Nature丨共价靶向放射性配体增强放射性核素治疗
今天分享的是2024年5月发表在Nature上名为Covalent targeted radioligands potentiate radionuclide therapy的文章。
有关作者：
本文的通讯作者是来自北京大学化学与分子工程学院的刘志博教授。他的研究方向包括活体化学及其驱动的蛋白激活及药物释放、罕见病的影像诊断探针及临床转化研究、中子捕获治疗药物及其辐射生物学效应、新型医用核素的生产工艺研究与临床应用。
研究背景：
据数据统计，2022年全球新增癌症患者近2000万例，新增癌症死亡人数近1000万例。目前主流的癌症治疗手段包括，手术切除、化疗、免疫疗法、基因治疗以及放射性治疗等。其中放射性治疗（图1左）得益于其具有减少副作用、控制肿瘤生长、消灭残存病灶、提高局部控制率和存活率等优点。此外，成像技术的发展使得组织定位更加精确以及实现可视化，使其得到了广泛关注。作为临床癌症治疗的新模式，放射性治疗具有固有的治疗与诊断一体化特性，具有“交叉火力”效应（清除非特定靶向的癌细胞）并且独立于结合靶标的生物学途径。靶向放射性核素治疗（Targeted radionuclide therapy, TRT）是一种革命性的治疗模式，用于治疗导致所有癌症中大多数死亡的转移性癌症。
治疗性放射性核素的成功需要出色的肿瘤靶向性，快速的血液清除和足够的肿瘤保留。然而传统放射性核素配体（图1右）由于其是非共价可逆的，其肿瘤保留往往不足，这严重损害了TRT的疗效，因此平衡药物的血液清除率和肿瘤潴留往往是一个挑战。
图1.放射性治疗原理（左），传统放射性配体（右）
结果与讨论：
- 概念的提出及验证
鉴于传统靶向配体的局限性，作者设想通过将放射性配体共价不可逆地连接到肿瘤特异性靶标上，在确保肿瘤特异性的同时，提高放射性配体在肿瘤的摄取及保留，从而打破传统放射性配体的局限。为了对这一概念的验证，作者创新性地设计了一款共价靶向放射性配体（CTRs）（图2a）。这是一种三功能偶联物，在传统放射性配体分子的合适位置连接了一个基于硫（Ⅵ）-氟交换反应（SuFEx）的共价“弹头”。当CTR到达肿瘤时，先非共价地与靶点结合，随后通过邻近效应进行不可逆的共价结合，以防止被快速清除（图2b）。
图2.共价靶向放射性配体
首先，通过筛选选择了FAP作为开发CTR的靶标，通过分子对接（图3d）模拟了FAPI-04-FAP（FAPI-04：FAP抑制剂）的复合物结构，根据附近残基的关键参数确定了连接位点（酪氨酸残基Y210,Y450）和弹头（图3e）并根据合成可及性选择了FAPI-04上合适的位置用于共价弹头的偶联。通过放射自发光，177Lu标记的FAPI-SF在体外与FAP孵育后表现出快速且不可逆的共价结合（图3f）。并且在HT-1080-FAP荷瘤小鼠中正电子发射断层扫描和计算机断层扫描（ET/CT）成像清楚地显示，[68Ga]Ga-FAPI-SF的肿瘤摄取明显大于[68Ga]Ga-FAPI-04（图3g）。结果表明共价放射配体策略是可行的。
图3.通过SuFEx工程开发CTR，并在荷瘤小鼠中进行概念验证
- 稳定性更好弹头的筛选及验证
接着作者进一步对弹头进行了筛选，得到了稳定性更好的FAPI-mFS,FAPI-pFS。通过分子动力学模拟进一步证明了连接的稳定性。进一步与FAP同源蛋白DPP-4、PREP（图4a）以及人血清、小鼠血液（图4b,c,d）的孵育研究表明，基于SuFEx的共价“弹头”，尤其是mFS，可能不会在健康组织中引起脱靶共价结合。
图4.FAPI-pSF,FAPI-mSF的脱靶研究
- CTR-FAPI PET成像表现出更好的成像对比
作者测试了结合FS的FAPI是否可以在荷瘤小鼠中实现额外的肿瘤摄取和更清晰的背景。随后在荷瘤小鼠中对[68Ga]Ga-FAPI-04和[68Ga] Ga - FAPI - pFS(或[68Ga]Ga-FAPI-mFS)进行了头部PET/CT成像。如图5a所示，注射后1小时，[68Ga]Ga-FAPI-pFS和[68Ga] Ga-FAPI-mFS的肿瘤摄取明显高于FAPI-04 (n = 4)，最大SUV (SUVmax)分别增加92%和257%(图5b)。作者还测定了注射后5小时[68Ga] Ga-FAPI-SF、[68Ga]Ga-FAPI-pFS和[68Ga]Ga-FAPI-mFS的体外生物分布(n = 7;图5 d)。结果显示[68Ga]Ga-FAPI-mFS的肿瘤摄取(12.1±1.2%ID g−1)明显高于[68Ga]Ga-FAPI-pFS(8.2±1.7%ID g−1)和[68Ga]Ga-FAPI-SF(8.9±1.7%ID g−1)，但主要器官的总体摄取较低。这些结果表明FAPI-mFS能用于后续的TRT研究。
图5.CTR-FAPI PET成像表现出更好的成像对比
- FAPI-mFS临床效果的研究
基于FAPI-mFS上述优异的临床前数据，作者在甲状腺髓样癌(MTC)患者中进行了一项[68Ga]Ga-FAPI-mFS临床试验。结果表明与FAPI-04相比，FAPI-mFS的确在甲状腺髓样癌患者中的PET/CT成像中能够识别出更多的肿瘤病灶（图6f,g）。并且进一步手术和病理研究证明病灶为真阳性（图6h）。
图6.FAPI-mFS在MTC患者中的PET/CT成像中能够识别出更多的肿瘤病灶
- FAPI-mFS治疗的长期药代动力学研究
在荷瘤小鼠中，与[86Y]Y-FAPI-04相比，[86Y]Y-FAPI-mFS在肿瘤中积累更快，摄取更大，直到72小时才观察到几乎没有清除（图7a）。[86Y]Y-FAPI-04和[86Y]Y-FAPI-mFS的肿瘤放射性-时间曲线（图7b）显示，[86Y]Y-FAPI-mFS的曲线下综合面积（AUC）是[86Y]Y-FAPI-04的13倍（图7c，左）。[86Y]Y-FAPI-mFS在心脏、肌肉、肝脏和肾脏的T/N AUC比值分别为49.75±7.70、99.46±19.71、25.24±2.68和29.02±3.52 （N = 4;图7c，右）。通过计算作者使用了高达66.6 MBq的高剂量，如预期的那样，在盐水处理的对照小鼠中，HT-1080-FAP肿瘤的体积在15天内增加了十倍以上（图7e,f）。述结果证明了FAPI-mFS在肿瘤中的良好靶向性和滞留性。
图7.CTR-FAPIs改善了放射性核素在肿瘤中的滞留，并导致肿瘤几乎完全消退
最后作者对CTR的适用性进行了探究，对225Ac(α-放射性核素)研究结果显示，在用[225 Ac]Ac-FAPI-mFS治疗的PDX小鼠组中观察到明显的肿瘤抑制。作者还评估了 [ 225 Ac]Ac-FAPI-mFS 治疗的潜在副作用，靶向225 Ac 疗法可能在治疗后的最初几天引起急性体重减轻，但小鼠在一周后恢复。作者还探究了CTR在PSMA-TRT中的疗效研究，结果表明CTR同样可以改善PSMA-TRT偶联物的药代动力学和疗效。
总结：
本工作首次提出了共价靶向放射性药物的概念，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）靶向放射配体因肿瘤摄取、滞留不足导致疗效不佳的瓶颈，初步实现了治疗性放射配体优异的肿瘤靶向、足够的肿瘤滞留和快速的正常器官清除。试点蛋白口袋筛选表明，活性残基广泛应用于许多临床重要靶标。这一强有力的策略将使研究人员和制药行业能够开发出具有小分子、多肽、适体或抗体片段的肿瘤靶向偶联物。
原文链接：
