成纤维细胞激活蛋白靶向药物及其用于疾病显像和治疗的研究进展

吴丹丹 邵国强 孔霞 张莉

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成纤维细胞激活蛋白靶向药物及其用于疾病显像和治疗的研究进展

    通讯作者: 张莉, njzhangli2003@sina.com

Research progress of fibroblast activation protein targeting drugs and their application in disease imaging and therapy

    Corresponding author: Li Zhang, njzhangli2003@sina.com
  • 摘要: 成纤维细胞激活蛋白(FAP)在90%以上的上皮性肿瘤的癌症相关成纤维细胞(CAFs)中高丰度表达,具有特异性和广谱性,是肿瘤微环境靶向显像和治疗的研究热点。FAP靶向抗体、小分子抑制剂和多肽作为配体,通过偶联核素以及荧光探针用于肿瘤靶向显像、治疗、精准手术导航,并通过二聚体化以及新剂型构建(如白蛋白、纳米递送系统等)优化FAP靶向药物的生物分布,进而增加其在肿瘤内的滞留时间和增强生物学作用,推动其用于肿瘤靶向内放射性治疗和光热治疗。除了肿瘤,FAP也可为炎性疾病的显像和治疗提供有价值的靶点。笔者就近年来FAP在肿瘤和非肿瘤性疾病中的显像和治疗的研究进展进行综述。
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-25
  • 网络出版日期:  2023-01-11
  • 刊出日期:  2023-01-25

成纤维细胞激活蛋白靶向药物及其用于疾病显像和治疗的研究进展

    通讯作者: 张莉, njzhangli2003@sina.com
  • 1. 南京医科大学附属南京医院(南京市第一医院)儿科,南京 210006
  • 2. 南京医科大学附属南京医院(南京市第一医院)核医学科,南京 210006

摘要: 成纤维细胞激活蛋白(FAP)在90%以上的上皮性肿瘤的癌症相关成纤维细胞(CAFs)中高丰度表达,具有特异性和广谱性,是肿瘤微环境靶向显像和治疗的研究热点。FAP靶向抗体、小分子抑制剂和多肽作为配体,通过偶联核素以及荧光探针用于肿瘤靶向显像、治疗、精准手术导航,并通过二聚体化以及新剂型构建(如白蛋白、纳米递送系统等)优化FAP靶向药物的生物分布,进而增加其在肿瘤内的滞留时间和增强生物学作用,推动其用于肿瘤靶向内放射性治疗和光热治疗。除了肿瘤,FAP也可为炎性疾病的显像和治疗提供有价值的靶点。笔者就近年来FAP在肿瘤和非肿瘤性疾病中的显像和治疗的研究进展进行综述。

English Abstract

  • 肿瘤微环境是肿瘤细胞赖以生存的复杂环境,主要由多种不同的细胞外基质和基质细胞组成,其中癌症相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts,CAFs)是肿瘤微环境的核心要素[1]。正常成纤维细胞(normal fibroblasts,NFs)主要起组织稳态的作用[2],而在肿瘤微环境中,癌症伴发炎症,促进了NFs向CAFs的转化,此外,CAFs还来源于局部成纤维细胞、循环成纤维细胞和经内皮细胞向间充质转化的血管内皮细胞、脂肪细胞、骨髓干细胞,起源谱广是肿瘤CAFs表型异质性和许多标志物异质性表达的主要原因[3],但成纤维细胞激活蛋白(fibroblast activation protein,FAP)在多种肿瘤类型的活化CAFs细胞表面和部分肿瘤细胞中过表达,其在结构上是一种丝氨酸蛋白酶家族的Ⅱ型跨膜糖蛋白,具有二肽基肽酶Ⅳ的活性,常以二聚体形式存在,在具有强烈促结缔组织增生反应的上皮性癌中占肿瘤质量的90%[4],而在正常组织的静息成纤维细胞中低表达[5],是良好的肿瘤靶向显像和治疗的潜在靶点,因此FAP靶向药物的研发和临床研究成为近年来的热点。

    • FAP靶向药物结构组成上主要包括FAP靶向配体、偶联剂或螯合物和诊疗元件3部分。从显像原理上讲,FAP靶向药物通过特异性结合肿瘤微环境高丰度表达的FAP受体,并内化入胞[6-8],导致FAP配体偶联的诊疗元件在靶器官内有效摄取、聚集,并获得较高的T/NT,达到靶向显像和治疗的目的。FAP靶向药物在肿瘤内的滞留时间延长,也利于其应用于临床。促进诊疗元件在肿瘤的靶向聚集是目前FAP靶向诊疗药物研究的热点:一方面是通过优化配体结构或偶联剂的选择,筛选药代动力学理想的FAP靶向配体,使肿瘤靶向摄取高、迅速、血本底清除快,获得较高的肿瘤/非肿瘤摄取,且不良反应少;另一方面是通过对FAP配体载体给药系统或剂型的选择,增加FAP靶向药物在血液中的循环时间和在肿瘤部位的滞留时间。

    • FAP靶向配体包括抗体、小分子抑制剂、多肽及其二聚体和多聚体,以及不同的载体或剂型,包括白蛋白、纳米递送系统等。

      在早期报道中,FAP靶向免疫显像和治疗使用的是基于对FAP表达水平进行鉴定的免疫组化用F19抗体,通过放射性核素131I标记用于转移性结直肠癌患者的诊治[9]。抗体的优势在于其特异性高、亲和力强,但其相对分子量大、血液清除缓慢,作为显像剂,其呈现背景信号高,微小病变检测灵敏度略差,且荷载诊断和治疗元件少,对于相同摩尔数的有效载荷,抗体药物需要量大,且具有免疫源性,对偶联体的要求高,容易脱标(如131I等),进一步增加了其带来的不良反应。近年来,随着对纳米抗体、单域抗体或单链抗体小尺寸抗体的进一步研究,可能会带来FAP靶向抗体在肿瘤诊治中的新进展。

      FAP小分子酶活性抑制剂(fibroblast activation protein inhibitor,FAPI)是目前科研和临床转化的热点,[(2R)-1-((2S)-2-氨基-3-甲基丁酰基)吡咯烷-2-基]硼酸(talabosta,PT-100)是第1个被用来进行临床试验的FAPIs[10],目前FAPIs是多以(4-喹啉酰基)-甘氨酰-2-氰基吡咯烷为基础框架的抑制剂及其衍生物,如FAPI-01、FAPI-02、FAPI-04、FAPI-46[11]和FAPI-74[12]等,其中FAPI-04和FAPI-46是目前临床转化报道较多的主要探针前体。FAPIs衍生物优势在于其结构容易修饰,药代动力学(如特异性结合、摄取内化率和速度、瘤内滞留时间)理想的衍生物容易获得。同FAPI-01及FAPI-02相比,作为FAPI-02变异体的FAPI-04,其在药代动力学上具有肿瘤摄取率高、摄取迅速和非靶组织中清除迅速的优势,更适合用于肿瘤的FAP靶向显像[7-8, 13]。FAPI-46、FAPI-21、FAPI-74等单体轻度增加了FAP靶向药物在肿瘤部位的摄取和滞留,倾向应用于靶向治疗,但相对于核素的半衰期和治疗作用发挥的时间来说,仍然太短,且其中FAPI-21在唾液腺、甲状腺和口腔黏膜部位的摄取较高[6],也进一步限制了其在治疗中的应用。

      177Lu-FAP-2286是目前文献报道的首个FAP靶向多肽,其在原发及转移肿瘤部位摄取高、保留时间长、不良反应少,因此在治疗不同侵袭性腺癌方面具有可行性[14]。同抗体相比,多肽的优势在于分子量小,无免疫原性,结构易于修饰,易于通过偶联剂、螯合物与显像元件或治疗元件稳定性结合,临床用药化学量少,不良反应可控可调,易于产业化和临床转化,具有较好的临床转化前景。

    • FAP靶向药物的显像诊断和治疗元件主要包括放射性核素和荧光,其中放射性核素包括诊断用放射性核素如放射性碘(123I、124I、125I、131I)、99Tcm68Ga、18F、64Cu、89Zr等,治疗用放射性核素如125I、131I、188Re、90Y、64Cu、177Lu、211At、153Sm、188Re、67Cu和α核素如223Ra、225Ac等,其中放射性碘、99Tcm68Ga、177Lu、18F在国内临床较易获得。而能够实现诊疗一体化的配对核素包括123I、124I 和131I,68Ga和177Lu,86Y和90Y,原因在于配对核素对FAP靶向配体的偶联方法类似,具有类似的药代动力学,通过显像核素标记FAP靶向配体进行显像,对FAP靶向治疗进行适应症患者的筛选、疗效预测、个体化剂量制定。荧光探针尤其是近红外一区和二区探针,可用于FAP靶向荧光显像及其导航的精准手术、光热治疗等[15],其中部分近红外荧光探针[16]、组合前药探针[17]和基于铁蛋白的纳米荧光学探针[18]已经成功地在小鼠体内可视化了FAP表达的肿瘤组织。

    • 诊断和治疗性元件对FAP靶向配体的标记常有两种手段,除放射性123I、124I、125I、131I等直接标记外,主要通过引入双功能螯合剂、偶联剂来实现配体与诊治元件的偶联,常用的包括1,4,7,10-四氮杂环十二烷1,4,7,10-四乙酸(1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid,DOTA)、1,4,7-三氮杂环壬烷-N,N′,N″-三乙酸(1,4,7-triazacyclononane-N,N',N''-triacetic acid,NOTA)、1,4,7-三氮杂环壬烷-1-戊二酸-4,7-二乙酸(NODAGA)、二亚乙基三胺五乙酸(Diethylenetriaminepentaacetic acid,DTPA)、去铁胺(DFO)、联肼尼克酰胺(HYNIC)、巯基乙酰三甘氨酸(MAG3)等。新的杂合络合剂如6-戊酸-6-氨基-1,4-二氮杂四乙酸 (AAZTA5)或6-戊酸-6-氨基-1,4-二氮平-三乙酸酯(DATA5M)的方酸(SA)修饰的高亲和力抑制剂,其制备简单,稳定性好,更适合温度敏感的目标分子的标记[19-20]

      FAP靶向抗体的核素标记早期多通过Iodogen或氯胺T法进行放射性碘标记进行SPECT显像,简单快捷,而通过去铁胺、DOTA、NOTA、DTPA等偶联剂进行正电子核素标记和PET显像,可以获得药代动力学定量数据,其中去铁胺更受青睐,主要原因在于偶联的89Zr半衰期合适,产物稳定性更好。

      FAPIs和FAP靶向多肽的标记,目前报道最多和最理想的是DOTA,包括68Ga、177Lu、225Ac等,其标记方法简单、产率高且稳定性良好。此外,18F易于产业化生产和供应,18F标记的糖基化FAP抑制剂(18F-FGlc-FAPI)[21]18F-Alf-FAPI-74更受关注,尤其是18F-Alf-FAPI-74表现出良好的肿瘤摄取和滞留能力[12]99Tcm186Re、188Re主要通过联肼尼克酰胺偶联,99Tcm作为目前SPECT显像最常用核素,其标记的FAPI示踪剂如99Tcm-FAPI-34具有良好的亲和力、结合性能和肿瘤摄取能力,且获得的图像质量佳[22]

    • FAP单体衍生物可在肿瘤内迅速富集,但其滞留时间短、清除快,同源二聚体的结构如[68Ga]Ga-DOTAGA.(SA.FAPi)2增加了核素在肿瘤部位的蓄积和滞留,但血液清除缓慢,非靶器官的辐射剂量增加[23],而[177Lu]Lu-DOTAGA.(SA.FAPi)2同源二聚体显示出快速内化、更高的亲和力、更长的肿瘤滞留时间等优势,且非靶器官清除快[24],为提高治疗疗效、减少不良反应提供可能。

    • 白蛋白可作为药物输送的多功能载体,其已成为增加放射性标记探针在肿瘤中的摄取和保留的一种策略。FAP靶向特异性结合与白蛋白被动扩散效应的结合,能够明显改善肿瘤摄取和保留作用[25]。4-对氯苯基丁酸及伊文思蓝(evans blue,EB)均可介导FAPI与白蛋白结合,增加FAPI在肿瘤中的快速摄取、高亲和力结合、长时间循环和瘤内滞留[26],且177Lu-EB-FAPI-B1比B2、B3和B4具有更高的肿瘤摄取率和更低的正常组织信号,这体现了EB修饰的FAPI与白蛋白的结合和释放动态变化,影响后续治疗周期和剂量的平衡[27]

    • CAF是纳米粒子深入渗透肿瘤的重要屏障,基于可切割的两亲性多肽(cleavable amphiphilic peptide,CAP)制备的刺激响应型纳米载体可以打破基质屏障,促进局部药物积累,极大地提高了肿瘤靶向和药物输送效率[28]。双重响应型(FAP-α响应型和热敏型)脂质-白蛋白纳米粒(HSA-BMS@CAP-ILTSL),可在FAP-α和温和的光热刺激下快速释放HSA-BMS(10 nm),实现了肿瘤内纳米颗粒大小的调整策略,增加了对肿瘤细胞的摄取,延长了循环时间,增加了肿瘤蓄积[29]

    • 根据肿瘤FAP表达水平和对FAP靶向显像剂的摄取率,Kratochwil等[13]初步将不同的实体肿瘤分为高摄取组(SUVmax>12,如肉瘤、乳腺癌、食管癌、肺癌和胃癌)、中摄取组(SUVmax为6~12,如肝细胞癌、结直肠癌、头颈癌、卵巢癌、胰腺癌和前列腺癌)和低摄取组(SUVmax<6,如嗜铬细胞瘤、肾细胞癌、DTC和腺样囊性癌),为肿瘤的显像诊断、精准分期、疗效评估及未来的FAP靶向治疗提供了新思路,并被辅助用于胶质母细胞瘤、头颈部肿瘤和下消化道肿瘤[30-32]患者的靶区勾画和放疗计划的制定。

    • 低度恶性肉瘤对18F- FDG的摄取较低,而肉瘤间质和肿瘤细胞均呈FAP高丰度表达,对放射性核素标记的FAPI摄取高[33]。乳腺癌原发病灶、转移病灶对68Ga-FAPI的摄取(肿瘤/非肿瘤摄取比值)明显高于18F-FDG,更利于微小病灶的探测,提高诊断和临床分期的准确性,且结合月经周期可有效排除子宫内膜和乳腺的生理性摄取干扰[34]。在食管癌患者中,同18F-FDG 相比,68Ga-FAPI PET/CT成像显示出更好的摄取和肿瘤靶区勾画的边界[35]。对肺癌的分期及病理类型诊断,FAP靶向显像剂比18F-FDG显示出更好的价值,如对肺腺癌的初级分期,对脑、淋巴结、骨和胸膜等肺癌转移灶的精准分期等[36];不同病理类型的转移灶之间的摄取不同,可能对区分不同病理类型的肺癌具有重要意义[37]。FAP在胃癌中高表达,可能与胃癌分级高、腹膜浸润、预后差有关[38],FAP显像比18F-FDG有更高的肿瘤摄取率和灵敏度,尤其是在识别胃印戒细胞癌的原发性和转移性病变方面更具优势[39]

    • 18F-FDG相比,68Ga-FAPI-04等FAP靶向显像剂在正常脑组织、肝脏、腹腔中的分布极少且清除迅速,且FAP靶向显像显示肝脏、骨骼、腹膜、网膜和肠系膜等部位转移灶的SUVmax高于18F-FDG PET/CT[40],因此FAP靶向显像更利于头颈部肿瘤(鼻咽癌)、肝细胞癌、结直肠癌、卵巢癌、胰腺癌和前列腺癌等中摄取组肿瘤原发灶和转移灶的检测,尤其是在原发和转移性肝脏恶性肿瘤的鉴别诊断方面,68Ga-FAPI-04的诊断灵敏度与增强CT和MRI相当[41]。FAP存在于97%的卵巢癌中,与不良的临床预后、化疗耐药性等相关[42],且在健康卵巢中不表达,为卵巢癌的治疗提供了一个潜在的靶点。有关胰腺癌的研究结果显示,双时相FAP靶向显像可能有助于鉴别高FAP表达的胰腺炎和恶性肿瘤[43-44]。在前列腺特异性膜抗原低表达前列腺癌的诊断中,FAP靶向PET成像可以得到更准确的结果,但FAP表达的异质性,阻碍了其在诊断早期前列腺癌中的应用[45]

    • 虽然在嗜铬细胞瘤、DTC、肾细胞癌和腺样囊性癌中,68Ga-FAPI的SUVmax较低,但FAPI显像在这些肿瘤中仍具有重要作用。如[177Lu]Lu -DOTAGA.(SA.FAPi) 2(新型成纤维细胞激活蛋白抑制剂)似乎为放射性碘难治性DTC患者开辟了一条新的治疗途径[46]。对于肾细胞癌,FAP在预测其分级和分期上可发挥一定作用[47]。在腺样囊性癌中,FAPI显像与CT和MRI相比,提高了放射治疗靶区勾画的准确性[48],因此FAPI在腺样囊性癌中也具有一定的应用价值。

    • FAP靶向显像为靶向核素治疗提供了分子影像数据支持和患者筛选,目前基于FAPIs的90Y-FAPI-04和基于多肽的177Lu-2286等药物已被用于临床转化的研究,结果显示,其可在肿瘤中高浓聚,也能缓解患者的临床症状。FAPIs、多肽等肿瘤滞留时间仍不够理想,这是FAP靶向治疗需要克服的困难,FAP靶向纳米抗体、新剂型的研发有望解决这一难题。α核素作为射程短、生物学效应极强的核素,近年来备受关注,FAP靶向药物在正常组织中的分布少且清除迅速的特性,为α核素标记FAP靶向药物走向临床提供了可能[49-50]。荧光标记的FAP靶向药物如铁蛋白轻链-S-S0456,以高亲和力和高特异性在实体瘤中聚集,可精准导航手术[51]。随着光热荧光剂的转化,FAP靶向肿瘤的光热治疗也具有一定的潜力。

    • FAP除在CAF和某些恶性组织的转化细胞中过度表达外,在良性疾病的细胞和正常组织的重塑过程中也有选择性的表达。在肠结核、胰腺结核、腹膜结核、肝圆韧带原发性孤立性结核中,与18F-FDG PET/CT相比,68Ga-FAPI PET/CT在相同病灶中的FAPI 摄取更多[52-55]。FAP在心肌梗死后活化的成纤维细胞及心脏缺血组织中高表达,且参与心肌缺血损伤后梗死区周围的重构[56]。在免疫球蛋白G亚型4相关疾病中,FAP靶向显像可以区分炎症与纤维化活性,为免疫球蛋白G亚型4相关性疾病的诊断、鉴别诊断及治疗提供帮助[57]。在类风湿性关节炎中,FAP的上调使其成为潜在的治疗靶点[58]

    • FAP作为一种良好的肿瘤靶点,随着靶向配体、偶联剂和显像治疗元件的不断研发和涌现,其在肿瘤靶向显像用于肿瘤分子水平的诊断、临床分期、小病灶的早期探测、靶向治疗患者筛选、放疗计划制定、精准手术导航中的角色越来越明显。尤其是随着纳米抗体、抗体片段、优良结构的小分子抑制剂和多肽、结合稳定的偶联剂、响应性纳米转运系统的构建,在保证肿瘤靶向聚集和非肿瘤组织迅速清除的基础上,有效延长其在肿瘤内的滞留时间来提高其生物学作用,将有力推动其临床转化,新的治疗性核素如α核素和光热材料、近红外二区探针也为FAP靶向治疗提供了新的思路和方向。除在肿瘤的应用中显示出明显的优势外,其在部分FAP高表达的炎性疾病中,有望提高对疾病或疾病病程的认识,也为部分炎性疾病的治疗提供新的靶点。

      利益冲突 所有作者声明无利益冲突

      作者贡献声明 吴丹丹负责综述的撰写与修订、数据的获取与分析;邵国强负责命题的提出、设计及最终版本的修订;孔霞和张莉负责文献资料的获取、提供与分析

参考文献 (58)

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