1、 Univ.Chem.2023,38(2),19 1 收稿：2022-04-01；录用：2022-06-28；网络发表：2022-09-05*通讯作者，Email: 今日化学 doi:10.3866/PKU.DXHX202204005 辐射技术在医疗领域中的应用进展辐射技术在医疗领域中的应用进展 孟令航，陆传捷，彭静*北京大学化学与分子工程学院，北京 100871 摘要：摘要：辐射技术在医疗领域有着独特的地位，随着辐射技术的发展，未来将具有更广阔的应用前景。本文介绍了辐射技术在医疗领域的研究与发展历史，以及在诊断和治疗方面的应用现状和最新前沿研究。期望人们了解辐射技术的应用，促进辐射技术服务人
2、类。关键词：关键词：辐射技术；PET成像；核药物；辐射介导的药物释放；活性氧治疗 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Advances in the Applications of Radiation Technology in the Medical Field Linghang Meng,Chuanjie Lu,Jing Peng*College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,China.Abstract:Radiation technology has a unique p
3、osition in the medical field.With the development of radiation technology,it will have a broader application prospect in the future.This paper reviews the research and development history of radiation technology in the medical field,the current state in medical applications,and the latest frontier r
4、esearch in both diagnosis and treatment.In this way we hope to make people learn the applications of radiation technology and promote the use of radiation technology for mankind.Key Words:Radiation technology;PET imaging;Nuclear medicine;Radiation-induced drug release;ROS therapy 现代医学是一门结合化学、生物学的综合应
5、用科学，发展到现在手段多样，技术高超，体系完善。辐射技术在医疗技术的发展中也逐渐扮演了不可替代的作用。截止至2018年，我国核医学相关科室数量已达到927个，相关科室人员9090人，相关研究机构也超过上百余所1。2021年6月，八部委联合发布了“关于印发医用同位素中长期发展规划(20212035年)的通知”，对医用同位素的研制生产、放射性药品研发、医保政策、产业布局等方面作出了重要部署。并要求2021年至2025年实现三级综合医院核医学科全覆盖，2026年至2035年在全国范围内实现“一县一科”2。这将会推动核医学领域的快速发展。因此有必要让公众了解辐射化学在医疗技术中的应用进展，有利于辐射技
6、术更好地服务社会，并促进辐射化学学科的发展。本文将按照历史发展应用现状研究前沿的顺序，首先简要介绍辐射技术在医疗技术领域的发展历程。并从最基本的原理出发，具体介绍目前常用的辐射诊断和辐射治疗技术，包括正电子发射断层扫描(PET)、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)、放射疗法、放射性核素治疗等。最后介绍辐2 大 学 化 学 Vol.38射化学在相关医疗领域的研究前沿。1 辐射技术在医疗技术领域中的发展历程辐射技术在医疗技术领域中的发展历程 1.1 早期阶段早期阶段(18951942)1895年，在德国Roentgen W.C.发现X射线之后，法国Becquerel A.H.发现了放射性现象，
7、1898年，法国居里夫妇(Curie M.&Curie P.)从沥青铀矿中分离得到了镭，为辐射化学研究提供了最早的辐射源3。18991900年，英国Rutherford E.对铀进行研究,提出了两种类型的射线：射线和射线。法国Villard P.V.同样对铀进行研究，发现了具有很强穿透能力的射线。而镭衰变能放出、射线。至此，3种射线被发现，并成为辐射技术中主要的辐射源。后续的研究发现射线是氦核流，射线是高速的电子流，射线是穿透力极强的光子流。但是在当时，人们对放射性有关的现象和背后的原理还一无所知，对于放射性的危害和必要的防护措施也缺乏认知。这导致放射性物质(以镭和钍为主)在当时因为新奇的放射
8、性被包装成为“包治百病的神药”而受到人类盲目的追捧，被大量应用在日常用品，包括牙膏、护发素、浴盐等，乃至食品中也有这些放射性元素的存在。这起事件被称为“20世纪初著名的放射性骗局”。图1是当时流行的一些含镭制品的图片。图图1 20世纪流行的含镭制品世纪流行的含镭制品(a)“镭补”；(b)“钍镭粉”；(c)“含镭洗手液”4 随着人们对放射性的认知逐渐完善，以及相关监管法律的确立，这场20世纪初的“放射性骗局”才逐渐平息下来。此后一个重要的里程碑事件是1934年人工放射性核素的发现，这极大推动了核医学的发展，也是核药物发展的起点5。与此同时，早期的医用X射线发射器研究成功，在医疗领域有了一定的应用
9、，并推动了人们对于X射线的生物效应的研究。1.2 发展阶段发展阶段(19421980)受二战中曼哈顿计划的影响，二战后原子能事业迅速发展。在20世纪50年代，已经有不少人造放射性核素得到了应用，如131I(治疗甲状腺癌，诊断成像)6、99mTc(放射性示踪剂)、60Co(产生高强度的射线，放射治疗的辐射源，刀7)等，直至今日，99mTc仍是核医学中使用最多的核素，被广泛用于各种核医学成像研究。Benedict C.研究开发了第一台直线扫描仪和闪烁体照相机(照相机)，这一开创性工作将核医学这一年轻学科拓宽为成熟的医学成像科室。到20世纪60年代初，科学家研究发表了通过吸入133Xe实现的第一个大
10、脑血流图成像技术8，到20世纪70年代，人体的大多数器官都可以使用核医学成像技术实现可视化。1971年，美国医学会正式承认核医学为医学专业。No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202204005 31.3 应用阶段应用阶段(1980)随着计算机技术的发展，单光子发射计算机断层扫描(SPECT)被发明出来，标志着心脏的三维重建成为现实以及核心脏病学领域的建立。除此之外，成像精度更高的正电子发射断层扫描仪(PET)以及正电子发射断层扫描-计算机断层扫描(PET-CT)技术的发明与应用，标志着辐射诊断和成像技术发展进入了新的阶段。如今，许多新技术的研究，包括靶向性核药物治疗、活性氧物种
11、(ROS)治疗，辐射介导的药物释放等技术的研究，使得辐射技术在医疗技术的应用逐渐向着靶向性、高效性、低副作用的方向发展。2 辐射技术在医疗技术领域中的应用现状辐射技术在医疗技术领域中的应用现状 2.1 辐射技术在医疗成像技术领域的应用辐射技术在医疗成像技术领域的应用 2.1.1 正电子发射断层扫描技术正电子发射断层扫描技术(PET)目前PET 9是临床应用最多的诊断技术。它利用示踪核素的+衰变，产生正电子，正电子与负电子湮灭后产生一对沿相反方向运动的湮灭光子，利用相机检测这一对湮灭光子10，由于光子与物质发生的辐射化学作用，导致其光子辐射强度的变化，即可可视化和测量人体各种生理活动(包括新陈代
12、谢、血液流动、区域化学成分和吸收)的变化。目前PET已被广泛用于肿瘤成像和肿瘤转移灶搜索，以及某些弥漫性脑部疾病的临床诊断。迄今为止，临床PET扫描中最常用的放射性示踪剂是碳水化合物衍生物氟脱氧葡萄糖(18F-FDG)，结构如图2所示。图图2 18F-FDG结构图结构图 FDG作为葡萄糖的类似物被高代谢细胞如癌细胞通过葡萄糖转运蛋白(Glut)摄取，其结构中C6位的羟基磷酸化后无法进行进一步的代谢从而滞留在吸收细胞中，进而实现对肿瘤的PET扫描。由于大多数正电子发射放射性同位素的半衰期较短，所以传统上只能使用靠近PET成像设备的回旋加速器生产放射性示踪剂，只有18F的半衰期足够长(半衰期为10
13、9 min)，可以在异地制造，然后运送到成像中心，因此18F相比于其他放射性同位素的应用要广泛得多，以18F-FDG以及NaF-18F的形式被广泛地应用于包括心脏病学以及肌肉骨骼学等PET成像中。除了医疗成像领域，在新药研发领域，PET技术也可以用来研究药物的生物分布等。在I期、II期临床实验中，PET成像可以帮助检测剂量以及作用靶点，并帮助制药行业识别先导化合物，了解药物代谢数据等。其主要方法是将+核素通过螯合剂固定，再将螯合剂共价连接到药物分子上，即可以通过PET成像追踪药物在生物体内的分布11。2.1.2 PET联用技术联用技术 如今，PET成像技术正越来越多地与其他成像技术联合，如PE
14、T-CT和正电子发射断层扫描-磁共振成像(PET-MRI)都是目前应用较广的成像手段12。PET-CT是在一台仪器中同时装备了PET和X射线计算机断层扫描仪(CT)，从PET获得的功能成像描绘了代谢或生化的空间分布，并通过CT精确定位成像。解决了PET成像难、噪音大、精度低的问题。4 大 学 化 学 Vol.38PET-MRI则是结合了磁共振成像(MRI)和PET功能成像，该技术将MRI提供的精细组织结构和功能表征与PET成像对代谢和跟踪独特标记的细胞类型或细胞受体的极高灵敏度相结合。在心脏病学、神经科学领域有较多的应用。与PET-CT相比，PET-MRI的明显优势是电离辐射总剂量较低。实际上
15、CT扫描的剂量约占总剂量的60%80%，其余剂量来自PET的放射性核素。相比之下，MRI没有电离辐射。因此，PET-MRI在儿童诊断领域以及肿瘤学或慢性炎症性疾病的连续随访检查等方面有较好的应用13。2.1.3 单光子发射计算机断层扫描技术单光子发射计算机断层扫描技术(SPECT)SPECT相比PET，则是将能发射射线的放射性同位素注入血液，并直接检测射线。绝大多数SPECT都基于99mTc放射性核素。虽然PET有两个同时向相反方向发射的光子，可以提供更多关于位置的信息，精度更高，但是SPECT的优势在于其可以使用更稳定的放射性同位素(131I、99mTc等)，因此成本比PET低得多，在不需要
16、较高精度的医学成像方面可以替代PET作为更经济的选择。2.2 辐射技术在医疗治疗技术领域的应用辐射技术在医疗治疗技术领域的应用 2.2.1 传统的放射疗法传统的放射疗法 目前的放射疗法14主要分为三类。首先是外照射的放射疗法(EBRT)，是目前最常见的放疗方式，辐射源位于身体外部，通常以X射线、射线和电子束为主。根据射线能量不同、穿透能力不同，较低能量的X射线(约数百keV)以诊断、成像和表层(如皮肤等)治疗为主；较高能量的射线(MeV X射线、刀)通常用于治疗癌症。除了采用直线加速器，利用电子快速减速产生韧致辐射(即X射线)之外，也可利用60Co等放射性核素产生的射线7。其次是近距离放射疗法(Brachytherapy)，是将密封的放射源放置在需要治疗的区域内部或附近，是一种对身体表面附近的组织和器官进行治疗的手段15。相比EBRT疗法，可以用非常高剂量的局部放射治疗肿瘤，同时降低对周围健康组织造成不必要损伤。通常用作宫颈癌、前列腺癌、乳腺癌、食道癌和皮肤癌等癌症的治疗。传统的放射疗法原理简单，但是从原理上来讲，外源辐射没有靶向性，只能通过物理手段(辐照的位置、强度等)来降低对正常细