Неорганические частицы на основе карбоната кальция зарекомендовали себя как перспективные агенты для эффективной доставки биологически активных соединений и радиоизотопов благодаря их физико-химическим свойствам: твердости, большой площади поверхности, характерной рН-чувствительности и контролируемой биодеградации [1].

В биомедицине представляют интерес аморфные структуры карбоната кальция, отличающиеся пористой структурой, сферической формой и высокой эффективностью загрузки терапевтических агентов [2]. Поэтому желательным направлением является синтез наноразмерного аморфного карбоната кальция и его использование в качестве системы доставки терапевтических радиоизотопов для лечения злокачественных образований.

В данном исследовании были использованы наноразмерные носители на основе аморфного карбоната кальция, полученные методом соосаждения солей Na2CO3 и CaCl2 в присутствии полиакриловой кислоты (ПАК) в качестве стабилизатора размера частиц. Данная методика позволяет получить стабильную систему наночастиц с узким средним размером (80-120нм). Наночастицы имеют высокие показатели биосовместимости и агрегативной устойчивости, что было доказано рядом in vitro исследований.

Для использования системы наночастиц в целях доставки терапевтических радиоизотопов для лечения злокачественных образований необходима разработка эффективного протокола радиомечения. В данной работе был испробован ряд методик включения изотопа 223Ra в носители:

(1) Включение изотопа на этапе соосаждения солей – поэтапное смешивание растворов ПАК+ CaCl2/RaCl2+ Na2CO3 для образования RaCO3 и его включения в структуру носителя.

(2) Включение на этапе «пост синтеза» методом физической адсорбции – инкубирование готовых носителей в растворе RaCl2.

(3) Включение изотопа на этапе соосаждения солей с последующей модификацией поверхности частиц биосовместимыми полимерами (бычий сывороточный альбумин и дубильная кислота) методом послойного нанесения.

(4) Включение на этапе «пост синтеза» в присутствии ионов Ba+ и SO4+ в качестве катализаторов реакции обмена ионов Na+/Ra2+ и последующего включения изотопа в структуру носителя.

Для поверки эффективности методики радиомечения были исследованы такие параметры, как эффективность загрузки активности в частицы и радиохимическая стабильность готового препарата в физиологических жидкостях.

Для измерения процента загрузки радиоизотопа в наночастицы, после завершения протокола радиомечения частицы были осаждены на центрифуге при 14000 об/сек и надосадочная жидкость была извлечена из образца. Измерение активности были произведены сцинтилляционной гамма-камерой Triathler (HIDEX, Финляндия). Процент загрузки изотопа вычисляется методом сравнения исходной активности с оставшейся в осадке наночастиц.

Радиохимическая стабильность готового препарата измеряется путем инкубирования полученных наночастиц с включенным изотопом в физиологическом растворе и человеческой сыворотке крови со снятием измерения активности в частицах и инкубируемой жидкости в течение 1, 3, 7 суток.

Результаты данных исследований методика радиомечения (4) продемонстрировала высокие показатели эффективности загрузки активности (≈70%) и радиохимической стабильности (>90% на 7 сутки), что соответствует общепринятым критериям для контроля качества радиофармпрепаратов.

Работа была выполнена при поддержке государственного задания (FSEG-2022-0012)

[1] Y. Huang, L. Cao, B. V. Parakhonskiy, and A. G. Skirtach, “Hard, Soft, and Hard-and-Soft Drug Delivery Carriers Based on CaCO3 and Alginate Biomaterials: Synthesis, Properties, Pharmaceutical Applications,” Pharmaceutics, vol. 14, no. 5, 2022, doi: 10.3390/pharmaceutics14050909.

[2] P. Zhao, Y. Tian, J. You, X. Hu, and Y. Liu, “Recent Advances of Calcium Carbonate Nanoparticles for Biomedical Applications,” Bioengineering, vol. 9, no. 11, p. 691, 2022, doi: 10.3390/bioengineering9110691.

Inorganic particles based on calcium carbonate have proven to be promising agents for the efficient delivery of biologically active compounds and radioisotopes due to their physical and chemical properties: hardness, large surface area, characteristic pH sensitivity and controlled biodegradation [1].

In biomedicine, amorphous structures of calcium carbonate are of interest, characterized by a porous structure, a spherical shape, and a high efficiency of loading therapeutic agents [2]. Therefore, a desirable direction is the synthesis of nanosized amorphous calcium carbonate and its use as a delivery system for therapeutic radioisotopes for the treatment of malignant tumors.

In this study, we used nanosized supports based on amorphous calcium carbonate obtained by coprecipitation of Na2CO3 and CaCl2 salts in the presence of polyacrylic acid (PAA) as a particle size stabilizer. This technique makes it possible to obtain a stable system of nanoparticles with a narrow average size (80–120 nm). Nanoparticles have high rates of biocompatibility and aggregative stability, which has been proven by several in vitro studies.

To use the nanoparticle system to deliver therapeutic radioisotopes for the treatment of malignant tumors, it is necessary to develop an effective radiolabeling protocol. In this work, a number of methods for incorporating the 223Ra isotope into carriers were tested:

(1) Isotope incorporation at the stage of salt coprecipitation – stepwise mixing of PAA+ CaCl2/RaCl2+ Na2CO3 solutions to form RaCO3 and incorporate it into the nanoparticles.

(2) Inclusion at the stage of "post-synthesis" by the method of physical adsorption - incubation of ready-made carriers in a solution of RaCl2.

(3) Incorporation of the isotope at the stage of salt coprecipitation followed by modification of the particle surface with biocompatible polymers (bovine serum albumin and tannic acid) by layer-by-layer deposition.

(4) Incorporation at the “post-synthesis” stage in the presence of Ba+ and SO4+ ions as catalysts for the Na+/Ra2+ ion exchange reaction and subsequent incorporation of the isotope into the nanoparticles.

To verify the effectiveness of the radiolabeling technique, parameters such as the efficiency of loading activity into particles and the radiochemical stability of the finished drug in physiological fluids were studied.

To measure the percentage loading of the radioisotope into the nanoparticles, after completion of the radiolabeling protocol, the particles were centrifuged at 14,000 rpm and the supernatant was removed from the sample. The activity was measured with a Triathler scintillation gamma camera (HIDEX, Finland). The percentage of isotope loading is calculated by comparing the initial activity with the nanoparticles remaining in the precipitate.

The radiochemical stability of the finished drug is measured by incubating the obtained nanoparticles with the included isotope in physiological saline and human blood serum with the measurement of activity in the particles and the incubated liquid for 1, 3, 7 days.

The results of these studies radiolabeling technique (4) showed high activity loading efficiency (≈70%) and radiochemical stability (>90% on day 7), which corresponds to generally accepted criteria for quality control of radiopharmaceuticals.

The work was carried out with the support of the state task (FSEG-2022-0012)

[1] Y. Huang, L. Cao, B. V. Parakhonskiy, and A. G. Skirtach, “Hard, Soft, and Hard-and-Soft Drug Delivery Carriers Based on CaCO3 and Alginate Biomaterials: Synthesis, Properties, Pharmaceutical Applications,” Pharmaceutics, vol. 14, no. 5, 2022, doi: 10.3390/pharmaceutics14050909.

[2] P. Zhao, Y. Tian, J. You, X. Hu, and Y. Liu, “Recent Advances of Calcium Carbonate Nanoparticles for Biomedical Applications,” Bioengineering, vol. 9, no. 11, p. 691, 2022, doi: 10.3390/bioengineering9110691.