脑胶质瘤U87-EGFRvIII细胞反义寡核苷酸的188Re标记实验研究

2014-01-19 03:35齐永帅黄宝丹李贵平
核技术 2014年9期
关键词:寡核苷酸反义层析

齐永帅 黄宝丹 杜 丽 张 辉 黄 凯 李贵平

脑胶质瘤U87-EGFRvIII细胞反义寡核苷酸的188Re标记实验研究

齐永帅 黄宝丹 杜 丽 张 辉 黄 凯 李贵平

(南方医科大学南方医院 核医学科 广州 510515)

研究放射性核素铼(188Re)标记脑胶质瘤U87-EGFRvIII(Epidermal Growth Factor Receptor Variant III)细胞反义寡核苷酸序列的制备方法,探讨其作为脑胶质瘤反义显像剂的可能性。采用细胞指数富集的配基系统进化技术(Cell-based Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment, Cell-SELEX)筛选脑胶质瘤U87-EGFRvIII细胞,得到一段高亲和力的反义寡核苷酸序列U2,然后采用直接标记法进行188Re的放射性标记,按照正交实验设计进行188Re最佳标记条件的摸索,纸层析法测定标记率,通过体外稳定性实验评价188Re-U2的放化特性,测定标记物静脉注射后在大耳兔不同时相血液放射性清除曲线,应用SPECT显像观察标记物在兔体内的放射性动态分布变化。结果表明:在最佳标记条件下188Re-U2的标记率为70%±14%;经Sep-PaK C18反相柱分离纯化后,188Re-U2在生理盐水和血清中37 °C下放置24 h的放化纯度分别为70.6%和95.55%;188Re-U2在兔体内的血放射性清除迅速,主要通过肾脏排泄,其余脏器内放射性均较低。188Re直接法标记U87-EGFRvIII细胞反义寡核苷酸U2的方法简单,具有良好的标记率和体内外稳定性,并且体内分布动力学特性也比较理想。

脑胶质瘤,反义寡脱氧核苷酸,188Re,放射性标记

脑胶质瘤是中枢神经系统常见的颅内原发肿瘤,国内病例资料统计占35.26%-60.96%,平均为44.69%。表皮生长因子受体III型突变体(Epidermal Growth Factor Receptor Variant III, EGFRvIII)是胶质母细胞瘤中最常见的突变体,在正常组织细胞中不表达,仅在肿瘤细胞中表达,而且与肿瘤的侵袭性和致瘤性密切相关[1-3]。通过Cell-SELEX 技术筛选U87-EGFRvIII细胞得到高纯度寡核苷酸序列U2[4]。本研究应用放射性核素标记技术对获得的脑胶质瘤细胞反义寡核苷酸U2进行标记,探讨采用直接标记法进行188Re标记的可行性,评价188Re-U2的放化特性,观察188Re-U2在正常动物体内动力学特性及显像特点,为其进一步研究与应用提供实验依据。

1 材料和方法

1.1实验材料

1.1.1 寡核苷酸序列

本研究所得到的高纯度寡核苷酸序列5’-ATCCA-GAGTGACGCAGCATTTTG ACGCTTTA TCCTTTTCTTATGGCGGGATAGTTTCGTGGACA CGGTGGCTTAGT-3’由南方医科大学基础医学院神经生物学教研室张兴梅教授提供,该序列被命名为U2。

1.1.2 实验动物

新西兰雄性大耳兔3只,体重2-2.5 kg,普通级,南方医科大学实验动物中心提供,动物饲养及实验操作经南方医科大学实验动物伦理委员会批准。

1.1.3 化学试剂及放射性188Re

氯化亚锡(SnCl2)购于广东光华科技股份有限公司;抗坏血酸(VitC)购于成都市科龙化工试剂厂;其它化学试剂均购自Sigma公司。188W-188Re发生器购于德国ITG公司。

1.1.4 主要仪器

FA604A电子天平(上海精天电子仪器有限公司);600型恒温水箱(江苏金坛市中大仪器厂);ZD-3回旋振荡器(天津市欧诺仪器表有限公司);SN-682型放射免疫γ计数器(上海核福光电仪器有限公司);KDC-2044低速冷冻离心机(科大创新股份有限公司中佳分公司);Millennium VG 型SPECT显像仪由美国GE公司生产。

首先,知识产权评议为产业结构调整提供技术指引,并为政策绩效评估提供关键指标。一个国家或地区产业结构的布局与调整,是政治、经济和社会等多方面因素综合考量的结果,而技术因素和知识产权因素亦在其中占据着重要地位。在重点扶持产业确定以前,通过事前的知识产权评议,可以评估本国或本地区在该产业的创新能力与比较优势,发现现实和潜在的知识产权风险,预测产业发展的知识产权前景;而在重点扶持产业和扶持政策确定以后,就需要通过知识产权评议对该产业的技术创新和知识产权发展态势进行监测与分析,对产业政策的绩效进行动态评估,并且适时进行政策修订、决定政策退出或出台新的政策。

1.2实验方法

1.2.1 寡核苷酸的188Re标记

采用直接标记法进行U2的188Re标记,分别对U2反应量(40 μg、20 μg、10 μg)、氯化亚锡用量(3 mg、1.5 mg、0.75 mg)、标记体系pH(2、3、4)逐一进行试验,采用正交设计进行分析,以寻找最佳标记条件。188Re直接标记方法如下:取高纯度U2溶于约pH=7.5的10 μL磷酸缓冲液(Phosphate Buffer Saline, PBS)溶液置于1.5 mL EP管中,震荡混匀,加入新配制的50 μL氯化亚锡(SnCl2)溶液,再加入300 μL188Re(18.5-25 MBq)淋洗液,最后再加入10 mg·mL-1抗坏血酸100 μL溶液,震荡混合后置于37 °C水浴1.5 h。

1.2.2188Re的标记率、放化纯度和稳定性测定

标记反应结束后取少量样品,采用纸层析法测定标记率以及对层析纸条行SPECT显像。显像结束后分段剪开层析纸条,用γ放射免疫计数器分别测量每段放射性计数,依据反应产物在不同展开剂中的放射性比移值Rf(表1)计算标记率。纸层析法的固相为新华I号滤纸,展开剂分别为丙酮(展开剂A)、生理盐水(展开剂B)和氨水/乙醇/水混合物(展开剂C);然后标记产物进行Sep-PaK C18反相柱分离纯化,方法如下:加样前先以10 mL 无水乙醇、10mL的1 mmol·L-1盐酸及5 mL空气清洗Sep-Pak C18反相柱,将100 μL标记物188Re-U2上样后,以10 mL的1 mmol·L-1HCl去除游离的188ReO4-,再以10 mL无水乙醇与生理盐水(1∶1)洗脱出标记的寡核苷酸,收集每管淋洗液1 mL并测出各自放射性计数,取标记峰产物作纸层析分析和SPECT显像,计算188Re-U2放化纯度;再取少量纯化的188Re-U2分别在生理盐水和人血清中于37 °C放置3 h、12 h和24 h,检测其体外稳定性。

表1 反应产物在层析纸中的放射性分布Table 1 Radioactivity distribution of reaction products in the chromatography paper.

1.2.3 健康家兔放射性血清除曲线测定

取3只健康雄性新西兰大耳兔,用18G型号静脉留置针建立静脉通道,在建立静脉通道前30 min肌注1 mL阿托品,再经左侧耳缘静脉分别注射3%戊巴比妥钠约1.5 mL缓慢推注,然后静注20MBq/0.5 mL的188Re-U2,于注射后5 min、15 min、30 min、50 min、70 min、90 min、120 min和240 min从右侧后肢股静脉采血约0.2 mL,准确称取质量数,测定血液样品的放射性计数,放射性计数经衰减校正后计算每克血液中放射性计数(cpm·g-1),绘制时间-放射性曲线。

选1只健康雄性新西兰大耳兔置于固定器上,探头视野中线对准兔胸腹部,使整个兔身完全置于探头视野范围内,经0.22 μm一次性滤器过滤后(未调整pH值),缘静脉注射约15 MBq/200 μL188Re-U2后,立刻启动SPECT显像仪先以1帧/5 min采集30 in,再以1帧/10 min采集60 min,并于120 min和240 min分别进行延迟显像,观察体内组织器官放射性的动态分布变化。

2 结果

2.1最佳标记条件的确定

采用正交试验设计法,由此确定最佳标记条件为:在室温37 °C下,取高纯度10 μg U2溶于pH=7.5的10 μL磷酸PBS中置于1.5 mL EP管,震荡混匀后,再加入新配制的50 μL的1.5 mg·mL-1SnCl2溶液,随即加入300 μL188Re(18.5-25 MBq)淋洗液,最后再加入10 mg·mL-1抗坏血酸100 μL溶液,调整反应体系pH为2左右,震荡混匀后置于37 °C水浴1.5 h。在此条件下,标记率最佳时可达85%。

2.2标记率及放化纯度测定

最佳标记条件下,188Re-U2的标记率为70%±14%,经Sep-PaK C18反相柱分离纯化后188Re-U2的放化纯度大于90%,分别对应的纸层析条SPECT显像分析,结果见图1。

图1 纸层析法测定188Re-U2的标记率及放化纯度左侧为即刻标记率的层析结果,右侧为放化纯度纸层析显像结果A:丙酮,B:生理盐水,C:氨水/乙醇/水混合物Fig.1 Paper chromatography for determining of radiolabeling efficiency and radiochemical purity. The left picture show labeling rate immediately after radiolabeling, and the right picture show radiochemical purity after purification. A: acetone, B: physiological saline, C: ammonia water/ethanol/water mixture

2.3188Re-U2的体外稳定性测定

当氯化亚锡用量分别为3 mg、1.5 mg和0.75 mg时188Re标记的U2进行Sep-PaK C18反相柱分离纯化,检测其放射性计数,即188Re-U2淋洗曲线结果见图2。分别取淋洗曲线峰处的188Re-U2置于生理盐水37 °C条件下放置3 h、12 h和24 h的放化纯度测定结果见图3(a),当还原剂用量为1.5 mg时,24h放化纯度始终大于70%,表明188Re-U2在生理盐水中的稳定性较好;而置于血清37 °C条件下放置3 h、12 h和24 h的放化纯度测定结果见图3(b),当还原剂用量为1.5 mg时,24 h放化纯度始终大于90%,表明188Re-U2在血清中稳定性良好。

图2 188Re-U2的淋洗曲线Fig.2 Elution curves of purified 188Re-U2.

图3 188Re-U2在生理盐水(a)和人血清(b)中37 °C温育24 h的放化纯度Fig.3 Radiochemical purity of 188Re-U2 in the physiological saline (a) and human serum (b) at 37 °C for 24 h.

2.4188Re-U2在兔体内血放射性清除曲线

静脉注射后188Re-U2在兔体内的血放射性清除曲线测定结果见图4。188Re-U2在血液中清除迅速,30 min时放射性约为5 min时的一半。

图4 188Re-U2在兔体内的血清除曲线Fig.4 Blood clearance curve of 188Re-U2 in normal rabbits.

2.5188Re-U2在兔体内的SPECT动态显像

除静脉留置套管针注射点有较多放射性滞留外,5 min时正常脑组织(Brain)轻度显影,心脏(Heart)及肝脏(Liver)显影清晰,随时间放射性减低。5 min时双肾(Kidney)、膀胱(Bladder)可见显影,20 min时膀胱影浓聚,并随时间延长放射性增多。2 h肝影明显减弱,肠道内未见放射性浓聚,甲状腺、胃区呈放射性减低区,其余脏器放射性分布较低(图5)。

图5 188Re-U2静脉注射5 min、10 min、20 min、30 min、1 h和2 h后在兔体内的SPECT显像Fig.5 SPECT imaging of 188Re-U2 at 5 min, 10 min, 20 min, 30 min, 1 h and 2 h after injection in normal rabbits.

3 讨论

脑胶质瘤是神经系统最常见的原发颅内肿瘤,发病率占所有脑肿瘤的70%。其中,多形性胶质母细胞瘤(Glioblastoma multiforme, GBM)是最常见的脑肿瘤,其预后极差,5年存活率不到3%。由于胶质瘤恶性度高,呈侵袭生长。传统手术不易完全切除肿瘤实体;对放化疗治疗不敏感、易复发、预后差[5]。因此建立脑胶质瘤早期、特异性的诊断和治疗方法已成为临床肿瘤学亟需解决的重点问题之一,研制针对胶质瘤的新型靶向药物是胶质瘤治疗的新方向。表皮生长因子受体III型突变体EGFRvIII是胶质瘤中最常见的突变体,在正常组织细胞中不表达,仅表达于肿瘤细胞中,因而是一个很好的肿瘤治疗靶点[6-7]。通过Cell-SELEX 技术,从针对稳定过表达表皮生长因子受体III型突变体的U87-EGFRvIII细胞中筛选出与靶受体结合具有高特异性和高结合力的寡核苷酸适配子U2。本实验利用放射性核素标记技术,对寡核苷酸U2进行放射性核素188Re的标记。188Re具有理想的核物理和化学性质,物理半衰期为16.9 h,不仅能发射2.11 MeV的β射线,而且还发射适合显像的155 KeV的γ射线,在软组织中的射程平均为3 mm,对周围组织损伤小,是最具有发展潜力的治疗用放射性核素之一。目前,188Re标记各种化合物和生物分子的研究得到广泛的重视,通过连接外源性螯合基团或采用直接标记法,已经成功地标记单克隆抗体、多肽以及寡核苷酸[8-10]。188Re标记方法主要有间接法和直接法,大多数金属类放射性核素标记寡核苷酸采用间接标记法,即先将寡核苷酸与双功能鳌合剂偶联,再采用金属类核素进行标记,缺点是整个制备过程比较复杂。在参考99Tcm直接法标记技术的基础上,对188Re标记方法进行初步探讨,虽然188Re和99Tcm同处一个副族,但其标记的条件仍有较大的区别,本研究在单因素研究基础上主要对氯化亚锡、反应体系的pH、寡核苷酸用量逐一进行实验分析。

虽然188Re和99Tcm具有相似的化学性质,TcO4-+4H++3e= TcO2+2H2O的还原电位是738 mV,ReO4-+4H++3e=ReO2+2H2O的还原电位是510 mV,其氧化还原电位约220 mV的差异导致铼复合物在高氧化状态的热力学稳定性高于锝的类似物。因此,188ReO4-的还原是188Re直接标记应用的关键。+7价铼是188Re最稳定的状态,不仅是+7价铼还原到低价态的铼非常困难,而且这种氧化还原反应过程是可逆的[11]。本实验则采用高浓度的SnCl2使+7价铼还原至低价态的铼,但高浓度的SnCl2易形成沉淀,使白色胶体生成量增加而降低放化纯度,所以选用浓HCl进行溶解形成强还原性环境。99Tcm可以在微量还原剂的条件下完成标记,而188Re则需在接近毫克水平的还原剂条件下进行标记,实验结果显示当氯化亚锡为1.5 mg左右时,标记率最高可达80%左右。在加大SnCl2用量的同时,浓盐酸虽可解决溶液中出现的白色絮状物,但188Re直接标记的缓冲液环境仅能是在强酸性环境下进行。许多报道[12-13]认为标记188Re的理想pH在1-2之间,而标记99Tcm的pH在4-7之间,高价铼的还原反应一般应该在强酸性条件下进行,以降低氯化亚锡和铼形成沉淀。本实验发现,在pH较低时标记率最高,随pH值升高,标记率逐渐降低,这也可能与低价态188Re的不稳定性有关。高浓度的氯化亚锡和较低的pH使还原状态188Re不易被氧化到高价态188Re,可能有助于结合嘌呤环上鸟苷和嘧啶环上胞苷。张淑琴[14]认为根据同分异构体的空间结构稳定性分析,鸟苷倾向于以N(7)与过渡金属离子形成2配位,而新的鸟苷则以氢键与配位的鸟苷分子结合形成较为稳定的过渡金属-鸟苷配合物;胞苷则更容易以N(3)和羰基O与过渡金属离子配位形成4或6非常稳定的配合物;一般来说,氮杂大环化合物对酸催化降解不敏感,在低的pH下具有动力学稳定(由于它们要进入胃和肝脏)。还发现标记物在未纯化之前,标记物的即刻标记率可达80%左右,可能与溶液中含有较多的Sn2+和H+有关,保持了溶液的高还原环境,经过Sep Pak C18反相柱分离纯化后,SnCl2被分离掉,低价态的188Re很容易氧化至高价态188Re,价位的改变使得188Re从标记物上脱落,放射化学纯度仅为50%左右。37 °C条件下该标记物在生理盐水和血清中的稳定性良好,不过在生理盐水中标记物的放化纯度低于在血清中,可能与辐射自分解和pH环境有关:(1) 一般认为标记物的放射性浓度越高,分解越严重;(2) 血浆蛋白可以起到保护标记物,减轻辐射分解的作用;(3) 生理盐水可能缓冲了标记物溶液的酸性环境,而长时间放置的血清是偏酸的对标记物的酸性环境影响不明显。从本实验结果看,标记缓冲液的pH环境对标记率影响较大。为此,有研究报道采取注射前分离纯化和调整pH的方法,这样可以避免188Re被氧化,保持标记物的体外稳定性。

有关标记物中加入抗坏血酸或者龙胆酸作为稳定剂或者保护剂,可以防止标记物被氧化和氯化亚锡水解形成沉淀,还可以充当自由基清除剂以减少射线对标记物的辐射损伤作用,有利于提高标记物的稳定性[15]。因此本实验在标记物中适当加入抗坏血酸稳定剂,经Sep Pak C18反相柱纯化后,放化纯度在生理盐水中仍保持大于70%,在血清中大于94%,说明抗坏血酸可以提高标记物体外稳定性,具有一定的保护作用。

188Re-U2的SPECT动物显像显示标记物在正常脑组织轻度显影,肾脏、膀胱等部位高度浓聚,除软组织、胃肠道等部位浓聚较少,肝脏有一过性浓聚,由于肝脏具有强大的生物转化、分泌、合成、代谢功能,可经过肝脏代谢导致标记物在体内被迅速清除。188Re-U2主要通过肾脏排泄,对放射性药物来说是一种较好的代谢途径。本文研究结果表明应用放射性核素铼直接法标记寡核苷酸U2的方法简单,且在体内外具有良好的稳定性以及理想的体内分布动力学特性,但考虑到188Re标记U2的标记率有待提高,仍需进一步优化标记条件,为下一步开展脑胶质瘤荷瘤裸鼠动物模型的反义显像和反义治疗的研究提供实验基础。

致谢感谢南方医科大学基础医学院神经生物学教研室张兴梅教授提供U2。

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CLCTL92+3

Experimental study on the labeling of antisense oligonucleotide from U87-EGFRvIII glioma cells with188Re

QI Yongshuai HUANG Baodan DU Li ZHANG Hui HUANG Kai LI Guiping
(Department of Nuclear Medicine, Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China)

Background:Gliomas, originating from glial cells, are the most common neoplasms affecting the central nervous system, and glioblastoma multiforme is the most malignant subtype of glioma. The classical subtype of glioblastoma is defined by epidermal growth factor receptor (EGFR) gene amplification, and glioblastomas bearing EGFR amplifications often express EGFRvIII. This suggests that EGFRvIII may operate as critical drivers in the genesis of glioblastoma, hence representing ideal targets for targeted anticancer therapies.Purpose:The aim is to establish a radiolabeling method of antisense oligonucleotide (U2) from U87-EGFRvIII glioma cells with radionuclide rhenium (188Re) and to investigate the possibility of using188Re-U2as imaging agents for brain glioma.Methods:A high affinity of antisense oligonucleotide sequences U2from U87-EGFRvIII glioma cells was screened by the cell systematic evolution of ligands by exponential enrichment, and was directly labeled with188Re. The optimal labeling condition and stability in vitro were investigated by an orthogonal experimental design method. Labeling rates were determined by paper chromatography. Blood radioactivity clearance of188Re-U2in rabbits was evaluated by determining blood radioactive concentrations at different time points after injection of188Re-U2, and its dynamic distribution was investigated by SPECT imaging.Results:Antisense oligonucleotide (U2) was successfully radiolabeled with188Re and the labeling rate of188Re-U2was 70%±14%. After purification of the labeled188Re-U2with Sep-PaK C18 reversed phase extraction cartridge, the radiochemical purity was 70.6% after placing in physiological saline for 24 h and 95.55% after incubation at 37 °C with human serum. SPECT imaging showed that188Re-U2could be quickly cleared from the blood in normal animals primarily through the kidneys, and the radioactivity in other tissues and organs remained low.Conclusion:This method of directly labeling antisense oligonucleotide (U2) with188Re is simple with better labeling efficiency and stability both in vitro and in vivo, and so188Re-U2has more ideal biodistribution and biokinetics in vivo.

Brain glioma, Antisense oligonucleotide,188Re, Radiolabeling

TL92+3

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.090301

广东省自然科学基金项目(No.S2013010014420)、广东省科技计划项目(No.2012B031800391)和南方医院院长基金项目(No.2012Z008)资助

齐永帅,男,1988年出生,2012年毕业于济宁医学院,现为南方医科大学在读硕士研究生,研究方向为影像医学

李贵平,E-mail: ligp62@126.com

2014-03-07,

2014-04-10

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