The influence of the sizes of nanodiamond aggregates in their suspensions on the efficiency of sorption of  90 Y and  177 Lu isotopes for their subsequent use in nuclear medicine

A. G. Kazakov; Казаков А. Г.; J. S. Babenya; Бабеня Ю. С.; T. Y. Ekatova; Екатова Т. Ю.; S. E. Vinokurov; Винокуров С. Е.; E. Y. Khvorostinin; Хворостинин Е. Ю.; I. A. Ushakov; Ушаков И. А.; V. V. Zukau; Зукау В. В.; E. S. Stasyuk; Стасюк Е. С.; E. A. Nesterov; Нестеров Е. А.; V. L. Sadkin; Садкин В. Л.; A. S. Rogov; Рогов А. С.; B. F. Myasoedov; Мясоедов Б. Ф.

doi:10.31857/S0033831124020093

Влияние размеров агрегатов наноалмазов в их суспензиях на эффективность сорбции изотопов ⁹⁰Y и ¹⁷⁷Lu для их последующего использования в ядерной медицине

Авторы: Казаков А.Г.¹, Бабеня Ю.С.¹, Екатова Т.Ю.¹, Винокуров С.Е.¹, Хворостинин Е.Ю.¹, Ушаков И.А.², Зукау В.В.², Стасюк Е.С.², Нестеров Е.А.², Садкин В.Л.², Рогов А.С.², Мясоедов Б.Ф.¹^,3
Учреждения:
1. Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
2. Национальный исследовательский Томский политехнический университет
3. Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии РАН
Выпуск: Том 66, № 2 (2024)
Страницы: 178-184
Раздел: Статьи
URL: https://ogarev-online.ru/0033-8311/article/view/263863
DOI: https://doi.org/10.31857/S0033831124020093
ID: 263863

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Исследовано влияние свойств суспензии наноалмазов (НА), в том числе размеров их агрегатов, в водных растворах с различными значениями рН на связывание ими медицинских изотопов ⁹⁰Y и ¹⁷⁷Lu. Найдены условия получения перспективных конъюгатов для дальнейших исследований in vivo. Показано, что на сорбцию оказывает влияние состав раствора, определяющий свойства поверхности НА, в то время как формы катионов изученных нуклидов в растворе не влияют на степень сорбции.

Ключевые слова

иттрий-90, лютеций-177, наноалмазы, сорбция, размеры агрегатов, ДРС

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в области ядерной медицины получает все большее развитие разработка радиофармпрепаратов (РФЛП) на основе наночастиц, которые являются носителями короткоживущих изотопов для их адресной доставки [1]. Среди изучаемых для этих целей наноматериалов активно исследуются углеродные, в частности наноалмазы (НА) [2]. В ряде исследований, в том числе и нами, показано, что НА сорбируют и прочно удерживают широкий спектр изотопов медицинского назначения [3–6], прежде всего трехвалентных, в том числе ⁹⁰Y и ¹⁷⁷Lu [6, 7]. Нами показано, что основным механизмом сорбции является взаимодействие катионных форм радионуклидов в растворе с анионами карбоксильных групп поверхности НА. Было установлено, что окисление приводит к образованию большего количества этих групп на поверхности НА, что улучшает их сорбционные свойства [3–7].

Способ использования наночастиц в составе РФЛП может существенно отличаться в зависимости от размера их агрегатов в растворе для введения. Так, раствор, содержащий наночастицы со связанными изотопами, можно вводить внутривенно, после чего они накапливаются в опухоли по двум механизмам: пассивно и активно [8]. Пассивное связывание реализуется за счет EPR-эффекта (Enhanced Permeability and Retention), заключающегося в том, что в отличие от здоровых тканей сосудистая сеть опухоли пропускает и затем удерживает частицы размером от 100 до 600 нм. Активное связывание происходит, если с наночастицами связан биологический вектор. Кроме данных механизмов, учитывая, что агрегаты наночастиц могут достигать даже микронных размеров, можно рассмотреть возможность прямого введения таких агрегатов в область очага воспаления [9]. Известно также, что степень сорбции нуклида различными образцами НА детонационного происхождения, отличающимися размерами агрегатов, может также различаться [6].

В настоящей работе мы детально изучили влияние различных факторов, в том числе размеров агрегатов НА, на связывание ими изотопов ⁹⁰Y и ¹⁷⁷Lu и определили условия получения перспективных конъюгатов для дальнейших исследований in vivo.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Изучаемые НА и определение размера их агрегатов и ζ-потенциала в водных растворах

В работе использовали хорошо изученные ранее, в том числе и нами, коммерческие образцы НА производства СКТБ «Технолог» (Санкт-Петербург, Россия) марок UDA-TAN и DND-STP [10–13] (далее – TAN и STP соответственно), а также проводили их окисление в смеси HNO₃/H₂SO₄ при 120°С в течение 24 ч (ок-TAN и ок-STP соответственно). Все перечисленные образцы охарактеризованы в наших ранних работах [3–6], а также в работах других авторов; главным отличием TAN от STP является различное количество функциональных групп на поверхности, по данным ИК спектрометрии, что определяет различия в свойствах суспензий. При этом провести точное отнесение пиков к конкретным группам невозможно ввиду наложения пиков.

В данной работе определяли размеры агрегатов изученных НА в водных растворах с различным pH методом динамического рассеяния света (ДРС). Для этого использовали свежеприготовленные растворы HCl или NH₃, pH которых контролировали с помощью pH-метра «Эксперт» («Эконикс-Эксперт», Москва, Россия). В эти растворы добавляли сухие навески НА, суспендировали их на ультразвуковом диспергаторе МЭФ93.Т («Мелфиз-Ультразвук», Москва, Россия) в течение 30 с, после чего отбирали аликвоты суспензий для измерения размеров агрегатов и их ζ-потенциала на анализаторе ZetaSizer Nano ZS (633 нм) ZEN 3600 (Malvern Instruments, Ltd., Великобритания). Для каждого образца проводили три измерения, после чего усредняли полученные размеры и значения ζ-потенциала.

Получение ⁹⁰Y без носителя и ¹⁷⁷Lu с носителем

⁹⁰Y выделяли методом экстракционной хроматографии с использованием коммерческого сорбента TRU (нанесенные экстрагенты – КМФО в ТБФ, размер частиц 100–150 мкм, Triskem, Франция). Сорбент выдерживали в 0.05 M HNO₃ в течение 1 ч, после чего заполняли им колонку объемом 2.5 мл и промывали ее 5 мл раствора 6 M HNO₃. Через колонку затем пропускали 1 мл раствора ⁹⁰Sr/⁹⁰Y в 6 M HNO₃, при этом ⁹⁰Y сорбировался на колонке, а ⁹⁰Sr оставался в элюате. Затем колонку промывали 6 мл раствора 6 M HNO₃ и десорбировали ⁹⁰Y 6 мл раствора 0.05 M HNO₃. Фракции ⁹⁰Y объединяли, упаривали досуха, растворяли в воде, повторно упаривали для удаления остатков азотной кислоты и растворяли в разбавленной HCl. Для определения степени очистки ⁹⁰Y от ⁹⁰Sr данным способом фракции ⁹⁰Y выдерживали в течение 30 сут, после чего определяли их скорость счета, которая не превышала скорость счета фона.

¹⁷⁷Lu получали при облучении 8.5 мг ^natLu₂O₃ (ООО «Ланхит», Москва, Россия, чистота 99.999%) в открытой кварцевой ампуле потоком тепловых нейтронов 3.7 × 10¹³ н/(см²·с) в течение 24 ч. После выдержки в течение 5 сут содержимое ампулы растворяли в 1 мл 6 М HCl. Кислоту затем выпаривали и осадок растворяли в 0.04 M HCl, получив раствор, содержащий ¹⁷⁷Lu с активностью 1.3 ГБк.

Изучение сорбции ⁹⁰Y и ¹⁷⁷Lu исследуемыми НА

Сорбцию проводили при 25°С из водных растворов с рН от 1 до 9, которые получали добавлением растворов HCl или NH₃. Объем раствора при сорбции составлял 1 мл, содержание НА – 100 мкг/мл, концентрация иттрия и лютеция в каждом эксперименте составляла около 3 × 10^–14 и 1 × 10^–7 М соответственно. Фазы после контакта разделяли центрифугированием при 18 000 g, отбирали аликвоту и определяли содержание ⁹⁰Y или ¹⁷⁷Lu в ней. Детальное описание экспериментов приведено в работах [6, 7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Размеры агрегатов НА и их ζ-потенциал

Размеры и ζ-потенциал агрегатов НА изучали в водных растворах с рН от 1 до 9; результаты представлены на рис. 1, а, б. Из данных рис. 1, а видно, что свойства суспензий НА отличаются друг от друга, а также зависят от pH и что окисление НА существенно меняет свойства их агрегатов в сравнении с неокисленными образцами. Так, при pH 1 размеры агрегатов TAN составили 2700 нм и уменьшались до 270–290 нм при pH от 5 до 7, после чего увеличивались до 3060 нм при pH 9. Размеры агрегатов ок-TAN при pH 1 соответствовали размерам TAN, но при других значениях рН они различались: при рН от 3 до 7 агрегаты были в 1.5–4 раза крупнее, а при рН 9 – меньше и составляли около 2400 нм. Что касается STP, то свойства их агрегатов существенно изменились в процессе их окисления, о чем свидетельствуют данные рис. 1, а. Размеры агрегатов STP при рН 1 составляли 2750 нм, в то время как размеры ок-STP составляли 1950 нм, а с увеличением pH до 3 размеры ок-STP существенно уменьшались – до 500 нм, а размеры ок-STP, наоборот, уменьшались незначительно, до 1250 нм. При pH от 5 до 9 размеры STP оставались не более 1000 нм, имея минимум 315 нм при pH 9, тогда как размеры ок-STP составляли от 1000 до 2000 нм при pH 5 и 7 с минимумом 640 нм при рН 9.

Рис. 1. Размеры агрегатов изученных НА (а) и их ζ-потенциал (б) в растворах HCl и NH₃

Из данных рис. 1, б видно, что TAN и ок-TAN имеют разные значения pH изоэлектрических точек: для TAN при pH 8.7, а для ок-TAN точка находится за пределами исследуемой области, вероятно, в щелочной области. Положение изоэлектрических точек STP и ок-STP также различно и находится при рН 6.8 и 7.7 соответственно. Положительный ζ-потенциал объясняется присутствием sp²-углерода на поверхности НА, что типично для НА детонационного синтеза [14].

Форма кривых зависимости ζ-потенциала от рН для TAN и ок-TAN согласуется с данными работы [15], однако в нашей работе значения ζ-потенциала в изученном диапазоне оказались на 5–10 мВ ниже, а также, как следствие, ниже был и рН изоэлектрических точек. Это может быть связано как с погрешностью измерения ζ-потенциала, так и с влиянием среды, так как в работе [15] исследовали свойства суспензий в растворах HClO₄ и NaOH, в то время как в нашей – в HCl и NH₃. Область рН, соответствующая устойчивым суспензиям (модуль ζ-потенциала >30 мВ), для TAN, ок-ТАN и STP с учетом погрешности соответствует рН от 3.0–5.0, а для ox-STP – рН 3. В то же время в работе [15] TAN образовывал устойчивые суспензии при рН 2.5–6.5, а ок-TAN – при рН 4.0–6.0. Зависимости размеров агрегатов STP и ок-STP от рН получены нами впервые.

По литературным данным [16, 17], величина ζ-потенциала поверхности НА существенно зависит от количества групп –COH и –COOH на поверхности НА, при этом при различных pH первые могут находиться в формах –COH₂⁺, –COH, –CO^–, а последние – в формах –COOH и –COO^–; суммарное содержание этих групп по отношению ко всем поверхностным группам обычно составляет около 20%. Остальные 80% функциональных групп в зависимости от метода получения и очистки НА могут быть карбонильными, эфирными, сложноэфирными, лактонными, ангидридными и т.д.; они также могут оказывать влияние на ζ-потенциал, но в гораздо меньшей степени, чем –СОН и –СООН-группы. Чем больше число диссоциированных групп в выбранной среде, тем больше абсолютное значение ζ-потенциала в ней; следовательно, форма кривых на рис. 1, б определяется суммой количеств диссоциированных форм –COH и группы –СООН. Кроме того, ионная сила также различается в разных средах, так как создается присутствием в исследуемых растворах различных количеств HCl или NH₃. Различия в ζ-потенциалах коммерческих и окисленных НА объясняются изменением соотношения групп –СОН и –СООН в процессе окисления. Таким образом, рН и ионная сила раствора оказывают влияние на диссоциацию функциональных групп поверхности НА, что обусловливает размер агрегатов НА и устойчивость получаемых суспензий во времени.

Сорбция ⁹⁰Y и ее сопоставление с размерами агрегатов НА

При использовании наноразмерного носителя в составе РФЛП необходимо обращать внимание на размеры агрегатов в растворе для введения, поскольку известно, что при введении наночастиц, имеющих одинаковый состав, но разный размер агрегатов, их биораспределение будет различаться [18]. Кроме того, в случае НА остается малоизученным влияние размеров агрегатов на сорбцию радионуклидов и устойчивость полученных конъюгатов в биологических средах.

Нами исследована кинетика сорбции ⁹⁰Y изучаемыми НА в течение первого часа и за 24 ч. Установлено, что в каждом случае уже за 5 мин достигается сорбционное равновесие; на рис. 2, а представлены значения сорбции за 30 мин. Показано, что при рН 1 равновесные значения степени сорбции ⁹⁰Y не превышают 10% для всех НА; при рН 3 TAN и ок-TAN сорбируют 10% ⁹⁰Y, а STP и ок-STP – 25%. При увеличении рН до 5 сорбция становится количественной (>90%) на образцах НА и остается такой же при рН 7 и 9. Полученные зависимости степени сорбции от рН типичны для сорбции НА трехвалентных элементов, что показано нами ранее [3–7].

Рис. 2. Степень сорбции ⁹⁰Y образцами НА из водных растворов в течение 30 мин (а) и формы Y(III), рассчитанные с использованием CHEAQS [19] для соответствующих концентраций реагентов (б).

Для оценки влияния содержания различных форм иттрия в растворе на степень его сорбции изучаемыми НА содержание форм рассчитывали с использованием программы CHEAQS [19], полученные данные приведены на рис. 2, б. Как видно из данных рис. 2, а, б, корреляция между степенью сорбции ⁹⁰Y и содержанием какой-либо формы отсутствовала. Кроме того, при сопоставлении значений ζ-потенциала (рис. 1, б) и степени сорбции ⁹⁰Y (рис. 2, а), очевидно, что катионные формы иттрия количественно сорбируются образцами с положительным ζ-потенциалом, что свидетельствует о хемосорбции как основном механизме сорбции ⁹⁰Y; можно предположить, что катионные формы Y(III) (рис. 2, б) связываются с анионами карбоксильных и спиртовых групп поверхности НА. К такому же выводу пришли и авторы работы [15] при изучении сорбции Am(III) образцами TAN и ок-TAN.

На рис. 3 сопоставлены полученные зависимости сорбции ⁹⁰Y от рН с размерами агрегатов НА в соответствующих растворах для поиска корреляции. Из данных рис. 3 видно, что некоторая обратная корреляция в каждом случае наблюдается при рН от 1 до 3: при увеличении рН уменьшается размер агрегатов и повышается степень сорбции. В то же время, вероятно, оба процесса обусловлены диссоциацией –COH- и –COOH-групп поверхности: чем выше рН в данной области, тем меньше диссоциация подавляется сильной кислотой (HCl). Как следствие, за счет диссоциации увеличивается гидрофильность поверхности и в то же время происходит хемосорбция. При дальнейшем увеличении рН корреляция отсутствует. Так, для TAN и ок-TAN (рис. 3, а, б) при увеличении рН от 3 до 7 степень сорбции резко возрастает до 85–95% при незначительном снижении размеров агрегатов, после чего при увеличении рН до 9 сорбция остается количественной при существенном увеличении размеров агрегатов. Что касается STP и ок-STP, то при рН от 3 до 9 корреляция полностью отсутствует (рис. 3, в, г). Таким образом, можно заключить, что для всех изученных НА размеры их агрегатов не оказывают существенного влияния на эффективность сорбции ⁹⁰Y в изученном диапазоне рН.

Рис. 3. Степень сорбции ⁹⁰Y за 30 мин и размеры агрегатов НА в зависимости от рН образцами TAN (а), ок-TAN (б), STP (в) и ок-STP (г).

Как мы писали во введении, от размера агрегатов наноразмерного носителя зависит способ применения РФЛП на его основе. Рассматривая РФЛП простейшего состава на основе НА, то есть радионуклид, сорбированный на НА, можно предположить два способа применения таких РФЛП – внутривенное введение для реализации EPR-эффекта и прямое введение в пораженную область. Для первого способа необходим размер агрегатов от 100 до 600 нм (лучше до 200 нм), и из данных рис. 3 видно, что перспективным носителем ⁹⁰Y для этой цели из изученных нами является TAN, так как при рН от 5 до 7, приемлемых для введения в кровь, количественно сорбируется агрегатами размера около 250 нм. Для прямого введения наиболее перспективным является ок-STP, так как количественно сорбирует ⁹⁰Y при тех же рН, образуя агрегаты размером от 1.5 мкм. Отсутствие корреляции между размером агрегатов и сорбцией для данных НА позволяет предположить, что даже в случае возможного изменения размеров после введения в кровь ⁹⁰Y останется связанным с НА.

Сорбция ¹⁷⁷Lu и ее сопоставление с размерами агрегатов НА

Нами изучена сорбция ¹⁷⁷Lu с носителем (20 нг/мл раствора) образцами TAN, STP, ок-STP в течение первого часа и за 15 ч при рН 1.6 от 5.6. Для всех НА установлено, что значения степени сорбции, полученные через 5 мин контакта, сохраняются в течение 60 мин. На рис. 4, а представлена степень сорбции ¹⁷⁷Lu изучаемыми НА за 30 мин. Из данных рисунка видно, что зависимости имеют тот же вид, что и полученные ранее для ⁹⁰Y, но степень сорбции в ряде случаев ниже, что обусловлено присутствием носителя. На рис. 4, б представлены формы Lu(III), рассчитанные с использованием CHEAQS [19]. При сопоставлении степени сорбции ¹⁷⁷Lu изучаемыми НА и форм Lu(III) очевидно, что содержание различных форм Lu(III) не коррелирует со степенью сорбции. Таким образом, как и в случае с Y(III), можно предположить хемосорбцию как основной механизм связывания Lu(III) с НА.

Рис. 4. Степень сорбции ¹⁷⁷Lu образцами НА из водных растворов в течение 30 мин (а) и формы Lu(III), рассчитанные с использованием CHEAQS [19] для соответствующих концентраций реагентов (б).

Данные для сравнения размеров агрегатов НА c полученными значениями сорбции ¹⁷⁷Lu за 30 мин приведены на рис. 5, из которого видно, что зависимости, полученные для исследованных НА, различны. В случае TAN и STP (рис. 5, а, б соответственно) можно отметить слабую обратную корреляцию размера агрегатов НА со степенью сорбции¹⁷⁷Lu, в то время как в случае ок-STP (рис. 5. в) заметно отсутствие корреляции. Количественная сорбция ¹⁷⁷Lu в изученных условиях наблюдается для STP при рН 5–5.6 на агрегатах размером 1000 нм, а для ox-STP – 1500–1600 нм при тех же pH. Таким образом, если говорить о возможном применении НА как носителей ¹⁷⁷Lu, перспективной выглядит разработка РФЛП на их основе для прямого введения, а наиболее перспективный образец из изученных – ок-STP.

Рис. 5. Степень сорбции ¹⁷⁷Lu за 30 мин и размеры агрегатов НА в зависимости от рН образцами TAN (а), STP (б) и ок-STP (в).

Таким образом, установлено, что степень сорбции ⁹⁰Y и ¹⁷⁷Lu изучаемыми НА определяется главным образом составом среды и не зависит явно от размеров агрегатов НА. Так, pH влияет на ζ-потенциал НА и, как следствие, на стабильность суспензии во времени. рН также влияет на степень сорбции ⁹⁰Y и ¹⁷⁷Lu, поскольку при его изменении меняются химические формы поверхностных групп НА, при этом корреляция между содержанием различных форм Y(III) и Lu(III) и степенью сорбции в условиях эксперимента отсутствовала. Учитывая размеры агрегатов изученных НА в растворах, пригодных для введения в кровь (рН от 5 до 7), мы рекомендуем дальнейшее развитие исследований НА как носителей изотопов для медицины для прямого введения. Для этих целей наиболее перспективным является ок-STP, образующий агрегаты размером от 1.5 мкм, в то время как TAN, образующий агрегаты размером 250 нм, перспективен для развития исследований, связанных с адресной доставкой изотопов с НА в качестве носителя после их внутривенного введения.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-13-00449. https://rscf.ru/project/21-13-00449/

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность Р.Х. Дженлода и А.И. Иванееву (ГЕОХИ РАН) за проведение ДРС-анализа.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Об авторах

А. Г. Казаков

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: adeptak92@mail.ru
Россия, Москва

Ю. С. Бабеня

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: adeptak92@mail.ru
Россия, Москва

Т. Ю. Екатова

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: adeptak92@mail.ru
Россия, Москва

С. Е. Винокуров

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: adeptak92@mail.ru
Россия, Москва