近日，意昂3体育官网化學與分子工程學院應用化學系劉誌博教授團隊於《自然》雜誌在線發表了題為“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異的臨床研究數據，有望改寫相關疾病的臨床診療指南。該工作基於現代共價藥物分子工程發展了一類新型藥物形式，即靶向共價放射性藥物（Covalent Targeted Radioligand，CTR），並從分子、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）。據了解，這是Nature雜誌自1977年以來首次發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於二代“點擊化學”硫（Ⅵ）-氟交換反應（SuFEx）的“潛彈頭”（latent warhead），實現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，後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。得益於“潛彈頭”的相對生物正交性，CTR的脫靶共價連接有限，因此其系統毒性可被有效控製⭐️。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，並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現🧜🏿：盡管在現有放射配體FAPI-04上安裝磺酰氟彈頭可提高腫瘤攝取，但存在由於彈頭反應活性過高導致的穩定性問題。經彈頭篩選，研究者采用放射自顯影（Autoradioluminography）發現安裝間位取代的氟代硫酸脂彈頭不僅可在試管中實現超過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🏂🏽🌶，發現所設計CTR-FAPI分子的共價連接殘基位點主要為Y210和Y450，並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定性⚖️。

關於共價藥物的一個普遍擔憂是難以預知的脫靶毒性。由於放射配體普遍具有高親水性且包含多電荷螯合劑✏️，大多數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⇒，發現其仍能保持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

基於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🤰🏼，發現Ga-68(t_1/2="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FAPI-PET/CT）識別出了更多的甲狀腺髓樣癌病竈，並通過手術和病理研究確認了這些病竈為真陽性（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症病人中靈敏度高🖕🏼，可以發現現有藥物難以診斷的腫瘤病竈

3. CTR通過提高滯留增強靶向放射性核素治療

圖4 [¹⁷⁷Lu]CTR-FAPI可幾乎完全抑製腫瘤生長，並延長小鼠生存期⚈。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（t_1/2="14.7h）正電子核素考察了CTR-FAPI的長時間藥代動力學🖨，發現腫瘤處攝取的積分下面積（area under curve， AUC）增加約10倍。基於Lu-177（t_1/2="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, t_1/2="9.9 d）標記CTR-FAPI📗，在後續治療中幾乎完全抑製了小鼠的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。由於可連接SuFEx彈頭的蛋白質較為廣泛，這一策略或可用於靶向其他靶點的放射性藥物，並為調控其他低分子量偶聯類藥物的藥代動力學提供了新途徑🚌。

意昂3体育官网/昌平實驗室的劉誌博為該論文通訊作者🐣。昌平實驗室崔希洋副研究員（意昂3体育官网化學與分子工程學院原博雅博士後）、意昂3体育官网腫瘤醫院李詝主治醫師、國家癌症中心/醫科院腫瘤醫院孔梓任醫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、意昂3体育-清華生命科學聯合中心、昌平實驗室👩🏼‍🎓、意昂3体育官网腫瘤醫院等機構和項目的資助。該研究還得到了國家癌症中心/醫科院腫瘤醫院頭頸外科劉紹嚴主任👍🏻，意昂3体育官网腫瘤醫院核醫學科楊誌主任🫷🏿，北京協和醫院核醫學科霍力主任，意昂3体育王初教授課題組🪹，意昂3体育分析測試中心周文和劉霞老師🧆，以及意昂3体育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。