近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)校應(yīng)用化學(xué)系劉志博團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表了題為“Covalent Targeted Radioligands Potentiate Radionuclide Therapy”研究論文報(bào)道了一種顛覆性技術(shù)和優(yōu)秀的核藥設(shè)計(jì)領(lǐng)域的臨床研究數(shù)據(jù)，有望重寫相關(guān)疾病的臨床診斷和治療指南?；诂F(xiàn)代共價(jià)藥物分子工程，該工作開發(fā)了一種新型藥物方法，即靶向共價(jià)放射性藥物(Covalent Targeted Radioligand, CTR)，該平臺(tái)的技術(shù)有效性已經(jīng)從分子、細(xì)胞、老鼠和病人中得到驗(yàn)證，突破了纖維細(xì)胞活性蛋白質(zhì)(FAP，針對(duì)腫瘤攝入、停留不足等原因?qū)е炉熜Р患训陌邢蚍派渑潴w瓶頸(圖1)。據(jù)悉，自1977年以來(lái)，Nature雜志首次發(fā)表了核素治療相關(guān)工作。

圖1 靶向放射性藥物的工作原理及其優(yōu)點(diǎn)

如圖1b所示，CTR在體內(nèi)的工作模式。CTR可以是基于二代“點(diǎn)擊化學(xué)”硫磺的三功能配體，在合適的位置和取向上設(shè)置。(Ⅵ)-氟交換反應(yīng)(SuFEx)“潛彈頭”(latent warhead)，在不喪失親和力的情況下，實(shí)現(xiàn)配體對(duì)靶蛋白的共價(jià)連接，同時(shí)將攜帶核素的螯合劑不可逆轉(zhuǎn)地裝飾在靶蛋白上。CTR到達(dá)腫瘤時(shí)，首先以非共價(jià)結(jié)合目標(biāo)，然后通過(guò)相鄰效應(yīng)加速不可逆轉(zhuǎn)的共價(jià)連接，在提高親和力的同時(shí)最大限度地降低腫瘤的去除率。而且其它沒(méi)有結(jié)合目標(biāo)的自由CTR則被迅速排出體外。由于“潛彈頭”的相對(duì)生物正交，CTR的脫靶共價(jià)連接有限，因此其系統(tǒng)毒性可以得到有效控制。值得一提的是，該研究首次報(bào)道了藥代動(dòng)力學(xué)研究，該研究在人體內(nèi)含有SuFEx共價(jià)彈頭分子，并驗(yàn)證了其在放射配體方面的匹配性。

1. CTR-FAPI不可逆轉(zhuǎn)的選擇性共價(jià)連接FAPP

CTR成功的關(guān)鍵因素之一是合理應(yīng)用共價(jià)彈頭。研究人員在小鼠腫瘤模型中的初步研究表明，雖然在現(xiàn)有放射配體FAPI-04上設(shè)置磺酰氟彈頭可以增加腫瘤的攝入量，但由于彈頭反應(yīng)活性過(guò)高，存在穩(wěn)定性問(wèn)題。選擇彈頭后，研究人員選擇放射自顯影。(Autoradioluminography)發(fā)現(xiàn)氟代硫酸酯彈頭的安裝不僅可以在試管中獲得超過(guò)80%的FAP共價(jià)結(jié)合，而且在6天內(nèi)基本沒(méi)有解離。此外，通過(guò)對(duì)二級(jí)質(zhì)譜的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，CTR-FAPI分子的共價(jià)連接殘基點(diǎn)主要是Y210和Y450，其共價(jià)結(jié)合構(gòu)象的合理性和安全性通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到驗(yàn)證。

一般對(duì)共價(jià)藥物的擔(dān)憂是難以預(yù)測(cè)的脫靶毒性。CTR對(duì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的脫靶作用可能不成問(wèn)題，因?yàn)榉派渑潴w一般具有高親水性，包括多電荷螯合劑，大多數(shù)放射配體對(duì)細(xì)胞膜的被動(dòng)透水性有限。研究人員主要考察CTR-FAPI對(duì)FAP同源膜蛋白的選擇，發(fā)現(xiàn)它仍然可以保持FAP選擇性的104倍。另外，在小鼠血液和病人尿液中，CTR-FAPI還顯示出極低的脫靶反應(yīng)。

2. CTR-PET顯像對(duì)比度更好的FAPI顯示。

圖2 在動(dòng)物模型中，靶向共價(jià)放射性藥物顯示出較高的腫瘤攝入量。

基于一系列分子實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞驗(yàn)證，研究人員將小鼠模型移植到FAP高表達(dá)的細(xì)胞來(lái)源中。(Cell-derived xenograft,CDX)小鼠模型與病人來(lái)源移植。(Patient-derived xenograft,PDX)進(jìn)一步驗(yàn)證，Ga-68(t1/2=67 min)CTR標(biāo)記-FAPI(即[68Ga]Ga-FAPI-mFS)顯示腫瘤攝入量比原始FAPI高2倍以上，而健康組織攝入量迅速消除(圖2)。與其他方法(包括傳統(tǒng)FAPI)相比，在一項(xiàng)初步的腫瘤顯像臨床研究中-PET/CT)通過(guò)手術(shù)和病理研究，確定了更多的甲狀腺髓樣癌疾病為真陽(yáng)性(圖3)。與其他方法(包括傳統(tǒng)FAPI)相比，在一項(xiàng)初步的腫瘤顯像臨床研究中-PET/CT)通過(guò)手術(shù)和病理研究，確定了更多的甲狀腺髓樣癌疾病為真陽(yáng)性(圖3)。上述結(jié)果表明，CTR-FAPI有可能成為下一代更高靈敏度的FAPI-PET探針。

圖3 在癌癥患者中，靶向共價(jià)放射性藥物靈敏度高，可發(fā)現(xiàn)目前藥物難以診斷的腫瘤疾病。

3. CTR通過(guò)提高停留來(lái)提高靶向放射性核素的治療效果。

圖4 [177Lu]CTR-FAPI可以完全抑制腫瘤的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)小鼠的生存時(shí)間。a, 治療方式;b, 腫瘤生長(zhǎng)曲線；c, 生存曲線。

研究人員進(jìn)一步選擇Y-86(t1/2=14.7h)CTR-FAPI是正電子核素研究的一種長(zhǎng)期藥代動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)腫瘤處攝取的積分以下(area under curve, AUC)增加約10倍?；贚u-177(t1/2=6.7d)CTR-FAPI劑量計(jì)算也表明，腫瘤有效劑量增加了10倍左右。最終，研究人員分別采用β-(Lu-177)和α-放射性核素(Ac-225, t1/2=9.9d)標(biāo)記CTR-FAPI，F(xiàn)AP高表達(dá)皮下腫瘤生長(zhǎng)(圖4)在后續(xù)治療中幾乎完全抑制了小鼠。另一種靶向前列腺特異性膜抗原(PSMA)SuFEx工程放射配體也顯示出更強(qiáng)的治療效果。由于可以連接SuFEx彈頭的蛋白質(zhì)范圍很廣，這種策略可能是針對(duì)其他靶點(diǎn)的放射性藥物，為控制其他低含量偶聯(lián)藥物的藥代動(dòng)力學(xué)提供了新的途徑。

劉志博教授是北京大學(xué)/昌平實(shí)驗(yàn)室的論文通訊作者。原北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)校博雅博士后，昌平實(shí)驗(yàn)室崔希洋副研究員、作為論文的第一作者，北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院的主治醫(yī)師、國(guó)家癌癥中心/醫(yī)科院腫瘤醫(yī)院孔梓擔(dān)任醫(yī)生。研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心、北京大學(xué)-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)院頭頸外科主任劉紹嚴(yán)、北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科主任楊志、北京協(xié)和醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科主任霍力、北京大學(xué)王初教授課題組、北京大學(xué)分析測(cè)試中心周文、劉霞先生、北京大學(xué)天然藥物和仿生藥物國(guó)家重室王倩先生的大力支持和協(xié)助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07461-6

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