ÖZET
Günümüzde, kişiselleştirilmiş tıbbın ve translasyonel araştırmaya olan ilginin de artmasıyla birlikte hastalığa özgü nanoprobların geliştirilmesi ihtiyacı doğdu ve bunun sonucu olarak da biyomedikal alanda pozitron emisyon tomografi (PET)/bilgisayarlı tomografi (BT), tek foton emisyon bilgisayarlı tomografi (SPECT)/BT veya SPECT/manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ve PET/MRG gibi birden fazla görüntülemeyi aynı anda yapan sistemlerin geliştirilmesine yol açtı. Bu sistemler aynı görüntüyü verebilecek birden fazla fonksiyonu yapabilen yeni moleküler sistemlerin veya nanoteknolojik ilaçların geliştirilmesi ihtiyacını ortaya çıkardı. Böylece farklı özelliklerin aynı sistemde birleşmesi ile hastalık ile ilgili daha iyi görüntü ve daha fazla bilgi sağlayan çok modüllü (hibrid teknolojide MRG’yi SPECT veya PET ile birleştiren hibrid kameraların ortaya çıkışı), multimodalite görüntüleme problarının geliştirilmesine olan ilgiyi arttırdı. Bunun sonucu olarak dual görüntüleme amaçlı PET/SPECT radyonüklidleri ile işaretli nanopartiküllere ilgi artmıştır. Bu konudaki en büyük zorluklar; kolay uygulanabilir, yüksek verimli radyoişaretleme stratejileri geliştirilmesi, görüntüleme stabilitesi, hastalık için erken evre hassasiyeti için artırılmış duyarlılık ve in vivo farmakokinetiğin optimize edilmesidir. Bu makalenin amacı birden fazla görüntüleme (dual mod) sisteminde kullanılabilen görüntüleme problarının kardiyovasküler görüntüleme, akciğer teşhisi ve tümör terapisi gibi farklı sistemler için ana uygulamalarını kısaca özetlemektedir.
Giriş
Görüntüleme teknolojilerindeki ilerlemeler pozitron emisyon tomografi (PET)/ bilgisayarlı tomografi (BT), tek foton emisyon bilgisayarlı tomografi (SPECT)/BT veya SPECT/manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ve PET/MRG gibi birden fazla görüntülemeyi aynı anda yapan sistemlerin geliştirilmesine yol açtı. Bu sistemler aynı görüntüyü verebilecek birden fazla fonksiyonu yapabilen yeni moleküler sistemlerin veya nanoteknolojik ilaçların geliştirilmesi ihtiyacını ortaya çıkardı. Böylece farklı özelliklerin aynı sistemde birleşmesi ile hastalık ile ilgili daha iyi görüntü ve daha fazla bilgi sağlayan çok modüllü (hibrid teknolojide MRG’yi SPECT veya PET ile birleştiren hibrid kameraların ortaya çıkışı), multimodalite görüntüleme problarının geliştirilmesine artan ilgiyi uyandırdı.
Başlangıçtaki sorulardan biri şudur: Hibrid görüntüleme ajanları geliştirmek için hangi kimyasal sistemler uygun bir temeldir? Bu soruyu cevaplamaya yönelik herhangi bir girişimde, birleşik bir görüntüleme aracının fiziksel, kimyasal ve biyolojik özelliklerinin, her iki görüntüleme modalitesi için eş zamanlı olarak optimum özgüllük ve kontrast elde edilmesini sağlayacak şekilde nasıl uyarlayabileceğinin ele alınması gerekmektedir. Nanoparçacıklar (NP) SPECT/MRG ve PET/MRG için çok modüllü problar oluşturmak için çekici platformlar olarak ortaya çıkmıştır. Çok çeşitli NP yapıları farklı radyonüklidler ile işaretlenerek kullanılmıştır. Ancak radyoişaretleme yapılırken parçacık yüzeyi veya NP yapısının değişmesi ve NP’lerinin işlevselliğini yitirip yitirmediğinin kontrolü gerekir. Genellikle radyonüklid işaretlemede radyonüklidin kimyasına bağlı olarak şelatlayıcılar veya prostetik gruplar kullanılır. Radyoişaretlemede kullanılan bağlayıcı grupların görünüşte zararsız olsa da, yapıya eklenmesi ile nanopartiküller parçacık boyutu, şarj ve çözünürlük gibi önemli özellikler üzerinde dramatik etkileri olabilir. Buna karşılık, nanopartikülün kimyasal ve fiziksel özelliklerinde yapılan değişiklikler genellikle farmakolojik profili üzerinde de olumsuz bir etkiye sahip olabilir. Radyoaktif işaretli nanopartiküllerde esas olan, bir radyonüklidi nanopartikülün yapısını bozmadan yapıya sokulmasını kolaylaştıran alternatif kimyasal yöntemleri kullanmaktır.
Moleküler görüntüleme alanındaki ilerlemeler modifiye veya tasarlanmış moleküller kullanılarak ve uygun bir görüntüleme yaklaşımı ile birleştirilerek kişiselleştirilmiş tıbbın gelişmesi ile sonuçlanmıştır. Moleküler görüntüleme yaklaşımları, PET, SPECT, MRG, BT, ultrason (US), biyolüminesans ve floresan görüntüleme gibi modaliteler ve ayrıca PET/BT, SPECT/BT ve PET/MRG gibi multimodalitelerdir. Bu yaklaşımlar arasında, radyonüklid esaslı görüntüleme yöntemleri, özellikle PET, yüksek duyarlılık (pikomolar seviye) ve sınırsız doku penetrasyonu içeren avantajlar nedeniyle biyomedikal araştırmalarda özel bir odak noktası olmuştur (1,2). Moleküler görüntülemede birçok farklı molekül türü kullanılmasına rağmen, başta kanser olmak üzere çeşitli hastalıkların erken teşhisi, doğru teşhisi ve kişisel terapisi için büyük potansiyele sahip olan nanopartiküllerin kullanımı da ilgi çeken bir konudur (3). NP’ler 1 ila 100 nm arasında değişen yapılardır (Şekil 1A). NP’ler, optik, manyetik, katalitik, termodinamik ve elektrokimyasal olabilen benzersiz büyüklüklere bağlı fiziksel ve kimyasal özellikler gösterirler (4,5,6,7).
Genel olarak, biyomedikal araştırmalar için kullanılan nanopartiküller üç gruba ayrılabilir:
Kuantum noktaları, demir dahil olmak üzere inorganik nanopartiküller oksit nanopartiküller, altın nanoyapılar ve dönüştürme nanofosforları (5,6,7,8,9,10,11),
Çekirdek-kabuk dendrimerler ve hem polar hem apolar gruplar ihtiva eden amfifilik nanopartiküller gibi polimer NP’ler (12,13),
Lipozomlar ve katı lipit nanopartikülleri içeren lipit nanopartikülleri (14,15).
Ek olarak, radyonüklid işaretli karbon nanotüpler ve nanoelmaslar (1 µm’den küçük boyutta elmas parçacıkları) da onkolojik uygulamalar için yaygın olarak araştırılmıştır (6,16). NP farmakokinetiği ve biyodağılımı farklı gruplarca incelenmiştir (17,18). NP tasarım esnekliği, iletim etkinliğini iyileştirmek ve boyut, yük ve yüzey modifikasyonunu değiştirerek spesifik olmayan organ alımını azaltmak için ayarlanabilir in vivo farmakokinetiği sağlar. Yaklaşık 100 nm’lik bir çapa sahip olan nanopartiküller, uzun süreli kan dolaşımını ve nispeten düşük bir mononükleer fagosit sistemi (MPS) alımını gösterirler (18). Makroskopik ve moleküler düzey arasında olan bu boyut ayrıca hücresel düzeyde kritik bir pozisyonu doldurur (Şekil 1A). Bu nedenle nanosistemler bazı üstün özellikler taşıyacak şekilde tasarlanabilirler. Büyüklükleri, büyük biyolojik moleküller (antikorlar, DNA) ile karşılaştırılabilir olduğundan, nanopartiküller, hem yüzeydeki hem de iç hücrelerdeki çeşitli biyomoleküller ile etkileşime girecek şekilde programlanabilirler. NP’lerin diğer önemli fizikokimyasal özellikleri zengin yüzey kimyasının çeşitli hedefleme bileşenlerine imkân vermeleri, aynı zamanda algılama elemanları ve terapötik yük için yüksek yükleme kapasiteleri oluştururarak teranostik uygulamalar için sinerjetik etki oluşturmalarıdır (19). Şekil 1B hibride görüntüleme sistemleri için oluşturulabilecek çok fonksiyonlu nanosistemlerin farklı multimodal oluşumlarının şematik gösterimini göstermektedir.
Teranostik kelime olarak diagnostik ve terapötik kelimelerinden türetilmiş olup teşhis ve terapiyi birlikte içeren anlamındadır (20). Teranostikler kişiye özel terapi amaçlı hasta yararına birden fazla bileşeni içerirler. Teranostiklerde teşhis ve terapiyi içeren bileşenler NP olabilir. Şimdiki sistemlerde teranostikler kuantum nokta, manyetik NP, karbon nanotüp, altın NP’ler, polimerik NP, ve silika NP esaslı olabilirler (21). Bu NP’lerden pek azı Food and Drug Administration (FDA) onayı almış ve insanda kullanılmışlardır. Indocyanine green (ICG) yakın infrared (IR) bölgesinde ışıma veren bir floresans boyadır ve insanda indikator kullanım için FDA onaylıdır. ICG NP’ler kanser teranostiğinde potansiyel olarak dikkat çekicidir (22). ICG, moleküler ağırlık: 774,96 g/moL bir amfifilik trikarbosiyanine boyasıdır (22).
Yükle ilgili olarak ise nötr NP’ler yavaş atılım hızına sahipken, karaciğer ve dalakta tutulum da yüklü NP’lere göre düşük olduğu rapor edilmiştir, çünkü intravenöz olarak uygulanan pozitif yüklü nanopartiküller, negatif yüklü serum proteinlerinin mevcudiyetine bağlı olarak genellikle agregatları oluştururlar (23).
Geçtiğimiz yıllarda SPECT ve PET radyonüklidleri işaretli (24,25,26,27,28,29) nanopartiküllerin moleküler görüntülemede ve ilaç uygulamalarındaki artış, yeni ilaçların keşfine ve çok sayıda klinik çalışmaya yol açmıştır (30,31,32,33). PET’in fizyolojik görüntülemedeki ve çözünürlükteki üstün özellikleri sebebiyle translasyonel araştırmalarda PET radyonüklidleri ile radyoişaretli nanopartiküllerin majör biyomedikal uygulamalarına odaklanıldı (34,35,36,37,38).
PET ve SPECT Radyonüklidleri ile İşaretli Nanoparçacıkların Uygulamaları
PET ve SPECT radyonüklidleri ile işaretli nanopartiküller, nanopartiküllerin in vivo farmakokinetiklerini, görüntüleme kabiliyetini ve terapötik potansiyeli keşfetmeye yönelik bir araç olarak hem klinik öncesi hem de klinik çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır (27,30,39,40). Farklı fizikokimyasal özellikleri ve fonksiyonel grupları olan nanopartiküller için, belirli bir radyonüklid ile radyoişaretleme stratejisinin, optimal bir görüntüleme sonucu elde etmek için dikkatle düşünülmesi gerekmektedir. Nanopartiküller için yaygın olarak kullanılan PET ve SPECT radyonüklidlerinin özellikleri Tablo 1 ve Tablo 2’de özetlenmiştir.
Nanopartiküller için iki ana radyoişaretleme stratejisi bulunmaktadır. Birincisi NP yapının kendisini ya yüzeyde ya da çekirdekte radyoaktif hale getirmektir. Diğer yaklaşım ise NP içinde kapsüllenmiş olan yükün radyoaktif hale getirilmesidir. Her iki yaklaşım da NP’lerin radyoaktif işaretlemesi için yaygın olarak kullanılır (Tablo 3) (41).
Bununla beraber biyomedikal uygulamalar için radyo işaretli bir nanopartikül tasarlarken, bazı temel faktörlerin göz önüne alınması gerekir. Bunlardan ilki radyoişaretlemenin bütünlüğüdür. Radyoişaretli nanopartiküllerin in vitro veya in vivo uygulamaları için, radyonüklidin kendisi NP veya yükten ziyade gözlemlenir veya tespit edilir. Böylece, NP yapı ve radyoişaretleme stratejisi, sağlam, stabil radyo işaretleme yapmak için tasarlanabilir.
Göz önünde bulundurulması gereken ikinci faktör, uygulama uyumluluğudur. Burada radyonüklidin yarı ömrünün, probun ve hedefin bağlanma kinetiği ile aynı zamanda probun in vivo farmakokinetiği ile uyumlu olması gerekir. Üçüncü bir faktör işaretleme verimi ve radyoaktif işaretlemenin spesifik aktivitesidir, çünkü daha fazla radyonüklid yüklenmesine izin veren iyi tasarlanmış bir nanopartikül, yüksek bağlanma verimliliği sağlayabilir ve daha az nanoparçacık miktarı ile daha iyi görüntü sağlayabilir ve sadece miktarları izlemek için gerekli NP yönetimini azaltabilir. Dördüncü faktör, insan uygulamaları için Amerikan FDA onayı nanopartiküllerin klinik potansiyelini araştırmak için gerekli olacaktır. Örneğin; PET görüntüleme için daha iyi Cu-64 radyoişaretleme stabilitesi gösteren şelatörler olmasına rağmen, (42) DOTA (1,4,7,10-tetraazasikododekan-l, 4,7,10-tetraasetik asit), hala en çok kullanılan şelatlayıcıdır. Mevcut görüntüleme yöntemlerinden PET, yüksek hassasiyet ve kantitatif saptama nedeniyle altın nanoyapıların biyodağılımını izlemek için en çok kullanılan tekniktir. Cu-64-radyoişaretli bir altın nanoyapının yakın tarihli bir çalışması, sadece PET görüntüleme için değil, aynı zamanda bir terapötik ajan olarak da potansiyel olduğunu gösteren, net tümör alımı gösterdi (42).
Polimer nanopartiküller de sentetik kimyanın çok yönlülüğüne bağlı olarak çeşitli radyoişaretleme stratejileri kullanılarak biyomedikal görüntüleme uygulamaları için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Polimer nanopartiküllerin yapısal tasarımı ve in vivo PET görüntülemesi, çeşitli araştırıcılar tarafından ayrıntılı olarak gözden geçirilmiştir (25). Lipozom nanopartikülleri 40 yıl önce ilk keşiflerinden bu yana çeşitli muhtemel bileşimler ve modifikasyonlarla ilaç uygulamalarında taşıyıcı olarak kullanılmıştır (14,43). Lipozomların hem tanı hem de tedavi için nanotaşıyıcılar olarak kullanımında önemli ilerlemeler sağlanmıştır. Radyoaktif lipozomların üretilmesi için çok çeşitli radyonüklitler ve işaretleme stratejileri üzerinde çalışılmış ve bunlar çeşitli raporlarda tartışılmıştır. Silika NP’leri de iyi bilinen biyouyumlulukları nedeniyle çeşitli biyomedikal uygulamalar için araştırılmıştır (44,45). F-18 işaretli poröz silika NP’lerin oral yoldan verildikten sonra, mide bağırsak yolu boyunca bozulmadan ve deri altı birikimi olmadan gastrointestinal sistemi geçtiği gösterilmiştir.
İntravenöz enjeksiyon ile hızlı bir mononükleer fagosit sistemi atılımı profili doğrulandı. Sonuçlar silika nanopartiküllerin, in vivo stabilite, düşük sitotoksisite ve immünojenik olmayan profillerin oral ilaç verme potansiyelini gösteren mükemmel nanosistemler olduğunu göstermiştir (44). Başka bir çalışmada, I-124 ve yakın kızıl ötesi boya DY776 ile işaretlenerek organik olarak modifiye edilmiş bir silika NP, hepatobiliyer atılım yoluyla in vivo olarak hiçbir toksisite göstermemiştir (45). Son zamanlarda, nanoelmas yapılar da ilaç moleküllerine biyouyumlu taşıyıcılar olarak umut verici biyomateryaller olarak önerilmiştir (46). F-18 radyoişaretli nanoelmas yapılar yüksek akciğer, karaciğer ve dalak tutulumu ve üriner sistem atımı gösterdi (47). Nanoteknoloji araştırma ve geliştirmelere Ulusal Sağlık Enstitüsü’nün artan desteği ile nanotıp araştırmalarında ilerlemeler beklenmektedir (48).
Ek olarak, poli (laktid-ko-glikolid) bazlı biyobozunur nanopartiküllerin potansiyeli, FDA’nın insan kullanımı için onaylanmasından dolayı PET görüntüleme için de değerlendirilmiştir (60). Demir oksit NP’leri PET/MRG kontrast ajanı olarak çeşitli radyonüklidler ile işaretlenerek kardiyovasküler görüntüleme için önerilmiştir. Dekstran kaplama ve dietilentriaminpentaasetik asit konjugasyonu gibi karbonhidratlar ile, Cu-64 radyoişaretli demir oksit NP (Cu-64-TNP), bir apolipoprotein E eksikliği (apoE -/-) anevrizma fare modelinde hedefe yönelik olarak kullanılmıştır (60).
Yüksek spesifik aktiviteli radyonüklid işaretli demiroksit NP’leri (3.7 × 108 Bq / mg Fe nanopartikül), klinik onkoloji çalışmalarında (2,6 mg Fe/kg vücut ağırlığı) çeşitli organlarda NP birikimini diğer yöntemlerde (1,5 mg Fe/kg vücut ağırlığı) kullanılandan daha düşük doz uygulamasına olanak sağlamıştır. Cu-64-TNP’nin in vivo biyolojik dağılımı yeterli kan dolaşımını (t1/2 ≥4 saat) ve karaciğer ve bağırsakta majör birikimi gösterdi. PET/BT görüntüleme, torakal aortta Cu-64-TNP’nin lokalizasyonunu, radyoaktif işaretli nanopartikülün klinik translatabilitesine işaret eden, 5,1±0,9’luk bir hedef-arka plan oranına sahip olduğunu gösterdi. Ayrıca, geniş kullanılabilirliği, duyarlılığı ve kovalent radyoaktif işaretlemede yaygınlığı nedeniyle F-18 ile de işaretli demir oksit NP’ler [(F-18- cross linked iron oxide (CLIO)] geliştirilmiştir (53,56). Hızlı [F-18] tıklama (click) florlaması ile yüksek radyoişaretleme verimliliği ve spesifik aktiviteye ulaşıldı (6.8 ± 0.8) x 108 Bq/mg Fe NP). İn vivo farmakokinetik çalışmalar, Cu-64-TNP’ye benzer kan tutulumu gösterdi. ApoE-/- anevrizmalar fare modelinde, PET görüntüleme fagositik hücreler tarafından tutulum kolaylığının, anevrizmalarda doğal tip aorta göre önemli ölçüde daha yüksek izleyici birikimi sağladığını göstermiştir.
Sonuç
Farklı görüntüleme modaliteleri olan çok modüllü nanopartiküller çeşitli hastalıklarda tanı ve tedavi potansiyeli için tasarlanmış ve araştırılmıştır. Bu derlemede sunulan örnekler, kardiyovasküler, pulmoner ve tümör görüntüleme için PET izotoplarının yanı sıra farmakokinetik değerlendirme için işaretlenmiş nanopartiküllere odaklanmaktadır. Şimdiye kadar, nanoparçacık yapılar kullanılarak in vitro izleme ve in vivo görüntüleme ile bilgi sağlamada önemli ilerlemeler kaydedilmiştir.
Bununla birlikte PET görüntüleme kullanarak hastalıkların daha erken dönemde tespiti ve böylece daha etkin tedavi sağlanabilmesi ve kişiselleştirilmiş tıp için onaylanmış biyo-uyumlu ve biyo-bozunabilir nanoparçacıkların geliştirilmesini sağlamak için daha fazla çaba harcanması gerekecektir.
Finansal Destek: Yazar tarafından finansal destek alınmadığı bildirilmiştir.