“新质”核药助力癌症精准诊疗--刘志博团队报道靶向共价放射性药物
2024年05月24日
近日，昌平实验室、北京大学刘志博团队于《自然》杂志在线发表了题为“Covalent Targeted Radioligands Potentiate Radionuclide Therapy”的研究论文，报道了一类核药物设计领域的颠覆性技术及优异的临床研究数据，有望改写相关疾病的临床诊疗指南。该工作基于现代共价药物分子工程发展了一类新型药物形式，即靶向共价放射性药物（Covalent Targeted Radioligand, CTR），并从分子、细胞、小鼠及患者层面验证了该平台技术的有效性，突破了成纤维细胞活化蛋白（FAP，为泛癌种靶点）靶向放射性药物因肿瘤摄取、滞留不足导致疗效不佳的瓶颈（图1）。据了解，这是Nature杂志近50年以来首次发表放射性核素治疗相关的工作。
图1 靶向共价放射性药物工作原理及其优势
CTR在体内的工作模式如图1b所示。CTR可以是一个三功能配体，通过在适宜位置和取向上安装基于二代“点击化学”硫（Ⅵ）-氟交换反应（SuFEx）的“潜弹头”（latent warhead），实现配体在不损失亲和力的情况下对靶蛋白的共价连接，从而将携带核素的螯合剂不可逆地修饰到靶蛋白上。当CTR到达肿瘤时，先非共价地结合靶标，后通过邻近效应加速不可逆的共价连接，将肿瘤清除率降至最低。而其他未结合靶标的自由CTR则被快速排出体内。得益于“潜弹头”的相对生物正交性，CTR的脱靶共价连接有限，因此其系统毒性可被有效控制。值得一提的是，该研究首次报道了在人体中含SuFEx共价弹头分子的药代动力学研究，并验证了其在放射配体这一新兴药物形式上的匹配性。
CTR-FAPI不可逆地选择性共价连接FAP
对共价弹头的合理应用是CTR成功的关键因素之一。通过对FAP口袋残基的分析和共价对接，研究者在小鼠肿瘤模型中的初步研究发现：尽管在现有放射配体FAPI-04上安装磺酰氟弹头可提高肿瘤摄取，但存在由于弹头反应活性过高导致的稳定性问题。经弹头筛选，研究者采用放射自显影（Autoradioluminography）发现安装芳基氟代硫酸酯不仅可在试管中实现超过80%的FAP共价结合，且在6天内几乎没有解离。进一步，研究者通过二级质谱分析，发现所设计CTR-FAPI分子的共价连接残基位点主要为Y210和Y450，并通过分子动力学模拟验证了其共价结合构象的合理性和稳定性。
关于共价药物的一个普遍担忧是难以预知的脱靶毒性。由于放射配体普遍具有高亲水性且包含多电荷螯合剂，大多数放射配体对细胞膜的被动渗透性有限，因此CTR对胞内蛋白的脱靶作用可能不是问题。研究人员主要考察了CTR-FAPI对FAP同源膜蛋白的选择性，发现其仍能保持104倍的高度FAP选择性。此外，在小鼠血浆和患者尿液中，CTR-FAPI也显示出极低的脱靶反应性。
CTR-FAPI展现更佳的PET成像对比度
基于一系列分子实验和细胞验证，研究人员分别在FAP高表达的细胞来源移植小鼠模型（Cell-derived xenograft, CDX）和患者来源移植小鼠模型（Patient-derived xenograft, PDX）中进一步验证，发现Ga-68标记的CTR-FAPI（即[68Ga]Ga-FAPI-mFS）显示出比原始FAPI高2倍以上的肿瘤摄取，而健康组织中的摄取迅速清除。在一项初步的肿瘤成像临床研究中，这一策略比其他方法（包括传统FAPI-PET/CT）识别出了更多的甲状腺髓样癌病灶，并通过手术和病理研究确认了这些病灶为真阳性（图2）。以上结果说明CTR-FAPI有潜力成为下一代更高灵敏度的FAPI-PET探针。
图2 靶向共价放射性药物在癌症病人中灵敏度高，可以发现现有技术难以诊断的肿瘤病灶
CTR通过提高滞留增强靶向放射性核素治疗
图3 [177Lu]Lu-CTR-FAPI可几乎完全抑制肿瘤生长，并延长小鼠生存期。a, 治疗方案；b, 肿瘤生长曲线；c, 生存曲线。
最终，研究者分别采用β-（Lu-177）和α-放射性核素（Ac-225）标记CTR-FAPI(及FAPI-mFS)，在后续治疗中几乎完全抑制了小鼠的FAP高表达皮下肿瘤生长。在另一种靶向前列腺特异性膜抗原（PSMA）的SuFEx工程化放射配体也显示出更强的治疗效果(图3)。由于可连接SuFEx弹头的蛋白质较为广泛，这一策略或可用于靶向其他靶点的放射性药物，并为调控其他低分子量偶联类药物的药代动力学提供了新途径。
在“产出原创引领成果，加速科技成果转化”的思想指导下，昌平实验室已为该“从0到1”的技术突破，搭建起“从1到10”的科研转化关键桥梁：一方面，推动研究团队将靶向共价放射性药物发展成为一种平台技术赋能偶联类药物进行功能化改造，以及与实验室其他项目组合作进行临床相关的联合治疗研究；另一方面，支持研究团队充分开展有组织的临床科研，促进科研转化。目前，项目组已协同高水平临床医生，实验室监管科学研究团队等在多个癌种中进行靶向共价放射性药物诊疗效果的验证，优异的临床数据已吸引多家药企寻求合作。
昌平实验室/北京大学刘志博教授为该论文通讯作者。昌平实验室崔希洋副研究员、北京大学肿瘤医院李詝主治医师、国家癌症中心/医科院肿瘤医院孔梓任医师为论文共同第一作者。该研究成果前期曾得到科技部、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心、北大-清华生命科学联合中心、北京大学肿瘤医院等机构和项目的资助。该研究还得到了国家癌症中心/医科院肿瘤医院头颈外科刘绍严主任，北京大学肿瘤医院核医学科杨志主任，北京协和医院核医学科霍力主任等的大力支持和帮助。