北大新突破！Nature刊發(fā)劉志博團隊報道靶向共價放射性藥物

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　　近日，北京大學化學與分子工程學院應用化學系劉志博團隊于《自然》雜志在線發(fā)表了題為“Covalent Targeted Radioligands Potentiate Radionuclide Therapy”的研究論文，報道了一類核藥物設計領域的顛覆性技術及優(yōu)異的臨床研究數(shù)據(jù)，有望改寫相關疾病的臨床診療指南。該工作基于現(xiàn)代共價藥物分子工程發(fā)展了一類新型藥物形式，即靶向共價放射性藥物(Covalent Targeted Radioligand, CTR)，并從分子、細胞、小鼠及患者層面驗證了該平臺技術的有效性，突破了成纖維細胞活化蛋白(FAP，為泛癌種靶點)靶向放射配體因腫瘤攝取、滯留不足導致療效不佳的瓶頸(圖1)。據(jù)了解，這是Nature雜志自1977年以來首次發(fā)表核素治療相關的工作。

圖1 靶向共價放射性藥物工作原理及其優(yōu)勢

　　CTR在體內的工作模式如圖1b所示。CTR可以是一個三功能配體，通過在適宜位置和取向上安裝基于二代“點擊化學”硫(Ⅵ)-氟交換反應(SuFEx)的“潛彈頭”(latent warhead)，實現(xiàn)配體在不損失親和力的情況下對靶蛋白的共價連接，從而將攜帶核素的螯合劑不可逆地修飾到靶蛋白上。當CTR到達腫瘤時，先非共價地結合靶標，后通過鄰近效應加速不可逆的共價連接，在加強親和力的同時將腫瘤清除率降至最低。而其他未結合靶標的自由CTR則被快速排出體內。得益于“潛彈頭”的相對生物正交性，CTR的脫靶共價連接有限，因此其系統(tǒng)毒性可被有效控制。值得一提的是，該研究首次報道了在人體中含SuFEx共價彈頭分子的藥代動力學研究，并驗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連接FAP

　　對共價彈頭的合理應用是CTR成功的關鍵因素之一。通過對FAP口袋殘基的分析和共價對接，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活性過高導致的穩(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)安裝的氟代硫酸酯彈頭不僅可在試管中實現(xiàn)超過80%的FAP共價結合，且在6天內幾乎沒有解離。進一步，研究者通過二級質譜分析，發(fā)現(xiàn)所設計CTR-FAPI分子的共價連接殘基位點主要為Y210和Y450，并通過分子動力學模擬驗證了其共價結合構象的合理性和穩(wěn)定性。

　　關于共價藥物的一個普遍擔憂是難以預知的脫靶毒性。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)放射配體對細胞膜的被動滲透性有限，因此CTR對胞內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性。

　　2. CTR-FAPI展現(xiàn)更佳的PET成像對比度

圖2 靶向共價放射性藥物在動物模型中顯示更高的腫瘤攝取

　　基于一系列分子實驗和細胞驗證，研究人員分別在FAP高表達的細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)中進一步驗證，發(fā)現(xiàn)Ga-68(t1/2=67 min)標記的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)識別出了更多的甲狀腺髓樣癌病灶，并通過手術和病理研究確認了這些病灶為真陽性(圖3)。以上結果說明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，并延長小鼠生存期。a, 治療方案;b, 腫瘤生長曲線;c, 生存曲線。

　　研究者進一步地采用長半衰期的Y-86(t1/2=14.7h)正電子核素考察了CTR-FAPI的長時間藥代動力學，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(t1/2=6.7d)標記的CTR-FAPI劑量學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, t1/2=9.9d)標記CTR-FAPI，在后續(xù)治療中幾乎完全抑制了小鼠的FAP高表達皮下腫瘤生長(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的治療效果。由于可連接SuFEx彈頭的蛋白質較為廣泛，這一策略或可用于靶向其他靶點的放射性藥物，并為調控其他低分子量偶聯(lián)類藥物的藥代動力學提供了新途徑。

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

　　論文鏈接：/articles/s41586-024-07461-6

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