多肽偶联放射性核素药物及其DMPK研究策略

放射性核素是具有过多能量的原子，能自发地发射出粒子或射线，释放出的能量能达到诊断或治疗的目的，但放射性核素的低稳定性、不可控性，以及非靶部位毒性等缺点限制了其在医学上的应用。将放射性核素作为有效载荷（Payload）与螯合剂（Chelator）螯合后再与多肽通过连接子（Linker）偶联，形成多肽偶联放射性核素，引导放射性核素精准靶向，再结合多肽较好的组织穿透能力和较低的免疫原性等优点，可实现体内理想的药物递送，达到降低毒性增加疗效的作用。近年来获批了多款多肽偶联放射性核素药物（表1），在肿瘤疾病领域发挥了越来越重要的诊断和治疗作用。

表1. FDA批准上市的多肽偶联放射性核素药物

一、多肽偶联放射性核素的分类和简介

早在20世纪初期，放射性核素就被应用于医学诊断或治疗目的，2018年第一款多肽偶联放射性核素药物获批上市，揭开了多肽偶联放射性核素药物迅猛发展的序幕，以诺华为代表的医药公司开发了以SSTR（生长抑素受体，somatostatin receptor）、PSMA（前列腺特异膜抗原，prostate specific membrane antigen）、CXCR4（CXC趋化因子受体4，CXC chemokine receptor 4）和FAP（成纤维细胞激活蛋白，fibroblast activation protein）等为靶点的丰富管线，并开启了诊断和治疗一体化的时代（图1）。

图1. 放射性药物的发展时间轴

PET：正电子发射断层显像, Positron Emission Tomography；

CT：计算机断层摄影术, Computed Tomography；

¹⁸F-FDG：氟代脱氧葡萄糖,¹⁸F-fludeoxyglucos；

RGD：含有由Arg-Gly-Asp三个氨基酸组成的序列多肽；

Ra：镭; Y：钇; Ga：镓; Lu：镥; I：碘。

多肽偶联放射性核素，根据其发射的核素粒子和用途可以分为诊断型和治疗型。

诊断型核素包括以¹⁸F、⁶⁸Ga、¹²³I为代表的发射正电子的核素，它们能被正电子发射断层扫描（PET）用于显像，也包括以⁹⁹Tc、⁶⁷Ga为代表的发射γ光子的核素，它们能被单光子发射计算机断层扫描（SPECT）。诊断型放射性核素的物理半衰期一般在一到十几个小时，半衰期较短，以免机体受到长时间的辐射损伤。

治疗型核素分为以²²³Ra、²²⁵Ac为代表的发射α粒子的核素和以⁹⁰Y、¹³¹I、¹⁷⁷Lu、⁹⁰Sr为代表的发射β粒子的核素，它们可以通过直接辐射作用损伤DNA、线粒体、细胞膜等；还能通过旁观者效应，通过靶细胞和周围细胞之间的通信诱导临近癌细胞死亡。另外也可通过远端效应^[1]，攻击远端肿瘤细胞而发挥抗肿瘤作用。这三个过程引起氧化应激，同时涉及到内源性危险信号因子的分泌与免疫系统的激活^[2]。治疗型核素的物理半衰期，相较于诊断型核素长，一天到十几天不等，以便药物在体内发挥药效（图2）。

 图2. 多肽偶联放射性核素药物分类及对应的放射性核素

针对不同的疾病，可以根据放射性核素发射的粒子的穿透范围和线性能量，以及物理半衰期，再结合病灶组织的大小、类型、密度和异质性来选择合适的核素（图3）^[3]。表2总结了不同发射粒子的特征以及适用情况。

 图3. 放射性核素衰变类型以及组织穿透范围^[3]

表2. 不同发射粒子的特征总结及适用情况^[3]

二、FDA已批准上市的多肽偶联放射性核素药物实例

疾病背景介绍

前列腺癌是男性第二大最常见的癌症类型。目前的治疗手段有手术治疗、雄激素剥夺疗法、化疗等，但治疗后复发率高（20-60%），终末期预后较差，5年生存率低。且常规成像技术检出率低，在描述疾病进展方面表现不足^[4]。

前列腺特异性膜抗原(prostate-specific membrane antigen, PSMA)在前列腺癌中过表达，表达量高于正常组织（95%的前列腺癌细胞中有100-1000倍^[5]）。可以促进血管生成，表现出明显的增殖优势，在恶性转化中，PSMA还可转位到导管管腔表面，这在前列腺增生等其他良性疾病中没有发现^[6]，并且PSMA表达贯穿前列腺癌疾病的全程（激素敏感性前列腺癌+去势抵抗性前列腺癌），具有可以作为成像和治疗的分子靶点的特点。⁶⁸Ga-PSMA-11和¹⁷⁷Lu-PSMA-617以前列腺特异性膜抗原(PSMA)为突破口，实现高亲和性和选择性的诊疗作用。

诊断型多肽偶联放射性核素⁶⁸Ga-PSMA-11

2020年12月，FDA批准上市的⁶⁸Ga PSMA-11是第一款用于前列腺特异性膜抗原（PSMA）阳性病变的男性前列腺癌的PET的诊断试剂。该药物由靶向多肽PSMA-11、连接多肽和放射性核素的连接子、螯合剂以及放射性核素⁶⁸Ga构成（图4）。临床推荐¹¹¹MBq-²⁵⁹MBq (3 mCi-7 mCi)作为静脉注射剂。给药50 - 100分钟后即可成像^[7]。

图4.⁶⁸Ga-PSMA-11结构式（紫色代表靶向肽，蓝色代表连接子，红色代表螯合剂，黑色代表放射性核素）

PSMA-11靶向结合前列腺癌细胞上过表达的PSMA抗原,⁶⁸Ga发射正电子，被正电子发射断层扫描(PET)。其中⁶⁸Ga物理半衰期为68分钟，随后转化为稳定的⁶⁸Zn，仅需数小时即可完成显象。⁶⁸Ga-PSMA-11在临床评估前列腺癌转移和复发的患者中有可观的检出率（敏感性为47%，特异性为90%，阳性预测值为61%，阴性预测值为84%），并且不良反应发生率低（<1%），最常报道的不良反应为恶心、腹泻和头晕。

⁶⁸Ga-PSMA-11的药代动力学特征

⁶⁸Ga-PSMA-11与PSMA的结合以及内化：

⁶⁸Ga-PSMA-11能与人前列腺癌细胞系LNCaP膜表面结合并内化到细胞内，在37°C孵育时的内化率(约20 -35%)比4°C孵育下明显要高。当细胞在500 μM的2-PMPA (PSMA的竞争性阻断剂)存在下共孵育时⁶⁸Ga-PSMA-11的细胞结合和内化作用被阻断。

⁶⁸Ga-PSMA-11的分布：

⁶⁸Ga-PSMA-11可从血液中清除，血液辐射活度呈双指数行为，半衰期分别为6.5分钟和4.4小时。

在健康人体内，⁶⁸Ga-PSMA-11优先积聚在肝脏(15%)、肾脏(7%)、脾脏(2%)和唾液腺(0.5%)。⁶⁸Ga-PSMA-11的摄取也见于肾上腺和前列腺。大脑皮层或心脏没有摄取，通常肺的摄取很低。

在前列腺癌患者体内，注射170MBq ⁶⁸Ga-PSMA-11后1小时可通过PET或CT观察到患者盆腔的前列腺癌淋巴转移（图5a和b的红色箭头），且辐射强度逐渐增强，到4小时达峰，表明⁶⁸Ga-PSMA-11在前列腺癌病灶的特异性分布。

图5. 注射170MBq ⁶⁸Ga-PSMA-11后的前列腺癌患者的连续PET/CT图^[7]

⁶⁸Ga-PSMA-11的代谢：

在配体结合受体内化之后，配体与受体分离，并经过蛋白水解酶降解，形成氨基酸。⁶⁷Ga-PSMA-11在人血清中37℃孵育48小时后稳定，未检测到非络合⁶⁷Ga^[8]。在37°C下将⁶⁸Ga-PSMA-11在过量的载铁转蛋白存在下孵育2小时，没有⁶⁸Ga螯合到转铁蛋白上。

⁶⁸Ga-PSMA-11的排泄：

主要通过肾脏排泄。

⁶⁸Ga-PSMA-11的药物相互作用：

PSMA阻滞剂(即2-PMPA)具有抑制⁶⁸Ga-PSMA-11的结合和细胞内化的潜力，然而，鉴于目前没有批准的PSMA阻滞剂药物上市，因此目前没有临床担忧^[7]。

治疗型多肽偶联放射性核素¹⁷⁷Lu-PSMA-617

2022年3月，FDA批准上市的¹⁷⁷Lu-PSMA-617是一种靶向前列腺特异性膜抗原（PSMA）的放射性配体疗法。该药物由靶向多肽PSMA-617、连接多肽和放射性核素的连接子、螯合剂以及放射性核素¹⁷⁷Lu构成（图6），是首款FDA批准治疗转移性趋势抵抗性前列腺患者的靶向放射性配体疗法,获得了突破性疗法认定。Ⅲ期临床研究结果表明，与标准疗法相比，联合使用¹⁷⁷Lu-PSMA-617可以延长患者的影像学无进展生存期和整体生存率约4个月^[9]。

图6. ¹⁷⁷Lu-PSMA-617结构式（紫色代表靶向肽，蓝色代表连接子，红色代表螯合剂，黑色代表放射性核素）

¹⁷⁷Lu-PSMA-617进入体内后，与前列腺癌细胞表面过表达的PSMA抗原靶向结合，在网格蛋白介导的内吞作用下进入细胞，在溶酶体的包裹下在细胞内运输，其中抗原PSMA可被重新回收到细胞膜表面，也可被溶酶体酶降解。而¹⁷⁷Lu-PSMA-617的核素¹⁷⁷Lu则释放β粒子杀伤癌细胞（图7）^[10]。

图7. 内源性放射治疗中¹⁷⁷Lu-PSMA-617内化的示意图^[10]

¹⁷⁷Lu产生的β射线通过直接发挥细胞杀伤作用，也能诱发氧自由基断裂DNA。

发射的β-在组织中的平均射程为0.28mm，可以利用交叉火力效应摧毁周围不表达靶点的肿瘤细胞，结合其前体的靶向作用，可达到精准杀伤肿瘤的目的，又克服了肿瘤异质性。

发射能量为208.4keV的光子辐射(γ)，可用于单光子（SPECT）显像，检测和指导治疗过程，可起到“一药两用”的作用，实现诊疗一体化。

¹⁷⁷Lu具备良好的成药性，物理半衰期为6.7天。在稳定性和不易挥发等特性优于¹³¹I。

¹⁷⁷Lu-PSMA-617的药代动力学特征

¹⁷⁷Lu-PSMA-617的分布：

PSMA-617的平均分布体积为123 L。未标记的PSMA-617和非放射性¹⁷⁵Lu-PSMA-617与人血浆蛋白的结合率为60%-70%。人体血液中PSMA-617和¹⁷⁵Lu-PSMA-617的全血/血浆分配比均<1，说明¹⁷⁵Lu-PSMA-617没有特异性分布到人体红细胞中。

在健康人体内，静脉注射给药2.5小时内，¹⁷⁷Lu-PSMA-617主要分布于胃肠道、肝脏、肺部、肾脏、心脏壁、骨髓和唾液腺。

在低、中等偏低、中等偏高、高前列腺癌负荷的患者接受1-2周期的¹⁷⁷Lu-PSMA-617治疗后，¹⁷⁷Lu-PSMA-617均显示出较强的靶向前列腺癌转移灶的能力，在其他组织中相对较少（表3）^[11]。

表3. 经¹⁷⁷Lu-PSMA-617治疗后前列腺癌患者各组织放射量（单位Gy/GBq）

注：肿瘤负荷指癌细胞的数量和肿瘤的大小。

¹⁷⁷Lu-PSMA-617的代谢：

¹⁷⁵Lu-PSMA-617和PSMA-617在37°C下可在人、大鼠和小型猪的血浆中稳定长达2小时。¹⁷⁵Lu-PSMA-617和PSMA-617在人、大鼠和小型猪的肝脏和肾脏S9组分中稳定。

¹⁷⁷Lu-PSMA-617的排泄：

¹⁷⁷Lu-PSMA-617末端消除半衰期为41.6 h，清除率(CL)为2.04 L/h，主要由肾脏清除。只有极少数的放射性在粪便中被检出。

¹⁷⁷Lu-PSMA-617的药物相互作用：

与代谢酶的相互作用：PSMA-617不是CYP450的底物，也不诱导CYP1A2、2B6或3A4；

对CYP1A2、2B6、2C8、2C9、2C19、2D6和3A均无抑制作用。

与转运体的相互作用：PSMA-617不是BCRP、P-gp、MATE1、MATE2-K、OAT1、OAT3或OCT2的底物；也不抑制BCRP、P-gp、MATE1、MATE2-K、OAT1、OAT3、OATP1B1、OATP1B3、OCT1或OCT2^[9]。

三、理想的多肽偶联放射性核素药物的特点

适当的射线类型和能量：

为了提高诊断效果并且减少辐射损伤，用于诊断的放射性核素应是发射γ射线或正电子（β+），最好不发射或较少发射β-、α射线。为了治疗效果，用于治疗的放射性药物中的放射性核素大多发射α射线或β-射线，不发射或较少发射γ射线。β-的射线能量建议在1 Mev以下，α的射线能量建议在6 Mev以下。

合适的物理半衰期：

放射性核素的理想半衰期应为30分钟至10天。诊断用放射性药物的物理半衰期应在满足诊断所需时间的前提下尽量短，减少患者受到辐射的时间。治疗用的放射性药物半衰期不宜太短，一般在1-10天，以保证疗效。

较小的毒性：

要求进入体内的放射性核素及其衰变产物的毒性较小，应控制在无毒性或弱毒性范围内，最好核素的衰变产物是稳定性核素。

连接子：

因为多肽偶联放射性核素不需要断裂后起效，一般选择不可断裂型连接子，以增强稳定性防止脱靶。

靶向特异性：

多肽偶联放射性核素在入血后即可释放辐射，因此对于靶向特异性要求较高，同时需要减少药物在非特异性组织的分布和代谢。

图8. 理想的多肽偶联放射性核素药物的特点

四、多肽偶联放射性核素药物的药代动力学研究策略

由于放射性同位素实验开展的门槛极高，多肽偶联放射性核素药物如果使用已有临床使用经验的放射性核素，可采用不具有放射性的受试物cold偶联药物开展临床前实验，例如含稳定同位素的受试物、放射性体内诊断药物经衰变后的产物等^[12]。当然，有条件的情况下，可以直接用放射性核素药物开展相应研究。

由于多肽容易被蛋白酶降解，因此需要重点关注多肽偶联放射性核素药物在体内基质中的稳定性，如在全血、血浆、肝S9、肾匀浆液等基质中的稳定性，同时结合体内外的代谢产物鉴定优化结构。血浆蛋白结合率、全血/血浆分配比、啮齿类动物的PK研究和组织分布研究有助于进一步了解多肽偶联放射性核素在体内的药物处置情况。另外，也需要关注药物与代谢酶和转运体的相互作用。

放射性金属元素通过配位键与螯合剂结合，在体内遇到更强螯合剂的情况下，金属可能被更强的螯合剂俘获而释放出配体（配体指靶向肽、连接子和螯合剂组成的组分）。因此体内PK实验有必要检测配体的浓度，在组织分布实验中除了检测cold偶联药物（检测仪器：LC/MS/MS）、配体（检测仪器：LC/MS/MS），建议同时检测金属元素（检测仪器：ICP-MS）。如果释放出的配体是新的，建议单独考察其在体内的吸收、分布、代谢和排泄及药物相互作用的情况。

当放射性核素偶联的多肽分子量较大的情况下，可能具有免疫原性，在体内实验中建议开展免疫原性研究^[13]。

表4总结了使用cold偶联药物作为替代开展临床前及IND申报的DMPK研究策略。

表4. 多肽偶联放射性核素药物临床前及IND申报DMPK研究策略

结语

目前全球核医学市场正处于飞速发展的阶段，预计到2030年规模可达百亿美元。癌症和心血管疾病的发病率升高也提高了对核医学的需求。随着制药巨头的参与和产品布局，研发技术指导原则的发布和政策驱动，全球多肽偶联放射性药物的研发热情空前高涨，多肽偶联放射性核素这种新兴的药物分子，将靶向治疗与放射性核素相结合，将肿瘤领域的诊疗带入了一个全新的时代。

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作者：陈冲，程起干，金晶

编辑：方健，钱卉娟

设计：倪德伟