综述：药物化学项目如何改变前列腺癌的诊断和治疗方式

本综述系统阐述了前列腺特异性膜抗原（PSMA/GCPII）靶向尿素类配体的研发历程，重点分析了基于Glu-urea scaffold的放射性药物（如18F-Pylarify和177Lu-Pluvicto）在前列腺癌诊疗领域带来的革命性突破。文章揭示了从神经递质NAAG模拟物到高亲和力小分子抑制剂的理性药物设计路径，并展望了放射性配体疗法（RLT）、小分子药物偶联物（SMDC）以及双功能靶向技术等未来发展方向。

　　

Significance, Impact, and Innovation

前列腺特异性膜抗原（PSMA），也被称为谷氨酸羧肽酶II（GCPII），已成为前列腺癌诊断和治疗的一个重要靶点。这一视角文章重点介绍了导致PSMA靶向尿素类配体开发的历程，该研究最终成就了诸如Pylarify和Pluvicto等放射性药物的临床成功。起源于乔治城大学的研究，早期的PSMA抑制剂通过合理的药物设计而演变，从神经递质NAAG和一种膦酸衍生物出发，最终简化为具有卓越抑制活性的Glu-urea支架。这些配体使得诊断性和治疗性放射性配体以及新兴的小分子药物偶联物（SMDCs）的创建成为可能。持续的创新包括双功能抗原靶向、替代的PSMA结合基序以及开发脑渗透性GCPII抑制剂的努力。

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  意义：尿素基PSMA结合基序的发现改变了前列腺癌的诊疗模式，实现了选择性成像和靶向放射性配体治疗。
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  影响：Pylarify和Pluvicto的临床采用重新定义了诊断和治疗标准，使广大患者受益，并产生了数十亿美元的市场影响。
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  创新：一个简单而通用的支架促进了诊疗学（Theranostics）的进步，包括放射性杂交配体、SMDCs和下一代抑制剂，激励着肿瘤学和神经学领域的持续转化研究。

What is Prostate Cancer and Patient Numbers

前列腺癌是美国男性中最常见的非皮肤癌，2024年美国预计有近233,000例新发病例，导致超过29,480例死亡。在全球范围内，前列腺癌是男性中第二常见的癌症，2022年导致超过140万新发病例和近40万死亡。这些统计数据激励研究人员寻找新的治疗方法来对抗这种毁灭性疾病。

前列腺癌的治疗方案多样，包括手术、放疗、冷冻疗法、高强度聚焦超声、雄激素剥夺疗法和化疗。对于转移性前列腺癌，治疗方案包括激素疗法（如阿比特龙或达洛鲁胺）、化疗（多西他赛）、靶向治疗（PARP抑制剂）以及利用人体自身免疫系统的免疫疗法（疫苗sipuleucel-T）。雄激素消融和抗雄激素药物的激素疗法仍然是晚期前列腺癌的标准治疗。虽然激素疗法在治疗初期非常有效，因为前列腺癌的生长通常是雄激素依赖性的，但对雄激素消融的反应通常持续不到18个月，并且几乎所有患者最终都会进展为激素难治性前列腺癌（HRPC）。尽管近期的化疗方案在治疗HRPC中显示出活性，但没有一个方案能带来超过轻微的生存改善。然而，对肿瘤生物学理解的进步导致了基于肿瘤细胞独特蛋白标记物来靶向治疗前列腺癌及其他癌症的新方法。几种前列腺抗原已被确定用于抗体药物偶联物（ADC）和小分子药物偶联物（SMDC）的靶向，其中研究最深入的蛋白标记物之一就是前列腺特异性膜抗原（PSMA）。

What Are GCPII and PSMA, and How Were They Discovered

W. Gerald Murphy及其在纪念斯隆-凯特琳癌症中心的合作者在1980年代末和1990年代初首次鉴定出PSMA。他们产生了针对人类前列腺癌细胞的单克隆抗体，并发现其中一个名为7E11-C5.3的抗体能够特异性结合一种在前列腺癌细胞上高表达的膜蛋白。Horoszewicz等人（与Murphy合作）发表了开创性论文，正式将PSMA描述为一种在前列腺癌细胞高水平表达、但在正常前列腺组织中表达水平低得多的前列腺细胞膜抗原。PSMA基因（称为FOLH1，叶酸水解酶1）的进一步分子克隆和表征在1990年代初由包括克利夫兰诊所的Warren Heston在内的团队完成，他们发表了该蛋白的完整分子特征。PSMA分子量约为84kD，是一种II型跨膜糖蛋白，具有胞内段、跨膜结构域和一个大的胞外结构域。PSMA位于11号染色体短臂。

PSMA的其他名称反映了其在不同组织和器官中的多种功能，因为它不仅作为叶酸水解酶，也作为神经肽酶。Coyle的研究小组发现PSMA水解肽类神经递质N-乙酰-天冬氨酰-谷氨酸（NAAG）。PSMA是锌金属肽酶M28家族成员，正式命名为谷氨酸羧肽酶II（GCPII）。除了前列腺，PSMA/GCPII还在肾脏、脾脏、小肠、唾液腺以及中枢和周围神经系统中表达。

在前列腺癌中，PSMA/GCPII通过多种机制驱动癌症生长。该酶切割维生素B9（叶酸）和其他谷氨酰化底物，释放游离谷氨酸，进而激活肿瘤细胞上的mGluR受体。mGluR激活触发下游促癌信号通路，如PI3K/AKT促进细胞存活，而MAPK/ERK激活增强生长和转移潜能。PSMA通过改变整合素信号和促进血管重塑来调节肿瘤微环境，从而为肿瘤提供更多营养和氧气。PSMA通过将多聚谷氨酰化叶酸水解为单谷氨酰化形式来增强叶酸代谢，增加叶酸摄取，并推动DNA合成、修复和表观遗传改变，从而进一步驱动前列腺癌生长。

大脑中的GCPII将N-乙酰-天冬氨酰-谷氨酸（NAAG）切割为N-乙酰-天冬氨酸（NAA）和谷氨酸。GCPII在大脑中的作用是终止NAAG的神经递质活性。NAAG是神经系统中最丰富的二肽。NAAG在高频刺激下与谷氨酸和几种不同的胺类神经递质作为共递质从神经元释放，在广泛的神经元通路中起作用。它作用于突触前mGluR3受体以抑制进一步的递质释放。在几种临床疾病的动物模型中，包括炎症性疼痛、中风、创伤性脑损伤（TBI）和记忆障碍，抑制中枢神经系统中的GCPII已被证明有效。

最初用于PSMA成像的抗体capromab pentetide是FDA批准的唯一前列腺癌成像抗体。该抗体在特异性和敏感性方面存在缺陷。基于人源化J591抗体的改进抗体已进入临床试验，并显示出能够以近100%的特异性和敏感性成像所有转移部位，尤其是骨转移。非前列腺部位表达的微量PSMA不会被成像。第二代抗体也被用于递送放射性核素和细胞毒性药物，在临床前和早期临床试验中产生了治疗反应。PSMA一个令人兴奋的方面是，它被发现强表达于所有实体瘤的新生血管中，但不在正常血管中表达。因此，PSMA似乎是针对实体瘤成像和治疗的一个重要靶点，该领域的工作继续快速推进。此外，能够以高亲和力结合PSMA的小分子的发现，为使用抗体提供了一种改变游戏规则的替代方案。

The Advent of Small Molecule Inhibitors of PSMA/GCPII

许多早期设计GCPII抑制剂的研究集中在NAAG的肽类似物上。Slusher和Jackson的这些努力最终导致了更有效的GCPII抑制剂之一，即2-（膦酰基甲基）戊二酸（2-PMPA）的鉴定。2-PMPA作为一种竞争性抑制剂，在GCPII测定中的K_i值为0.2 nM。一个结构相关但极性较小的化合物2-MPPA，即2-（3-巯基丙基）戊二酸，用巯基取代了膦酸酯，是第一个在1期双盲、安慰剂对照临床研究中测试的GCPII抑制剂。未报告不良反应。

我们在乔治城大学关于PSMA/NAAG肽酶抑制剂的工作是作为生物学系Joseph Neale和药物化学系Alan Kozikowski之间的合作开始的。制备了PMPA样品以探索其在mGluR3上的活性。在制备该分子时，产生了4,4'-膦酰基双（丁烷-1,3-二羧酸）（缩写为PBBDA）作为副产物。该化合物的生物学测定显示，它是GCPII的有效抑制剂（IC₅₀ = 21.7 nM），并且是一种mGluR3选择性激动剂，其效力与NAAG相当。回顾来看，也可以通过简化NAAG得到相同的结构，过程包括使用酮亚甲基等排体替换酰胺，去除乙酰氨基基团得到化合物1，以及对称化。虽然这个过程导致了被发现活性很弱的酮2，但用P(O)OH基团取代羰基得到了活性化合物PBBDA。这一发现引出了另一个设计思路，即用NH基团替换P(O)OH基团相邻的亚甲基基团，并恢复羰基，因为这将导致一个由两个通过羰基连接的氨基酸组成的可能抑制剂，换句话说，即一个尿素结构。其结果是一个简化的、易于合成的支架，该支架确实保留了有效的GCPII抑制活性（某些化合物在低nM至pM范围），同时进一步的构效关系（SAR）确定了最佳立体化学，并揭示了结合口袋外侧、尿素左侧（如图所示）存在一个“空穴”。事实上，我们合成并筛选了超过100个这种非常简单的化合物，使用含有克隆酶的膜制备物进行体外GCPII抑制效力测试，并鉴定出许多具有高效力的化合物。其中之一，ZJ43（Val-urea-Glu），在炎症性疼痛、精神分裂症、创伤性脑损伤、阿尔茨海默病和记忆障碍的动物模型中进行了广泛测试。从这些早期的SAR研究中可以清楚地看到，在尿素支架的这个区域可以容纳更大的取代基，从而使得能够创建带有适当放射性核素或非放射性化学弹头的成像和治疗剂。

利用这一原理，并考虑到将这些化合物用于前列腺癌成像，Kozikowski设计并合成了一个半胱氨酸-谷氨酸尿素支架，该支架可以在半胱氨酸巯基上进行烷基化以引入氟化苄基。这导致了化合物DCFBC的产生，它是Pylarify的早期前体。该化合物的非放射性版本及前体分子在乔治城大学制备，然后运送到约翰斯·霍普金斯大学进行放射性标记和测试。这项工作与PET专家Martin Pomper博士合作发表了几篇论文，证明了在动物模型和人类受试中具有强大的成像能力。

进一步利用“空穴”概念，Kozikowski的设计包括了赖氨酸-谷氨酸（Lys-Glu）尿素基序，其末端胺适用于与放射性标记部分连接。该支架最终构成了Pylarify的基础，Pylarify是用于PSMA阳性前列腺癌的首要诊断剂，在2024年为其制造商Lantheus带来了超过10亿美元的销售额。类似的尿素设计也被诺华公司用于开发Pluvicto，一种用于治疗前列腺癌的镥-177标记的治疗剂，现在年销售额超过14亿美元。进一步值得注意的是放射性杂交PSMA（例如rhPSMA7.3）配体的开发。这些是双标记剂，结合了用于¹⁸F PET成像的硅氟化物受体和用于掺入治疗性放射性核素（如¹⁷⁷Lu或²²⁵Ac）的DOTA螯合剂，从而能够使用相同的分子支架进行诊断和治疗。这种诊疗学设计提供了高PSMA亲和力、优异的成像分辨率和个人化治疗潜力，同时简化了临床流程。

What Are the Limitations of Radioligand Therapy and How Do We Do Better

尽管PSMA靶向放射性药物治疗（RPT）在成像和PSA（前列腺特异性抗原）反应方面具有显著疗效，但目前的临床数据显示出某些局限性，包括癌症复发和进展，以及辐射诱导的毒性。此外，进行成像和治疗工作所需的特殊设备和设施也是一个限制因素。放射性废物的处置是采用此类治疗时必须考虑的另一项成本。因此，科学家们现在正专注于开发小分子药物偶联物（SMDCs）。

目前相当感兴趣的是SMDCs在癌症治疗中的发展。与抗体药物偶联物（ADCs）相比，SMDCs更适用于标准有机合成方法，通常尺寸更小，免疫原性可能更低。SMDCs也可能更快地从循环中清除，减少全身暴露和脱靶毒性。连接子本身可以针对肿瘤特异性酶进行调节。SMDCs较小的尺寸也提供了更容易进入癌细胞的优势，从而允许它们用于对抗实体瘤。微转移和血管化不良区域是ADCs面临的主要挑战。例如，一个由单甲基澳瑞他汀E（MMAE）作为化学有效载荷、Lys-Glu PSMA靶向基团和转甲状腺素蛋白（TTR）配体AG10组成的三功能分子，产生了一种在与多西他赛相比时，在前列腺癌异种移植小鼠模型中显示出更低毒性、改善的半衰期和更好疗效的偶联物。据推测，TTR配体与血液中TTR的结合增加了这些分子的有效分子量，从而改善了半衰期和向肿瘤组织的渗透。

连接子的性质也投入了相当的聪明才智，因为在大多数情况下，化学弹头必须在SMDC内化后释放才能到达其最终目标。虽然迄今为止已经创造了许多独特的SMDCs，但还没有一个进入人体临床研究。相比之下，全球市场上有超过17种获批的ADCs，例如由罗氏开发的Kadcyla（曲妥珠单抗 Emtansine, T-DM1）。Kadcyla是一种HER2靶向的抗体药物偶联物（ADC），包含人源化抗HER2 IgG1曲妥珠单抗，通过稳定的硫醚连接子与微管抑制药物美登素类似物共价连接。该ADC于2013年被FDA批准用于治疗转移性乳腺癌。值得注意的是，美登素由于其严重的全身毒性和较差的治疗指数，从未被批准作为单独临床使用。重要的是，基于更短的滞留时间和/或比正常器官（如肾脏、泪腺和唾液腺）更快速、更均匀地扩散到肿瘤块中，PSMA-SMDCs的毒性特征应该比ADCs更有利。

Can We Avoid Off-Target Issues like Xerostomia

Pluvicto由于唾液腺中的脱靶辐射会导致口干症。尝试使用外部冷却来减少放射性配体在腮腺中的摄取被发现无效。为了规避这个问题，合成了三（1-丙氧基羰基乙基）2-膦酰基甲基戊二酸酯（TrisPOC, JHU-2545），作为2-PMPA的前药，以增强2-PMPA向非恶性组织的递送。在啮齿类动物中测试时，JHU-2545导致2-PMPA在啮齿类动物唾液腺和肾脏中的暴露量分别比前列腺肿瘤异种移植瘤高约3倍和53倍。此外，发现JHU-2545能将PSMA PET示踪剂[⁶⁸Ga]Ga-PSMA-11和[¹⁸F]F-DCFPyL在啮齿类动物肾脏和唾液腺中的摄取阻断高达85%，而对肿瘤影响很小。虽然这些结果令人鼓舞，但这项研究需要扩展到人体临床试验以检验其价值。

另一个值得探索的可能性是创建对前列腺癌细胞表达但唾液腺不表达的抗原具有选择性的前列腺癌靶向剂。其中一个这样的抗原是STEAP1，它在超过90%的前列腺癌中过表达，尤其是在转移性和治疗抵抗性肿瘤中。STEAP1定位于细胞表面，因此可以被抗体或SMDCs接近，同时在正常组织中表达很少，在唾液腺中表达极微，这可能提供了一个比PSMA更好的靶点。能够结合多个抗原的双功能分子的创建也是可以考虑的。

Where Are We Going Next? Can We Do Better Than the Urea Targeting Motif

虽然尿素基序在创建大量PSMA靶向放射性配体方面已被证明相当灵活，但我们考虑改进策略。Glu-Urea-Lys基团是否提供了最好的PSMA靶向基团，或者我们能找到替代品？正如我们之前所示，赖氨酸残基可以被氨基己二酸取代，以获得低nM抑制效力的化合物。事实上，在我们最近未发表的工作中，我们观察到使用这种特定的氨基酸，通过连接子与已知的PARP抑制剂连接，我们能够实现对PSMA的皮摩尔级抑制活性。然而，要确定一种氨基酸-尿素-氨基酸基序是否优于另一种，需要进行额外的筛选测定，包括适当的ADME/PK研究。鼓励下一代化学家跳出框框思考，并挑战他们去识别更好的PSMA靶向基序。

如前所述，像尿素基ZJ43这样的化合物在临床疾病的动物模型中有效，但它们未能以足够的效力穿透血脑屏障从而成为可用于临床试验的药物。尿素基序极性太强，其前药/酯形式未能提供解决方案。这再次为药物设计提供了一个有趣的机会，因为发明脑渗透性GCPII抑制剂可能潜在地应用于自闭症谱系障碍、精神分裂症、认知障碍、神经性疼痛、癫痫和创伤性脑损伤的治疗。

下一代化学家和生物学家有着大量的机会来创造新一代的PSMA/GCPII抑制剂，对患者和研究人员来说都存在巨大的潜在回报。这篇小型视角文章旨在号召其他化学家加入设计和发现重要的诊疗学方法来治疗前列腺癌的行列。