18F标记帕比司他用于组蛋白去乙酰化酶抑制剂的PET引导递送研究

作者及机构
本研究由Weill Cornell Medicine的Harikrishna Kommidi、Umberto Tosi、Uday B. Maachani、Hua Guo、Christopher S. Marnell、Benedict Law、Mark M. Souweidane和Richard Ting*共同完成，分别来自放射科（Molecular Imaging Innovations Institute）和神经外科。研究发表于《ACS Medicinal Chemistry Letters》，接收于2017年11月14日，2018年1月8日接受发表。

学术背景
组蛋白去乙酰化酶（Histone Deacetylase, HDAC）抑制剂在癌症治疗中日益受到关注，因为HDAC过表达与多种恶性肿瘤相关。然而，血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）限制了系统性给药的有效性，使得脑肿瘤治疗面临挑战。尤其是儿童弥漫性内生性脑桥胶质瘤（Diffuse Intrinsic Pontine Glioma, DIPG），其预后极差，中位生存期仅1年，目前尚无有效化疗药物。

帕比司他（Panobinostat）是一种HDAC抑制剂，已被证明对高级别胶质瘤具有潜在疗效，但其BBB穿透能力有限。因此，本研究旨在开发一种18F标记的帕比司他衍生物（Compound 1），用于正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography, PET）引导的药物递送监测，以优化脑肿瘤治疗策略。

研究流程
1. 化合物设计与合成
- 通过两步反应合成帕比司他衍生物1和2：
- 步骤1：使用溴甲基硼酸酯（Bromomethylboronic Acid Ester）对帕比司他的仲胺进行烷基化。
- 步骤2：通过氟化钾（KHF₂）处理，生成三氟硼酸盐衍生物。
- 优化合成条件：使用空间位阻较大的溴甲基硼酸酯（4）可提高产率至41%，而传统四甲基频哪醇酯仅25%。
- 通过核磁共振（¹H, ¹³C, HSQC, HMBC）验证烷基化位点。

1. 放射性标记

   • 采用同位素交换（Isotopic Exchange, IE）法进行18F标记：
     
     • 在酸性条件下（吡啶嗪-HCl缓冲液，pH 2.5），将19F-1与18F-氟离子在80°C反应25分钟。
       
     • 通过沉淀纯化，去除未反应的18F-氟离子，最终获得高纯度[18F]-1（放射化学产率49 mCi/μmol）。
       

2. 体外生物活性评估

   • 细胞毒性测试：
     
     • 使用CellTiter-Glo法检测Compound 1对DIPG-IV、DIPG-XIII、U87胶质瘤细胞和正常星形胶质细胞的IC50值。
       
     • 结果显示，1对DIPG细胞的活性与未修饰帕比司他相近（IC50 = 122 nM vs. 64 nM），而对正常星形胶质细胞毒性较低（IC50 = 5265 nM）。
       
   • 机制验证：
     
     • Western blot显示1可诱导组蛋白H3乙酰化（Acetyl-H3），与帕比司他作用机制一致。
       
     • 细胞周期分析表明1可诱导G2/M期阻滞和凋亡。
       

3. 体内PET成像

   • 通过不同给药方式（对流增强递送Convection-Enhanced Delivery, CED、腹腔注射、静脉注射）评估[18F]-1在小鼠中枢神经系统的分布。
     
   • CED递送显示脑内药物浓度显著高于其他方式（120倍），且药物在脑内滞留时间长达1小时。
     

主要结果
1. 化合物1的活性与选择性
- 1对DIPG细胞具有纳摩尔级抑制活性（IC50 = 122 nM），且对正常细胞毒性极低，表明其良好的治疗窗口。
- 结构类似的衍生物2活性显著降低（IC50 > 4358 nM），证实烷基化位点对活性的关键影响。

1. PET成像的可行性
   
   • [18F]-1可通过CED实现脑内高浓度递送，并通过PET实时监测药物分布和清除。
     
   • 与传统给药方式相比，CED可显著提高药物在脑肿瘤部位的积累。
     

结论与意义
本研究成功开发了一种18F标记的帕比司他衍生物，兼具HDAC抑制活性和PET成像功能。其科学价值在于：
1. 方法学创新：首次报道了帕比司他的18F标记策略，为其他HDAC抑制剂的放射性标记提供参考。
2. 临床应用潜力：通过PET引导的CED递送，可实时评估药物分布，避免无效给药，提高治疗精准性。
3. 转化医学意义：为DIPG等难治性脑肿瘤的个体化治疗提供了新工具。

研究亮点
1. 双功能分子设计：Compound 1同时保留药物活性和成像功能，避免了传统示踪剂的药效损失问题。
2. 高效放射性标记：采用IE法简化标记流程，无需复杂纯化步骤。
3. 临床适用性：CED与PET结合的策略可直接应用于临床，优化脑肿瘤治疗流程。

其他有价值内容
- 研究还探讨了化合物在生理pH下的稳定性（>7天），确保其适合体内应用。
- 作者指出，未来可进一步探索[18F]-1与其他治疗手段（如放疗或免疫疗法）的联合应用。

本研究为脑肿瘤的精准治疗提供了重要工具，尤其对儿童DIPG等难治性疾病具有突破性意义。