Giriş

Radyoaktivitenin keşfedilmesinden bu yana, kanser ve diğer hastalıkların teşhisinde ve tedavisinde radyonüklidler Nükleer Tıp alanında etkili bir şekilde kullanılmaktadırlar. Nükleer teknolojilerde devam eden ilerlemeler, Nükleer Tıpta yüksek etkinlik gösteren radyofarmasötikler olarak adlandırılan ilgi çekici ilaçların ortaya çıkmasına yol açmıştır.

Nükleer Tıpta kullanılan radyofarmasötiklerin içerdikleri radyonüklidler tarafından üretilen parçacık radyasyonu (α, ß, nötronlar, protonlar vb.) ile γ-ışınları gibi elektromanyetik dalgalar ve harici kaynaklardan (hızlandırıcı, reaktör vb.) üretilen X-ışınlarının organizmadaki dağılımı teşhis ve tedavi amacıyla kullanılmak için tam olarak belirlenmektedir. Teşhis amacıyla organ ve dokuların geniş açılı görüntülenmesinde X-ışınları ve  foton yayıcı radyonüklidler; γ ve ß+ (pozitron) emisyonu kullanılır. Tedavi durumunda ise kanser hücresi ölümüne neden olmak için ya harici radyasyon kaynaklarının (örneğin; yüksek enerjili X-ışınları, iyon demeti)  doğrudan tümörler üzerine odaklanması ya da dahili parçacık yayıcı terapötik radyonüklidler (örneğin; α, β−, auger elektron salıcı) kullanılmaktadır. Radyasyona bağlı DNA hasarını başlatmak için doğrudan bir prob veya uygun taşıyıcılar (örneğin; peptitler, antikorlar) yoluyla radyonüklid tümöre iletilmekte ve bu sayede aktif olarak çoğalan kanser hücreleri seçilerek eliminasyonları sağlanmaktadır (1,2). Nükleer Tıpta uygulanan görüntüleme yöntemleri, son yıllarda olağanüstü bir ilerleme kaydederek tümörlerin teşhis ve tedavisi için kilit araçlardan biri haline gelmiştir. Tek foton emisyonlu bilgisayarlı tomografisi (SPECT) ve pozitron emisyon tomografisi (PET) tümörleri ve metastazları teşhis etmek için kullanılan başlıca görüntüleme yöntemleridir (2).

Mevcut nükleer görüntüleme yöntemlerinde karşılaşılan en önemli zorluklardan biri klinik uygulamaya uygun bir görüntüleme probunun tasarımıdır. Optimal bir probun geliştirilmesinde ve tasarımında dikkate alınması gereken belirli kriterler vardır. İdeal bir görüntüleme probu biyouyumlu olmalı, vücuttan kolayca atılabilmeli, güçlü görüntüleme sinyali ve hassasiyeti sağlamalı, ilgili bölgeye özel hedeflenebilmeli, radyonüklidle ilişkili olarak da probun fizyokimyasal davranışı düşük toksisiteli ve iyi bir biyolojik dağılım göstermelidir. Bununla birlikte, radyoişaretleme için radyonüklid seçimi de prob tasarımında çok önemli faktörlerden biridir. Probların hazırlanmasında kullanılacak radyonüklidlerin uygun yarı ömre ve optimum enerjiye sahip olması kaliteli görüntüleme elde edilmesi için önemlidir. Örneğin, Ga-68 ve F-18 hızlı dağılım kinetiğine sahip ilaçlarla PET ile görüntüleme amaçlı kullanılan kısa yarı ömürlü radyonüklidlerdir. Öte yandan, Cu-64 gibi daha uzun yarı ömürlü radyonüklidler, belirli bir süre gerektiren bölgeye özgü hedefe ulaşmak için antikorlarla yaygın olarak kullanılır. Florodeoksiglukoz gibi küçük moleküller şu anda PET görüntülemede görüntüleme probları olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, küçük moleküller belirli tümörlerde özgül olmayan dağılım ve zayıf tutulum sergileme eğilimindedirler, bu da teşhis sonuçlarından sapmaya yol açabilir. Biyomoleküllerin %98’inden fazlası, nörolojik veya beyin ile ilgili hastalıkları hedeflemede kan-beyin bariyerini aşma yeteneğine sahip değildirler. Nanomalzemeler, avantajlı boyutları ve fizikokimyasal özellikleri nedeniyle potansiyel olarak bu zorlukların üstesinden gelebilir. Nanomalzemeler, probların hastalık bölgelerinde lokalize olmalarına olanak vererek düşük böbrek atılımı ve yavaş karaciğer metabolizesi sayesinde vücutta uzun süreli dolaşımda kalırlar (3).

Son otuz yılda, kanser teşhis ve tedavilerini geliştirmek için yeni nanomalzemelerin ve radyonüklidlerin kullanımında hızlı bir artış olmuştur. Nanoparçacık (NP) ilaç taşıma sistemleri, radyoişaretli ilaçların tümör bölgesine verilmesini hedefleyerek ve bunların toksik yan etkilerini azaltarak gelişmiş görüntüleme ve terapötik etkinliğe sahiptir. NP’lerin önemli avantajları, <100 nm boyutlarında hazırlanabilmeleridir. Bu boyut, ilaçların ve radyonüklidlerin lokalizasyonunu, geçirgenliğini ve tutulumunu artırır. Nanomalzemelerin yüzeyi, biyouyumluluğu ve belirli hedeflerin seçimini iyileştirmek için genellikle polimerler veya ligandlarla kaplanır. Molekülleri hedeflerine yönlendirmek için ilaç taşıyıcı olarak polimerik NP’ler, liposom taşıyıcılar, dendrimerler, manyetik demir oksit NP'leri (IONP) karbon nanotüpler ve inorganik metal bazlı gibi çeşitli nanoformülasyonlar kullanılabilmektedir. NP’lerin homojen dağılım gösterebilmeleri için uygun boyut ve şekilde olması ve uygun bir yüzey yüküne sahip olması gerekmektedir (4).

Radyonüklidlerin hedef bölgeye taşınması için NP’lerin kullanılması hastalıkların teşhis ve tedavisinde veya başka bir deyişle teranostikte çok yararlı olabilmektedir (3,4).

Tümör bölgelerine teşhis ve tedavi için NP taşıma sisteminin (i) özgül pasif hedefleme ve (ii) özgül aktif hedefleme olmak üzere iki mekanizması vardır. NP ilaç taşıma sistemleri, polimerlerden (polimerik nanopartiküller, miseller veya dendrimerler), lipitlerden (lipozomlar), virüslerden (viral nanopartiküller), organometalik bileşiklerden (nanotüpler), inorganik NP’lerden (fullerenler, karbon nanotüpler, kuantum noktaları veya manyetik NP’ler) oluşabilir. Nano hedefli radyonüklidler, NP çekirdeği, hedefleyici biyomolekül (belirli bir biyolojik hedefi tanıyabilmesi gerekir) ve radyonüklid olarak bu üç bileşeni içermektedir. NP’lerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, parçacık-hücre etkileşimlerini, hücresel trafik mekanizmalarını, biyodağılımı, farmakokinetikleri ve optik özelliklerini belirlemede kritik bir rol oynar. Her bir NP türünün, belirli bir malzemenin doğal özellikleri olan çözünürlük, termal iletkenlik, kimyasal bileşiklerin biyomolekülleri veya bağlayıcıları bağlama yeteneğinin yanı sıra biyouyumluluk, toksisite, immünojenisite ve kontrollü ilaç salınım hızı, kararlılık ve ilaç salma kapasitesi gibi belirli avantajlar ve dezavantajları bulunmaktadır (2).

NP’lerin radyoişaretlenmesi (i) radyonüklidin NP’lerin yüzeyine bağlanma, (ii) nanotaşıyıcı çekirdekte radyonüklidin kapsüllenmesi ve (iii) iki radyonüklid ile radyoişaretleme şeklinde yapılabilmektedir (4).

Radyonüklidin Nanoparçacıkların Yüzeyine Bağlanması

NP yüzeyine bir radyonüklidin eklenmesi, doğrudan yüzey işaretleme ve dolaylı yüzey işaretleme olmak üzere ikiye ayrılır. Doğrudan işaretleme yönteminde, NP yüzeyine bir radyonüklidin bağlanması için yüksek veya düşük sıcaklıklara veya kimyasalların eklenmesine ilişkin özel bir işlem gerektirmez.

Diğer yandan, dolaylı yüzey işaretleme yönteminde ise NP’ler ile radyonüklidin işaretlenmesinde 1, 4, 7, 10-tetraazasiklododekan-1, 4, 7, 10-tetraasetik asit (DOTA) veya deferoksamin (DFO) gibi şelatlayıcılar kullanılmaktadır.

Nanotaşıyıcı Çekirdekte Radyonüklidin Kapsüllenmesi

NP’lerin yüzey işaretleme yöntemi ile işaretlenmesi kovalent bağların enzimatik bozunması veya metal bağlayıcı proteinler tarafından radyonüklidlerin NP’den ayrılmasına neden olabilmektedir. Bu tür sorunların üstesinden gelmek için, NP’lerin çekirdek kısmının radyoişaretlenmesi etkili bir çözüm olarak tercih edilmektedir.

Kapsülleme, kaplama ve kimyasal doping, NP’nin çekirdek radyoişaretlenmesi için kullanılan en yaygın yöntemlerdir.

İki Radyonüklid ile Radyoişaretleme

Bu radyoişaretleme yönteminde, iki radyonüklid kullanılır ve her ikisi de yüzeye veya biri yüzeyde ve biri çekirdekte veya her ikisi de çekirdekte bağlanır. Bu radyoişaretleme yöntemi kullanılan radyonüklidin türüne bağlı olarak şelatlayıcı grupların eklenmesini içerebilir veya içermeyebilir. İkili radyoişaretleme, iki radyonüklidin tek bir sistemde kullanılması için çeşitli çalışmalarda araştırılmış ve sonuçlar, bu nanoformülasyonların biyodağılım gibi farmakokinetik parametreleri incelemek için etkili bir taşıyıcı olarak kabul edildiğini göstermiştir (4).

Son yirmi yılda, NP içeren tıbbi ürünleri (nanoilaçlar olarak adlandırılır) klinik kullanıma geçirebilmek için birçok çalışma yapılmıştır ancak halen çok az sayıda klinikte kullanılmak üzere onay alan ürün bulunmaktadır (5,6).

Hastalıkların tedavisinde en önemli dezavantajlardan biri terapötik ajanların, hedef olmayan organ ve dokulara giderek bu dokular üzerinde yan etki göstermeleridir. Bu sebeple özgül ilaç hedefleme sistemlerinde temel amaç hedef olmayan organ ve dokulardaki yan etkilerini önleyecek şekilde ilacın hedef bölgeye taşınmasıdır. Nano boyuttaki ilaç taşıyıcı sistemler aktif ve pasif hedefleme yapılarak sağlıklı hücreler toksik etkiye maruz kalmayacak şekilde ilacın kanser hücrelerindeki konsantrasyonu artırılabilir. Aktif molekülün hedef bölgedeki tutulumunu fizikokimyasal özellikleri etkilemektedir. Ayrıca anti-kanser ajanların sudaki düşük çözünürlüğü, hücrelerdeki geçirgenlik ve dışarı sızma gibi problemleri terapötik etkinliklerini düşürmektedir. Bu sebeple ilaç taşıyıcı sistemlerin yüzey modifikasyonunun, hedefleme verimini geliştirebileceği, hedef olmayan bölgedeki zararı azaltabileceği ve ilacın kan dolaşımında kalma süresini artırabileceği düşünülmektedir (7).

Geliştirilmekte olan birçok pasif ve aktif hedefli NP tedavisi vardır. Çoğu gelişme hala in vitro veya hayvan çalışması aşamasındadır. NP’ler kullanılarak çok sayıda radyonüklidin ilaç taşıyıcı sistemlere kullanılması üzerine çalışmalar yapılmıştır. Bu derlemede radyonüklidlerin lipozomlar, silika NP’ler, altın NP'ler (AuNP) Poli (laktik asit-ko-glikolik asit) (PLGA) NP’ler, IONP'ler, miseller ve dendrimerleri göz önünde bulundurarak NP’lerin Nükleer Tıpta kullanımında en son teknolojinin ne durumda olduğu özetlenmeye çalışılmıştır (6).

Lipozomlar

Lipozomlar, hem hidrofilik ilaçları hem de hidrofobik ilaçları kapsüle edebilen ilaç taşıyıcılarıdır. Farmakokinetik özellikleri, boyutları ve lipit bilayer (iki tabakalı) tabakasının kimyasal bileşimleri, yüzey yükü ve diğer özelliklerin değiştirilerek modifiye edilebilir [örneğin; Polietilenglikol (PEG) veya belirli hücre hedefleme ajanları kullanılarak] olması ilaç taşıyıcı sistemlerde tercih sebebidir. Tüm NP’ler arasında lipozomlar, özellikle anti-kanser ilaç taşıma için klinik ortamlarda en sık kullanılanlardır. 1995 yılında, Gıda ve İlaç İdaresi (Food and Drug Administration - FDA), kanser tedavisi için Doxil adı verilen lipozomal bir doksorubisin formülasyonunu onaylamıştır.

Lipozomların biyolojik yarı ömürleri uzun olduğu için radyonüklid seçilirken bu özellikleri dikkate alınarak uzun yarılanma ömrüne sahip radyonüklidler teşhiş amacıyla tercih edilmelidirler. Tablo 1’de radyoişaretli lipozomlar için klinik öncesi çalışmalar özetlenmiştir.

Klinik öncesi uygulamalarda olduğu gibi, klinik alanlarda da, lipozomal formülasyonları işaretlemek ve bunların tümör ve normal dokulardaki birikimlerini incelemek için radyoişaretleme kullanılmıştır. Doksorubisin tedavisine iyi yanıt verecek hastaları belirleyebilmek için damarlanma durumunu belirlemek amacıyla radyoişaretli lipozomal dietilentriaminpentaasetik asit (DTPA) kullanılmıştır. Bununla birlikte (Tc-99m) işaretli lipozomal doksorubisin, malign plevral mezotelyoma tedavisi için sisplatin ile kombine edildiğinde tümörlerde bu lipozomların birikimini ve aktivitelerini değerlendirmek için kullanılmıştır. Bu çalışma sonucunda lipozomal doksorubisin ve sisplatin bazlı kemoterapiye hangi hastaların daha iyi yanıt verebileceği belirlenmiştir. Klinik öncesi umut verici çalışmaların ardından, Cu-64 MM-302 nano-lipozomları insanlarda pratik uygulamaları açısından incelenmiştir. Cu-64 MM-302 lipozomlarının birikiminin, NP’lerden çok lezyonun özelliklerine bağlı olduğu görülmüştür. Bu çalışma, tedaviden yarar görme olasılığı en yüksek olan hastaları belirlemek için tedavi öncesi fazda radyoaktif olarak işaretlenmiş lipozomal ilaçların kullanılmasının uygulanabilirliğini doğrulamıştır (6). Radyoişaretli lipozomlar için klinik çalışmalar Tablo 2’de özetlenmiştir.

Silika NP’ler

Silika kökenli NP’ler, büyük ölçüde kemiklerde bulunan endojen bir madde olan silikanın iyi biyouyumluluğu sayesinde, ilaç taşıma sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Silika NP’ler, FDA tarafından “genel olarak güvenli kabul edilmektedir” ve klinikte çalışmalarda da kullanılmıştır.

Boyutlarına, morfolojilerine ve bileşimlerine göre silika NP’ler (SiNP’ler), mezogözenekli (MSN) veya biyolojik olarak bozunabilir mezogözenekli (bMSN) ve içi boş mezogözenekli (HMSN) olarak sınıflandırılabilir. Biyouyumluluklarının yanı sıra, SiNP’lerin yüzeyleri modifikasyonlara uygundur. Radyoişaretli SiNP’ler, moleküler görüntüleme için hedefleyici ligandlarla kolaylıkla konjüge edilebilirler. Klinik öncesi çalışmalara örnekler Tablo 3’te verilmiştir.

Bununla birlikte, araştırmacılar tarafından biyolojik olarak uzun yarı ömre sahip olması nedeniyle silika NP’leri farklı radyonüklidlerle işaretlenerek görüntüleme amacıyla kullanıldığı birçok araştırma yapılmıştır. Bu çalışmalar arasında 2014 yılında metastatik melanom hastalarında I-124 işaretli ultra küçük SiNP’lerin (Cornell noktaları veya C' noktaları olarak bilinir) insanda ilk klinik denemesini bildirmişlerdir. Bu çalışma radyoaktif işaretli SiNP’lerin ve bu alandaki çalışmaların gelişimini hızlandırmıştır. İnsan üzerinde yapılan bu ilk denemeden sonra, daha da etkili hale getirmek için C’ noktaları kullanılarak başka birçok in vitro ve in vivo çalışma yapılmıştır (6,7,8).

Altın NP’ler

AuNP'ler genellikle küreler, çubuklar, yıldızlar ve kümeler gibi farklı şekillere sahip biyouyumlu çok küçük parçacıklardır (<10 nm). Toksik değildirler ve hücrelere kolayca nüfuz edebilirler. Yüzeylerindeki negatif yük sayesinde, biyomoleküller veya ilaçları hedefleyen şelatörler gibi farklı kimyasal moleküller kullanılarak kolayca yüzey modifikasyonu yapılabilir.

Ayrıca AuNP'ler farklı yöntemlerle radyonüklidlerle işaretlenebilirler: (1) şelatlayıcı molekül kullanarak (2) özellikle AuNP’lerin yüzeyindeki amino ve tiyol gruplarından doğrudan radyonüklidi işaretleyerek (3) ligand değişimi yoluyla (4) AuNP’lerin yüzeyinde bulunan molekülleri kimyasal olarak değiştirerek. I-131 ve Cu-64 gibi bazı radyonüklidlerde ise radyonüklid absorpsiyon yoluyla NP’lerin yüzeyine bağlanabilirler. Radyoişaretli AuNP'lerin, tümör görüntülemede kullanım için klinik öncesi uygulamaları ile ilgili çalışmalar Tablo 4’te özetlenmiştir (6).

Frellsen ve ark. (9) Cu-64 radyonüklidini AuNP’lerin içine hapsederek işaretleme gerçekleştirmişlerdir. Böylece AuNP’lerin yüzeyini PEG molekülü ile modifiye ederek radyoişaretli NP’lerin biyolojik sistemdeki dolaşım süresini artırmışlardır. Pulagam ve ark. (10) benzer bir düşünce ile bor nötron yakalama tedavisinde bor taşıyıcı olarak kullanmak üzere AuNP’leri sentezlemişlerdir. Bu NP’lerin yüzeyini PEG ile kaplayarak I-124 ile radyoişaretlemişler ve in vivo fare modelinde PET görüntüsü almışlardır.

Demir Oksit NP’ler

IONP’lerin son zamanlarda, hem manyetik rezonans (MR) görüntüleme kontrast maddeleri hem de PET izleyicileri olarak hareket etme yetenekleri, özellikle PET/MR tarayıcıların ortaya çıkışından bu yana bu parçacıkların Nükleer Tıpta kullanılması oldukça çekici hale gelmiştir. Bu parçacıklar genellikle bir polimer veya metal kaplama ile çevrelenmiş bir manyetik çekirdeğe sahiptir. Böylece IONP’ler dışarıdan harici bir manyetik alan etkisi ile tümörlü bölgeye yönlendirilerek sağlıklı dokuların korunması sağlanmış olur.

Bu IONP’leri PET/MR’de kullanmak üzere yüzeyleri Tc-99m, I-125, In-111, F-18, Cu-64 gibi radyonüklidlerle işaretlenebilir. Bu NP’ler için en yaygın olarak kullanılan radyoişaretleme stratejisi, radyonüklidin sentezin son aşamasında eklenmesini sağlayan eksojen şelatörleri içermesidir. Bununla birlikte şelatörlerin, karmaşık koordinasyon kimyası, değişen farmakokinetik riski ve görüntüleme sırasında radyonüklidlerin potansiyel ayrılması gibi dezavantajları da bulunmaktadır. Son zamanlarda IONP’lerin görüntüleme amaçlı kullanımına ilişkin birçok klinik öncesi çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar Tablo 5’te özetlenmiştir (6).

Madru ve ark. (11) tarafından 2012 yılında SPION'ları Tc-99m ile radyoişaretlenmiş ve radyoişaretli bu NP’ler SPECT ve MR tekniklerini birleştirerek sentinel lenf düğümü görüntülenmesinde kullanılmıştır. Lenf düğümlerinde radyoaktif olarak işaretlenmiş SPION'ların tutulumu, meme kanseri ve malign melanomda bile bu nanopartiküllerin gelecekteki kullanımının yolunu açmıştır. Bilindiği kadarıyla, IONP’lerle ilgili klinik öncesi çalışmaların hiçbiri henüz klinik aşamaya geçememiştir.

Sonuç

Biyouyumlu nanomalzemelerin çok yönlü yüzey kimyası, moleküler görüntüleme ve çeşitli hastalıkların tedavisinde kullanılmak üzere yenilikçi nano ilaç taşıyıcı sistemlerinin geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Son yirmi yılda, NP’ler kullanılarak çok sayıda radyonüklidin ilaç taşıyıcı sistemlere kullanılması üzerine birçok çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışmalarda umut verici klinik öncesi sonuçlara rağmen, birçok NP bunun ötesine geçememiştir. Bu derlemede lipozomlar, AuNP'ler, silika NP’ler ve IONP’ler göz önünde bulundurarak NP’lerin Nükleer Tıpta kullanımında en son teknolojinin ne olduğu özetlenmiştir.