2021, Vol. 41
硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy, BNCT)是一种细胞尺度内诱导的精确二元放疗方法。BNCT治疗肿瘤首先对患者注射硼递送剂，使之聚集于肿瘤部位，然后利用热中子束对肿瘤部位进行照射，通过热中子与肿瘤内的10B发生核裂变反应产生具有高传能线密度(linear energy transfer, LET)的α粒子和反冲7Li核选择性杀死肿瘤细胞[1]。硼递送剂本身毒性小，而且无放射性；热中子的能量较低(约0.025 eV)，而且治疗通常仅需一次中子照射，尽量避免了放射线的损伤。目前，BNCT已成功应用于治疗复发性脑胶质瘤、头颈部复发性肿瘤和恶性黑色素瘤，对于其他常见肿瘤如肝癌、肺癌、前列腺癌也做了临床试治，同样具有不错的治疗效果[2-3]。日本已于2020年3月批准了BNCT用于治疗不能手术切除的或者局部复发性头颈癌，标志着BNCT正式成为临床上治疗肿瘤的手段之一。虽然当前BNCT的基础和临床研究主要集中在日本和欧美，但是最近十几年我国很多科研院所、企业和医院也积极投入到BNCT的相关研究之中[4-5]。
一、BNCT的理论基础BNCT理论基于中子的发现以及对非放射性元素10B的物理特性研究[6-7]。10B是硼的两种稳定同位素之一，其自然丰度为19.4%。10B具有很高的热中子吸收截面，当10B俘获中子后，形成不稳定的11B，然后迅速分裂为具有高LET的α粒子和反冲7Li核并释放出能量和弱γ射线[8]。反应式如下：
| $ \begin{array}{*{20}{l}} {^{10}{\rm{B}} + {{\rm{n}}_{{\rm{thermal }}}} \to \left[ {^{11}{\rm{B}}} \right]* \to {\rm{ \mathit{ α} }}{ + ^7}{\rm{Li}} + 2.79\;{\rm{MeV}}(6.3\% )}\\ {^{10}{\rm{B}} + {{\rm{n}}_{{\rm{thermal }}}} \to \left[ {^{11}{\rm{B}}} \right]* \to {\rm{ \mathit{ α} }}{ + ^7}{\rm{Li}} + {\rm{ \mathit{ γ} }}\;{\rm{ray}}\;0.48\;{\rm{MeV}} \\+ 2.31\;{\rm{MeV}}(93.7\% )} \end{array} $ |
1936年，美国生物物理学家Locher首先提出利用BNCT治疗恶性肿瘤的设想。由于α粒子和7Li的组织内射程不到10 μm，而人肿瘤细胞的直径一般约10~20 μm，因此, 如果将足量的10B选择性递送到肿瘤细胞内部，就能够通过BNCT产生的α粒子与能量精准破坏肿瘤细胞而不影响正常细胞[9]。从上述原理可以看出BNCT是一种具有二元(热中子+ 10B)特性的肿瘤靶向放射治疗方法[10]。
二、BNCT用中子源BNCT用中子源需要满足以下两个条件：射束开口的中子通量必须大于109 n·cm-2·s-1；中子必须有足够高的能量以穿透肿瘤组织。目前可用于BNCT治疗肿瘤的中子源主要有反应堆中子源和基于加速器的中子源两种。由于铀核裂变可以产生高通量的中子，因此, 早期的BNCT研究都是在核裂变反应堆的基础上开展。但是由于服役期限和维护成本问题，有些反应堆已经不再用于BNCT临床研究。目前，仅有日本的KURR和中国台湾的THOR等少数几座反应堆还在开展BNCT临床试验[11]。由于大型核反应堆受制于占地面积大、造价高、改造难度大以及运行维护费用高等因素，难以推广到普通医院实施BNCT肿瘤治疗。2009年，中国原子能科学研究院周永茂院士在北京主持建造了一座基于微堆的医院中子照射器。医院中子照射器不仅体积小、功率低、造价低，而且操作方便、安全性高，是世界首座专为BNCT提供中子源的核装置。2014年9月该装置实施了我国首例黑色素瘤患者的BNCT临床试治，获得了良好的治疗效果[12]。
基于加速器的BNCT中子源(AB-BNCT)具有小型化、不使用放射性核燃料、维护成本低和安全性高的优势，最近十多年发展非常迅速[13]。BNCT使用的加速器中子源主要指低能加速器中子源，一般先用加速器将质子或者或氘离子加速，然后轰击金属锂或金属铍靶材，使其发生裂变并产生中子。日本和美国较早开始了AB-BNCT的研发与装备。2008年底日本京都大学原子炉研究所联合住友重工建成了世界首台研究用AB-BNCT，该加速器为30 MeV的质子回旋加速器，反应靶材为金属铍，并已证实可达国际原子能机构所要求的射束强度。最近，我国在AB-BNCT的研制方面也取得了很大的进展。2020年8月，中国科学院高能物理研究所在东莞中子科学中心成功研制了一台AB-BNCT装置并通过验收。此外，南京中硼联康医疗科技公司联合南京航空航天大学在厦门弘爱医院建造中国首个临床研究用AB-BNCT。
三、用于BNCT治疗的硼递送剂将足量的10B选择性递送到肿瘤细胞内部是BNCT成功的关键[14]。临床上要求硼递送剂至少要满足下列3个条件：①低毒性，能够富集在肿瘤中并从正常组织中快速清除。②肿瘤组织中10B含量大于20 μg/g(约相当于每个肿瘤细胞内至少109个10B原子)。③肿瘤与正常组织中硼浓度之比(T/N)以及肿瘤与血液中硼浓度(T/B)之比大于3[15]。与化疗药物的递送系统相比，用于BNCT的硼递送剂只要进入肿瘤细胞，无需将10B释放出来即可通过10B与热中子的核反应产生杀伤效应。
1.传统硼递送剂：截至目前，研究人员已经开发了3代硼递送剂用于BNCT[16]。第1代硼递送剂主要包括硼酸钠、硼酸及其衍生物。由于这些小分子化合物缺乏肿瘤靶向能力而且容易被代谢出体外，因此不能在肿瘤内聚集，也就无法获得任何疗效。在第2代硼递送剂的研制中，强调了药物在肿瘤组织内的聚集。其中有两种化合物，巯基十一碳氢十二硼烷钠盐(sodium borocaptate，BSH)和4-二羟基硼酰基苯丙氨酸(p-boronophenylalanine，BPA)，被美国食品及药物管理局批准用于BNCT临床试验。
BSH是一种具有笼状结构的多面体硼烷阴离子，每个分子含有12个10B原子。BSH可在血脑屏障(blood brain barrier，BBB)受到破坏时聚集在脑部肿瘤附近。1967年，Soloway等[17]首次将BSH应用于BNCT治疗肿瘤。但是，由于BSH缺乏肿瘤细胞特异性配体，导致T/N和T/B值较低，BNCT治疗效果有限。BPA是一种基于L-苯丙氨酸的硼化衍生物，由Snyder等[18]于1958年合成。BPA主要通过L型氨基酸转运蛋白1(LAT1)进入肿瘤细胞，该转运蛋白存在于多种恶性肿瘤细胞的细胞膜上。因此BPA具有较好的肿瘤细胞靶向性，其T/N和T/B值较高。此外，BPA的苯环上的氢原子可以被18F取代得到18F-BPA，能够利用正电子发射断层扫描(PET)成像评估药物在体内的分布和代谢。虽然BPA自身的水溶性和分散性很差，但是它能与果糖形成具有较好分散性的复合物，使之能通过静脉注射应用于BNCT治疗黑色素瘤、复发性脑胶质瘤以及头颈部复发性肿瘤。尽管BSH和BPA这两种第2代硼递送剂在性能上已经有了很大改进，但是其T/N、T/B值和治疗效果距离实际临床应用还有差距。此外，有研究表明BPA容易被内源性的过氧化氢降解而导致硼酸基团的脱落，因此体内代谢稳定性较差[19]。
随着对肿瘤特性的深入认识，研究人员开发出T/N和T/B值更高的第3代硼递送剂，还通过分子设计赋予纳米硼递送剂可视化功能。第3代硼递送剂大致可以分为小分子和大分子两大类。小分子硼递送剂通常是在含硼量高的碳硼烷上耦联一些生物活性分子，例如氨基酸、多肽、核苷和糖，利用这些分子对肿瘤细胞的识别功能提高硼递送剂的肿瘤靶向性。其中，含硼分子和肿瘤靶向肽的耦联物不仅易于合成，而且表现出低毒性和高肿瘤组织穿透性。Nakase等[20]报道了耦联细胞器靶向肽的碳硼烷，能够穿透肿瘤细胞膜并进入重要细胞器，例如细胞核和线粒体，进一步通过BNCT导致ATP减少和细胞凋亡。高分子量载硼药物包括单克隆抗体、树状大分子和聚合物等[21-22]。Wu等[21]研制了一系列连接肿瘤靶向配体(叶酸、西妥昔单抗)的硼化PAMAM树状大分子，并成功用于脑胶质瘤的BNCT治疗。Nomoto等[22]报道了一种聚乙烯醇和BPA的复合物(PVA-BPA)，发现PVA-BPA复合物能通过LAT1介导的细胞内吞高效进入肿瘤细胞，还能减缓肿瘤细胞对药物的外排。
2.纳米硼递送剂：由于含硼纳米颗粒具有单个颗粒10B含量高和能通过增强渗透滞留(enhanced permeability and retention, EPR)效应进入实体瘤的特性，是当前最受关注的硼递送剂。Mi等[23]报道了一种侧链连接BSH的乙二醇-谷氨酸嵌段聚合物并制备成纳米颗粒，发现这种纳米硼递送剂能够在小鼠CT26肿瘤中聚集，并渗透至细胞内部。Gao等[24]制备了含有氧化还原基团和碳硼烷的聚合物纳米硼递送剂。相较于小分子BSH，BNPs在血液中的循环时间更长，并且更易聚集于肿瘤中，有利于提高BNCT的疗效。同时BNPs能够清除活性氧，有效抑制BNCT治疗过程中高穿透力的γ射线对正常细胞产生的氧化损伤，因此不良反应更小。此外，在含硼纳米颗粒上耦联靶向配体还可实现对肿瘤细胞的主动靶向功能；在含硼纳米颗粒上连接具有成像功能的基团或者进行放射性标记即可通过影像导航开展BNCT治疗肿瘤，大大提高治疗的精确度。常用的成像方式包括PET、荧光成像、磁共振成像(MRI)、单光子发射计算机断层成像术(SPECT)等。Kushala等[25]通过球磨法制备了纳米10B颗粒，然后在其表面偶联肿瘤靶向RGD肽和钆络合物，成功实现了MRI引导下的BNCT治疗小鼠脑胶质瘤。北京大学刘志博课题组报道了一种连接碳硼烷的卟啉分子，然后利用PLGA-mPEG胶束包裹成为纳米颗粒BPN[26]。由于纳米颗粒中的卟啉单元能够发射红色荧光，而且还能螯合64Cu同位素，因此实现了肿瘤的荧光和PET双模成像。同时，BPN具有很高的T/N和T/B值，使其获得了良好的BNCT治疗效果。后来，他们又制备了一种可按需生物降解的氮化硼纳米颗粒用于BNCT治疗三阴性乳腺癌[27]。Luderer等[28]利用热敏感脂质体装载BPA并高效递送到肿瘤组织中，然后通过升高肿瘤部位的温度将BPA释放出来，大大提高了肿瘤中的10B浓度。
虽然与传统硼递送剂相比，纳米硼递送剂具有诸多优势，但是由于大多数纳米药物有一些固有的缺点，例如不同批次制品的性质和疗效可能存在差异、体内降解性差的纳米药物(特别是无机纳米药物)可能会有安全性方面的问题等。这些问题仍需要大量的研究工作来解决。
四、BNCT临床治疗研究1.BNCT治疗过程：以目前批准用于BNCT临床试验的药物BPA为例，简述BNCT治疗肿瘤的过程。首先对患者静脉注射BPA果糖复合物溶液(BPA-f)，剂量为250或500 mg/kg。在一些病例中，也会将BSH(5 g/人)溶解在生理盐水溶液中和BPA-f(250 mg/kg)一起静脉注射。对于在大多数的患者来说，BPA在3 h内的总注射剂量为500 mg/kg，并且在开始的2 h注射速率为200 mg·kg-1·h-1，而在剩余的1 h以100 mg·kg-1·h-1的速度注射。热中子照射通常在药物注射的最后1 h后进行，热中子照射剂量为10~14 Gy-E(剂量转换为光子当量剂量)。
2.BNCT临床治疗试验结果：目前BNCT的临床应用主要集中在治疗复发性恶性脑胶质瘤、头颈癌以及恶性黑色素瘤等。日本的恶性脑胶质瘤BNCT临床研究结果表明，接受治疗的患者生存时间中位数从10.8个月到27.1个月不等[29]。与传统放射疗法相比，BNCT治疗结果相当令人鼓舞[30]。头颈癌的临床研究结果也显示BNCT治疗具有高响应率[31]。大多数头颈癌患者都受到局部复发性肿瘤引起的疼痛或不适的困扰，而经过BNCT治疗后肿瘤即开始消退，大大减轻了患者的痛苦。BNCT在治疗恶性黑色素瘤方面也取得了很好的效果，日本神户大学的临床试验显示，经过BNCT治疗的恶性黑色素瘤患者的病灶可以被完全消除[32]。
五、小结经过几十年的发展和临床试验的验证，BNCT已然成为一种高效而方兴未艾的肿瘤精准疗法。目前亟需研发兼具高10B含量和高度肿瘤细胞靶向的新型硼递送剂，确保药物的稳定性与安全性，并积极构建与BNCT相适应的中子源，使其能够达到BNCT的理想疗效。因此，应积极推进我国BNCT的基础和临床研究，加强BNCT相关各个领域的合作，争取早日造福国内的肿瘤患者。
利益冲突 无
作者贡献声明 徐笛、张玉财、周琪怡搜集并整理文献，徐笛、赵利撰写并修改论文
| [1] |
Dymova MA, Taskaev SY, Richter VA, et al. Boron neutron capture therapy:current status and future perspectives[J]. Cancer Commun (Lond), 2020, 40(9): 406-421. DOI:10.1002/cac2.12089 |
| [2] |
Barth RF, Coderre JA, Vicente MG, et al. Boron neutron capture therapy of cancer:current status and future prospects[J]. Clin Cancer Res, 2005, 11(11): 3987-4002. DOI:10.1158/1078-0432.CCR-05-0035 |
| [3] |
Barth RF, Zhang Z, Liu T. A realistic appraisal of boron neutron capture therapy as a cancer treatment modality[J]. Cancer Commun (Lond), 2018, 38(1): 36. DOI:10.1186/s40880-018-0280-5 |
| [4] |
李纪元, 涂智宇, 刘志博. 走进曙色的冷门方向:硼携带剂发展历程简述[J]. 中国科学:化学, 2020, 50(10): 1296-1319. Li JY, Tu ZY, Liu ZB. Development history of boron delivery agents[J]. Sci China-Chem, 2020, 50(10): 1296-1319. DOI:10.1360/SSC-2020-0114 |
| [5] |
王淼, 童永彭. 硼中子俘获治疗的进展及前景[J]. 同位素, 2020, 33(1): 14-26. Wang M, Tong YP. The progress and prospect of boron neutron capture therapy[J]. J Isotopes, 2020, 33(1): 14-26. DOI:10.7538/tws.2017.youxian.061 |
| [6] |
Chadwich J. Possible existence of a neutron[J]. Nature, 1932, 129: 312. DOI:10.1038/129312a0 |
| [7] |
Taylor HJ, Goldhaber M. Detection of nuclear disintegration in a photographic emulsion[J]. Nature, 1935, 135: 341. DOI:10.1038/135341a0 |
| [8] |
Hawthorne MF. The role of chemistry in the development of boron neutron capture therapy of cancer[J]. Angew Chem Int Ed, 1993, 32(7): 950-984. DOI:10.1002/anie.199309501 |
| [9] |
Sweet WH. Early history of development of boron neutron capture therapy of tumors[J]. J Neurooncol, 1997, 33(1-2): 19-26. DOI:10.1023/a:1005752827194 |
| [10] |
Soloway AH, Tjarks W, Barnum BA, et al. The chemistry of neutron capture therapy[J]. Chem Rev, 1998, 98(4): 1515-1562. DOI:10.1021/cr941195u |
| [11] |
Ke G, Sun Z, Shen F, et al. The study of physics and thermal characteristics for in-hospital neutron irradiator (IHNI)[J]. Appl Radiat Isot, 2009, 67(7-8 Suppl): S234-237. DOI:10.1016/j.apradiso.2009.03.117 |
| [12] |
Yong Z, Song Z, Zhou Y, et al. Boron neutron capture therapy for malignant melanoma:first clinical case report in China[J]. Chin J Cancer Res, 2016, 28(6): 634-640. DOI:10.21147/j.issn.1000-9604.2016.06.10 |
| [13] |
Taskaev SY. Accelerator based epithermal neutron source[J]. Phys Part Nucl, 2015, 46: 956-990. DOI:10.1134/S1063779615060064 |
| [14] |
Moss RL. Critical review, with an optimistic outlook, on boron neutron capture therapy (BNCT)[J]. Appl Radiat Isot, 2014, 88: 2-11. DOI:10.1016/j.apradiso.2013.11.109 |
| [15] |
Barth RF, Mi P, Yang W. Boron delivery agents for neutron capture therapy of cancer[J]. Cancer Commun (Lond), 2018, 38(1): 35. DOI:10.1186/s40880-018-0299-7 |
| [16] |
Hu K, Yang Z, Zhang L, et al. Boron agents for neutron capture therapy[J]. Coordin Chem Rev, 2020, 405: 213139. DOI:10.1016/j.ccr.2019.213139 |
| [17] |
Soloway AH, Hatanaka H, Davis MA. Penetration of brain and brain tumor.Ⅶ.Tumor-binding sulfhydryl boron compounds[J]. J Med Chem, 1967, 10(4): 714-717. DOI:10.1021/jm00316a042 |
| [18] |
Snyder HR, Reedy AJ, Lennarz WJ. Synthesis of aromatic boronic acids.Aldehydo boronic acids and a boronic acid analog of tyrosine[J]. J Am Chem Soc, 1958, 80(4): 835-838. DOI:10.1021/ja01537a021 |
| [19] |
Li J, Shi Y, Zhang Z, et al. A metabolically stable boron-derived tyrosine serves as a theranostic agent for positron emission tomography guided boron neutron capture therapy[J]. Bioconjugate Chem, 2019, 30(11): 2870-2878. DOI:10.1021/acs.bioconjchem.9b00578 |
| [20] |
Nakase I, Katayama M, Hattori Y, et al. Intracellular target delivery of cell-penetrating peptide-conjugated dodecaborate for boron neutron capture therapy (BNCT)[J]. Chem Commun (Camb), 2019, 55(93): 13955-13958. DOI:10.1039/c9cc03924d |
| [21] |
Wu G, Yang W, Barth RF, et al. Molecular targeting and treatment of an epidermal growth factor receptor-positive glioma using boronated cetuximab[J]. Clin Cancer Res, 2007, 13(4): 1260-1268. DOI:10.1158/1078-0432.CCR-06-2399 |
| [22] |
Nomoto T, Inoue Y, Yao Y, et al. Poly(vinyl alcohol) boosting therapeutic potential of p-boronophenylalanine in neutron capture therapy by modulating metabolism[J]. Sci Adv, 2020, 6(4): eaaz1722. DOI:10.1126/sciadv.aaz1722 |
| [23] |
Mi P, Yanagie H, Dewi N, et al. Block copolymer-boron cluster conjugate for effective boron neutron capture therapy of solid tumors[J]. J Control Release, 2017, 254: 1-9. DOI:10.1016/j.jconrel.2017.03.036 |
| [24] |
Gao Z, Horiguchi Y, Nakai K, et al. Use of boron cluster-containing redox nanoparticles with ROS scavenging ability in boron neutron capture therapy to achieve high therapeutic efficiency and low adverse effects[J]. Biomaterials, 2016, 104: 201-212. DOI:10.1016/j.biomaterials.2016.06.046 |
| [25] |
Kuthala N, Vankayala R, Li YN, et al. Engineering novel targeted boron-10-enriched theranostic nanomedicine to combat against murine brain tumors via MR imaging-guided boron neutron capture therapy[J]. Adv Mater, 2017, 29: 1700850. DOI:10.1002/adma.201700850 |
| [26] |
Shi Y, Li J, Zhang Z, et al. Tracing boron with fluorescence and PET imaging of boronated porphyrin nanocomplex for imaging guided boron neutron capture therapy[J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2018, 10(50): 43387-43395. DOI:10.1021/acsami.8b14682 |
| [27] |
Li L, Li J, Shi Y, et al. On-demand biodegradable boron nitride nanoparticles for treating triple negative breast cancer with boron neutron capture therapy[J]. ACS Nano, 2019, 13(12): 13843-13852. DOI:10.1021/acsnano.9b04303 |
| [28] |
Luderer MJ, Muz B, Alhallak K, et al. Thermal sensitive liposomes improve delivery of boronated agents for boron neutron capture therapy[J]. Pharm Res, 2019, 36(10): 144. DOI:10.1007/s11095-019-2670-z |
| [29] |
Suzuki M. Boron neutron capture therapy (BNCT):a unique role in radiotherapy with a view to entering the accelerator-based BNCT era[J]. Int J Clin Oncol, 2020, 25(1): 43-50. DOI:10.1007/s10147-019-01480-4 |
| [30] |
Miyatake SI, Kawabata S, Hiramatsu R, et al. Boron neutron capture therapy of malignant gliomas[J]. Prog Neurol Surg, 2018, 32: 48-56. DOI:10.1159/000469679 |
| [31] |
Wang LW, Liu YH, Chou FI, et al. Clinical trials for treating recurrent head and neck cancer with boron neutron capture therapy using the Tsing-Hua open pool reactor[J]. Cancer Commun (Lond), 2018, 38(1): 37. DOI:10.1186/s40880-018-0295-y |
| [32] |
Mishima Y, Honda C, Ichihashi M, et al. Treatment of malignant melanoma by single thermal neutron capture therapy with melanoma-seeking 10B-compound[J]. Lancet, 1989, 2(8659): 388-389. DOI:10.1016/s0140-6736(89)90567-9 |