基于选择性乙烯基砜的探针的开发和临床前评估，用于肿瘤相关组织蛋白酶的PET成像

《EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry》：Development and preclinical evaluation of selective vinyl sulfone-based probes for PET imaging of tumor-associated cathepsins

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摘要

背景

半胱氨酸组织蛋白酶L（CatL）正在成为癌症进展的关键生物标志物，这使其成为无创分子成像的理想候选者。为了直接监测酶活性而不仅仅是蛋白质表达，基于活性的探针（ABPs）可以通过共价结合到酶的活性位点来选择性靶向这些酶。尽管 vinyl sulfones 是公认的不可逆的組織蛋白酶抑制剂，但它们作为正电子发射断层扫描（PET）探针的应用尚未得到探索。在本研究中，我们描述了一种新型的 ⁶⁸Ga 标记的 vinyl sulfone 基础探针的设计、合成和评估工作，这些探针专门针对 CatL。

结果

基于已建立的 vinyl sulfone 架构 K11777（K777），合成了一系列 ABPs。结构-活性关系（SAR）分析表明，在 P1 位置保留同型苯丙氨酸（hPhe）残基比相应的亮氨酸（Leu）类似物具有更强的 CatL 功能。对 P3 位置不同连接剂的评估进一步发现，聚乙二醇（PEG）连接剂能够保持较高的 CatL 选择性，而哌嗪连接剂则增加了对组织蛋白酶 B（CatB）的脱靶结合。基于这些发现，选择了两种代表性的放射性示踪剂进行进一步的生物学评估：PEG2 连接的 [⁶⁸Ga]CREANT-101 和哌嗪连接的 [⁶⁸Ga]CREANT-102。在健康小鼠中的体内药代动力学研究表明，[⁶⁸Ga]CREANT-102 具有较长的血液循环时间和较高的非特异性组织摄取，而 [⁶⁸Ga]CREANT-101 则表现出快速的系统清除和低背景信号，这支持了其用于肿瘤成像的选择。在 U-87 MG 和 HT-29 移植模型中，[⁶⁸Ga]CREANT-101 在体内显示出适度的绝对肿瘤摄取。然而，随后的离体肿瘤匀浆分析证实了这些探针能够成功且特异性地与目标组织中的活性组织蛋白酶结合。

结论

成功开发了一类针对 CatL 的新型 ⁶⁸Ga 标记的 vinyl sulfone ABPs，并进行了临床前评估。主要示踪剂 [⁶⁸Ga]CREANT-101 表现出高选择性和良好的背景特性，但在体内的肿瘤积累有限。离体研究结果表明，这种有限的肿瘤摄取并非由于靶点亲和力不足，而是由于细胞内化效率低下和肿瘤生物利用度受限，这可能是由于快速的系统清除和体内的代谢不稳定性所致。因此，未来对这类示踪剂的优化应集中在改善这些药代动力学特性上，以增强其在体内的肿瘤靶向能力。

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背景

半胱氨酸组织蛋白酶 L（CatL）正成为癌症进展的关键生物标志物，这使其成为无创分子成像的理想候选者。为了直接监测酶活性而不仅仅是蛋白质表达，基于活性的探针（ABPs）可以通过共价结合到酶的活性位点来选择性靶向这些酶。尽管 vinyl sulfones 是公认的不可逆的組織蛋白酶抑制剂，但它们作为正电子发射断层扫描（PET）探针的应用尚未得到探索。在本研究中，我们描述了一种新型的 <sup>68</sup>Ga 标记的 vinyl sulfone 基础探针的设计、合成和评估工作，这些探针专门针对 CatL。

结果

基于已建立的 vinyl sulfone 架构 K11777（K777），合成了一系列 ABPs。结构-活性关系（SAR）分析表明，在 P1 位置保留同型苯丙氨酸（hPhe）残基比相应的亮氨酸（Leu）类似物具有更强的 CatL 功能。对 P3 位置不同连接剂的评估进一步发现，聚乙二醇（PEG）连接剂能够保持较高的 CatL 选择性，而哌嗪连接剂则增加了对组织蛋白酶 B（CatB）的脱靶结合。基于这些发现，选择了两种代表性的放射性示踪剂进行进一步的生物学评估：PEG2 连接的 [<sup>68</sup>Ga]CREANT-101 和哌嗪连接的 [<sup>68</sup>Ga]CREANT-102。在健康小鼠中的体内药代动力学研究表明，[<sup>68</sup>Ga]CREANT-102 具有较长的血液循环时间和较高的非特异性组织摄取，而 [<sup>68</sup>Ga]CREANT-101 则表现出快速的系统清除和低背景信号，这支持了其用于肿瘤成像的选择。在 U-87 MG 和 HT-29 移植模型中，[<sup>68</sup>Ga]CREANT-101 在体内显示出适度的绝对肿瘤摄取。然而，随后的离体肿瘤匀浆分析证实了这些探针能够成功且特异性地与目标组织中的活性组织蛋白酶结合。

结论

成功开发了一类针对 CatL 的新型 <sup>68</sup>Ga 标记的 vinyl sulfone ABPs，并进行了临床前评估。主要示踪剂 [<sup>68</sup>Ga]CREANT-101 表现出高选择性和良好的背景特性，但在体内的肿瘤积累有限。离体研究结果表明，这种有限的肿瘤摄取并非由于靶点亲和力不足，而是由于细胞内化效率低下和肿瘤生物利用度受限，这可能是由于快速的系统清除和体内的代谢不稳定性所致。因此，未来对这类示踪剂的优化应集中在改善这些药代动力学特性上，以增强其在体内的肿瘤靶向能力。

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