核藥超話：新型放 射性藥物開(kāi)發(fā)中的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

       PART. 01.前言

       核藥，即放 射性藥物，由放 射性同位素與有機(jī)靶向藥物組合而成。根據(jù)用途可分為診斷型核素藥物和治療型核素藥物。

       診斷型核藥常采用發(fā)射γ射線的放 射性同位素，能被特定儀器SPECT/PET檢測(cè)到，主要應(yīng)用于無(wú)創(chuàng)精準(zhǔn)靶向全身動(dòng)態(tài)診斷、影像病況分級(jí)、用藥效果評(píng)估等。治療型核藥采用發(fā)射短程的α或者β粒子，通過(guò)參與代謝過(guò)程或經(jīng)標(biāo)記分子引導(dǎo)在病變組織聚集并進(jìn)行輻照，對(duì)局部的病變細(xì)胞產(chǎn)生DNA損傷，從而抑制或破壞病變組織發(fā)揮其治療作用。

       隨著癌癥、心血管慢性病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等對(duì)早期診斷以及精準(zhǔn)治療的高需求，近年來(lái)核醫(yī)學(xué)“翻紅”成為“明星”學(xué)科。精準(zhǔn)醫(yī)療概念的推廣，使得國(guó)內(nèi)外醫(yī)藥行業(yè)逐漸重視核藥在疾病診斷和治療中的核心地位，促進(jìn)了新型核藥開(kāi)發(fā)的異軍突起。因此，對(duì)于快速發(fā)展導(dǎo)致的問(wèn)題及挑戰(zhàn)進(jìn)行科學(xué)討論及應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面的探索具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

       PART. 02國(guó)內(nèi)外核藥開(kāi)發(fā)的

       歷史和技術(shù)挑戰(zhàn)

       1898年居里夫人發(fā)現(xiàn)放 射性釙和鐳元素到現(xiàn)在已有100多年，人類(lèi)從此開(kāi)始了有關(guān)放 射性元素應(yīng)用于醫(yī)療方面的研究。1905年居里夫人使用鐳針進(jìn)行了第一例放 射性同位素插入治療。1951年，美國(guó)FDA批準(zhǔn)碘化鈉I-131用于甲狀腺患者。1962年，David Kuhl發(fā)明了重建斷層攝影術(shù)，即SPECT和PET。1971年，美國(guó)醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)正式承認(rèn)核醫(yī)學(xué)為醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)，此后核藥進(jìn)行了一系列的發(fā)展和開(kāi)發(fā)迭代。

       截止目前美國(guó)FDA共批準(zhǔn)51種放 射性藥物，涉及核素種類(lèi)共18種。其中99mTc標(biāo)記藥物17種，18F標(biāo)記藥物6種。而我國(guó)上市放 射性 藥品在數(shù)量、標(biāo)記核素的種類(lèi)以及創(chuàng)新速度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)。迄今為止我國(guó)藥品監(jiān)管部門(mén)共批準(zhǔn)31種放 射性 藥品上市，涉及標(biāo)記核素10種，其中99mTc標(biāo)記藥物13種，18F標(biāo)記藥物1種。在已批準(zhǔn)上市的放 射性 藥品中，核藥品種與國(guó)外大致相同，但治療性核藥少且普遍缺少自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

       目前全球放 射性藥物正處于高速增長(zhǎng)階段，其市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)70億美元（診斷藥為主），2030年預(yù)計(jì)約為300億美元（治療藥為主）。隨著FDA批準(zhǔn)用于神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤治療的177Lu-DOTATATE和用于轉(zhuǎn)移性前列腺癌治療的177Lu-PSMA-617在臨床應(yīng)用和市場(chǎng)領(lǐng)域取得的巨大成功，靶向放 射性核素治療（Targeted Radionuclide Therapy，TRT）和放 射性核素偶聯(lián)藥物 （Radionuclide Drug Conjugates, RDC) 獲得了科研和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

       用于治療的醫(yī)用放 射性核素可以分為β粒子發(fā)射核素、α粒子發(fā)射核素和俄歇電子發(fā)射核素。目前β粒子發(fā)射核素應(yīng)用最廣泛，繼2010年FDA批準(zhǔn)α療法223Ra-RaCl2用于骨轉(zhuǎn)移的姑息性治療后，α核素藥物的臨床應(yīng)用預(yù)計(jì)將有快速發(fā)展。β粒子是高能電子，產(chǎn)生較低的線性能量轉(zhuǎn)移（linear energy transfer，LET），約為0.2 keV/μm，在組織中釋放的能量在30 kV-2.3 MeV。α粒子是天然的氦核（兩個(gè)質(zhì)子加兩個(gè)中子），與β粒子相比穿透性能較低，在組織中的穿透范圍為50-100 μm。由于其質(zhì)量更大從而產(chǎn)生更高的LET（50-230 KeV/μm），釋放的能量也更多（5-9 MeV）。研究表明約一萬(wàn)個(gè)β粒子的累積劑量可以對(duì)單個(gè)癌細(xì)胞產(chǎn)生致命作用，而少至千分之一的α粒子就可以達(dá)到同樣的效果。以上性質(zhì)使發(fā)射α粒子的核素藥物有幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：首先是輻射劑量在靠近衰變部位的局部沉積，較少的分子就可以產(chǎn)生顯著的生物效應(yīng)，適合治療單細(xì)胞轉(zhuǎn)移和小腫瘤病變，可有效避免β核素治療中存在的逃逸現(xiàn)象。第二是α粒子在組織中穿透距離短可以降低對(duì)周?chē)】到M織的損傷，這是β發(fā)射核素經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)缺陷。第三是α粒子高治療效能使得每位患者的單劑量給藥量更低（例如，225Ac-PSMA-617常用劑量為7.4 MBq vs 177Lu-PSMA-617常用劑量為7.4 GBq），可以減少潛在的非靶標(biāo)副作用和降低用藥成本。

       α核素類(lèi)放 射性藥物作為新興的療法，正在引領(lǐng)核藥領(lǐng)域的下一波創(chuàng)新浪潮。目前研究較多的發(fā)射α粒子放 射性核素包括Tb-149，At-211，Bi-212，Bi-213，Ac-225和Th-227，其衰變性質(zhì)如下表所示。At-211為非金屬鹵族元素，其余均為金屬核素。

       Ac-225具有優(yōu)良的核性質(zhì)，是目前發(fā)射α粒子金屬放 射性核素研究的熱點(diǎn)（表1）。Ac-225半衰期為9.92天，同抗體類(lèi)靶向載體的生物體內(nèi)動(dòng)力學(xué)過(guò)程兼容。Ac-225的衰變鏈中發(fā)射5個(gè)α粒子（圖1），使母核素對(duì)靶部位的輻射劑量大，生物效應(yīng)顯著。多次衰變帶來(lái)的負(fù)面問(wèn)題是每個(gè)子核素具有不同的化學(xué)性質(zhì)，特別是Bi-213（t1/2 = 46 min）和Pb-209（t1/2 = 3.2 h），會(huì)導(dǎo)致核素從藥物上泄露，積聚在非目標(biāo)器官而損害健康組織。

       PART. 03 核藥開(kāi)發(fā)中的短板

       及行業(yè)痛點(diǎn)

       放 射性核素產(chǎn)生的電離輻射能夠殺死腫瘤細(xì)胞也能殺死正常細(xì)胞，而核藥副作用主要就是正常組織器官受到輻射損傷。換言之，核藥既能有神奇的療效，也可能有嚴(yán)重的副作用。177Lu-DOTATATE和177Lu-PSMA均是以肽為靶頭（ligand）的RDC藥物，由于其分子量相對(duì)較小，體內(nèi)生物半衰期較短，血液及正常器官輻射損傷也就不明顯。但這兩個(gè)藥物的成功，偶然性大于必然性，與多肽相比，抗體親和力更高，靶頭庫(kù)更全（可以通過(guò)免疫獲得，且市場(chǎng)上已有很多針對(duì)各種靶點(diǎn)的單抗、雙抗），抗體RDC的前景也更加廣闊。但抗體分子量大，體內(nèi)生物半衰期長(zhǎng)，腫瘤的穿透性差，如果不能有效解決ligand穩(wěn)定性、組織器官分布和鰲合穩(wěn)定性等痛點(diǎn)問(wèn)題，藥物的副作用會(huì)變得無(wú)法承受。這些已在二十多年來(lái)多款上市抗體RDC藥物的臨床應(yīng)用中得以證實(shí)，多數(shù)藥物已少有銷(xiāo)售或退市。

       與ADC不同的是，RDC藥物中無(wú)論核素是否釋放，其電離輻射都一直存在。核素走到哪里，電離輻射就照到哪里。加之β和α粒子殺傷力大，因此，核藥如果靶向性不夠或非靶組織器官攝取高或藥物穩(wěn)定性不好，副作用比ADC更危險(xiǎn)且更嚴(yán)重。其副作用主要來(lái)源于抗體生物半衰期長(zhǎng)血液毒 性大以及Ligand脫靶引起其它器官毒 性的問(wèn)題，也可能來(lái)源于Linker與Ligand偶聯(lián)相互作用影響PKPD所造成器官“毒”的問(wèn)題，或者核素與Chelator不匹配在活體內(nèi)不穩(wěn)定造成核“泄漏”影響成藥性的問(wèn)題。

       分析起來(lái)，當(dāng)前核藥行業(yè)有五大技術(shù)痛點(diǎn)：

       1、治療核素生產(chǎn)主要依靠反應(yīng)堆，造成治療核素種類(lèi)少，生產(chǎn)成本高。特別是國(guó)內(nèi)核素生產(chǎn)與制備均缺乏硬件與成熟工藝，國(guó)產(chǎn)化困難。國(guó)內(nèi)原創(chuàng)放 射性藥物研發(fā)能力不足，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大。

       2、Chelator不能室溫標(biāo)記較大尺寸的治療性核素。目前常用的DOTA類(lèi)螯合劑在螯合治療性核素時(shí)往往需要加熱，因此會(huì)影響Ligand的活性（抗體類(lèi)靶頭RDC影響尤其明顯），增加脫靶風(fēng)險(xiǎn) 。

       3、Chelator螯合核素不牢，導(dǎo)致標(biāo)記后的核藥不穩(wěn)定，引起核“泄漏”使得游離的治療性核素掉入血中并沉積于骨，對(duì)骨髓形成輻照損傷。

       4、一旦藥物結(jié)構(gòu)定型后PKPD不能系統(tǒng)性調(diào)整，放 射性藥物集中分布在少數(shù)組織器官，致使高劑量輻照損傷，造成器官“毒”。

       5、靶點(diǎn)同質(zhì)化，內(nèi)卷嚴(yán)重，主要集中在PSMA和SSTR兩個(gè)靶點(diǎn)。僅國(guó)內(nèi)30余家核藥企業(yè)中，PSMA就有19個(gè)在研項(xiàng)目（7個(gè)IND）， Dotatate十余個(gè)（5個(gè)IND ）。而前列腺癌在國(guó)內(nèi)為小癌種，神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤為罕見(jiàn)病。

       因此，RDC“核導(dǎo) 彈”最重要需改進(jìn)的因素不是制導(dǎo)而是核控釋?zhuān)y點(diǎn)是如何減少器官“毒”和防止核“泄露”。金屬核素的標(biāo)記通常需要使用雙功能螯合劑（bifunctional chelator，BFC），其中含有螯合結(jié)構(gòu)、連接子和偶聯(lián)基團(tuán)（通常與多肽或單抗序列中特定氨基酸官能團(tuán)如-NH2或-SH基團(tuán)反應(yīng)）。理想的BFC需要具備以下性質(zhì)：首先，應(yīng)該在溫和的條件下迅速結(jié)合放 射性金屬核素，由于放 射性衰變?cè)跇?biāo)記過(guò)程中不斷發(fā)生，如果標(biāo)記過(guò)程緩慢則導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)量減少，此外一些生物靶向載體僅在生理pH值附近和37℃以下穩(wěn)定，因此需要在這些條件下實(shí)施放 射性標(biāo)記，標(biāo)記時(shí)間過(guò)長(zhǎng)還會(huì)增加載體由于核素放 射性導(dǎo)致的輻射自分解或活性改變的風(fēng)險(xiǎn)；第二，形成的金屬?gòu)?fù)合物必須具有足夠的穩(wěn)定性，以防止體內(nèi)放 射性金屬釋放，這在防止游離核素的毒 性方面起著關(guān)鍵作用。第三，對(duì)α核素衰變中的次生原子亦有較強(qiáng)的絡(luò)合作用。

       BFC開(kāi)發(fā)中的連接子和偶聯(lián)部分可以借鑒ADC和PDC藥物開(kāi)發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)，例如在連接子中引入可通過(guò)腎刷緣酶切割的片段增加標(biāo)記化合物從腎 臟的清除速度，在偶聯(lián)部分的開(kāi)發(fā)中可采用定點(diǎn)偶聯(lián)技術(shù)以提高成藥性；于抗體修飾中預(yù)留連接位點(diǎn)，更好地控制抗體上連接可標(biāo)記基團(tuán)的數(shù)量和位置等等。

       BFC中的螯合結(jié)構(gòu)用于結(jié)合金屬離子。臨床批準(zhǔn)的放 射性藥物中使用的螯合結(jié)構(gòu)大多數(shù)都是1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸（DOTA）或二乙烯三胺五乙酸（DTPA）及其衍生物。大多數(shù)正在進(jìn)行的Ac-225標(biāo)記結(jié)構(gòu)的臨床試驗(yàn)也使用DOTA作為螯合配體，考慮到該結(jié)構(gòu)的商業(yè)可及性和已獲FDA批準(zhǔn)的前體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的可用性，這種開(kāi)發(fā)策略是合理的。Ac-225可以與DOTA及其衍生物形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物，并且與非環(huán)狀螯合劑（如EDTA和DTPA衍生物）相比具有較好的體內(nèi)穩(wěn)定性，但是仍存在相當(dāng)數(shù)量的體內(nèi)脫標(biāo)現(xiàn)象。更不利的是使用DOTA進(jìn)行放 射性標(biāo)記通常需要高溫（大于65℃）和/或延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，這一特征并不適應(yīng)于熱敏感載體（例如抗體）的標(biāo)記。為了解決這個(gè)問(wèn)題，兩步標(biāo)記方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)：先將Ac-225加熱標(biāo)記到游離的含DOTA的BFC上（如DOTA-Bn-NCS），然后再將BFC連接到活性配體上。兩步法存在的問(wèn)題是放射化學(xué)產(chǎn)量很低（≤10%）、產(chǎn)品比活度低、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，難以適用于藥物商業(yè)化生產(chǎn)。

       適用于錒系和鑭系等大尺寸金屬離子的理想螯合結(jié)構(gòu)尚未確定，這與該類(lèi)金屬核素的配位化學(xué)固有挑戰(zhàn)有關(guān)（表3）：大半徑導(dǎo)致較小的電荷密度削弱了它們與供體的靜電相互作用，而且需要螯合結(jié)構(gòu)提供尺寸較大的配位腔和多個(gè)供電子原子。而對(duì)用于治療性放 射性藥物的螯合結(jié)構(gòu)，還有一個(gè)額外的要求：需要同合適半衰期的診斷性放 射性核素也有良好的螯合性質(zhì)，以便開(kāi)發(fā)配對(duì)使用的診斷用藥顯像劑。鑒于Ac-225等大尺寸放 射性金屬核素重要的診斷和治療潛力，新螯合結(jié)構(gòu)的研究近幾年也得到了關(guān)注，相關(guān)研究成果被密集報(bào)道（見(jiàn)參考文獻(xiàn)）。其中18元冠狀結(jié)構(gòu)Macropa來(lái)源于鑭系金屬螯合劑，被證實(shí)可以在室溫下高效標(biāo)記Ac-225，但是仍然存在一些缺陷：首先是Macropa只能結(jié)合鑭系和錒系核素，不能夠同時(shí)結(jié)合目前廣泛使用的診斷核素而形成對(duì)藥，也無(wú)法配位結(jié)合Ac-255衰變子核，因此不能有效地改善標(biāo)記化合物對(duì)非靶器官的副作用。其次是Ac-225標(biāo)記的Macropa會(huì)濃集于肝 臟中，因此標(biāo)記化合物的體內(nèi)代謝產(chǎn)物可能也會(huì)產(chǎn)生一定的副作用。多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)以Macropa為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了多個(gè)新型螯合結(jié)構(gòu)，使其更適用于放 射性藥物的研發(fā)，但是目前尚未有臨床應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。

       PART. 04核藥發(fā)展的機(jī)遇和

       Larm解決方案

       Ligand、Linker、Chelator、Radionuclide是核藥技術(shù)四要素。做好核藥是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，而其中Chelator起到極為關(guān)鍵的作用。2021年成立的思锘新藥創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)在前期研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)了新型大環(huán)螯合結(jié)構(gòu)Larm。Larm是Larger Macrocyclics的縮寫(xiě)，其結(jié)構(gòu)是一系列十二元以上環(huán)狀或螺環(huán)狀的帶有不同數(shù)量分支的金屬核素螯合基團(tuán)。Larm主體環(huán)上含有多個(gè)O、N、P、S等配位原子，可以滿足不同核素配位數(shù)的需要；且主體環(huán)狀結(jié)構(gòu)上能夠接出多個(gè)分支，可以通過(guò)Linker連接不同的靶向活性配體并具有代謝調(diào)節(jié)功能的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

       Larm結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)包括：采用較大尺寸環(huán)形分子設(shè)計(jì)，在保留高配位數(shù)的同時(shí)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)具有一定柔性，金屬離子容易進(jìn)入并被穩(wěn)定配位。常溫下標(biāo)記效率高、適用核素種類(lèi)多、產(chǎn)物穩(wěn)定；環(huán)外的可修飾位點(diǎn)多，可通過(guò)分支結(jié)構(gòu)連接不同的功能片段，例如可以通過(guò)多倍體修飾提高化合物靶向攝取和滯留性、通過(guò)穿膜肽提高細(xì)胞內(nèi)化率、通過(guò)白蛋白親和片段延長(zhǎng)體內(nèi)滯留；通過(guò)功能片段的組合可以開(kāi)發(fā)系列藥物性質(zhì)漸變的候選化合物，滿足不同靶向藥物的需求；Larm結(jié)構(gòu)金屬核素標(biāo)記部分位于分子的中心，還有利于進(jìn)一步提高標(biāo)記化合物的穩(wěn)定性。

       Larm獨(dú)特“核素艙”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，螯合更牢固，分子更穩(wěn)定：

       目前思锘新藥已經(jīng)利用Larm結(jié)構(gòu)構(gòu)建了一系列結(jié)構(gòu)新穎的候選化合物，活體分子影像生物評(píng)價(jià)研究表明新構(gòu)建化合物的靶器官攝取和生物體內(nèi)代謝性質(zhì)都顯著高于采用DOTA或NOTA為螯合劑的對(duì)照化合物，有待進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)驗(yàn)證。除了自主開(kāi)發(fā)的品種外，思锘新藥還致力于將Larm系列螯合劑開(kāi)發(fā)為放 射性金屬核素標(biāo)記平臺(tái)技術(shù)。通過(guò)廣泛的國(guó)內(nèi)外合作開(kāi)展行業(yè)技術(shù)整合，改進(jìn)核藥成藥性的底層核心技術(shù)，從而推動(dòng)新型放 射性藥物的研發(fā)創(chuàng)新。

       PART.05結(jié)語(yǔ)及核藥行業(yè)展望

       核藥經(jīng)過(guò)了百年的的發(fā)展歷史，核素的醫(yī)療應(yīng)用生產(chǎn)和監(jiān)管逐漸趨于成熟。近年來(lái)， RDC藥物的發(fā)展為腫瘤診療藥物提供了一條新的賽道。相較于熱門(mén)靶標(biāo)漸顯擁擠的ADC藥物，這條在核藥高壁壘下的新賽道無(wú)疑帶給了眾多“核”相關(guān)企業(yè)發(fā)展的好機(jī)會(huì)。對(duì)中國(guó)而言，核醫(yī)學(xué)市場(chǎng)處于快速增長(zhǎng)階段，與歐美國(guó)家相比仍有較大差距，不管是硬件設(shè)施的更新還是核藥研發(fā)力量的增強(qiáng)都還有更長(zhǎng)的路要走。

       核藥的生產(chǎn)特性給了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有核藥企業(yè)很好的保護(hù)，使得多數(shù)核藥企業(yè)仍在診斷藥為主的黃海上航行。而Larm類(lèi)的新技術(shù)之船結(jié)合AI產(chǎn)生的醫(yī)療大數(shù)據(jù)一定會(huì)引領(lǐng)核藥研發(fā)革命性的突破，新一代核藥的研發(fā)將駛?cè)胨{(lán)海和紅海的國(guó)際航道，并將新型放 射性藥物的臨床應(yīng)用送入精準(zhǔn)醫(yī)療之星辰大海。在追趕國(guó)際發(fā)展步伐的途中，開(kāi)發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RDC新藥將是全體核藥人共同努力奮斗的目標(biāo)。核心技術(shù)的創(chuàng)新將賦能我國(guó)核醫(yī)療產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。