近日，北京大学化学与分子工程学院应用化学系刘志博教授团队于《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）靶向放射配体因肿瘤摄取、滞留不足导致疗效不佳的瓶颈（图1）。据了解，这是Nature杂志自1977年以来首次发表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，在加强亲和力的同时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。

1. 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）发现安装间位取代的氟代硫酸脂弹头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。

2. CTR-FAPI展现更佳的PET成像对比度

图2 靶向共价放射性药物在动物模型中显示更高的肿瘤摄取

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(t_1/2="67" min)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（图2）。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3）。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3 靶向共价放射性药物在癌症病人中灵敏度高，可以发现现有药物难以诊断的肿瘤病灶

3. CTR通过提高滞留增强靶向放射性核素治疗

图4 [¹⁷⁷Lu]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

研究者进一步地采用长半衰期的Y-86（t_1/2="14.7h）正电子核素考察了CTR-FAPI的长时间药代动力学，发现肿瘤处摄取的积分下面积（area under curve， AUC）增加约10倍。基于Lu-177（t_1/2="6.7d）标记的CTR-FAPI剂量学估算同样说明肿瘤有效剂量提高了10倍左右。最终，研究者分别采用β-（Lu-177）和α-放射性核素（Ac-225, t_1/2="9.9 d）标记CTR-FAPI，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（图4）。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。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。

北京大学/昌平实验室的刘志博为该论文通讯作者。昌平实验室崔希洋副研究员（北京大学化学与分子工程学院原博雅博士后）、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。该研究成果得到国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心、北大-清华生命科学联合中心、昌平实验室、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，北大王初教授课题组，北大分析测试中心周文和刘霞老师，以及北大天然药物与仿生药物国重室王倩老师等的大力支持和帮助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07461-6