Sotorasib

ABSTRACT：共价放射性药物正成为一种强大的新型癌症成像与治疗药物，通过提供持久的靶点结合，克服了传统可逆示踪剂的关键局限性。共价放射性药物通过在疾病相关蛋白上或附近的亲核残基上形成共价键，能够实现延长的肿瘤滞留、改善的靶点选择性、增强的成像对比度或治疗效果。该策略特别适用于应对快速内化、低靶点丰度和肿瘤异质性等生物学挑战，在这些情况下非共价药物通常表现不佳。近期进展已证明共价放射性药物在多种分子形式上的多功能性，包括小分子、蛋白质结合剂和拟肽。这些药物通过不同的共价靶向基团进行工程化设计，能够在生理条件下实现选择性和稳定的结合。在临床前和早期临床研究中，共价示踪剂显示出优异的肿瘤滞留，在某些情况下其性能优于标准治疗药物。重要的是，共价设计还能使示踪剂的药代动力学与放射性核素衰变更好的匹配，改善剂量测定并扩大治疗窗口。虽然在优化共价反应活性和最小化脱靶效应方面仍存在挑战，但合成化学和蛋白质工程领域的持续创新正在迅速推动该领域的发展。随着共价机制的机理和转化优势日益清晰，共价放射性药物有望重新定义分子成像与治疗。它们不仅仅是专业工具，更是下一代精准肿瘤学的基础组成部分。 1. 引言 放射性药物是当代肿瘤学的基石，提供了精准靶向和治疗癌症同时最小化对正常组织损伤的独特机会。通过利用工程化配体与肿瘤相关蛋白之间的高亲和力相互作用，放射性药物使放射性核素能够在疾病部位积聚，在那里它们可以产生灵敏的诊断信号或提供治疗剂量的辐射。这种分子选择性实现了两个互补的结果：通过成像灵敏检测病灶，以及通过局部放疗实现靶向细胞杀伤，同时保护周围健康组织。放射性药物在医学上有着悠久的历史，始于20世纪中期用于治疗甲状腺疾病的¹³¹I，并随着新型放射性核素、螯合剂和靶向载体的出现而稳步扩展到肿瘤学领域。它们在现代癌症治疗中的作用与放射化学、成像技术和分子生物学的进步同步增长，使其成为精准肿瘤学不可或缺的组成部分。最近的例子是 Lutathera（¹⁷⁷Lu-DOTATATE）和 Pluvicto（¹⁷⁷Lu-PSMA-617），两者在原本难治性癌症中显示出有意义的生存获益后获得了监管批准，重新定义了标准治疗方案并验证了放射性药物疗法（RPT）的临床潜力。 Lutathera 和 Pluvicto 的成功说明了将特征明确的肿瘤相关抗原与能够递送强效细胞毒性辐射的放射性核素相结合的力量，从而满足了晚期恶性肿瘤未满足的需求。Lutathera 结合在神经内分泌肿瘤中高表达的生长抑素受体，而 Pluvicto 靶向前列腺特异性膜抗原（PSMA），这是前列腺癌的一个关键标志物。这些药物递送¹⁷⁷Lu，一种具有合适能量和衰变特性的β发射体，确保有效辐射递送至靶细胞。重要的是，这两项批准不仅凸显了治疗效果，也显示了RPT作为一种可行治疗方式的监管和商业接受度，为更广泛的开发铺平了道路。然而，即使取得了这些成功，大多数放射性药物仍然依赖于可逆的非共价结合相互作用，尽管具有高亲和力，但本质上存在局限性。解离、受体再循环、内化和清除都可能削弱示踪剂在肿瘤部位的持久性。对于长寿命放射性核素，这个问题尤为突出，因为靶点驻留时间必须与放射性核素衰变匹配才能实现最大治疗效果。这些局限性凸显了对下一代策略以实现更持久分子结合的关键需求。 共价放射性药物正成为一种有前景的解决方案，旨在引入示踪剂与其靶点之间不可逆的化学键。受共价肿瘤药物（如KRAS G¹²C和BTK抑制剂）成功的启发，这些药物加入了亲电共价靶向基团，可与结合界面附近的亲核残基（如半胱氨酸、赖氨酸或丝氨酸）反应。一旦形成，这些共价键将示踪剂“锁定”在靶点上，防止解离，确保在放射性核素的整个衰变期内延长肿瘤滞留。该方法还能使靶向配体的生物半衰期与放射性核素的物理半衰期对齐，与可逆药物相比改善剂量测定和治疗指数。重要的是，共价结合不仅限于小分子；它可以被工程化到蛋白质、肽和其他支架中。近期进展展示了这种多样性：用氟硫酸盐部分修饰的纳米抗体在HER2阳性肿瘤中显示出延长的结合；靶向丝氨酸蛋白酶的酮基苯并噻唑拟肽显示出增强的肿瘤滞留；以及从小分子抑制剂改造的共价示踪剂能够对突变癌蛋白如KRAS进行成像。除了简单地“锁定”结合外，一些共价放射性药物还被设计成对肿瘤微环境中的动态信号（如氧化应激或酶活性）作出反应，增加了生物响应性。这些创新凸显了在传统方法失效的背景下，共价性如何扩展示踪剂性能。 共价放射性药物的发展势头正在迅速增长，得到了学术创新和日益增长的商业投资的推动。在Lutathera和Pluvicto等药物成功的基础上，该领域现在正在探索共价偶联作为下一代平台，具有克服抗原异质性、改善药代动力学和维持治疗效果的潜力。这些药物的模块化设计（包括靶向部分、共价靶向手柄和放射性标记）在肿瘤学应用中提供了显著的多功能性。通过改善肿瘤滞留、减少非特异性清除和优化放射性核素配对，共价设计可以产生具有更清晰对比度的成像剂和具有更强效力的治疗剂。早期的概念验证研究已经证明了可行性，合乎逻辑的下一步是进入临床开发，特别是在传统放射性药物显示出局限性的适应症中。共价放射性药物代表了放射化学、蛋白质工程和药物设计的融合，它们的出现标志着一个新时代，其中示踪剂的持久性与示踪剂的选择性同等重要。如果早期的成功在临床转化中得到证实，这些药物可以扩大放射性药物的治疗范围并重塑肿瘤学的分子工具包，为靶向癌症治疗中一些最持久的挑战提供持久的解决方案。2. 共价放射性药物的机理原则与设计 共价放射性药物代表了分子成像和靶向放疗的新前沿，提供了从传统依赖可逆非共价相互作用的范式转变。通过与分子靶点形成化学键（在特定生理条件下可逆或本质上不可逆），这些药物可以在作用位点实现延长的驻留时间，并从根本上改变药代动力学和药效学特性。传统的放射性药物依赖于氢键、范德华力、离子相互作用或疏水力，尽管能够支持高亲和力，但本质上是不持久的且容易解离。相比之下，共价放射性药物与靶点残基形成稳定的化学键，确保不可逆结合和延长的滞留。从暂时结合到持久分子参与的转变有可能克服放射化学中长期存在的挑战，如快速清除、肿瘤滞留不足和次优的肿瘤与背景比。在肿瘤异质性和抗原循环经常削弱治疗效果的肿瘤学中，共价方法有望提供一种持久且更可预测的结合模式，从而扩大诊断和治疗的影响。 共价放射性药物的设计是模块化的，通常包含三个相互依赖的组成部分：（1）决定靶点特异性的识别元件；（2）执行共价键的反应性共价手柄；（3）提供诊断或治疗功能的放射性标记（图1）。每个模块都必须经过精心设计，以保持选择性、稳定性和效力之间的微妙平衡。识别元件确保示踪剂定位并结合到正确的生物分子；共价手柄确保一旦结合发生，结合就成为永久性的；放射性标记则能够可视化或破坏靶点。重要的是，这些模块不能孤立地设计。共价手柄的化学性质必须与放射性标记条件兼容，识别元件既要赋予特异性，又要将共价部分朝向正确的亲核残基。实现这种整合需要深入了解蛋白质结构、局部化学环境和放射性核素稳定性。例如，在具有快速再循环动力学或浅结合口袋的蛋白质中，共价部分的定位对于确保成功成键至关重要。因此，基于结构的建模和精细的合成设计构成了这一下一代放射性药物平台的基础。 图 1. 共价放射性药物的模块化设计。 通过识别元件、反应性共价手柄和放射性标记的协同设计，实现靶点识别、共价结合以及正电子发射断层扫描（PET）或单光子发射计算机断层扫描（SPECT）成像或治疗功能 在这些组成部分中，识别元件扮演着最显眼的角色，因为它决定了示踪剂区分靶向和非靶向蛋白的能力。识别元件可以包括小分子、工程肽或蛋白质结合剂（如抗体及其衍生物和从头设计的结合剂）。虽然高结合亲和力仍然至关重要，但在共价设计中亲和力本身是不够的。识别元件必须将反应性共价手柄置于合适亲核残基的有效范围内，因为共价键的形成既依赖距离也依赖方向。如果没有必要的前组织化，即使高反应性的共价手柄也无法有效地进行结合。例如，针对癌蛋白工程化的蛋白质结合剂可以用氟硫酸盐部分官能化，但除非共价手柄朝向可及的组氨酸、酪氨酸或赖氨酸，否则不会形成共价键。这种结构依赖性解释了为什么共价放射性药物通常从靶点的详细晶体学或冷冻电镜结构开始。这些结构见解不仅指导识别和反应元件的放置，而且可以防止潜在的脱靶反应。通过这种方式，共价放射性药物将合理药物设计的精确性与放射化学的复杂性相结合。 共价手柄本身（通常是一个亲电基团）是共价放射性药物设计的化学关键。手柄如丙烯酰胺、卤代乙酰胺和磺酰氟具有不同的反应活性谱，各有其优势和局限性。丙烯酰胺广泛用于KRAS G¹²C抑制剂，与半胱氨酸形成稳定的硫醚键，而磺酰氟以更慢、更具选择性的方式与酪氨酸和赖氨酸残基反应。基于氟硫酸盐的SuFEx化学对放射性药物特别有吸引力，因为它具有水相稳定性和邻近性激活的反应性。反应性和选择性之间的平衡至关重要：反应性过强的共价手柄可能带来不稳定性、非特异性蛋白质修饰和全身毒性，而反应性不足的共价手柄在生理条件下可能无法实现充分的共价结合。放射化学施加了进一步的限制，因为放射性标记通常需要可能降解敏感亲电试剂的条件（如加热或酸性pH）。因此，合成策略必须确保共价部分在放射性标记和循环过程中保持完整，但在体内靠近其靶点残基时具有足够的反应性。这种微妙的平衡凸显了将共价设计原理转化为放射性药物实践所需的化学复杂性。 放射性标记通过提供诊断或治疗功能来完成设计。对于成像，正电子发射体如¹⁸F、⁶⁸Ga、⁶⁴Cu和⁸⁹Zr是常见选择，而治疗应用通常依赖于β发射体如¹⁷⁷Lu或α发射体如²²⁵Ac。放射性标记的连接可以是直接的，也可以通过螯合剂介导，基于金属的放射性核素需要特别稳固的配位以避免体内解离。放射性核素-螯合剂复合物（例如与DFO、DOTA或更新衍生物形成的复合物）必须能够承受循环以及与共价结合相关的延长驻留时间。由于共价药物可能比可逆示踪剂在靶点上结合得更久，放射性标记在代谢应激下的稳定性尤为重要。最近的创新集中在改进经典支架上，例如用于⁸⁹Zr的DFO变体提供更强的抗脱金属能力，双哌啶类螯合剂能够在温和条件下高效稳定地络合¹⁷⁷Lu，以及macropa衍生物能够高效稳定地配位²²⁵Ac。这些进展突显了增量式的螯合剂优化如何通过确保在临床相关时间尺度上的持久放射性核素保留，直接增强共价放射性药物的转化潜力。放射性标记稳定性与共价结合持久性的整合创造了一个强大的组合，能够实现更清晰的成像对比度和增强的治疗效果。重要的是，将放射性核素半衰期与共价示踪剂的生物动力学相匹配，提供了改善剂量测定的潜力，在最大化靶向递送的同时减少不必要的辐射暴露。 除了化学设计，共价放射性药物还必须从药理学和系统行为层面来理解。靶点上的共价结合可以显著改善肿瘤滞留，降低成像和治疗所需的有效剂量。然而，对靶向结合有利的相同持久性，如果发生脱靶共价相互作用，也会放大风险。与丰富血清蛋白（如白蛋白）的非特异性结合会延长血液循环，改变生物分布，并增加背景辐射。与非预期组织的不可逆结合会增加长期毒性风险，特别是在骨髓或肾脏等辐射敏感器官。因此，全面的生物分布和毒理学研究是必不可少的。此外，传统的药代动力学指标（如解离常数Kd）可能无法捕捉不可逆结合的完整动力学。相反，共价药物更适合用动力学参数如k_inact/K_I来表征，这些参数量化了生理条件下共价键形成的效率。这些考虑要求采用新的临床前范式来评估示踪剂的有效性和安全性，包括动力学测定、计算建模和长期剂量测定模拟。最终目标是利用共价结合的独特优势，同时确保安全性和选择性不受影响。 综上所述，共价放射性药物提供了一种变革性策略来推进分子成像和靶向放疗。通过将靶点识别、化学反应性和放射性标记稳定性整合到一个模块化框架中，这些药物可以解决传统示踪剂的持续局限性，包括肿瘤滞留不足以及示踪剂动力学与放射性核素衰变之间的不匹配。尽管仍处于早期开发阶段，使用共价纳米抗体、拟肽和小分子示踪剂的概念验证研究已经在多种肿瘤靶点上证明了可行性。3. 共价放射性药物平台的进展 在此，按时间顺序总结关键进展，强调每项创新如何拓宽了共价放射性药物的概念和转化范围。 最早的例子之一将共价化学应用于KRAS G¹²C突变的选择性靶向。KRAS G¹²C是一种特征明确的致癌驱动因子，存在于一部分非小细胞肺癌及其他实体瘤中。其明确的生化特征是半胱氨酸突变，为共价修饰提供了一个可及的亲核手柄。这种生化脆弱性已在肿瘤药物开发中得到利用，导致共价抑制剂如sotorasib获得FDA批准。2021年，Zhang课题组将这一范式应用于放射化学，通过创建KRAS G¹²C抑制剂ARS-1620的共价衍生物，并用¹³¹I标记用于SPECT（图2A）。该共价示踪剂在KRAS G¹²C突变肿瘤中显示出选择性摄取和延长的滞留，而在缺乏该突变的异种移植瘤中积累极少，小动物SPECT/CT成像在给药后1小时内即可显示肿瘤，1小时时肿瘤与肌肉比值为2.2±0.48（相比之下阻断或A549肿瘤中约为0.8-1.0），肿瘤摄取为1.62±0.28%ID/g，而A549对照为0.83±0.27%ID/g。重要的是，示踪剂结合是不可逆的，确保了持续的信号，超越了可逆配体常见的洗出效应。随后，Pillarsetty课题组独立验证了这一概念，使用临床批准的KRAS G¹²C抑制剂sotorasib的放射性标记衍生物，同样在体内证明了突变选择性肿瘤摄取和延长的滞留。这些研究提供了一个概念验证：支撑共价小分子药物的相同逻辑可以应用于小分子放射化学，以产生突变特异性的成像和治疗工具。它们强调了共价放射性药物在精准肿瘤学中的转化潜力，其中突变定义的亚组越来越多地指导治疗决策。 图 2. 共价放射性药物平台的代表性实例。（A）靶向 KRAS G¹²C 突变的共价小分子放射性示踪剂，通过不可逆靶点结合实现突变选择性成像与治疗。（B）基于共价蛋白的放射性药物，以靶向 HER2 的纳米抗体为例，通过邻近性激活反应性化学实现增强的肿瘤摄取、滞留和疗效。（C）共价成纤维细胞活化蛋白（FAP）抑制剂改善了肿瘤驻留时间和吸收剂量，并已证明临床可行性。（D）环境响应性共价放射性示踪剂结合肿瘤相关的氧化还原修饰，能够选择性靶向肿瘤微环境内的生化状态。（E）靶向膜蛋白酶的共价拟肽放射性药物将共价设计扩展到具有良好药代动力学的中等大小支架。 关注点很快转向了基于蛋白质的放射性药物，它们可以提供更高的靶点选择性和可调节的药代动力学。2023年，我们课题组报道了首个靶向HER2的共价蛋白质-放射性核素偶联物，引入了一类新的基于蛋白质的放射性治疗药物（图2B）。利用邻近性激活反应（PERx）平台，我们将携带氟硫酸盐亲电体的潜在生物反应性非天然氨基酸整合到纳米抗体支架中。在细胞表面结合HER2后，该部分通过邻近性激活的SuFEx化学与HER2相邻的赖氨酸残基发生高特异性共价反应，产生不可逆的结合剂-受体复合物。与非共价对应物相比，用¹²⁴I标记的共价HER2纳米抗体在体内表现出4-5倍的更高肿瘤摄取和显著延长的放射性核素滞留，与不可逆受体结合一致（ROI分析：注射后24、48和72小时活性分别高出约4.5倍、5倍和4倍）。这种持续的肿瘤定位转化为累积肿瘤辐射剂量增加81%（AUC为78±4对比43±4），表明共价结合可以将瞬时的纳米抗体-受体相互作用转化为肿瘤内持久的放射性核素捕获。用²²⁵Ac标记的共价纳米抗体显著抑制了小鼠中HER2阳性肿瘤的生长，且未损伤正常组织，而非共价形式没有治疗效果。这种模块化方法提供了一个通用的蓝图：共价纳米抗体可以通过更换放射性核素灵活地适用于成像和治疗，有效地创建了双用途的放射性诊疗药物。从概念上讲，这项工作证明了共价化学可以嵌入到基于蛋白质的平台中，而不会损害结构完整性或结合特异性，从而将共价放射性药物设计从小分子领域扩展到快速扩展的工程化蛋白质支架领域。 邻近性激活的SuFEx化学随后被安装在小分子配体中，并应用于交联成纤维细胞活化蛋白（FAP），这是一种在许多上皮癌中过表达的基质标志物。传统的FAP抑制剂（FAPI）已经引起了广泛的临床兴趣，用于PET成像和放射性核素治疗，但其快速清除和短肿瘤滞留限制了其治疗潜力。为了解决这个问题，Liu课题组设计了带有磺酰氟部分的FAPI类似物，可在肿瘤微环境中共价结合FAP（图2C）。在PET/CT成像研究中，共价示踪剂[⁶⁸Ga]Ga-FAPI-mFS在1小时时实现了超过4倍的肿瘤摄取（11.3±1.4%ID/g），而传统示踪剂[⁶⁸Ga]Ga-FAPI-04为2.6±0.5%ID/g。当用镥-¹⁷⁷Lu标记时，这些共价FAPI在临床前模型中表现出比可逆类似物更高的肿瘤滞留和改善的吸收剂量，在两个治疗周期（每周期22.2 MBq）的[¹⁷⁷Lu]Lu-FAPI-mFS治疗后，所有治疗小鼠均实现完全肿瘤抑制，且长达50天未观察到复发，而用非共价类似物[¹⁷⁷Lu]Lu-FAPI-04治疗的小鼠肿瘤尽管剂量相当但持续生长。该课题组随后将这一平台推进到临床，引入了一种⁶⁸Ga标记的药物CTR-FAPI用于患者测试。在甲状腺髓样癌患者中，CTR-FAPI实现了优于传统FAPI示踪剂的肿瘤摄取和滞留，并且值得注意的是，在病灶检测方面优于[¹⁸F]FDG PET。这在低糖酵解活性的促结缔组织增生性肿瘤中尤为明显，FDG通常在此类肿瘤中失败。通过展示优越的药代动力学和人体可行性，CTR-FAPI验证了共价放射化学作为一种临床可转化策略。 共价化学的多功能性进一步由Guo等人阐明，他们试图利用肿瘤微环境本身作为选择性的来源（图2D）。他们开发了带有1,3-环己二酮亲电体的放射性示踪剂，旨在共价结合亚磺酸（一种在肿瘤相关氧化应激下富集的半胱氨酸可逆氧化修饰）。与突变特异性示踪剂或抗原结合剂不同，该方法利用了肿瘤微环境的动态生化特征。在鼠肺癌模型中，SPECT/CT成像显示共价示踪剂d-IR-2(¹²⁵I-RGD)在注射后8小时达到比非共价类似物高3.1倍的肿瘤摄取，在24小时达到4.44±0.51%ID/g，背景信号极低，而治疗类似物d-IR-2(¹³¹I-RGD)产生了61.8%的肿瘤生长抑制和最高的生存率，在20天内与PBS处理的对照组相比无死亡发生。这项工作表明，共价放射性药物可以超越静态抗原识别，参与肿瘤特有的生化状态。它还引入了条件性激活的共价性，其中共价键形成优先发生在肿瘤微环境中而非健康组织中。除了识别肿瘤特异性抗原外，这种设计还可以提供另一种提高特异性同时最小化全身毒性的方法。在此过程中，它们将共价放射性药物的概念范围从靶点驱动的结合扩展到环境响应性结合，为氧化还原生物学、代谢和其他癌症的动态特征开辟了新的可能性。 最近，Liu课题组将共价放射化学推进到拟肽支架领域，靶向膜蛋白酶ST14，该酶在多种上皮癌中过表达（图2E）。拟肽结合了肽的特异性和多功能性与小分子的稳定性和药代动力学，使其成为共价放射性药物设计的有吸引力的支架。该课题组合成了带有酮基苯并噻唑亲电体的拟肽，能够不可逆地结合ST14的催化丝氨酸。对于成像，¹²⁵I标记的示踪剂在异种移植模型中显示出0.89±0.03%ID/g的特异性肿瘤摄取，在阻断条件下降至0.25±0.03%ID/g（P<0.01），证实了靶点特异性结合。对于治疗，¹³¹I版本实现了稳健的肿瘤生长抑制且背景毒性低。除了展示新型亲电体外，这项工作还证明了拟肽作为共价放射性药物的可行且模块化的平台。它们的中等大小和可调性可能在药代动力学和选择性之间提供最佳平衡，填补小分子和完整蛋白质构建体之间的空白。此外，不可逆结合酶靶点的能力将放射性药物设计的范围扩展到传统的受体-配体系统之外，表明其更广泛适用于酶、转运蛋白和其他类别的肿瘤相关蛋白。 这些研究展示了共价放射性药物作为一种新型靶向成像和治疗药物的广度、深度和日益成熟。在多种分子架构中，包括小分子、纳米抗体、氧化还原敏感构建体和拟肽，共价化学一致地赋予了改善的滞留、增强的成像对比度和更强的治疗效力。跨越这些支架类别及其相关共价手柄化学的代表性平台总结于表1。将这些进展统一起来的原理是，不可逆的分子结合可以克服可逆示踪剂的药理学局限性，提供更长的驻留时间、与治疗性放射性核素更好的药代动力学匹配以及改善的治疗指数。重要的是，这些基础研究不仅限于临床前概念验证：CTR-FAPI已进入临床测试，靶向HER2的纳米抗体偶联物展示了一种很可能应用于多种肿瘤抗原的模块化策略。展望未来，在优化共价手柄选择性、最小化脱靶反应和确保监管接受度方面仍然存在挑战。尽管如此，该领域的发展轨迹表明，共价放射化学可能成为下一代分子成像和放射性核素治疗中的一个定义性创新。通过将共价肿瘤药物的原理与放射化学和分子靶向的进展相连接，共价放射性药物为精准肿瘤学提供了一条变革性路线图，有望重塑实体瘤的治疗格局。 表 1. 代表性共价放射性药物平台及其相关化学 4. 转化优势与设计考量 共价放射性药物能够不可逆地结合疾病靶点，解决了可逆示踪剂的关键局限性，如瞬时结合、高解离速率和肿瘤滞留不足。在疾病部位的延长驻留改善了肿瘤剂量测定和成像对比度，并且在治疗应用中，可以增加肿瘤递送的辐射，同时减少重复给药的需求。共价结合也为那些内化或快速靶点周转会降低可逆结合剂效果的情况提供了前进方向。共价靶向不要求非内化受体。对于表面保留的靶点，不可逆结合延长了细胞表面驻留时间，而对于快速内化的受体，它可以通过防止配体在运输或再循环过程中解离来增强细胞内滞留。尽管细胞外切割或脱落可能降低滞留，但内化的共价复合物预计会被隔离，从而支持与慢速和快速内化靶点的兼容性。这些优势支持更广泛的临床适用性，并为具有挑战性药代动力学和生物标志物谱的癌症治疗开辟了新途径。 共价结合对放射性核素的选择和使用也有重要影响。长寿命放射性核素，如¹³¹I（8.1天）、¹⁷⁷Lu（6.7天）和²²⁵Ac（10天），受益于稳定、持久的肿瘤定位，最大化治疗窗口。同样，共价PET示踪剂可以在延长的成像窗口内维持肿瘤信号，允许更好的临床调度和更准确的纵向跟踪。在此背景下，使用共价性可以使放射性药物动力学与放射性核素半衰期更好地匹配，避免困扰当前某些药物的生物与放射化学行为之间的错配。例如，传统的肽或小分子尽管标记有长寿命放射性核素，但通常清除迅速，导致过多的背景信号。共价药物可以通过将放射性核素锚定在靶点上持续整个放射性核素衰变周期来最小化这种不协调。 从设计角度来看，共价放射性药物需要共价化学、靶向支架和放射性核素偶联的深思熟虑的整合。一个主要挑战是选择在足够反应性和选择性之间取得平衡的亲电体。从转化的角度来看，最小化脱靶共价修饰需要谨慎选择和定位亲电手柄，以利于邻近性激活的反应而非复杂生物环境中的非特异性反应性。诸如丙烯酰胺和基于SuFEx的氟硫酸盐等共价手柄提供可调的动力学，并且可以被工程化为优先与靶点近端的亲核试剂反应，同时在血清中保持稳定。因此，使用结构建模和经验优化来精确定位共价手柄相对于靶点亲核试剂的位置，并采用血清或蛋白质组水平反应性测定以及全面的生物分布和剂量测定研究来评估脱靶结合和全身暴露。这些策略旨在随着共价放射性药物向临床应用推进，减轻非预期的共价修饰和相关毒性。为了成功转化，这些共价部分必须在血清中稳定，对脱靶亲核试剂无反应性，并且与放射性核素偶联化学正交。氟硫酸盐是稳定的，其对蛋白质中His、Lys和Tyr残基的SuFEx化学是邻近性激活的。含氟硫酸盐的纳米抗体在人血清中未显示脱靶交联，表明蛋白质中邻近性激活SuFEx反应的高特异性。此外，共价手柄相对于靶点亲核试剂的空间排列必须精确，需要准确的结构建模或经验优化。对于小分子，这可能涉及连接子工程或基于片段的筛选。对于蛋白质，非天然氨基酸掺入或位点特异性偶联技术可以帮助将亲电体定位在确定的位置。 另一个考虑因素是靶向支架的性质。小分子提供快速的药代动力学和简便的合成，但可能受限于特异性和脱靶结合。肽和拟肽提供中等大小和可调的选择性，而工程化蛋白质如抗体片段和纳米抗体提供高特异性和模块化。然而，每类支架在制造、稳定性和免疫原性方面都有其自身的挑战。在共价平台中，这些问题由于需要维持结合亲和力和共价反应效率而变得更加复杂。对于基于蛋白质的药物，共价部分的掺入可能影响折叠或药代动力学，需要筛选最佳变体。此外，位点特异性放射性标记必须与共价手柄连接正交以避免干扰。 最后，安全性和监管考量对于共价放射性药物的转化路径至关重要。因为这些药物在体内形成不可逆键，存在脱靶修饰和相关毒性的理论风险。因此，需要对脱靶结合、生物分布和代谢命运进行彻底的临床前评估。动物模型可以帮助评估是否在非疾病组织或关键器官中发生共价结合，质谱或放射自显影可以追踪共价加合物。此外，当使用高能放射性核素或具有延长循环时间的药物时，仔细的剂量递增研究必须伴随早期临床试验。从监管角度来看，共价放射性药物引入了超出传统可逆药物的考量。除了标准的药代动力学和剂量测定评估外，监管机构很可能需要表征不可逆靶点结合、蛋白质-放射性配体加合物的持久性，以及共价结合后保留在组织中的放射性的长期命运。蛋白质组水平的选择性谱分析和血清反应性筛选对于证明最小的脱靶共价修饰可能很重要，而与共价蛋白改变或长寿命加合物相关的免疫原性风险可能需要专门的评估。由于共价结合可以独立于放射性核素衰变延长生物驻留时间，生物保留与物理半衰期之间的一致性也将是一个重要的安全考量，特别是对于长寿命β和α发射体。这些因素表明，共价放射性药物的转化包可能需要越来越多地结合正交分析技术，如基于活性的蛋白质谱分析、共价占用率测量和纵向组织滞留研究，以补充传统的放射性药物表征。尽管存在这些挑战，肿瘤学中共价抑制剂的临床开发（例如KRAS G¹²C、BTK）提供了一个有用的先例，证明通过严谨的设计和验证可以安全地管理共价性。 与此同时，对共价放射性药物的商业兴趣正在加速，新兴生物技术公司如Enlaza和ActiThera正在积极开发用于治疗和成像应用的共价偶联平台。Enlaza正在利用邻近性激活的共价化学来创建与其靶点不可逆结合的生物制品，包括具有位点特异性共价手柄的工程化蛋白质，这些可能适用于放射性药物载荷。ActiThera正在开发基于共价配体的癌症治疗和诊断方法，重点是通过不可逆结合改善药代动力学和滞留。这些公司代表了生物制药行业将共价模式纳入药物开发管道的更广泛趋势。他们的努力强调了人们日益认识到共价放射化学是一种可行、可扩展且具有临床前景的策略，用于解决肿瘤学和分子成像中未满足的需求。随着这些平台的成熟，它们很可能在将共价放射性药物从学术概念验证转化为实用临床工具方面发挥核心作用。 总之，共价放射性药物提供了一个引人注目的转化机会，以克服成像和治疗中长期存在的局限性。通过实现持久的靶点结合和增强肿瘤滞留，它们使放射性药物的行为更贴近临床需求。然而，它们的成功开发取决于对化学反应性、药代动力学、支架选择和安全谱分析的仔细平衡。解决这些设计考量对于将共价放射性药物带入常规临床实践并释放其在多种癌症类型中的全部潜力至关重要。5. 展望：迈向精准放射性诊疗的新范式 共价放射性药物不仅仅是一项技术创新；它们体现了癌症诊断和治疗中实现分子靶向方式的转变。通过超越可逆结合的局限性，这些药物开辟了选择性、效力和治疗持久性的新维度。传统的放射性药物依赖与其靶点的高亲和力相互作用，但这些相互作用本质上是可逆的。相比之下，共价放射性药物与其靶点形成不可逆键，提供了更持久的肿瘤滞留、减少的脱靶扩散以及可能实现治疗效果所需的更低剂量的前景。 这种机制转变特别适合应对长期以来阻碍放射治疗学进展的挑战。那些快速内化、低水平表达或在异质性肿瘤群体中存在的靶点，使用传统示踪剂通常导致成像对比度不足或治疗效果有限。共价结合不仅规避了这些问题，而且为将放射性药物与长寿命放射性核素和α发射体整合开辟了新的机会，在这些情况下，持续定位对于最大化递送至恶性组织同时保护正常器官的剂量至关重要。此外，共价示踪剂可能催生新一代在较低示踪剂质量下起效的成像剂，从而有可能减少毒性并改善首次人体应用的安全边际。 展望未来，共价放射性药物的持续发展需要合成化学、分子生物学和转化科学的并行进展。要使这一平台发挥其全部临床潜力，必须解决几个关键挑战。这些挑战包括：将反应性化学手柄（如非天然氨基酸或共价部分）可扩展地掺入蛋白质或肽中；与放射性标记条件兼容的稳健偶联策略；以及开发能够以足够分辨率捕捉共价示踪剂长期命运的体内模型和生物分布分析方法。监管框架也需要演变，以适应不可逆药物独特的药代动力学和安全谱，尤其是在它们进入人体研究时。 与此同时，新兴的计算、递送和联合治疗策略可能会加速共价放射性药物开发的下一阶段。人工智能辅助蛋白质和配体设计（包括结构预测和反应性建模）的进步，使得更精确地定位共价手柄和优化支架-靶点界面成为可能，潜在地提高选择性和转化成功率。此外，基于纳米载体的递送系统开始被探索，作为在循环过程中屏蔽反应性共价基序并增强肿瘤选择性积累的手段，为减轻脱靶相互作用和全身毒性提供了补充策略。在治疗层面，共价放射性药物可能特别适合与联合方案整合，例如外照射放疗、DNA损伤反应抑制剂或免疫疗法，其中持久的靶点结合和持续的放射性核素滞留可以增强放射增敏和协同肿瘤控制。总之，这些计算、递送和组合方法可能有助于将共价放射治疗学从单一疗法范式扩展到更个性化和多模式的治疗策略。 尽管存在这些挑战，该领域的发展轨迹是充满希望的。共价放射性药物已经在多种模式中证明了概念验证的成功，从基于纳米抗体的免疫PET示踪剂到带有治疗载荷的不可逆小分子配体。化学支架的多样性、设计策略的模块化以及根据特定蛋白质微环境调节反应性的能力表明，这些工具将高度适用于广泛的临床应用，包括肿瘤学以外的领域。最终，共价放射性药物有潜力重新定义我们进行分子成像和放射性核素治疗的方式。我们不再被动地基于瞬时相互作用进行跟踪或治疗，而是可以展望这样一个未来：示踪剂以精确和持久的方式锁定在疾病特异性靶点上。这种范式可能使微小残留病的更准确检测、微转移的更有效治疗，以及核医学与精准肿瘤学工作流程的更好整合。随着该领域的成熟，共价性可能不仅仅成为一种专业工具，而是下一代放射治疗学的基础原则。 作 者 信 息 通讯作者 Lei Wang - 加州大学旧金山分校药物化学系和心血管研究所；海伦迪勒家族综合癌症中心，加州大学旧金山分校，旧金山，加利福尼亚州，美国 Paul C. Klauser - 纪念斯隆凯特琳癌症中心分子药理学项目，纽约，纽约州，美国 原文（点击底部 阅读原文 直达论文页面）： Covalent Radiopharmaceuticals: Precision Imaging and Therapy for Cancer. Paul C. Klauser*; Lei Wang* Molecular Pharmaceutics. 2026, 23, 4, 2246–2255. https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.5c01912 © 2026 American Chemical Society  每日寄语 ： 命运的安排一定比你想的更加周到

在人类癌症的复杂基因组图谱中，KRAS基因的突变犹如一个顽固的“开关”，长期处于“开启”状态，驱动着肿瘤细胞的疯狂生长与增殖。KRAS蛋白是一种小GTP酶，正常情况下在GDP结合的“关闭”(OFF)状态与GTP结合的“开启”(ON)状态间循环。当KRAS发生突变（如G12D、G12V、G12C），其GTP水解能力受损，导致蛋白持续处于激活的GTP结合状态，进而异常激活下游的MAPK和PI3K-AKT等关键信号通路，最终导致肿瘤发生。据统计，约30%的肺癌、40%的结直肠癌和高达90%的胰腺导管腺癌(PDAC)携带致癌性KRAS突变，使其成为最常被突变的癌基因之一。 尽管KRAS作为癌基因的重要地位早已确立，但针对它的药物研发却历经数十年坎坷，一度被认为是“不可成药”的靶点。这一困境在KRASG12C突变特异性共价抑制剂（如sotorasib和adagrasib）获批后才被打破。然而，KRASG12C突变仅在部分非小细胞肺癌(NSCLC)中常见，在结直肠癌和胰腺癌中更常见的则是KRASG12D和KRASG12V突变。目前，对于这些临床意义重大的KRAS突变体，仍缺乏获批的靶向疗法。此外，已报道的许多pan-KRAS抑制剂主要选择性靶向非活性的GDP结合状态（OFF状态），对GTP结合的活性状态（ON状态）抑制能力有限，这可能限制了其在体内的完全疗效。因此，开发一种能够同时有效抑制多种KRAS突变体（包括G12D和G12V）在ON和OFF两种状态的抑制剂，成为了肿瘤治疗领域一个亟待满足的巨大临床需求。 为了应对这一挑战，研究人员开展了一项开创性研究，致力于发现和表征一种新型的pan-KRAS抑制剂。这项研究最终成功鉴定出BBO-11818，一种强效、高选择性、具有口服生物利用度的非共价pan-KRAS抑制剂。相关研究成果已发表在顶尖肿瘤学期刊《Cancer Discovery》上。 本研究综合运用了结构生物学、生物化学、细胞生物学和体内药效学等多种关键技术方法。研究人员通过基于结构的药物设计，对先导化合物进行优化。利用表面等离子共振(SPR)和同质时间分辨荧光(HTRF)等生化 assay评估化合物与不同KRAS突变体的结合能力及对蛋白-蛋白相互作用(PPI)的抑制效果。通过X射线晶体学解析了BBO-11818与KRASG12D在GDP和GppNHp（一种不可水解的GTP类似物）结合状态下的复合物结构。在细胞水平，使用了包括55个癌细胞系的面板、基因工程鼠胚胎成纤维细胞(MEF)系以及Ba/F3细胞系，通过检测pERK（磷酸化ERK）和细胞活力来评估化合物的信号通路抑制活性和选择性。动物实验则采用了多种KRAS突变的人源肿瘤异种移植(CDX)模型、患者来源异种移植(PDX)模型以及小鼠同源肿瘤模型，进行药效学和药代动力学研究，并评估了BBO-11818与抗PD-1抗体、抗EGFR抗体（西妥昔单抗）以及RAS:PI3Kα breaker化合物BBO-10203的联合治疗效果。 研究结果 BBO-11818的发现：一种强效、选择性的KRAS双状态抑制剂 研究人员从之前报道的共价KRASG12C抑制剂BBO-8520出发，该化合物对非KRASG12C突变体也显示出一定的非共价结合活性。通过聚焦于喹唑啉核心的C4位点进行结构优化，他们首先得到了化合物2，其对GDP和GppNHp结合的多种KRAS突变体的结合力均有大幅提升。然而，化合物2的口服生物利用度较差。进一步的ADME（吸收、分布、代谢、排泄）性质优化，将2-甲基丙基酰胺替换为甲基氨基甲酸酯，最终得到了BBO-11818。SPR结合实验表明，BBO-11818能以纳摩尔级的高亲和力结合KRASG12D、KRASG12V和野生型KRAS(KRASWT)的ON和OFF两种状态，并且对KRAS的选择性比NRAS或HRAS高500倍以上。在HTRF assay中，BBO-11818能有效破坏RAF1-RBD与多种KRAS突变体（G12D, G12V, G12C, G12R）及KRASWT的相互作用，证明其功能活性。 晶体结构揭示BBO-11818结合ON和OFF状态KRASG12D的机制 为了阐明BBO-11818的作用模式，研究人员解析了其与GDP和GppNHp结合的KRASG12D的共晶结构，分辨率分别为1.70 ?和1.35 ?。在两个结构中，BBO-11818都结合在Switch-II和Helix 3之间的口袋，诱导Switch-I处于开放的构象，这与效应蛋白结合不相容。BBO-11818与蛋白之间形成了广泛的范德华力、氢键和盐桥相互作用。两个结构高度相似，解释了其能同时结合两种状态的分子基础。与共价抑制剂BBO-8520不同，BBO-11818C4位取代基中的甲基氨基甲酸酯与第12位残基的主链胺形成氢键，其吡咯烷基团则与各种G12突变体（C, V, R）的侧链有范德华力作用，这使其能广谱抑制不同的G12突变。 BBO-11818将KRAS锁定在无信号能力状态并抑制核苷酸交换 利用31P核磁共振(NMR)技术，研究人员发现BBO-11818结合能使KRASG12D-GTP从信号能力状态（state 2，γ2峰）向信号无能状态（state 1，γ1峰）转变，从而抑制其与下游效应蛋白的结合。此外，BBO-11818还能有效抑制鸟嘌呤核苷酸交换因子SOS介导的KRAS核苷酸交换，这种双重作用机制（诱导失活构象并阻断再激活）共同阻断了KRAS的信号传导。 BBO-11818在癌细胞中强效抑制MAPK信号通路和细胞活力 在涵盖55个癌细胞系的筛选中，BBO-11818能强效抑制KRAS突变细胞（包括G12D, G12V, G12C）中的pERK水平，半数有效浓度(EC50)在0.356至28.1 nmol/L之间。在KRASAMP（KRAS基因扩增）细胞系中也有效，但在非KRAS驱动的细胞（NRAS或BRAF突变）中无效。在基因定义的MEF细胞中，BBO-11818能抑制KRAS突变和KRASWT的表达，但对NRAS、HRAS或BRAFV600E驱动的信号无影响，证实了其对KRAS的高选择性。在Ba/F3细胞和88个癌细胞系的3D球体活力实验中，BBO-11818对多种KRAS突变驱动的细胞生长表现出强效抑制，特别是对G12D、G12V和G12C突变。值得注意的是，它对组成性GTP结合的KRASA59G突变体也有效，进一步证明其能抑制KRAS的ON状态。 BBO-11818可靶向细胞中KRAS突变体的ON状态 在生长因子EGF刺激实验和KRASG12D/A59G双突变细胞模型中，BBO-11818抑制MAPK信号的能力优于仅靶向OFF状态的KRAS抑制剂BI-2493，表明BBO-11818在细胞环境中确实具有靶向ON状态KRAS的能力