单原子工程开发放疗激活的免疫激动剂前药：解决肿瘤免疫治疗中脱靶毒性的新策略

本研究针对免疫治疗药物存在的"on-target, off-tumour"(OTOT)毒性问题，开发了"单原子工程放疗激活前药"(SAE-RAP)技术。通过在TLR7/8激动剂R848的喹啉氮原子上引入单个氧原子，使EC50值降低4000倍以上，显著减轻系统毒性。放疗可特异性激活前药，在临床前模型中触发抗肿瘤免疫并抑制原发和远端肿瘤生长，为下一代联合疗法提供了新思路。

　　

免疫治疗通过激活人体免疫系统对抗肿瘤，已成为癌症治疗的重要突破。然而，免疫治疗药物在临床应用中面临一个棘手难题——"on-target, off-tumour"(OTOT)毒性，即药物在攻击肿瘤的同时也会损伤正常组织，这种脱靶效应常导致临床试验失败。更令人担忧的是，强效药物可能引发致命的"细胞因子风暴"。如何实现药物的精准激活，在肿瘤部位特异性释放药效，同时避免全身毒性，成为当前肿瘤免疫治疗领域亟待解决的关键科学问题。

针对这一挑战，来自北京大学和昌平实验室的研究团队在《Nature Communications》发表了一项创新性研究。研究人员注意到，超过50%的癌症患者会接受放射治疗，而现代放疗技术不仅能精确杀伤肿瘤细胞，还能诱导肿瘤相关抗原(TAA)的产生，具有作为免疫治疗激活平台的独特优势。特别是放疗具有深部组织穿透能力(可达15cm)，这为开发能在活体内特异性激活的前药系统提供了可能。基于这些观察，研究团队提出了一种革命性的"单原子工程放疗激活前药"(Single Atom Engineering for Radiotherapy-Activated Prodrug, SAE-RAP)技术，用于开发可被放疗激活的小分子免疫激动剂前药。

该研究主要采用了以下关键技术方法：1)计算机辅助药物设计进行分子对接和动力学模拟；2)单原子工程化学合成技术构建前药分子库；3)体外水辐射分解实验验证前药激活机制；4)RAW-Blue报告细胞系评估TLR7/8激活效果；5)多肿瘤模型(MC38、4T1、B16)体内药效评价；6)流式细胞术分析肿瘤浸润免疫细胞亚群。研究使用的MC38、4T1等肿瘤细胞系来自标准细胞库，动物实验采用6-8周龄雌性C57BL/6J和BALB/c小鼠。

计算机辅助单原子工程设计免疫激动剂R848前药
研究团队选择强效TLR7/8激动剂R848作为模型药物。通过分子对接分析发现，R848的喹啉氮原子和C4氨基协同与TLR8二聚体界面上的Asp543形成稳定氢键，这对受体激活至关重要。受"magic methyl effect"启发，研究人员设想在喹啉氮原子上引入单个氧原子(通过简单的N-氧化反应)能否阻断免疫刺激活性。他们合成了一种名为O-R848的前药，并通过动力学模拟证实，氧原子的引入破坏了喹啉氮与D543的相互作用，导致TLR8单体位置偏移，无法锁定在激活状态。动物实验显示，O-R848系统给药显著降低了R848引起的促炎细胞因子水平，将IFN-γ和TNF-α分别降低了6.8倍和37.9倍，且未导致体重显著下降或死亡。

X射线恢复氧原子工程免疫激动剂前药的活性
研究发现，水辐射分解产生的活性物种(如羟基自由基和水合电子e_aq)可高效激活前药。实验证实，O-R848在PBS溶液中的R848释放呈辐射剂量依赖性，激活产率接近理论最大值120 nM/Gy。这种激活反应几乎是瞬时的，与水合电子的超强还原性有关。研究人员合成了11种含咪唑喹啉(IMDQ)基团的氧原子工程TLR7/8激动剂前药，通过密度泛函理论(DFT)计算和实验验证，证实这些前药均具有良好的辐射激活特性。特别值得注意的是，X射线处理的O-R848在RAW-Blue报告细胞中恢复了与R848相当的免疫刺激活性。

放疗在活细胞和活体中激活O-R848
研究证实，1μM O-R848与10 Gy X射线共同处理可显著上调骨髓来源树突细胞(BMDC)表面共刺激分子CD80和CD86的表达，促进TNF和MCP-1细胞因子的分泌，并增强T细胞增殖和IFN-γ产生。药代动力学研究表明，静脉注射O-R848(30 μmol/kg)后1小时在肿瘤组织中达到峰值浓度，此时给予6 Gy放疗可在肿瘤局部释放387.4±57 nM的R848，达到免疫激活所需浓度。在MC38、4T1和B16等多种肿瘤模型中，放疗激活O-R848显著抑制了肿瘤生长，且未引起明显体重下降或组织损伤。

放疗激活O-R848触发"远隔效应"
免疫表型分析显示，放疗激活的O-R848增加了肿瘤浸润性树突细胞(TIDC)、肿瘤相关巨噬细胞(TAM)和T细胞的浸润，同时减少了免疫抑制性髓系来源抑制细胞(MDSC)的比例。更重要的是，在原发灶接受放疗的MC38双肿瘤模型中，O-R848+X射线组不仅使照射肿瘤消退，还显著抑制了未照射的远端肿瘤生长，表现出明显的"abscopal effect"(远隔效应)。这表明局部放疗激活免疫激动剂前药可系统性地增强抗肿瘤免疫。

单原子工程前药开发平台的普适性应用
通过计算机辅助筛选，研究人员从PDB数据库中鉴定出13种可能适用于SAE-RAP技术的蛋白-配体复合物(包括TLR8-R848)。以拓扑异构酶I(TOP I)抑制剂喜树碱(CPT)为例，实验证实单个氧原子可使CPT对MC38、CT26等细胞的IC₅₀值提高11.8-22.7倍，显著降低毒性，表明SAE-RAP技术可拓展至其他靶点。

这项研究的重要意义在于：1)开发了一种通用的单原子工程前药设计技术，通过最小化结构修饰实现药物活性的精准调控；2)将放疗从传统的治疗手段转变为药物激活工具，实现了时空特异性药物释放；3)为解决免疫治疗药物的OTOT毒性提供了新思路；4)为开发下一代放疗-免疫联合治疗方案提供了技术蓝图。该技术的创新性在于将计算机辅助药物设计、辐射化学与肿瘤免疫治疗有机结合，为精准医学时代的癌症治疗开辟了新途径。