒 KM 亨特慈善基金会。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 64CuCl2 | 华盛顿大学医学院,马林克罗特放射研究所 | N/A | 小批量订购 (<10 &微;L)溶于0.1N HCl |
| 乙酸 | 任何公司 | &ge95%纯度 | |
| 铝箔任何 | 公司 | ||
| 酸铵任何 | 公司 | 纯度:&ge98% | |
| 平衡-分析任何 | 公司 | 能够测量低至0.1毫克 | |
| 超声仪 | 公司 | 加热到69oCCC | |
| 孔径-30微米 | 贝克曼库尔特 | A36391 | 粒径范围:0.6-18 um |
| CC 电解质 | 贝克曼库尔特 | 8546719 | Isoton II 稀释剂 |
| CC 软件 | 贝克曼库尔特 | Multisizer 4e | |
| 心机过滤装置(0.5 mL 30,000 MWCO),带兼容的微量离心管 | MilliporeSigma | UFC503096 | Amicon Ultra - 0.5 mL |
| 心管 - 15 mL带盖 | 任何公司 | ||
| 氯仿 | 任何公司 | 度:≥ 99.8% | |
| 库尔特计数器 | 贝克曼库尔特 | B43905 | Multisizer 4e 库尔特计数器 |
| 盖玻片 | VWR | 48393081 | VWR 微盖玻璃 |
| CuCl2 | 任何公司 | 确保未氧化 | |
| CuCl2 | |||
| 色皿 - 夸脱,1 厘米路径长度 | 任何公司 | ||
| 比色皿 - 用于 CC 测量的 10 mL 塑料 | 贝克曼库尔特 | A35471 | 库尔特计数器 Accuvette ST |
| ddH2O | 任何公司 | 可以通过超纯水净化系统获得 | |
| DiI(1,1'-二辛烷基-3,3,3',3'-四甲基啎哚羧菁高氯酸盐) | 任何公司 | 形式 | |
| 剂量校准器 | 任何公司 | 能够读取铜-64 | |
| DPPA(1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸盐(钠盐)) | Avanti Polar Lipids | 830855P | 粉末形式 |
| DPPC(1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱) | Avanti Polar Lipids | 850355P | 粉末形式 |
| DPPE-MPEG(1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧基(聚乙二醇)-5000](铵盐))Avanti | Polar Lipids | 880200P | 粉末形式 |
| DTPA-脂质(1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-二乙基三胺五乙酸(铵盐)) | Avanti Polar Lipids | 790106P | 粉末形式 |
| EDTA(乙二胺四乙酸) | 任何公司 | ||
| 伽马计数器 | 任何公司 | 能够读取铜-64 | |
| 伽马计数管推盖 | Globe Scientific | 22-171-665 | 法兰用于 12 mm 管的塞帽 |
| 伽马计数管 | Sarstedt | 55.1579 | 5 mL, 75 x 12 mm, PS |
| 玻璃烧杯 - 250 mL | 任何公司 | 能够承受高达 100 oC 的温度 | |
| 干燥箱 | 任何公司 | 可加热至 80 oC | |
| 玻璃微升注射器 - 25、50、100、 1000 &微;l | 任何公司 | 与有机溶剂兼容 | |
| 玻璃闪烁瓶 - 20 mL | VWR | 66022-081 | VWR®闪烁瓶,硼硅酸盐玻璃,带螺旋盖,带纸浆箔衬垫 |
| 玻璃瓶 - 0.5 德拉姆 | VWR | 66011-020 | VWR 小瓶 1/2 德拉姆,带黑色酚醛螺旋盖和聚乙烯基面纸浆衬垫 |
| 甘油 | 西格玛奥尔德里奇 | G7757-1L | 纯度: ≥ 99.0% |
| 刻度移液器/喷枪 | 任何公司 | ||
| 热/搅拌板 | 配备用于自动温度控制的温度探测器 | ||
| 盐酸 - 0.1 N | 任何公司 | ||
| iTLC 板 | 安捷伦 | A120B12 | iTLC-SA 色谱纸 |
| 实验室组织 | 任何公司 | ||
| 介质真空过滤装置 | 任何公司 | 0.22 微米孔径,PES 膜,500 mL 漏斗容量 | |
| 甲醇 | 任何公司 | 度: ≥ 99.8%,HPLC 级,符合 ACS 规范 | |
| 微量离心管 非无菌 - 1.5 mL | 任何公司 | ||
| 无菌微量离心管 - 1.5 mL | 任何公司 | ||
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| 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-550-15 | Superfrost Plus 显微镜载玻片 预清洁 |
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| 封口膜 | 任何公司 | ||
| PBS | Sigma Aldrich | D8537-500ML | DPBS,改性,不含氯化钙和氯化镁,液体,无菌过滤,适用于细胞培养 |
| PFP | FluoroMed | APF-N40HP | 纯度: ≥ 99.8% |
| PFP 系列 | 任何公司 | 直径 1/4 英寸塑料软管切割,长度约 50 厘米 | |
| PFP 调节器 世 | 伟洛克 | SS-1RF4 和 SS-4HC-1-4 | |
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| p1000、p200、p10 移液器吸头 - 非无菌 | 任何公司 | ||
| p1000、p200、p10 移液器吸头 - 无菌 | 任何公司 | ||
| 注射器 - 1 mL | 任何公司 | 菌 | |
| 二醇 | BioShop | PRO888.500 | 纯度: ≥ 99.5% |
| 焦脂 | N/A | 内部制造 | |
| 橡胶头镊 | 任何公司 | 推荐细头和平/方边的混合 | |
| 任何公司 | |||
| 氢氧化钠 - 1 N | 任何公司 | ||
| 光光谱仪 | 任何公司 | 能够进行 410 nm 激发和 600-850 nm 发射 | |
| 光光谱软件 | Horiba | FluorEssence | |
| 光谱仪 | 任何公司 | ||
| 器 - 1 mL | 公司 | 、塑料、无菌 | |
| 注射器过滤器 - 0.2 微米孔径 | 任何公司 | 膜材料:PES 或其他与醋酸铵/乙酸和 PBS 兼容的试 | |
| 管 - 10 mL | |||
| Triton X-100 | 任何公司 | ||
| 真空干燥器/真空 | 任何公司 | ||
| Vialmix | Lantheus Medical Imaging | 515030-0508 | 在协议中称为机械小瓶摇床 |
| 重纸 | 任何公司 | 为避免产品丢失,建议将称重纸切割成 3x3 厘米的正方形 |
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