面向肿瘤精准医疗的磁共振分子成像靶向对比剂：从设计到临床转化
本文作者为美国凯斯西储大学生物医学工程系的Zheng-Rong Lu教授团队及其合作者，文章于2022年9月19日发表在《Accounts of Chemical Research》期刊上。这是一篇综合性述评，系统性地总结了作者团队在开发用于癌症磁共振分子成像的临床可转化靶向对比剂方面的研究进展、策略和未来展望，特别聚焦于其主导的候选药物MT218的研发历程。
论文主旨与背景
本文的核心主题是探讨如何克服磁共振分子成像在癌症精准医疗应用中的关键障碍，即灵敏度不足的问题，并阐述开发安全、有效、可临床转化的靶向磁共振对比剂的系统性策略。磁共振成像因其无辐射、高软组织分辨率和三维成像能力，是临床诊断的重要工具。然而，传统钆基对比剂并非肿瘤特异性，仅依靠血管渗漏被动积累，难以区分肿瘤与正常组织的细微差异。磁共振分子成像旨在通过靶向特定的癌症相关生物标志物，在分子水平可视化肿瘤生物学过程，从而实现早期诊断、风险分层和治疗监测。然而，MRI的检测灵敏度在微摩尔级别，而大多数细胞表面的癌蛋白标志物浓度仅为纳摩尔级别，这一矛盾是MRMI面临的主要挑战。此外，靶向对比剂还必须满足监管机构严格的安全性要求。迄今为止，美国食品药品监督管理局尚未批准任何用于癌症MRMI的靶向对比剂。
作者指出，解决灵敏度问题的务实策略是瞄准肿瘤微环境中丰度较高的靶点，而非低表达的细胞表面受体。肿瘤细胞外基质在肿瘤发生、侵袭和耐药中扮演关键角色，其成分在肿瘤中发生重塑，浓度远高于细胞靶点，为小分子靶向对比剂提供了理想的结合位点。其中，纤连蛋白，特别是其外结构域B亚型，因其在多种侵袭性肿瘤中特异性高表达，并与肿瘤侵袭性、患者不良预后及耐药性密切相关，被作者团队鉴定为一个极具前景的靶点。EDB-FN在肿瘤ECM中的浓度可达微摩尔水平，且易于被小分子探针接近。
主要论点与论据
1. 靶点选择：肿瘤微环境中的高丰度ECM蛋白是理想靶标。 作者强调，成功的MRMI对比剂开发始于正确的靶点选择。过去的努力多集中于靶向癌胚抗原或αvβ3整合素等细胞表面靶点，但由于其低丰度，即使使用抗体等高亲和力配体，也难以在MRI的检测限内产生足够信号。作者团队将目光转向肿瘤微环境，尤其是重塑的细胞外基质。ECM成分如胶原蛋白、弹性蛋白、纤维蛋白和纤连蛋白在病变组织中浓度极高。他们早期的工作聚焦于肿瘤中特异性形成的纤维蛋白-纤连蛋白复合物，并设计了靶向该复合物的小肽段（如CLT1, CREKA）偶联的GBCA。这些研究证明，靶向高丰度ECM靶点的小分子对比剂能够在临床剂量下有效增强实体瘤的MRMI信号，甚至能够检测到亚毫米级的癌症微转移灶，突破了现有临床成像模式的检测极限。这为MRMI的可行性提供了关键概念验证。
2. 配体选择：小肽段是平衡靶向性与安全性的优选。 确定了ECM靶点后，选择合适的靶向配体至关重要。为了实现快速肿瘤渗透和注射后快速清除（以满足安全性要求），配体需要分子量小、亲水性强、且带负电荷以减少非特异性结合。针对EDB-FN，作者团队采用噬菌体展示技术筛选出仅含7个氨基酸的线性肽段ZD2（序列：Tyr-Val-Arg-Thr-Ser-Ala-Asp）。与抗体、抗体片段或纳米抗体相比，ZD2肽段分子量小，合成成本低，且具有适中的结合亲和力（KD ~1.7-3.45 μM）。实验证明，ZD2肽段与抗EDB-FN的单克隆抗体（BC-1）竞争结合人前列腺癌和胰腺癌组织切片中的同一靶点，并在荷瘤小鼠体内PET成像中显示出高度的肿瘤特异性，正常组织除排泄器官外无明显摄取。这表明ZD2肽段是一个特异性高、适合用于构建小分子靶向对比剂的理想配体。
3. 结构设计：基于大环钆螯合物的稳定构建是安全性的基石。 对比剂的结构设计直接决定了其理化性质、药代动力学、安全性和有效性。作者团队选择使用大环钆螯合物作为信号单元，因为与线性螯合物相比，大环结构（如DOTA和HP-DO3A的Gd(III)配合物）具有更高的动力学稳定性，能有效抵抗体内金属离子置换，减少游离钆离子的释放，从而避免肾源性系统性纤维化等安全风险。他们通过点击化学等方法，将ZD2肽段与Gd(HP-DO3A)螯合物连接，合成了ZD2-Gd(HP-DO3A)。进一步优化中，他们移除了连接臂，得到了结构更简洁、弛豫率更高的ZD2-N3-Gd(HP-DO3A)，即MT218。MT218的合成路线直接，已实现公斤级规模生产，为其临床转化奠定了基础。文中还展示了其他多价肽段-钆螯合物偶联物的设计（如CLT1-DL-(Gd-DOTA)4），通过增加每个分子的钆负载量和减慢分子旋转，显著提高了弛豫率。
4. 临床前验证：MT218在多种癌症模型中展现诊断与预后评估潜力。 文章详细阐述了MT218在多种临床前肿瘤模型中的有效性评估。在表达EDB-FN水平不同的前列腺癌（PC3高表达 vs LNCaP低表达）异种移植模型中，MT218能选择性地在PC3肿瘤中产生强烈的、持久的信号增强，并能渗透至肿瘤内部，而临床非靶向对比剂Gd(HP-DO3A)仅产生短暂、边缘性的增强。这表明MT218能够基于EDB-FN表达水平对肿瘤进行风险分层。类似的结果在胰腺癌、三阴性乳腺癌、结肠癌、头颈癌和肺癌模型中得到验证。更重要的是，研究显示EDB-FN的表达与上皮-间质转化及耐药性相关。在耐药结肠癌模型中，MT218的增强信号显著强于其亲代敏感株。当耐药肿瘤经MK2206·HCl治疗后（反而加速生长），MT218的信号进一步增强。此外，在利用靶向纳米颗粒递送miR-200c（一种EMT抑制剂）治疗三阴性乳腺癌的模型中，治疗后肿瘤的MT218增强信号显著降低，表明MRMI能够无创监测肿瘤对治疗的响应。这些结果证明了MT218不仅可用于肿瘤检测，还能在分子水平评估肿瘤的侵袭性、耐药性及治疗反应。
5. 临床前药学和安全性评估：MT218满足IND申报要求。 安全性是任何对比剂获得监管批准的首要考量。作者团队对MT218进行了全面的临床前评估。药代动力学研究表明，MT218在啮齿类和犬类体内的半衰期、分布容积和清除率与已上市的临床大环钆对比剂相似，主要通过肾脏快速清除，且在大脑中无明显滞留，这回应了业界对钆剂脑部沉积的担忧。稳定性测试表明，MT218在血浆中具有可接受的酶解半衰期，且其钆螯合物在生理条件下对锌离子和其他螯合剂（如DTPA、EDTA）具有优异的动力学稳定性。毒理学研究显示，MT218在单次和重复给药实验中，在远高于计划临床剂量的水平下，未观察到不良反应水平值令人满意，且无溶血、免疫原性、遗传毒性或显著的心脏、中枢神经系统副作用。基于这些全面的数据，MT218于2021年获得了FDA的新药临床试验批准，成为首个进入临床试验阶段的小分子肿瘤特异性MRI对比剂。
6. 未来展望：拓展靶点、探索新型高弛豫率及非钆基对比剂。 文章最后展望了癌症特异性MRI对比剂未来的发展方向。首先，可以探索靶向肿瘤微环境中其他生物标志物（如EDA-FN、IIICS糖基化FN）的对比剂，以揭示不同的癌症生物学过程。其次，开发具有更高弛豫率的靶向对比剂，例如基于钆富勒烯的探针（如ZD2-Gd3N@C80），其弛豫率是临床GBCA的20-40倍，能在极低剂量下产生强信号，但规模化生产和成本是挑战。第三，开发基于非钆的对比剂，如稳定的锰(II)螯合物或基于化学交换饱和转移机制的探针，以应对钆剂可能存在的长期安全性顾虑。作者强调，MRMI对比剂的开发需要化学、癌症生物学、工程学、MR物理和肿瘤学等多学科的紧密合作。
论文的意义与价值
这篇述评不仅是对作者团队近二十年研究工作的系统性总结，更提供了一个开发临床可转化靶向MR对比剂的可复制范式。该范式涵盖了从靶点识别与验证、配体筛选与优化、基于安全性的分子结构设计、理化与药代动力学表征、临床前疗效验证，到全面的安全性评估这一完整链条。文章的核心价值在于论证了通过靶向肿瘤微环境中高丰度、可及性强、且与癌症恶性生物学行为相关的ECM蛋白，使用安全、可快速清除的小分子肽段-大环钆螯合物偶联物，是克服MRI灵敏度限制、实现高分辨率癌症分子成像的一条务实且有效的路径。MT218进入临床试验标志着该领域的一个重要里程碑，为未来基于MRMI的癌症精准诊断、风险分层和治疗监测奠定了基础，展示了分子影像学在精准医疗时代的巨大潜力。