近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系劉志博教授團(tuán)隊(duì)于《自然》雜志在線發(fā)表了題為“Covalent Targeted Radioligands Potentiate Radionuclide Therapy”的研究論文，報(bào)道了一類核藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)及優(yōu)異的臨床研究數(shù)據(jù)，有望改寫相關(guān)疾病的臨床診療指南。該工作基于現(xiàn)代共價(jià)藥物分子工程發(fā)展了一類新型藥物形式，即靶向共價(jià)放射性藥物（Covalent Targeted Radioligand，CTR），并從分子、細(xì)胞、小鼠及患者層面驗(yàn)證了該平臺(tái)技術(shù)的有效性，突破了成纖維細(xì)胞活化蛋白（FAP，為泛癌種靶點(diǎn)）靶向放射配體因腫瘤攝取、滯留不足導(dǎo)致療效不佳的瓶頸（圖1）。據(jù)了解，這是Nature雜志自1977年以來首次發(fā)表核素治療相關(guān)的工作。

圖1 靶向共價(jià)放射性藥物工作原理及其優(yōu)勢(shì)

CTR在體內(nèi)的工作模式如圖1b所示。CTR可以是一個(gè)三功能配體，通過在適宜位置和取向上安裝基于二代“點(diǎn)擊化學(xué)”硫（Ⅵ）-氟交換反應(yīng)（SuFEx）的“潛彈頭”（latent warhead），實(shí)現(xiàn)配體在不損失親和力的情況下對(duì)靶蛋白的共價(jià)連接，從而將攜帶核素的螯合劑不可逆地修飾到靶蛋白上。當(dāng)CTR到達(dá)腫瘤時(shí)，先非共價(jià)地結(jié)合靶標(biāo)，后通過鄰近效應(yīng)加速不可逆的共價(jià)連接，在加強(qiáng)親和力的同時(shí)將腫瘤清除率降至最低。而其他未結(jié)合靶標(biāo)的自由CTR則被快速排出體內(nèi)。得益于“潛彈頭”的相對(duì)生物正交性，CTR的脫靶共價(jià)連接有限，因此其系統(tǒng)毒性可被有效控制。值得一提的是，該研究首次報(bào)道了在人體中含SuFEx共價(jià)彈頭分子的藥代動(dòng)力學(xué)研究，并驗(yàn)證了其在放射配體這一新興藥物形式上的匹配性。

1. CTR-FAPI不可逆地選擇性共價(jià)連接FAP

對(duì)共價(jià)彈頭的合理應(yīng)用是CTR成功的關(guān)鍵因素之一。通過對(duì)FAP口袋殘基的分析和共價(jià)對(duì)接，研究者在小鼠腫瘤模型中的初步研究發(fā)現(xiàn)：盡管在現(xiàn)有放射配體FAPI-04上安裝磺酰氟彈頭可提高腫瘤攝取，但存在由于彈頭反應(yīng)活性過高導(dǎo)致的穩(wěn)定性問題。經(jīng)彈頭篩選，研究者采用放射自顯影（Autoradioluminography）發(fā)現(xiàn)安裝間位取代的氟代硫酸脂彈頭不僅可在試管中實(shí)現(xiàn)超過80%的FAP共價(jià)結(jié)合，且在6天內(nèi)幾乎沒有解離。進(jìn)一步，研究者通過二級(jí)質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)CTR-FAPI分子的共價(jià)連接殘基位點(diǎn)主要為Y210和Y450，并通過分子動(dòng)力學(xué)模擬驗(yàn)證了其共價(jià)結(jié)合構(gòu)象的合理性和穩(wěn)定性。

關(guān)于共價(jià)藥物的一個(gè)普遍擔(dān)憂是難以預(yù)知的脫靶毒性。由于放射配體普遍具有高親水性且包含多電荷螯合劑，大多數(shù)放射配體對(duì)細(xì)胞膜的被動(dòng)滲透性有限，因此CTR對(duì)胞內(nèi)蛋白的脫靶作用可能不是問題。研究人員主要考察了CTR-FAPI對(duì)FAP同源膜蛋白的選擇性，發(fā)現(xiàn)其仍能保持10⁴倍的高度FAP選擇性。此外，在小鼠血漿和患者尿液中，CTR-FAPI也顯示出極低的脫靶反應(yīng)性。

2. CTR-FAPI展現(xiàn)更佳的PET成像對(duì)比度

圖2 靶向共價(jià)放射性藥物在動(dòng)物模型中顯示更高的腫瘤攝取

基于一系列分子實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞驗(yàn)證，研究人員分別在FAP高表達(dá)的細(xì)胞來源移植小鼠模型（Cell-derived xenograft，CDX）和患者來源移植小鼠模型（Patient-derived xenograft，PDX）中進(jìn)一步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)Ga-68(t_1/2=”67″ min)標(biāo)記的CTR-FAPI（即[⁶⁸Ga]Ga-FAPI-mFS）顯示出比原始FAPI高2倍以上的腫瘤攝取，而健康組織中的攝取迅速清除（圖2）。在一項(xiàng)初步的腫瘤成像臨床研究中，這一策略比其他方法（包括傳統(tǒng)FAPI-PET/CT）識(shí)別出了更多的甲狀腺髓樣癌病灶，并通過手術(shù)和病理研究確認(rèn)了這些病灶為真陽性（圖3）。以上結(jié)果說明CTR-FAPI有潛力成為下一代更高靈敏度的FAPI-PET探針。

圖3 靶向共價(jià)放射性藥物在癌癥病人中靈敏度高，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有藥物難以診斷的腫瘤病灶

3. CTR通過提高滯留增強(qiáng)靶向放射性核素治療

圖4 [¹⁷⁷Lu]CTR-FAPI可幾乎完全抑制腫瘤生長(zhǎng)，并延長(zhǎng)小鼠生存期。a、治療方案；b、腫瘤生長(zhǎng)曲線；c、生存曲線

研究者進(jìn)一步地采用長(zhǎng)半衰期的Y-86（t_1/2=”14.7h）正電子核素考察了CTR-FAPI的長(zhǎng)時(shí)間藥代動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)腫瘤處攝取的積分下面積（area under curve， AUC）增加約10倍?；贚u-177（t_1/2=”6.7d）標(biāo)記的CTR-FAPI劑量學(xué)估算同樣說明腫瘤有效劑量提高了10倍左右。最終，研究者分別采用β-（Lu-177）和α-放射性核素（Ac-225, t_1/2=”9.9 d）標(biāo)記CTR-FAPI，在后續(xù)治療中幾乎完全抑制了小鼠的FAP高表達(dá)皮下腫瘤生長(zhǎng)（圖4）。在另一種靶向前列腺特異性膜抗原（PSMA）的SuFEx工程化放射配體也顯示出更強(qiáng)的治療效果。由于可連接SuFEx彈頭的蛋白質(zhì)較為廣泛，這一策略或可用于靶向其他靶點(diǎn)的放射性藥物，并為調(diào)控其他低分子量偶聯(lián)類藥物的藥代動(dòng)力學(xué)提供了新途徑。

北京大學(xué)/昌平實(shí)驗(yàn)室的劉志博為該論文通訊作者。昌平實(shí)驗(yàn)室崔希洋副研究員（北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院原博雅博士后）、北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院李詝主治醫(yī)師、國(guó)家癌癥中心/醫(yī)科院腫瘤醫(yī)院孔梓任醫(yī)師為論文共同第一作者。該研究成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、昌平實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院等機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目的資助。該研究還得到了國(guó)家癌癥中心/醫(yī)科院腫瘤醫(yī)院頭頸外科劉紹嚴(yán)主任，北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科楊志主任，北京協(xié)和醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科霍力主任，北大王初教授課題組，北大分析測(cè)試中心周文和劉霞老師，以及北大天然藥物與仿生藥物國(guó)重室王倩老師等的大力支持和幫助。

來源：北京大學(xué)