文献分享｜合成 64Cu、55Co 和 68Ga 标记的靶向NTSR-1放射性核药，并用多氨大环（MAs）调整其在体内分布

大家好！为大家介绍一篇 2024 年6月发表在Journal of Nuclear Medicine上的文章，题目为 “Synthesis of ⁶⁴Cu-, ⁵⁵Co-, and ⁶⁸Ga-Labeled Radiopharmaceuticals Targeting Neurotensin Receptor-1 for Theranostics: Adjusting In Vivo Distribution Using Multiamine Macrocycles” 。在这篇文章中，研究者合成了一系列带有MAs（multiamine macrocycles，多氨大环）连接子和金属螯合剂的靶向神经降压素受体- 1（neurotensin receptor-1，NTSR-1）的放射性药物，采用H1299小鼠肿瘤模型，对⁶⁴Cu、⁶⁸Ga和⁵⁵Co标记的核药进行小动物PET/CT显像，验证药物在肿瘤中的摄取和滞留情况。研究结果表明，将MA结构引入放射性药物可以提高的肿瘤摄取率、提高靶本比、延长肿瘤滞留时间。这些药物可能成为NTSR-1阳性癌症的有效诊断和治疗手段。该文通讯作者是来自于北卡罗来纳大学教堂山分校生物医学研究成像中心放射学系的吴占红教授、李子博教授及生物医学工程系Jonathan W. Engle教授。

原文链接：

https://jnm.snmjournals.org/content/65/8/1250

前列腺癌是美国男性中发病率最高，死亡率第二高的恶性肿瘤。一部分患者对靶向前列腺特异性膜抗原（PSMA）的核药治疗存在耐药性。因此，急需发现新的方法治疗晚期前列腺癌，改善其预后。

有证据表明，前列腺内神经内分泌样细胞在雄激素非依赖性复发性前列腺癌中发挥重要作用。在晚期前列腺癌缺乏雄激素的情况下，NTSR-1被招募为替代生长途径。因此，靶向NTSR-的放射性药物在治疗 NTSR-1 阳性前列腺癌方面具有巨大潜力。

要开发以 NTSR-1 为靶点的核药，必须使用适当的配体。最初的 NTSR-1 靶向放射性药物主要集中在稳定的多肽激动剂上。然而，由于这些多肽激动剂清除速度快、肿瘤吸收值较低，不适合用于放射性核素靶向的治疗。另一种配体非肽类拮抗剂开始被人们所重视。

在本文中，作者开发了可以标记 ⁶⁴Cu/⁶⁷Cu、⁵⁵Co/^58mCo 和 ⁶⁸Ga/¹⁷⁷Lu 的NTSR-1靶向药物。不同元素的核素标记同一药物应用于诊断和治疗时，可能会因不同的元素半衰期不同而增加药代动力学差异。故主要选择⁶⁴Cu和⁵⁵Co标记。

为了合成具有更高的肿瘤摄取率、更高的靶本比和更长的肿瘤滞留时间的核药，研究者假设示踪剂周围的净电荷是决定示踪剂与其受体和细胞膜等其他细胞亚结构相互作用的关键因素。因此，研究者合成了一系列带有MAs连接子和金属螯合剂探针。（图 1A）。此外，CB-cyclam 和 Sarcage 等 MAs 是具有多个氮原子的刚性大环（图1B），能够与水形成额外的氢键，使示踪剂更亲水，可以最大限度地减少肝脏的不良吸收。

图1. （A）实验设计的前导设计和实例;（B）本研究使用的多氨单元。

前体 DOTA-SR-3MA 的合成与体内生物分布研究

研究者首先合成了前体DOTA-SR-3MA（图2）。用⁶⁴Cu标记前体DOTA-SR-3MA后，活体PET成像结果显示，[⁶⁴Cu]Cu -DOTA-SR-3MA在H1299肿瘤模型中具有较高的肿瘤摄取率，除肝脏中度摄取外，本底相对较低（图3）。需要对MA结构进行更大幅度的改变，以减少肝脏的不良摄取（图3）。

图2. 前体DOTA-SR-3MA的合成。

图3. 在H1299肿瘤模型体内注射[⁶⁴Cu]Cu-DOTA-SR-3MA后1、4、24和48小时PET/CT图像及探针活体内生物分布的ROI分析。

前体NT-CB 的合成与体内生物分布研究

研究者认为大环CB-cyclam的刚性结构可用作 MA 来提高DOTA-SR-3MA的肿瘤肝脏比。按照上述想法获得了NT-CB，并进一步合成了前体NT-CB-CA、NT-CB-Sarcage、NT-CB-NOTA和NT-CB-DOTA。

图4.前体NT-CB、NT-CB-Sarcage、NT-CB-CA、NT-CB-Sarcage、NT-CB-NOTA和NT-CB-DOTA的合成。

接下来，对各前体进行了⁶⁴Cu标记和体内PET成像。在PET成像试验研究中，[⁶⁴Cu]Cu-NT-CB-CA和[⁶⁴Cu]Cu-NT-CB-Sarcage的肿瘤摄取率都相对较低；而[⁶⁴Cu]Cu-NT-CB-NOTA、[⁶⁸Ga]Ga-NT-CB-NOTA（H1299肿瘤模型）和[⁵⁵Co]Co-NTCB-NOTA（HT29 肿瘤模型）的体内 PET 成像结果显示，肿瘤摄取率高，本底低，注射后肿瘤保留时间长达48小时（图5-7）。

图5. 在H1299肿瘤模型体内注射[⁶⁴Cu]Cu-NT-CB-NOTA后1、4、24和48小时PET/CT图像及探针活体内生物分布的ROI分析。

图6. 在H1299肿瘤模型体内注射[⁶⁸Ga]Ga-NT-CB-NOTA后2和3小时PET/CT图像及探针活体内生物分布的ROI分析。

图7. 在HT29肿瘤模型体内注射[⁶⁵Co]Co-NT-CB-NOTA后1、4、9、24和24小时以后PET/CT图像及探针活体内生物分布的ROI分析。

与[⁶⁴Cu]Cu-DOTA-SR-3MA相比，CB-NOTA分子的存在明显提高了靶本比。但用DOTA取代NOTA生成的[⁶⁴Cu]Cu-NT-CB-DOTA并没有在 H1299 肿瘤模型上产生相同的效果：尽管肿瘤的摄取量与NOTA相似，但肝脏和肾脏的摄取量相比NOTA明显升高（图 9）。

图8. 前体NT-CB-DOTA的合成。

图9. 在H1299肿瘤模型体内注射[⁶⁴Cu]Cu-NT-CB-DOTA后1、4、24和48小时PET/CT图像和及探针活体内生物分布的ROI分析。

前体NT-Sarcage的合成及体内生物分布研究

鉴于NT-CB-Sarcage的成像结果并不理想，研究者对该前体进行改良，合成了NT-Sarcage（图4），它的Sarcage分子通过一个酰胺官能团直接连接到神经肽配体上，中间不存在任何连接体。有了NT-Sarcage，研究者在 H1299荷瘤鼠体内进行了[⁶⁴Cu]Cu-NT-Sarcage 的体内 PET 成像研究（图 10）。注射[⁶⁴Cu]Cu-NT-Sarcage 48小时后，肿瘤摄取率高，本底低，肿瘤滞留时间长。此外，NT-Sarcage还可以进一步改良，添加第二种配体。有一种PSMA配体可连接到NT-Sarcage上，它可以作为一种双靶向制剂来解决肿瘤异质性的限制。

图10. 在H1299肿瘤模型体内注射[⁶⁴Cu]Cu-NT-Sarcage后1、4、24和48小时PET/CT图像及探针活体内生物分布的ROI分析。

示踪剂与 NTSR-1 的特异性结合

研究者通过体内阻断实验验证了肿瘤高摄取率的原因是[⁶⁴Cu]Cu-NT-CB-NOTA 与 NTSR-1的特异性结合。研究者在H1299荷瘤鼠体内注射过量的未标记神经节肽（阻断剂），然后再注射放射性示踪剂，结果显示HT29（NTSR-1 高表达）和Caco2（NTSR1 低表达）肿瘤模型对 [⁵⁵Co]Co-NT-CB-NOTA 的摄取不同。这表明示踪剂对 NTSR-1 的结合具有特异性（图 7）。

此外，研究者还在NTSR-1阳性的HT29 细胞中测试了[⁵⁵Co]Co-NT-CB-NOTA 的细胞表面结合能力（NTSR-1受体结合的解离常数𝐾𝑑=3±2Kd=3±2 nM，每个HT29细胞上的NTSR-1受体密度为(0.7±0.2)×10⁵）和内化情况（单指数内化率速率为(1.7±0.3)×10^-2min^-1）。这些实验结果揭示了药物如何与目标受体相互作用以及如何被细胞处理的过程，对于评估放射性药物的潜在疗效和安全性至关重要。

在这项研究中，研究者合成了几种基于非肽拮抗剂配体的新型靶向 NTSR-1放射性药物。研究者将不同的含氮大环结构引入NTSR-1靶向放射性药物，显著改善了肿瘤摄取和药代动力学特性。结果表明，与无环 3MA单元相比，CB-NOTA 和Sarcage分子能提高肿瘤摄取率、肿瘤与背景的比率以及注射后48小时的肿瘤存留率。使用⁶⁴Cu /⁶⁷Cu、⁵⁵Co/⁵⁸mCo或⁶⁸Ga标记的NT-CB-NOTA和NT-Sarcage可能是NTSR-1阳性癌症的优秀诊断和治疗放射性药物。此外，由于药物分子相对常见MAs结构，在未来的研究中，用CB-NOTA和Sarcage代替其他药物的MAs的方法也值得尝试。