放射性核素标记的PSMA配体在前列腺癌诊治中的研究进展

刘敬如，朱 虹

(东部战区总医院(原南京军区南京总医院) 核医学科，江苏 南京 210002)

前列腺癌(prostate cancer, PCa)是一种在中老年男性中发生率很高的恶性实体肿瘤。该类肿瘤早期无明显特异性症状，中晚期的治疗多易产生耐药进展至转移性去势抵抗性前列腺癌(metastatic castration-resistant prostate cancer, mCRPC)，且常伴随着严重的骨瓦解、疼痛、排尿梗阻等并发症，给患者带来极大的痛苦[1]。常规的诊治方法无法特异性识别PCa病灶且患者的顺从性较差。因此，探索可作为PCa特异性识别的靶点并研发相应的靶向抑制剂对临床上PCa的治疗具有重大意义。

前列腺特异性膜抗原(prostate specific membrane antigen, PSMA)是一种在前列腺上皮细胞表面过度表达的Ⅱ型谷氨酸羧肽酶。它由750个氨基酸残基构成，包括细胞质内N-末端尾巴、螺旋跨膜结构和细胞外C-末端结构域三个部分[2]。其中，胞外C-末端结构域是以肽序列形式存在的二聚体，显示出与谷氨酸及谷氨酸相关结构高度结合的特点[3]，是多数PSMA配体结合的区域。同时，胞外C-末端结构域具有双核锌指结构，两个锌离子可催化水分子促进PSMA配体和底物的结合[4]，并通过内化作用进入前列腺癌细胞内。PSMA的内化机制是细胞质内N-末端尾巴与钙调蛋白-1和网格蛋白小窝的相互作用[5]。此外，PSMA具有信号传导作用，可通过JNK/SAPK等信号传导通路调控PCa细胞的凋亡[6]。

PSMA最初在前列腺中发现，虽然PSMA在其他组织中也略有表达，但其在90%以上的PCa病灶及相关的骨和淋巴结转移病灶都高度过表达[7-8]。同时，在良性前列腺增生转变成恶性肿瘤的过程中，PSMA的过表达程度随着肿瘤恶性等级的上升而不断增加[9-10]。PSMA配体一般具有很高的选择性，能够高效、靶向的与前列腺癌细胞表面的PSMA特异性结合。采用核医学仪器探测放射性核素发出的射线，可显示出PSMA配体在体内吸收、代谢、浓聚、排泄过程及分布的影像，从而判断机体组织的功能状态及其病理变化，达到诊断或治疗的作用[11]。此外，放射性配体治疗的效果不限于靶细胞，还可通过“旁观效应”或“串烧效应”，对肿瘤周边的细胞产生细胞毒性，对表达异种抗原/受体或供血不足的肿瘤组织细胞有重要的杀伤作用，一定程度上提升了治疗的效果及预后[12]。因此，临床上认为PSMA可成为PCa诊治的特异性靶点。本文就已报道的单抗类PSMA配体和小分子类PSMA配体进行综述，主要分析一些代表性的PSMA配体的设计思路以及各个配体之间的关联，期望对PSMA抑制剂的进一步研究有所裨益。

1 放射性核素标记的单抗类PSMA配体

111In标记的SPECT显像剂ProstaScint®(111In-Capromab)是唯一经FDA 批准用于PCa显像的鼠源单克隆抗体。但该抗体在临床应用上表现出诸多不足：(1) 缺乏细胞渗透性，仅与坏死肿瘤细胞内的结合位点相互作用而对活体肿瘤细胞显像无效[13]；(2) 假阳性高且对淋巴结转移患者阳性预测值低[14]；(3) 选择性差，在 LNCaP异种移植模型上的肿瘤/肌肉比仅为3∶1，且注射后4 d仍表现出长时间背景活动[15]。

J591是一种不同于ProstaScint®的人源单克隆抗体，可以作用于活细胞与前列腺特异性膜抗原(prostate specific membrane antigen, PSMA)的细胞外结合域特异性结合[16]。J591与1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸(DOTA)偶联后可以用99mTc、111In和177Lu等进行标记。99mTc-J591 SPECT对根治性前列腺切除术后复发患者的确诊有一定的价值，但其无法可靠地检测出PCa病灶，其原因可能是99mTc的降解产物在膀胱中具有很高的活性[17]。111In-J591在检测PCa骨转移方面比CT和骨扫描具有更高的精确度。常规显像检测到的93.7%的骨骼病变，应用111In-J591显像时仅检测到72.2% 骨病变是真正的转移[18]。177Lu-J591具有中等强度的抗肿瘤作用，适用于PCa微转移。Ⅱ期临床试验显示，177Lu-J591对进展的CRPC有良好的治疗作用，近60%的男性血清前列腺特异性抗原(prostate-specific antigen, PSA)水平下降，其中10.6%的患者PSA下降大于50%。但是，177Lu-J591扩散到实体肿瘤中速度缓慢且在血液中循环时间长易引起血液毒性，这些都限制了177Lu-J591的临床应用[19-20]。

2 放射性核素标记的小分子类PSMA配体

2.1 用于PCa显像及诊断的小分子PSMA配体

2.1.118F标记的小分子PSMA配体

18F是临床上PET/CT最常用的放射性核素之一，它具有满足显像要求的物理性质(t1/2=109 min，β+= 96.7%)且可以在回旋加速器中大量生产。11C-或18F-胆碱PET/CT是早期用于PCa检查的显像剂，但该类显像剂对血清PSA水平低的患者、淋巴结转移的患者以及PSA<2 μg/L生化复发的患者敏感度差[21-23]。18F-FDG是最常见的肿瘤显像剂，可用于探测多种肿瘤病灶。但由于大部分PCa病灶限制18F-FDG的吸收，所以其不适用于PCa的分期检测[24]。

Mease等[22]设计、合成了第一代18F标记的脲基类小分子PSMA配体18F-DCFBC。临床前研究表明，18F-DCFBC结合位点位于PSMA的胞外结合域，临床上主要用于转移癌的发现和原位癌的定位[25-26]。但18F-DCFBC在患者血液中的活性较高，这对与大血管相近的腹膜后腔和盆腔淋巴结转移的检测不利[27]。尽管如此，18F-DCFBC已经进入到Ⅱ期临床试验(NCT 01815515)。为了克服18F-DCFBC的不足，Mease团队设计合成了第二代18F标记的脲基类小分子18F-DCFPyL。18F-DCFPyL与PSMA的亲和力是18F-DCFBC的5倍，且在非靶组织中的摄取率很低[28]。初步体内评价表明，18F-DCFPyL在原发或转移PCa 病灶的SUVmax 大于100，肿瘤/血液比大于50，检测患者的心率或血压，并未发现18F-DCFPyL对患者有放射性示踪剂相关的不良事件[29]。目前，18F-DCFPyL正进行Ⅰ期临床试验(NCT02151760)。

Cardinale等[30]对68Ga-PSMA-11和177Lu-PSMA-617的结构进行拆分组合，以延长68Ga-PSMA-11的半衰期和改善177Lu-PSMA-617在体内的肿瘤累积和清除动力学为出发点，设计、合成了小分子PSMA配体18F-PSMA-1007。临床前研究表明，18F-PSMA-1007与PSMA-阳性的LNCaP细胞的亲和力为(6.7±1.7) nM，内化率为(67±13)%。临床研究表明，18F-PSMA-1007和177Lu-PSMA-617在mCRPC患者中具有非常相似的器官分布和肿瘤内吸收[31]。鉴于18F比68Ga的半衰期长且能在回旋加速器中大规模生产，18F-PSMA-1007有望成为替代68Ga-PSMA-11的PCa示踪剂。

其他18F标记的PSMA抑制剂如：脲基类化合物RPS-040和RPS-041[32]以及氨基磷酸酯模拟肽类化合物18F-5[33]等都表现出优异的体外活性。RPS-040和RPS-041与PSMA-阳性的LNCaP细胞之间的IC50分别为7.0 nM 和3.2 nM，优于68Ga-PSMA-11和18F-DCFPyL的IC50值(24.3±2.0) nM 和22.8 nM。18F-5也具有较好的PSMA亲和力，在PSMA-阳性的LNCaP和CWR22Rv1异种移植模型中均表现出良好的吸收而在PSMA-阴性的PC-3异种移植模型中吸收较差。X-单晶衍射表明，18F-5结构中的对氟苯甲酰基结合在PSMA的芳香结合狭缝中，这对PSMA/18F-5复合物的稳定性至关重要。

2.1.299mTc标记的小分子PSMA配体

由于99mTc具有良好的物理特性(t1/2=6.01 h,Eγ=141 keV)、低成本、低毒和广泛可用性等优点，所以99mTc标记的放射性药物一直是核医学SPECT显像的重要支柱[34]。99mTc-MDP是早期研发的一种亚甲基二磷酸盐类小分子PSMA配体，主要用于PCa骨转移显像，但其灵敏度和检测准确度均不高，限制了其在临床上的进一步应用[35]。99mTc(CO)3-DTPA-CTT-54是一种不可逆的氨基磷酸酯类PSMA抑制剂，其在PSMA-阳性LNCaP异种移植模型中有较高的吸收且能够很快地从非靶组织中清除[36]。

Xu等[37]设计、合成了脲基类小分子PSMA配体99mTc-HYNIC-ALUG，双功能螯合剂联肼尼克酰胺(HYNIC)和共配体乙二胺二乙酸(EDDA)决定了该化合物具有较好的理化性质、亲水性和清除速率。nano-SPECT/CT 显像表明，99mTc-HYNIC-ALUG具有良好PSMA的靶向性，在PSMA-阴性的PC-3异种移植模型中无吸收，在PSMA-阳性的LNCaP异种移植模型中表现出良好的吸收。LNCaP异种移植模型生物分布显示，注射2 h时，99mTc-HYNIC-ALUG的肿瘤与血液放射性摄取比为24.23±3.54。99mTc-HYNIC-ALUG的不足在于肝脏吸收率高且肾脏保留时间长。

Hillier等[38]设计、合成了4个99mTc(CO)3标记的脲基类小分子PSMA配体，并筛选出两个活性较好的化合物99mTc-MIP-1404和99mTc-MIP-1405，其与PSMA-阳性的LNCaP细胞亲和力的Kd值分别为(1.07±0.89) nM和(4.35±0.35) nM，而与PSMA-阴性PC3细胞无亲和力，表明这两个分子具有很高的PSMA亲和力和特异性。SPECT显像表明，99mTc-MIP-1404和99mTc-MIP-1405在PSMA过表达的肾脏和肿瘤组织中分布并通过膀胱快速清除。Ⅰ期临床研究显示(NCT01261754)，这两个小分子可以检测到大多数PCa骨转移病灶及软组织病变，包括亚厘米淋巴结病灶。目前，99mTc-MIP-1404正在进行Ⅱ期临床试验(NCT10667536)。

Kularatne 等[39]设计、合成了小分子PSMA配体DUPA-99mTc，其与PSMA-阳性的LNCaP细胞的亲和力Kd=14 nM。当在LNCaP细胞给予DUPA-99mTc的同时给予另一种PSMA抑制剂2-PMPA (Kd=0.3 nM)可观察到两者定量地竞争性抑制PSMA。裸鼠体内显像和生物分布研究表明，DUPA-99mTc能够在LNCaP肿瘤细胞内累积，在除肾脏外的其他组织中吸收较少或几乎无吸收。以上均说明DUPA-99mTc和PSMA的结合是特异性的。目前，DUPA-99mTc已完成Ⅰ期临床研究(NCT02202447)。

2.1.3123I标记的小分子PSMA配体

Maresca等[40]设计、合成了一系列谷氨酸-脲基-赖氨酸二聚体衍生物。他们在赖氨酸残基的氨基末端以卤代的苄基、苯甲酰胺和苯基脲进行结构修饰，同时探讨卤原子对苯环的静电、空间和区域化学的影响以及赖氨酸氮原子和芳环之间的连接桥的作用，筛选得到两个靶向PSMA的先导化合物MIP-1072和MIP-1095。123I-MIP-1072和123I-MIP-1095与PSMA-阳性的LNCaP细胞特异性结合，Kd分别为(3.8±1.3) nM 和(0.81±0.39) nM。SPECT/CT显像显示，123I-MIP-1095相对于123I-MIP-1072有更高的肿瘤吸收且血液和非靶器官组织吸收更低[41]。临床研究显示，123I-MIP-1072和123I-MIP-1095 SPECT/CT可作为用于前列腺、淋巴结和骨肿瘤病灶检测的示踪剂，在体内的有效剂量分别为0.022 mSv/MBq 和0.032 mSv/MBq。123I-MIP-1072在体内各器官组织的代谢远快于123I-MIP-1095，其原因可能是123I-MIP-1095的亲脂性高于123I-MIP-1072[42]。目前123I-MIP-1072和123I-MIP-1095已完成Ⅰ期临床试验(NCT00712829)。

2.1.468Ga标记的小分子PSMA配体

68Ga是一种通过68Ge/68Ga发生器即可获得的放射性核素，加之其本身的一些物理性质(t1/2=68 min,β+=1 899 keV)使得它在临床PET/CT检查中得到广泛的应用[43]。Eder等[43]引入亲脂性侧链N,N′-双[2-羟基-5-(羧乙基)苄基]乙二胺-N,N′-二乙酸(HBED-CC)设计、合成了小分子PSMA配体68Ga-PSMA-11(68Ga-Glu-urea-Lys(Ahx)-HBED-CC)。HBED-CC为一个链状的螯合剂仅能和诊断性核素68Ga形成稳定的络合，它通过改变分子的亲脂性及电荷分布改善药效团谷氨酸-脲基-赖氨酸与PSMA的结合[44-45]。若以螯合剂DOTA取代分子中的HBED-CC，则整个分子体内显像效果明显减弱。临床前研究表明，68Ga-PSMA-11的结合位点位于PSMA的胞外结构域，具有很高的PSMA亲和力Ki=(12.1±2.1) nM，血液清除快，肝脏吸收低。临床研究表明，即使是在PSA水平较低的患者中 (PSA<2.2 μg/L)，68Ga-PSMA-11 PET/CT相对于18F-氟甲基胆碱PET/CT具有更高的病灶检出率、SUVmax 和肿瘤-背景比[46]。Afshar-Oromieh等[47]在319名疑似复发的PCa患者中进一步研究了68Ga-PSMA-11的诊断价值，注射1 h后，PET/CT显示检出率达83%。但在Krohn等[48]的研究中，观察到85名患者中有76名可见腹腔神经节有相当量的吸收，这对检查极其不利。尽管如此，当前临床研究仍认为68Ga-PSMA-11是一个很有希望的PCa诊断分子。目前，68Ga-PSMA-11的Ⅰ期(NCT02611882)和Ⅱ期(NCT02796807)临床研究已完成。

Zha等[49]在68Ga-PSMA-11的基础上设计、合成了一系列以O-(羧甲基)-L-酪氨酸为连接链的脲基类小分子化合物68Ga-10。68Ga-10与PSMA-阳性LNCaP细胞具有较好的亲和力(IC50=16.5 nM)。小鼠体内研究表明，68Ga-10在PSMA过表达肿瘤中高特异性摄取而在正常器官中快速清除。MicroPET显像表明，68Ga-10具有突出的靶向定位摄取。68Ga-3和68Ga-6是两个以DOTA为螯合剂的脲基类小分子PSMA配体[50]。动物体内试验表明，两者均具有中等强度肿瘤吸收，68Ga-3注射30 min后在PSMA-阳性PIP肿瘤中吸收为(3.78±0.90)%ID/g，68Ga-6注射2 h后在PSMA-阳性PIP肿瘤中吸收为(3.29±0.77)%ID/g。

Weineisen等[51]对螯合剂DOTA进行修饰得到了1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1-戊二酸-4,7,10-三乙酸(DOTAGA)，以此为螯合剂合成了新的小分子PSMA配体DOTAGA-FFK(Sub-KuE)，该分子表现出较高的靶向亲和力和内化率。为了进一步改善配体的亲和力，Weineisen团队引入缩氨酸得到一个新的小分子PSMA配体DOTAGA-(I-y)fk(Sub-KuE)(即PSMA I&T)[52]。PSMA I&T和DOTAGA-FFK与PSMA之间的IC50分别为(10.2±3.5) nM和(13.9±0.4) nM。68Ga-PSMA I&T与PSMA间的IC50为(9.3±3.3) nM。Herrmann等[53]在5名患者研究中初步探索了68Ga-PSMA I&T的体内生物分布和辐射计量学，研究表明，68Ga-PSMA I&T具有优异的辐射计量学特点且在患者体内无急性或亚急性不良反应，对血液计数、肾脏和肝功能无影响。Martina等[54]将药效团谷氨酸-脲基-赖氨酸和螯合剂DOTA以含萘环的连接链连接得到PSMA-617，分子中的萘环对PSMA-617 肿瘤靶向性、药代动力学和显像结果对比都有着显著的影响。临床前研究表明，68Ga-PSMA-617(Ki=(6.40±1.02) nM)与PSMA的亲和力高于68Ga-PSMA-11(Ki=(12.1±2.1) nM)。荷瘤小鼠体内试验表明，68Ga-PSMA-617在肿瘤和肾脏呈现很高的特异性吸收，而在脾脏、肺等其他器官中吸收均较少。同时，68Ga-PSMA-617在肾脏的吸收20 min后即可快速清除。PET/CT显像显示，68Ga-PSMA-617在注射3～4 h后对PCa病灶可呈现很高的对比，尤其是晚期图像[55]。目前68Ga-PSMA-617正在进行Ⅱ期临床试验(NCT03604757)。

2.2 用于PCa治疗的小分子PSMA配体

177Lu在作为治疗性核素方面一直备受青睐，其原因在于：(1) 适宜的半衰期(t1/2=6.65 d)，满足治疗所需的少量及少次给药；(2) 释放β粒子易于渗透组织到达病灶，同时释放低能γ辐射减少住院隔离时间和血液毒性；(3) 较高的体内稳定性，安全的治疗剂量范围，不良反应小，人体可耐受[56]。目前，以177Lu标记的PSMA配体主要有PSMA I&T和PSMA-617。177Lu-PSMA I&T具有很高的亲和力(IC50=(7.9±2.4) nM)。小鼠体内试验表明，177Lu-PSMA I&T在PSMA阳性的器官中呈现高吸收。一位经68Ga-PSMA-11 PET/CT确诊PCa转移的患者，在给予200 μg(8.0 GBq)177Lu-PSMA I&T后，主动脉旁淋巴结SUVmax由26.3降为3.0，血清PSA水平由54.2 ug/L降为 0.7 ug/L[52]。

177Lu-PSMA-617是一个小分子肽，与J591单抗不同，177Lu-PSMA-617显示出更快的血浆清除率、更高的PSMA亲和力和更低的毒性[57]。其与PSMA-阳性LNCaP细胞间的Ki为 (6.91±1.32) nM，内化率为(17.51±3.99)%。小鼠体内研究表明，177Lu-PSMA-617注射24 h后可观察到很高的瘤内累积吸收和快速的肾脏清除率，其肿瘤与血液的放射性摄取比和肿瘤与肌肉的放射性摄取比分别为1 058和529[54]。在一项临床研究中，31位经68Ga-PSMA-11确诊为mCRPC的患者在经过177Lu-PSMA-617治疗1个周期后，平均血清PSA水平由275 μg/L下降到141.75 μg/L，平均卡式评分(KPS)由50.32提升到65.42，平均ECOG评分由2.54提升到1.78。有两名患者出现1～2级血液学不良反应，无患者出现肝毒性和肾毒性[58]。Hofman等[59]近期公布的177Lu-PSMA-617的单臂、单中心Ⅱ期临床试验显示，静脉注射177Lu-PSMA-617四个周期后，30位患者中有17位(57%)患者的PSA水平下降超过50%。目前，177Lu-PSMA-617已经进入Ⅲ期临床研究(NCT03511664)。

131I发射的高能量β粒子(606 keV)能清除肿瘤细胞常被用于甲状腺癌的治疗。若放射性碘标记的PSMA抑制剂对非靶器官耐受，即可考虑以131I标记的PSMA配体用于PCa的治疗。Zechmann等[60]在123I-MIP-1095的基础上合成了131I-MIP-1095。对28位转移去势抵抗前列腺癌(metastatic castration resistant prostate cancer, mCRPC)患者进行一个周期的131I-MIP-1095治疗。一年内随访结果显示，有60.7%的患者体内PSA下降水平超过50%，有84.6%的患者骨疼痛完全或中等程度的缓解。此外，131I-MIP-1095肝脏剂量较低，血液毒性温和，仅有25%患者出现短暂的中轻度口腔干燥。目前，131I-MIP-1095已经进入Ⅰ期临床研究(NCT03030885)。

3 总结和展望

本文主要分析了一些代表性的PSMA配体的设计思路、各个PSMA配体之间的关联以及研究进展。目前，PCa的诊治仍是临床上面临的一大挑战。放射性核素标记的小分子PSMA配体在原发和转移PCa的诊治方面表现出极大的潜能。迄今，99mTc-MIP-1404最有望成为PCa SPECT显像剂，而18F-DCFPyl和68Ga-PSMA-11最有望成为PCa PET/CT显像剂。但是，以上小分子PSMA配体仅局限于肿瘤病灶的诊断。因此，可以用诊断性放射性核素68Ga和治疗性核素177Lu标记的化合物DKFZ-617和PSMA I&T应运而生，68Ga/177Lu-DKFZ-617和68Ga/177Lu-PSMA I&T在PCa的淋巴结和骨转移的诊断和治疗方面表现出优异的效果。但值得注意的是，当前的临床研究多为单中心、短期、小样本研究，且每个显像剂自身仍存在无法克服的不足。接下来，尚需多中心、长期、大样本临床数据作为治疗效果和预后评估的基础。同时，未来需要将PSMA配体显像研究在已进行或正在进行雄激素剥夺治疗的PCa患者中展开，以研究PSMA显像在该患者群体中的作用。综上所述，笔者期望本文对特异性更高、活性更好、副作用更小的小分子PSMA抑制剂研究有所帮助。