一种针对mGluR1的放射治疗策略能够可视化肿瘤病灶，并增强黑色素瘤和胰腺癌的抗肿瘤效果

《Molecular Therapy》：A mGluR1-targeted radiotheranostic strategy visualizes lesions and potentiates antitumor efficacy in melanoma and pancreatic cancer

mGluR1靶向放射诊断-治疗策略通过11C-IMTM PET成像与211At-AMTM α粒子治疗显著抑制难治性癌症（如黑色素瘤、胰腺癌），单次治疗肿瘤体积减少86%，生存率提高2倍，并揭示p21/caveolin-1通路机制。

　　

林谢|羽生雅之|藤永正之|张一丁|国藤智美|熊田胜|森和奈|中本和树|大久保孝之|和坂英胜|峰岸胜之|峰岸胜之|张露露|罗瑞|王峰|根崎信之|长津贵太郎|张明荣

日本量子科学和技术机构量子医学科学研究所先进核医学科学部，千叶263-8555

针对代谢型谷氨酸受体1（mGluR1）是一种参与谷氨酰胺代谢的致癌蛋白，在大多数癌症中经常过度表达，这是治疗和管理癌症的一种有前景的策略。在这里，我们设计了一种放射治疗策略，通过将正电子发射断层扫描（PET）引导的α粒子疗法（TAT）与一对小分子结合——β⁺发射的¹¹C-IMTM和α发射的²¹¹At-AMTM——来识别和根除难治性癌症，包括黑色素瘤和胰腺癌。¹¹C-IMTM PET清晰地显示了原发性和转移性黑色素瘤的负担；²¹¹At-AMTM中的α粒子与mGluR1结合后下调了这种致癌蛋白，随后通过p21/caveolin-1通路诱导癌细胞衰老。在患有局部和转移性黑色素瘤的小鼠中，单次剂量的²¹¹At-AMTM使肿瘤体积减少了86%以上，生存期延长了两倍。此外，46.67%（7/15）的携带肿瘤的小鼠完全消除了胰腺癌，且没有明显的毒性。这种针对mGluR1的放射治疗策略，即¹¹C-IMTM PET引导的²¹¹At-AMTM TAT，代表了诊断和治疗黑色素瘤和胰腺癌的有效方法，并为针对癌症特异性代谢脆弱性的方法提供了独特的见解。

引言

放射治疗学的持续进步是一种结合诊断和治疗疾病的策略，特别是使用专门的放射性配体，通过识别新的靶点、利用强大的放射性同位素以及优化高效和安全的递送载体，推动了放射性配体开发的创新。^{1,2,3 18}F-氟脱氧葡萄糖（FDG）正电子发射断层扫描（PET）成像的广泛临床应用突显了放射治疗学在靶向癌症代谢关键调节因子方面的潜力。除了葡萄糖代谢外，增加的谷氨酰胺代谢（癌症的标志）及其关键调节因子——代谢型谷氨酸受体1（蛋白质：mGluR1；基因：GRM1）——是通过破坏为各种恶性肿瘤细胞快速增殖提供能量的关键谷氨酰胺衍生物底物来减轻癌症负担的有希望的靶点。^4,5,6,7

mGluR1是一种G蛋白偶联受体，通常在大脑中表达，并参与记忆和学习。它在多种肿瘤中经常过度表达，即使在正常外周组织中缺乏该受体的肿瘤也是如此。⁸对GRM1表达的癌症基因组图谱分析显示，mGluR1在32种主要肿瘤类型中的27-100%的患者中异常表达，包括黑色素瘤（约97.32%）和胰腺癌（88.04%）。⁹基因沉默¹⁰和药物抑制^11,12,13（如riluzole、LY367385和BAY36-7620）抑制了mGluR1表达的黑色素瘤和乳腺癌模型的肿瘤生长和血管生成，并引起了DNA损伤。然而，在临床试验中，单独使用riluzole（NCT00866840）或与放疗（NCT01018836）或免疫疗法联合使用未能实现持久缓解。^14,15,16这些拮抗剂针对mGluR1的传统策略效果有限，这主要是由于随后激活了补偿性代谢机制。因此，迫切需要更有效的方法来阻断mGluR1。

放射治疗学是一种潜在的理想替代方案，它可以通过靶向癌细胞表面的mGluR1来同时识别和攻击癌细胞，利用辐射的代谢独立性细胞杀伤效应。通过将诊断成像（主要是PET和单光子发射计算机断层扫描）与使用相同或密切相关的放射性配体对的靶向放射性核素疗法（涉及β、α或奥杰辐射）相结合，放射治疗学彻底改变了神经内分泌肿瘤和前列腺癌的治疗格局。^17,18与β粒子相比，α粒子的组织穿透范围要短得多（<100 μm，大约5-10个细胞直径），从而能够高度选择性地靶向癌细胞，并且能量显著更高（α：4-9 MeV vs. β：0.1-2.2 MeV），导致通过不可逆和复杂的DNA损伤更有效地破坏癌细胞。^19,20这些独特特性促进了靶向α粒子疗法（TAT）的发展，这些疗法使用α发射的放射性配体，可以克服与β粒子放疗和传统化疗相关的抗性，从而提高治疗效果，同时将对健康组织的毒性降到最低。^21,22

专注于mGluR1及其靶向放射性配体，我们之前开发了4-²¹¹At-astato-和4-¹³¹I-碘-N-[4-(6-(异丙氨基)吡啶-4-基)-1,3-噻唑-2-基]-N-甲基苯酰胺（²¹¹At-AITM和¹³¹I-IITM），²³这些疗法利用高亲和力（IC₅₀ = 5.1 nM）的小分子mGluR1拮抗剂4-氟-N-[4-[6-(异丙氨基)吡啶-4-基]-1,3-噻唑-2-基]-N-甲基苯酰胺（FITM）作为α发射体²¹¹At（T_1/2 = 7.21 h）和β发射体¹³¹I（T_1/2 = 8.02天）的递送载体。通过将致命的α或β粒子直接递送到癌细胞，²¹¹At-AITM和¹³¹I-IITM表现出显著的抗肿瘤效果。²³值得注意的是，²¹¹At-AITM在多种癌症中表现出优异的治疗效果，包括人类乳腺癌、胰腺癌、黑色素瘤和结肠癌，无论其起源组织如何。⁹为了伴随诊断，我们还开发了PET配体4-¹⁸F-氟-N-[4-[6-(异丙氨基)吡啶-4-基]-1,3-噻唑-2-基]-N-甲基苯酰胺（¹⁸F-FITM）^24,25，通过在同一FITM骨架上用¹⁸F替换²¹¹At/¹³¹I。尽管¹⁸F-FITM在富含mGluR1的大脑中的高摄取和缓慢清除限制了其在癌症诊断中的临床应用，因为可能会引起辐射诱导的大脑损伤及其相对较低的肿瘤选择性，但我们发现用体积大、高脂溶性的卤素原子（At或I）标记FITM显著降低了血脑屏障的穿透性，从而解决了mGluR1靶向放射性配体临床转化的主要问题。尽管已经开发了许多用于表征肿瘤和成像大脑的mGluR1放射性配体，^24,26,27但结合PET/TAT的mGluR1靶向放射治疗学仍未得到探索。

鉴于mGluR1在癌症代谢中的关键作用及其在各种肿瘤中的广泛表达，我们假设α发射的、针对mGluR1的放射治疗学可以用于在分子水平上精确地可视化、量化并处理广泛的癌症。这种策略通过PET定义mGluR1表达，然后通过mGluR1结合将致命的α粒子递送到癌细胞，不仅可以通过直接诱导DNA双链断裂（DSBs）来抑制不受控制的肿瘤生长，还可以通过下调mGluR1来抑制肿瘤发生和干扰谷氨酰胺代谢，从而具有强大的癌症管理潜力。我们通过设计一种PET引导的TAT策略来测试这一假设，该策略通过基于FITM骨架优化的小分子对靶向mGluR1，即PET放射性配体3-碘-N-[4-[6-(甲基氨基)吡啶-4-基]-1,3-噻唑-2-基]-N-¹¹C-甲基苯酰胺（¹¹C-IMTM，图1A）用¹¹C标记（T_1/2 = 20.33分钟）和治疗性放射性配体3-²¹¹At-astato-N-[4-[6-(甲基氨基)吡啶-4-基]-1,3-噻唑-2-基]-N-甲基苯酰胺（²¹¹At-AMTM，图1A）用²¹¹At标记。我们在两种难治性癌症中验证了其诊断和治疗效果，即传统放疗抵抗的黑色素瘤²⁸和药物抵抗的胰腺癌（5年生存率：7.8-13%），这两种癌症都表现出高mGluR1表达并对标准疗法反应不佳。此外，我们通过显示¹¹C-IMTM PET能够实现高对比度的肿瘤成像，而²¹¹At-AMTM TAT在黑色素瘤中实现了长期的肿瘤生长抑制，并在大约46%的人类胰腺癌模型中即使单次治疗也实现了肿瘤的完全消除，无论是原发性还是晚期阶段。总之，我们的mGluR1靶向放射治疗策略结合了¹¹C-IMTM PET和²¹¹At-AMTM TAT，代表了精确治疗黑色素瘤和胰腺癌的创新方法，并为利用癌症代谢脆弱性的方法提供了独特的见解。

章节片段

¹¹C-IMTM和²¹¹At-AMTM在精确靶向、高效递送和高度安全性方面显示出有希望的设计潜力

我们设计了¹¹C-IMTM用于PET诊断，并与²¹¹At-AMTM用于TAT，以探索mGluR1靶向放射治疗学在癌症治疗中的全部潜力（图1A）。这两种放射性配体都基于FITM骨架，并进行了三项关键的结构修改以提高肿瘤靶向效率和安全性（图1A和1B）：（1）选择短寿命的正电子发射体¹¹C，以实现高分辨率的PET成像，同时将辐射负担降到最低

讨论

¹⁸F-FDG PET在癌症中可视化葡萄糖代谢方面的临床成功激发了人们对靶向mGluR1以治疗和管理癌症的兴趣。然而，传统mGluR1拮抗剂的效果经常受到癌细胞中的药物抵抗和代谢补偿的限制；因此，我们寻求开发替代策略来克服传统分子靶向方法的瓶颈。放射治疗学被认为是一种理想的mGluR1靶向策略

研究设计

本研究的主要目标是设计和合成一对小分子放射性配体，β⁺发射的¹¹C-IMTM和α发射的²¹¹At-AMTM，并评估它们作为针对难治性癌症（包括黑色素瘤和胰腺癌）的mGluR1靶向放射治疗策略的诊断和治疗效果，以及确定mGluR1基放射治疗剂抗肿瘤效应的机制。

数据和代码可用性

本研究生成的所有数据均包含在论文和补充信息中。如需重新分析本文报告的数据，可向相应作者提出合理请求以获取更多信息。

致谢

我们要感谢量子科学和技术机构的工作人员在放射合成和动物实验方面的技术支持。这项工作部分得到了Moonshot研究与发展计划（M.-R.Z.）、JSPS A3 Foresight计划（M.-R.Z.）、JSPS KAKENHI（M.-R.Z.、23H02867、24K21295和25K02613（L.X.）以及Takeda科学基金会（L.X.）的资助。

作者贡献

L.X.和M.-R.Z.构思了这项研究。L.X.、M.H.和M.F.参与了方法论的制定。L.X.、M.H.、M.F.、Y.Z.、T.K.、K.M.、W.M.、K.N.、T.O.、H.W.、K.M.、L.Z.、R.L.、F.W.、N.N.和M.-R.Z.进行了实验。L.X.、M.H.、M.F.和M.-R.Z.参与了项目管理。L.X.、M.H.、M.F.、T.O.和M.-R.Z.分析了数据并撰写了初稿。所有作者都参与了最终稿件的审阅和编辑。

利益声明

这些作者声明没有竞争利益。