Радиофармпрепараты

Преднаправленная визуализация и радиоиммунотерапия рака с использованием антител и биоортогональной химии

Селективная доставка радионуклидов в опухоли может быть осуществлена с использованием двухэтапного подхода, при котором на первом этапе на опухоль предварительно нацелена немеченая конструкция антитела, а на втором этапе на опухоль нацелена меченная радиоактивным изотопом малая молекула. Это приводит к более быстрому клиренсу радиоактивности из нормальных тканей за счет быстрой фармакокинетики малой молекулы по сравнению с антителами. В последнее десятилетие было протестировано несколько подходов к предварительному нацеливанию, которые показали улучшение соотношения опухоли к фону и, следовательно, улучшение визуализации и терапии по сравнению с непосредственно мечеными антителами. В этом обзоре мы обсудим стратегии и применения (пре)клинических исследований концепций предварительного нацеливания, основанных на использовании биспецифичных антител, которые способны связываться как с целевым антигеном, так и с радиоактивно меченным пептидом. До настоящего времени было изучено три поколения подхода к предварительному нацеливанию на основе биспецифичных антител. Первые клинические исследования показали целесообразность и потенциал этих систем предварительного нацеливания для выявления и лечения опухолевых поражений. Однако, чтобы полностью интегрировать подход к предварительному нацеливанию в клинике, дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на наилучшем режиме и соответствующем протоколе. Кроме того, последние достижения в области использования биоортогональной химии для предварительной таргетировки опухолей позволяют предположить, что этот химический подход является привлекательной альтернативной стратегией для выявления и лечения опухолевых поражений.

Ключевые слова: предварительное нацеливание, биспецифические антитела, опухоль-ассоциированный антиген, радиоиммунодетекция, радиоиммунотерапия

Введение

Использование радиомеченых моноклональных антител (МАБ), направленных против опухоль-ассоциированных антигенов, для визуализации, характеристики и/или лечения опухолевых поражений широко изучалось в доклинических и клинических исследованиях (1-3). После внутривенной инъекции накопление радиомеченых МАБ в опухоли происходит медленно из-за медленной экстравазации и проникновения в ткани интактных антител. Различные физиологические барьеры между кровообращением и поверхностью опухолевых клеток, такие как сосудистый эндотелий, относительно большие расстояния транспортировки и высокое давление интерстициальной жидкости в опухолях, препятствуют быстрому накоплению антител в опухоли (4). В результате в опухоли локализуется лишь небольшая часть введенной активности. Несмотря на это неэффективное прицеливание, в различных клинических условиях этот подход может быть эффективным: особенно радиочувствительные опухоли, такие как неходжкинские лимфомы, могут реагировать на лечение радиоактивно меченными анти-CD20 антителами (5). Эффективная радиоиммунотерапия (РИТ) требует высокого поглощения опухолью и быстрого клиренса радиоактивности из нормальных тканей. Были исследованы различные подходы для улучшения таргетирования опухоли, такие как сокращение периода полураспада циркулирующих антител (4). Методы молекулярной инженерии позволили получить антитела, которые быстрее выводятся из крови. Однако при направленной доставке антител в опухоль встает ключевая дилемма: с одной стороны, высокий уровень МАБ в циркуляции является движущей силой для накопления МАБ в опухоли; с другой стороны, клиренс из нормальных тканей должен оставаться быстрым. Поэтому необходимы инновационные подходы для усиления накопления опухолью при ограничении удержания в нормальных тканях. Предварительная направленная доставка – это подход к решению этой проблемы. Было разработано несколько систем предварительного нацеливания, в том числе система предварительного нацеливания авидин/стрептавидин-биотин (4, 6), использующая чрезвычайно высокую аффинность связывания между биотином и (стрепт)авидином (Kd = 4 × 10-14 М) (7), ДНК- система предварительного нацеливания на комплементарную ДНК, которая основана на взаимодействии с высокой аффинностью между комплементарными олигомерами (8–11), системы предварительного нацеливания, основанные на использовании биспецифичных антител (bsAb), и недавно был опубликован новый подход к предварительному нацеливанию, основанный на высокоселективных биоортогональных химических реакциях (12, 13). Все системы предварительного нацеливания перспективны, однако каждый из этих подходов имеет свои преимущества и ограничения. Для авидина/стрептавидина наиболее существенным ограничением является иммуногенность предрасполагающих агентов: (стрепт)авидин является белком, который не может быть гуманизирован. Кроме того, наличие эндогенного биотина, который может вмешиваться в работу системы, и необходимость использования очищающего агента для удаления остаточного антитела из циркуляции перед введением радиомеченого биотина ограничивают применение этой системы (14). Что касается ДНК-комплементарной системы предварительного нацеливания на связывание ДНК, не сообщается об иммуногенных проблемах или осложнениях из-за присутствия конкурирующих эндогенных видов. Однако олигонуклеотиды должны быть модифицированы, чтобы предотвратить быструю деградацию ДНК и/или РНК (11). Концепция предварительного нацеливания, основанная на использовании bsAb, направленного как против целевого антигена, так и радиоактивно меченного гаптена, осуществляется в следующие два этапа. На первом этапе вводится bsAb. После того, как bsAb накапливается в опухоли благодаря специфическому связыванию с антигеном, ассоциированным с опухолью, и выводится из крови, вводится меченый радиоактивным изотопом пептид, несущий гаптен. Эта небольшая молекула будет захвачена в опухоли путем связывания с bsAb или быстро выведена из организма через почки. Схематический обзор этой стратегии предварительного нацеливания показан на Рисунке 1. В зависимости от используемого радионуклида метод предварительного нацеливания может использоваться для визуализации или лечения опухолевых поражений, например, с использованием 111In и 99mTc для визуализации с помощью однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ), 68Ga или 18F для получения изображений с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), или 131I, 90Y и 177Lu для предварительно нацеленной радиоиммунотерапии (ПРИТ). Существенным преимуществом этой системы по сравнению с подходами, основанными на биотин/авидине, является то, что основной агент предварительного нацеливания, bsAb, может быть гуманизирован для снижения его иммуногенности. Кроме того, более низкая аффинность связывания bsAb-гаптена по сравнению со связыванием авидина-биотина приводит к быстрой диссоциации bsAb из гаптена в кровотоке, что исключает необходимость в очищающем агенте. В последнее десятилетие было внесено несколько улучшений в эту систему, что привело к гибкой универсальной и эффективной системе предварительного таргетирования. Однако нековалентное связывание между радиоактивно меченным гаптеном и биспецифическим антителом на поверхности опухолевых клеток ограничивает удержание радиоактивно меченного гаптен-пептида в опухоли. Недавние разработки в области использования биоортогональной химии (см. Быстрое и селективное образование ковалентной связи между агентом предварительного нацеливания и радиоактивно меченным агентом in vivo) очень многообещающие и показывают потенциал этой системы для эффективного предварительного нацеливания опухолей. Таким образом, эта система химического предварительного нацеливания на основе bsAb является привлекательной альтернативой других методик.

 

1.png

Рисунок 1. Схематический обзор стратегии предварительного таргетинга. Во-первых, опухоли предварительно нацелены биспецифичными антителами (bsAb). Во-вторых, небольшой радиоактивно меченный гаптеновый пептид вводится внутривенно и связывается с предварительно нацеленным bsAb на опухолевые клетки.

В этом обзоре мы сосредоточимся на концепции предварительного таргетинга, основанной на использовании bsAb, и дополнительно обсудим потенциал и ограничения этого нового подхода биоортогональной химии.

Системы нацеливания на биспецифичные антитела

Первые исследования по использованию двухступенчатой системы для нацеливания на опухоли были описаны Reardan с соавторами (15). В этой группе использовали антитела против радиоактивно меченного ЭДТА. Данное исследование показало, что, отделяя нацеливание опухоли антителом от нацеливания радионуклидов, можно получить улучшенные соотношения опухоль-неопухоль (16). Эти антитела не имели сродства к опухоли и пассивно накапливались из-за повышенной проницаемости и эффекта удержания в опухоли (4, 17, 18). Для специфического предварительного нацеливания опухолей требуется bsAb, направленный как против ассоциированных с опухолью антигенов, так и у радиоактивно меченного агента.

 

Первое поколение; противоопухолевые Fab' × антихелатно-металлические Fab' фрагменты

Первое поколение bsAb для специфических методов предварительного нацеливания представляло собой химически конъюгированные фрагменты противоопухолевых Fab' × антихелатно-металлических Fab' фрагментов (6). Несколько доклинических исследований выявили хорошее накопление опухолью (19, 20). Stickney с соавторами связывал сульфгидрильные группы Fab '-фрагментов анти-СЕА с таковыми антибензил-ЭДТА с образованием бифункционального антитела F(ab')2 (19). Потенциал этого анти-CEA × анти-бензил-ЭДТА F(ab ')2 оценивали у мышей, несущих ксенотрансплантаты опухоли толстой кишки. Анти-CEA × анти-бензил-ЭДТА Fab '× Fab' вводили за 24 ч до внутривенного введения 111In-меченного бензил-ЭДТА. Один день спустя биораспределение выявило накопление опухолью 18,5% ID/г, тогда как уровень в крови был 1,3% ID/г. Чтобы оценить использование этого подхода у пациентов с рецидивом рака толстой кишки, было проведено клиническое исследование. У 14 пациентов 20 из 21 известных опухолевых очагов были обнаружены сцинтиграфической визуализацией. Кроме того, было обнаружено девять неизвестных поражений, восемь из которых можно было подтвердить.

 

Второе поколение; использование двухвалентного радиоактивно меченного гаптен-пептида

Система предварительного нацеливания с использованием противоопухолевых Fab '× антихелатно-металлических Fab' фрагментов была основана на одновалентном связывании с комплексом хелат-радиометалл в опухоли. Стабильность такого комплекса ограничена, и может произойти быстрое высвобождение радиоактивно меченного хелата из опухоли (21). Le Dousall с соавторами сообщается об улучшении стабильности комплекса с использованием двухвалентного гаптен-пептида (22). У мышей BALB/c внутривенная инъекция bsAb, направлена против антигена lyb8.2 и динитрофенила гаптена (ДНФ), с последующим введением моно [N-ε-(2,4-динитрофенила)-1-лизил-диэтилентриаминпентауксусной кислоты (ДНФ-ДТПА)] или двухвалентной (ди-ДНФ-ДТПА).

125I-двухвалентное производное ДНФ продемонстрировало значительно более высокое связывание по сравнению с моновалентным производным с предварительно нацеленными клетками (для моновалентных 23 против 65% ID/г для двухвалентного производного). Предполагалось, что на поверхности клетки двухвалентный гаптен может сшивать два bsAb, тем самым стабилизируя не только связывание с bsAb, но и связывание bsAb с опухолью. Эта так называемая система повышения аффинности (AES) улучшает нацеливание на опухоль и удержание меченого радиоактивным изотопом ди-гаптен-пептида (20, 22). Эта AES была подтверждена различными группами на нескольких живых моделях, в которых наблюдалось усиленное накопление опухолью и улучшенная задержка радиоактивно меченного ди-гаптен-пептида (23-28). Например, использование bsAb в комбинации с двухвалентным 111In-ДТПА-пептидом привело к накоплению опухолью 3,5% ID/г, тогда как накоплению опухолью моновалентной ДТПА составило 2,8% ID/г у мышей с подкожным ксенотрансплантатом. Ксенотрансплантат меланомы A375. Выраженный эффект AES наблюдался у голых мышей с ксенотрансплантатами почечно-клеточного рака, используя bsAb, направленный против антигена G250, ассоциированного с почечно-клеточным раком, в сочетании с двухвалентным пептидом гаптен, Phe –Lys(ДТПА-111In)–Tyr–Lys(ДТПА-111In) ), 111In-ди-ДТПА (16). Через 1 час после введения гаптена наблюдалось почти в 10 раз более высокое накопление опухолью 111In-ди-ДТПА (80% ID/г) по сравнению с моновалентным 111In-ДТПА (9% ID/г; Рисунок 2). Более того, удержание радиоактивной метки в опухоли через 72 ч после введения было значительно выше для 111In-di-ДТПА (93 ± 41% ID/г) по сравнению с 111In-ДТПА(0,9 ± 0,1% ID/г).

2.png

Рисунок 2. Биораспределение 111In-ди-ДТПА (A) и 111In-ДТПА (B) через 1-72 ч после введения радиоактивности у голых мышей с подкожной опухолью NU-12. Мыши получали 100 пмоль G250 × DTIn1 bsAb внутривенно и через 3 дня 7 пмоль 111In-ДТПА или 111In-диДТПА. В качестве ссылки отдельный набор голых мышей с подкожной гетеротрансплантацией. Ксенотрансплантаты NU-12 получали непосредственно меченое антитело 111In-ДТПА-G250 (C). Это исследование было первоначально опубликовано в «Cancer Research» Boerman с соавтрами (16).


Литература

1. Fleuren EDG, Versleijen-Jonkers YMH, Heskamp S, van Herpen CML, Oyen WJG, van der Graaf WTA, et al. Theranostic applications of antibodies in oncology. Mol Oncol (2014) 8(4):799–812. doi: 10.1016/j.molonc.2014.03.010

2. Heskamp S, van Laarhoven HW, Oyen WJ, van der Graaf WT, Boerman OC. Tumor-receptor imaging in breast cancer: a tool for patient selection and response monitoring. Curr Mol Med (2013) 13(10):1506–22. doi:10.2174/1566524013666131111120638

3. Goldenberg DM, Sharkey RM. Using antibodies to target cancer therapeutics. Expert Opin Biol Ther (2012) 12(9):1173–90. doi:10.1517/14712598.2012.693472

4. Boerman OC, van Schaijk FG, Oyen WJG, Corstens FHM. Pretargeted radioimmunotherapy of cancer: progress step by step. J Nucl Med (2003) 44(3):400–11.

5. Kong F-L, Ford RJ, Yang DJ. Managing lymphoma with non-FDG radiotracers: current clinical and preclinical applications. Biomed Res Int (2013) 2013:12. doi:10.1155/2013/626910

6. Sharkey R, Chang C-H, Rossi E, McBride W, Goldenberg D. Pretargeting: taking an alternate route for localizing radionuclides. Tumor Biol (2012) 33(3):591–600. doi:10.1007/s13277-012-0367-6

7. Hnatowich DJ, Virzi F, Rusckowski M. Investigations of avidin and biotin for imaging applications. J Nucl Med (1987) 28(8):1294–302.

8. Liu G, Dou S, Baker S, Akalin A, Cheng D, Chen L, et al. A preclinical 188Re tumor therapeutic investigation using MORF/cMORF pretargeting and an antiTAG-72 antibody CC49. Cancer Biol Ther (2010) 10(8):767–74. doi:10.4161/cbt.10.8.12879

9. Liu G, Dou S, Pretorius PH, Liu X, Chen L, Rusckowski M, et al. Tumor pretargeting in mice using MORF conjugated CC49 antibody and radiolabeled complimentary cMORF effector. Q J Nucl Med Mol Imaging (2010) 54(3):333–40.

10. He J, Wang Y, Dou S, Liu X, Zhang S, Liu G, et al. Affinity enhancement pretargeting: synthesis and testing of a 99mTc-labeled bivalent MORF. Mol Pharm (2010) 7(4):1118–24. doi:10.1021/mp9002909

11. He J, Liu G, Gupta S, Zhang Y, Rusckowski M, Hnatowich DJ. Amplification targeting: a modified pretargeting approach with potential for signal amplification – proof of a concept. J Nucl Med (2004) 45(6):1087–95.

12. Carroll L, Evans HL, Aboagye EO, Spivey AC. Bioorthogonal chemistry for pre-targeted molecular imaging – progress and prospects. Org Biomol Chem (2013) 11(35):5772–81. doi:10.1039/c3ob40897c

13. King M, Wagner A. Developments in the field of bioorthogonal bond forming reactions-past and present trends. Bioconjug Chem (2014) 25(5):825–39. doi:10.1021/bc500028d

14. Förster GJ, Santos EB, Smith-Jones PM, Zanzonico P, Larson SM. Pretargeted radioimmunotherapy with a single-chain antibody/streptavidin construct and radiolabeled DOTA-biotin: strategies for reduction of the renal dose. J Nucl Med (2006) 47(1):140–9.

15. Reardan DT, Meares CF, Goodwin DA, McTigue M, David GS, Stone MR, et al. Antibodies against metal chelates. Nature (1985) 316(6025):265–8. doi:10.1038/316265a0

16. Boerman OC, Kranenborg MHGC, Oosterwijk E, Griffiths GL, McBride WJ, Oyen WJG, et al. Pretargeting of renal cell carcinoma: improved tumor targeting with a bivalent chelate. Cancer Res (1999) 59(17):4400–5.

17. Primus FJ, Wang RH, Goldenberg DM, Hansen HJ. Localization of human GW-39 tumors in hamsters by radiolabeled heterospecific antibody to carcinoembryonic antigen. Cancer Res (1973) 33(11):2977–82.

18. Baxter LT, Jain RK. Transport of fluid and macromolecules in tumors. I. Role of interstitial pressure and convection. Microvasc Res (1989) 37(1):77–104. doi:10.1016/0026-2862(89)90074-5

19. Stickney DR, Anderson LD, Slater JB, Ahlem CN, Kirk GA, Schweighardt SA, et al. Bifunctional antibody: a binary radiopharmaceutical delivery system for imaging colorectal carcinoma. Cancer Res (1991) 51(24):6650–5.

20. Chang CH, Sharkey RM, Rossi EA, Karacay H, McBride W, Hansen HJ, et al. Molecular advances in pretargeting radioimunotherapy with bispecific antibodies. Mol Cancer Ther (2002) 1(7):553–63.

21. Karacay H, Sharkey RM, McBride WJ, Griffiths GL, Qu Z, Chang K, et al. Pretargeting for cancer radioimmunotherapy with bispecific antibodies:? role of the bispecific antibody’s valency for the tumor target antigen. Bioconjug Chem (2002) 13(5):1054–70. doi:10.1021/bc0200172

22. Le Doussal JM, Martin M, Gautherot E, Delaage M, Barbet J. In vitro and in vivo targeting of radiolabeled monovalent and divalent haptens with dual specificity monoclonal antibody conjugates: enhanced divalent hapten affinity for cell-bound antibody conjugate. J Nucl Med (1989) 30(8):1358–66.


Автор:
Floor C. J. van de Watering, Mark Rijpkema, Marc Robillard, Wim J. G. Oyen, и Otto C. Boerman
Поделиться:

Возврат к списку