放射性分子影像引導的活體生物正交剪切系統揭示細胞焦亡的抗腫瘤免疫功能

尹航

清華大學藥學院，清華-北大生命科學聯合中心，北京 100082

(a) PET-CT分子影像在活體內示蹤“雙靶向”生物正交剪切系統。(b)硼氨酸介導的生物正交剪切系統可在腫瘤內選擇性釋放Gasdermin焦亡蛋白，在動物模型上顯著抑制腫瘤生長。

功能蛋白調控是癌癥治療的關鍵，但其作用位置、引發機制及調控網絡之間的關系錯綜復雜，研究難度很大1。事實上，實現腫瘤特異的蛋白功能調控，是對目標蛋白在腫瘤中進行表型-功能-機理研究的有力工具和必要條件，對生命科學研究和臨床藥物開發都很有意義。近年來，研究人員借助光切斷化學和金屬催化反應，已經在體外實現細胞選擇性的蛋白功能調控1,2。但是，受限于金屬催化劑的生物毒性以及光在組織中有限的穿透力，這些策略在活體內的應用還非常有限3。在活體內的，特別是腫瘤特異的蛋白功能調控，目前仍鮮有報道2,4。

為解決這一難題，北京大學劉志博研究組與北京生命科學研究所邵峰研究組一起，通過發展新型生物正交反應，賦予18F-硼氨酸腫瘤探針激活功能，實現腫瘤特異的蛋白功能調控5。在前期工作中，劉志博課題組發展了基于三氟化硼的 F-18放射性標記策略6,7，并以此為基礎將氨基酸上的羧基(―COO-)替換為三氟化硼(―BF3-)，得到了一類新的含硼氨基酸探針—硼胺酸8。經細胞及動物實驗證實，硼胺酸經特定氨基酸轉運載體進入細胞，在腫瘤內有很高的特異性攝取。研究人員發現硼氨酸上的三氟化硼基團可直接用于硅烷的脫除反應，進而賦予18F-硼氨酸探針激活的功能(Probing-to-Perturbing)，并在細胞以及活體水平上構建了硼氨酸介導的生物正交剪切系統。結合PET分子影像，研究人員發現18F-硼氨酸主要在腫瘤和腎臟富集，而Zr-89標記的蛋白載體和抗體前藥主要在腫瘤和肝臟富集，兩者體內分布只在腫瘤處重合(圖a)，基于前述脫硅剪切反應及二級反應的物理化學特性，進而實現了腫瘤特異的定點藥物釋放。

該系統具有普適性，但對于需要在腫瘤細胞內選擇性釋放的蛋白更具優勢，而 Gasdermin蛋白就是一個范例。邵峰實驗室近年研究發現Gasdermin家族蛋白是細胞焦亡的執行分子9。Gasdermin蛋白在細胞內被激活后，其 N端結構域在細胞膜上寡聚成孔，最終導致細胞裂解性死亡，誘導強烈的炎癥反應9。有證據顯示，正常組織上發生細胞焦亡將會帶來嚴重的副作用10。研究人員在動物模型上系統評估了放射性分子影像導航的“雙靶向”腫瘤細胞焦亡，發現其有顯著的腫瘤抑制效果(圖 b)，且沒有引發可見的副作用。同時，發現低于 15%腫瘤細胞焦亡足以清除整個4T1乳腺腫瘤，且腫瘤細胞焦亡可使腫瘤對免疫治療更敏感。由此，該“雙靶向”剪切系統在國際上首次揭示了細胞焦亡的抗腫瘤免疫功能，并證實其可與免疫治療抗體協同用于癌癥治療。

上述研究工作近期在Nature上在線發表5。該研究工作一方面展現了放射性分子影像導航的“雙靶向”生物正交剪切系統效率高、腫瘤靶向性好的優勢。利用這個新穎的生物正交化學，該研究揭示少部分的腫瘤細胞發生焦亡，就足以有效調節腫瘤免疫微環境，為腫瘤免疫治療藥物研發提供了新的思路。同時，該研究也展現了將分子探針改造為激活劑(Probing-to-Perturbing)這一設想在體內可控釋放上的巨大潛力，為蛋白偶聯藥物等前藥及載藥體系的發展提供了新方向。