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Resumen

Due to its multi-day radioactive half-life and favorable decay properties, the positron-emitting radiometal 89Zr is extremely well-suited for use in antibody-based radiopharmaceuticals for PET imaging. In this protocol, the bioconjugation, radiosynthesis, and preclinical application of 89Zr-labeled antibodies will be described.

Resumen

La excepcional afinidad, especificidad y selectividad de los anticuerpos a tomar vectores extraordinariamente atractivos para radiofármacos PET-tumorales objetivo. Debido a su vida media biológica de varios días, los anticuerpos deben estar etiquetados con radionucleidos emisores de positrones con relativamente largos de decaimiento físico vidas medias. Tradicionalmente, los isótopos emisores de positrones 124 I (t 1/2 = 4,18 d), 86 Y (t 1/2 = 14,7 h), y 64 Cu (t 1/2 = 12,7 hr) se han utilizado para marcar anticuerpos para imágenes PET. Más recientemente, sin embargo, el campo ha sido testigo de un aumento dramático en el uso del metal radiactivo emisor de positrones 89 Zr en agentes formadores de imágenes de PET basadas en anticuerpos. 89 Zr es un radioisótopo casi ideal para la formación de imágenes PET con inmunoconjugados, ya que posee un medio físico -La vida (t 1/2 = 78,4 hr) que es compatible con la farmacocinética in vivo de anticuerpos y emite un relativamente bajo enopositrones rgy que produce imágenes de alta resolución. Además, los anticuerpos pueden ser francamente etiquetados con 89 Zr usando el quelante de deferoxamina sideróforo derivada (DFO). En este protocolo, el antígeno de dirección de membrana J591 anticuerpo específico de la próstata se puede utilizar como un sistema modelo para ilustrar (1) la bioconjugación del quelante bifuncional DFO-isotiocianato a un anticuerpo, (2) la radiosíntesis y la purificación de un 89 Zr radioinmunoconjugado DFO-mAb, y (3) en vivo de imágenes PET con un 89 Zr-DFO-mAb radioinmunoconjugado en un modelo murino de cáncer.

Introducción

Debido a su notable sensibilidad, afinidad y selectividad, los anticuerpos han sido considerados vectores prometedores para el suministro de radioisótopos a las células cancerosas. Sin embargo, su aplicación en la tomografía por emisión de positrones (PET) se ha visto obstaculizada por la falta de un radioisótopo emisor de positrones adecuados para su etiquetado. 1-3 Una de las consideraciones más importantes en el diseño de radioinmunoconjugados se coincida con el deterioro físico de media la vida del radioisótopo a la farmacocinética in vivo de los anticuerpos. Más específicamente, los anticuerpos a menudo tienen relativamente largos, de varios días biológicos vidas medias y por lo tanto deben ser etiquetados con radioisótopos con vidas medias físicas comparables. Para aplicaciones de imágenes de PET, los anticuerpos han sido tradicionalmente radiomarcado con 64 Cu (t 1/2 = 12,7 horas), 86 Y (t 1/2 = 14,7 horas), o 124 I (t 1/2 = 4,18 d). 4, 5 Sin embargo, cada uno deestos radioisótopos posee importantes limitaciones que dificultan su idoneidad para la imagen clínica. Mientras radioinmunoconjugados marcadas con 86 y 64 Y Cu han demostrado ser prometedor en investigaciones preclínicas, ambos isótopos poseen vidas medias físicas que son demasiado cortos para ser eficaz para formación de imágenes en seres humanos. 124 I, en cambio, tiene una vida media física casi ideal para formación de imágenes con anticuerpos, pero es caro y tiene características de desintegración subóptimas que conducen a la resolución relativamente baja imágenes clínicas. Además, 124 radioinmunoconjugados I-marcado puede estar sujeto a deshalogenación in vivo, un proceso que puede reducir razones de actividad tumor a fondo. 6,7

La unidad para encontrar un radioisótopo emisor de positrones para suplantar 64 Cu, 86 Y, y 124 I en radioinmunoconjugados ha alimentado el reciente aumento de la investigación en 89 anticuerpos Zr-etiquetados. 8-12 Tque la razón para el advenimiento de 89 Zr es sencillo: el radiometal posee propiedades físicas y químicas casi ideal y para su uso en radioinmunoconjugados de PET de diagnóstico 13 89 Zr se produce a través de la 89 Y (p, n) 89 reacción Zr en un ciclotrón usando una. comercialmente disponible y 100% naturalmente abundante objetivo 89 Y 14,15. El metal radiactivo tiene un rendimiento de positrones de 23%, se desintegra con una vida media de 78,4 h, y emite positrones con la relativamente baja de energía de 395,5 keV (Figura 1). 13,16,17 Es importante señalar que 89 Zr también emite una alta energía, 909 keV γ-ray con 99% de eficiencia. Mientras que esta emisión no interfiera con energía con las emitidas 511 keV fotones, requiere consideración adicional en relación con el transporte, la manipulación y la dosimetría. A pesar de esta advertencia, estas características de desintegración en última instancia significa que 89 Zr no sólo tiene una h más favorablealf-vida para formación de imágenes con anticuerpos que 86 Y 64 y Cu pero también puede producir imágenes de mayor resolución de 124 I, que emite positrones con mayores energías de 687 y 975 keV, así como un número de fotones con energías dentro de 100-150 keV de los fotones de positrones creado 511 keV. 13 Por otra parte, 89 Zr es también más seguro de manejar, menos caro de producir, y residualizes en los tumores más eficazmente que su homólogo de yodo radioactivo. 18,19 Una limitación potencial de 89 Zr es que no tiene un Isotopólogo terapéutico, por ejemplo, 86 Y (PET) vs. 90 Y (terapia). Esto impide la construcción de agentes de imagen químicamente idénticos, sustitutos que pueden emplearse como exploradores dosimétricos para sus contrapartes terapéuticas. Dicho esto, las investigaciones sugieren que los anticuerpos 89 Zr-etiquetados tienen potencial como sustitutos de imágenes para 90 Y- y 177 inmunoconjugados marcados con Lu.20,21

Desde un punto de vista químico, como un metal del Grupo IV, 89 Zr existe como un catión 4 en solución acuosa. El ion Zr 4+ está altamente cargada, relativamente grande (radio iónico efectivo = 0,84 Å), y puede ser clasificado como un catión "duro". Como tal, exhibe una preferencia por ligandos que llevan hasta ocho donantes de oxígeno duros, aniónicos. Fácilmente el quelante más común usado en 89 radioinmunoconjugados marcados con Zr es la deferoxamina (DFO), un sideróforo derivada, quelante acíclico teniendo tres grupos hidroxamato. El ligando coordina de forma estable el catión Zr 4+ rápida y limpia a temperatura ambiente a niveles de pH biológicamente relevantes, y el complejo de Zr-DFO resultante permanece estable durante el curso de varios días en solución salina, suero de la sangre, y la sangre entera. 22 estudios computacionales sugieren fuertemente DFO que forma un complejo con hexacoordinate Zr 4+ en la que el centro metálico se coordina a los tres neutral y tres donantes de oxígeno aniónicos del ligando, así como dos ligandos de agua exógenos (Figura 2). 23,24 El comportamiento in vivo de radioinmunoconjugados que emplean la conjugación de andamio 89 Zr-DFO ha sido en general excelente. Sin embargo, en algunos casos, las imágenes y los estudios de biodistribución agudas han revelado los niveles de actividad elevados en los huesos de los ratones inyectados con 89 anticuerpos Zr-etiquetados, datos que sugiere que la osteophilic 89 Zr 4+ catión se libera de la quelante in vivo y posteriormente mineraliza en el hueso. 25 Recientemente, un número de investigaciones en el desarrollo de nuevos 89 Zr 4+ quelantes particularmente ligandos con ocho donantes de oxígeno han aparecido en la literatura. 24,26,27 Sin embargo, en la actualidad, el DFO es el quelante más ampliamente empleado en 89 radioinmunoconjugados Zr-etiquetados por un amplio margen. Una variedad de diferentesestrategias bioconjugation se han empleado para unir DFO a anticuerpos, incluyendo la química clic bioorthogonal, la reacción del tiol reactiva DFO construye con cisteínas en el anticuerpo, y la reacción del éster activado de soporte de DFO construye con lisinas en el anticuerpo. 4,28- 30 Fácilmente la estrategia más común, sin embargo, ha sido el uso de un derivado de isotiocianato de soporte de DFO, DFO-NCS (Figura 2). 22 Este quelante bifuncional disponible comercialmente robusta y fiable forma, vínculos tiourea covalentes estables con las lisinas de la anticuerpo (Figura 3).

En los últimos años, una amplia variedad de 89 radioinmunoconjugados marcados con Zr-DFO han sido reportados en la literatura. Investigaciones preclínicos han sido especialmente abundantes, con anticuerpos que van desde la más conocida el cetuximab, bevacizumab y trastuzumab a anticuerpos más esotéricos como el CD105 de metas de TRC105 y fPSA de metas 5A10. 30-36 Más recientemente, un pequeño número de ensayos clínicos de fase temprana utilizando anticuerpos marcados 89-Zr-DFO han surgido en la literatura. Ensayos Específicamente, los grupos en los Países Bajos han publicado que emplean 89 Zr-DFO-CMAB U36, 89 Zr-DFO-ibritumomab tiuxetan, y 89 Zr-DFO-trastuzumab. 21,32,37 Además, una serie de otros ensayos clínicos con 89 radioinmunoconjugados marcados con Zr están actualmente en curso, incluidas las investigaciones aquí en el Centro de Cáncer Memorial Sloan Kettering utilizando el PSMA de metas de 89 Zr-DFO-J591 por imagen del cáncer de próstata y el 89 Zr-DFO-trastuzumab HER2-dirigido por imagen del cáncer de mama. 23, 30 Además, mientras que los anticuerpos radiomarcados siguen siendo los 89 radiofármacos marcados con Zr más comunes, el metal radiactivo ha sido empleado también cada vez más con otros vectores, incluyendo péptidos, proteínas, y los nanomateriales. 38-43

La modularidad de este 89 metodología etiquetado Zr-DFO es un enorme activo. El repertorio de anticuerpos de biomarcadores de metas es cada vez mayor, y el interés en la realización de la PET vivo utilizando estas construcciones está creciendo a buen ritmo. Como resultado, creemos que el desarrollo de las prácticas y protocolos más estandarizados podría beneficiar el campo. Una excelente protocolo experimental escrito para DFO-NCS conjugación y 89 Zr radiomarcaje ya ha sido publicada por Vosjan, et al. 22 Creemos que la demostración visual proporcionada por este trabajo podría ayudar aún más a los investigadores nuevos a estas técnicas. En el protocolo a mano, el antígeno de dirección de membrana J591 anticuerpo específico de la próstata se puede utilizar como un sistema modelo para ilustrar (1) la bioconjugación del quelante bifuncional DFO-isotiocianato a un anticuerpo, (2) la radiosíntesis y la purificación de la 89 radioinmunoconjugado Zr-DFO-MAB,y (3) in vivo de formación de imágenes PET con una Zr-DFO-mAb radioinmunoconjugado 89 en un modelo murino de cáncer. 23,44,45

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Protocolo

Todos los experimentos con animales en vivo descritos fueron realizados de acuerdo con un protocolo aprobado y con las normas éticas del Memorial Sloan Kettering Cancer Center Institucional Cuidado de Animales y el empleo Comisión (IACUC).

1. La conjugación de DFO-NCS a J591

  1. En un tubo de microcentrífuga de 1,7 ml, preparar una solución de 2-5 mg / ml de J591 en 1 ml de solución salina tamponada con fosfato 1x (pH 7,4) o 0,5 M de tampón HEPES (pH 7,4).
  2. Disolver DFO-NCS en DMSO seco a una concentración entre 5-10 mM (3.8 a 7.6 mg / ml). Someter a ultrasonidos o vórtice bien la solución con el fin de facilitar la disolución completa.
  3. Ajustar el pH de la solución J591 a 8,8-9,0 mediante la adición de pequeñas alícuotas (<10 l) de 0,1 M Na 2 CO 3.
  4. Una vez que la solución de anticuerpo está en el pH correcto, añadir un volumen de la solución DFO-NCS correspondiente a un exceso molar de 3-4 veces del quelante bifuncional.
    1. Por ejemPLE, añadir 4-5 l de un 10 mM (7,6 mg / ml) solución de DFO-NCS (40,4 nmol DFO-NCS) a 1 ml de una solución de anticuerpo J591 2 mg / ml (13,3 nmol J591). La cantidad de DMSO en la mezcla final de reacción acuosa no debe exceder de 2% v / v.
  5. Se incuba la reacción durante 30 min a 37 ° C en un bloque de calentamiento agitando a 350 rpm.
  6. Después de 1 hora a 37 ° C, purificar el inmunoconjugado resultante usando una columna de desalación exclusión preenvasado desechable con un tamaño de 50.000 de peso molecular de corte usando 0,5 M de tampón HEPES (pH 7,4) como el eluyente. Este paso producir una solución de la construcción J591-DFO completado 2 ml.
  7. Medir la concentración de la J591-DFO construir en un espectrofotómetro UV-Vis.
  8. Si se desea una mayor concentración de la construcción, concentrar la solución J591-DFO utilizando una unidad de filtro centrífugo con un peso molecular 50.000 de corte.
  9. Guarde la solución del inmunoconjugado J591-DFO completado a -20 ° C en la oscuridad.
    NOTA: Este es un punto de parada aceptable en el procedimiento.

2. El radiomarcado J591-DFO con 89 Zr

PRECAUCIÓN: Este paso del protocolo implica el manejo y manipulación de la radiactividad. Antes de realizar estos pasos o la realización de cualquier otro trabajo con investigadores de radiactividad debe consultar con el Departamento de Seguridad Radiológica de su institución de origen. Se deben tomar todas las medidas posibles para minimizar la exposición a la radiación ionizante.

NOTA: En el interés de radioquímica nota de mantenimiento adecuado, la cantidad de radiactividad en la muestra debe ser medido usando un calibrador de dosis y registrada antes y después de los pasos 2.2 a 2.13 en el protocolo a continuación. Esto le ayudará con la determinación precisa de los rendimientos de radioquímica y actividades específicas.

  1. Preparar una solución de 0,5-2,0 mg de J591-DFO en 200 l de 0,5 M de tampón HEPES, pH 7,5.
  2. Verter un volumen de la 89 solución Zr 4+ acciones (suministrado normalmente en ácido oxálico 1,0 M) correspondiente a 1,0-6,0 mCi (37-222 MBq) en un tubo de microcentrífuga con tapón de rosca de plástico de 2 ml. Ajuste el volumen de esta solución a un total de 300 l usando ácido 1,0 M oxálico.
  3. Ajustar el pH de la solución de Zr 4+ 89 a 06/08 a 07/05 usando 1,0 M Na 2 CO 3. Comience por la adición de 250 l de 1,0 M Na 2 CO 3 a la solución 89 4+ Zr y, posteriormente, añadir más pequeño (<10 l) alícuotas de la base para conseguir el pH deseado.
  4. Añadir la cantidad deseada de solución de pH ajustado 89 Zr 4+ a la solución J591-DFO preparado en el Paso 2.1.
  5. Comprobar el pH de la mezcla de reacción de radiomarcaje para asegurar que cae dentro del intervalo deseado de 06/08 a 07/05.
  6. Incubar la reacción de radiomarcado durante 60 minutos a RT en un bloque de calentamiento agitando a 350 rpm.
  7. Después de 60 minutos de incubación, mida la radiolabeling rendimiento de la reacción utilizando la radio-TLC.
    1. Para este fin, detectar 1 Ci de la mezcla de reacción de radiomarcaje en una tira de TLC de sílice impregnado. Permitir la alícuota se seque, ejecute el TLC usando un eluyente de DTPA mM (pH 5,5) 50 y analizar la tira TLC usando un escáner de radio-TLC. 89 Zr 4+ unido a la construcción J591-DFO aparecerá en el origen (R f <0,1), mientras que cationes libres 89 Zr 4+ serán quelados con DTPA y eluirán con el frente del disolvente (R f> 0,9).
    2. Calcular el rendimiento de radiomarcado de la reacción mediante la integración de la radiocromatograma, dividiendo el área bajo la curva de R f 0,0-0,1 por el área total bajo la curva, y multiplicando por 100.
  8. Si el rendimiento de radiomarcado es suficiente (típicamente una actividad específica teórica de> 2 mCi / mg), se extingue la reacción con 5 l de DTPA 50 mM, pH 5,5.
  9. Se purifica el USI inmunoconjugado resultanteng una columna de desalación de exclusión por tamaño desechable pre-empaquetada con un peso molecular 50.000 de corte usando un eluyente de cualquiera de 0,9% de solución salina estéril con 5 mg / ml de ácido gentísico o acetato de sodio 0,25 M (pH 5,5) con 5 mg de ácido gentísico / ml . Este paso dará lugar a una solución de terminada la radioinmunoconjugado 89 Zr-DFO-J591 2 ml.
  10. Después de la purificación, verificar la pureza radioquímica del 89 Zr-DFO-J591 uso de la radio-TLC como se describe en el Paso 2.7.
  11. Calcular el rendimiento global de la reacción de radiomarcaje dividiendo la cantidad de actividad inicialmente añadido a la solución de anticuerpo por la cantidad de radiactividad aislado con el purificada radioinmunoconjugado 89 Zr-DFO-J591.
  12. Calcular la actividad específica final dividiendo la cantidad de actividad aislada con el purificada 89 Zr-DFO-J591 radioinmunoconjugado por la masa inicial de DFO-J591 en la reacción de radiomarcado.
  13. Si se desea una mayor concentración, concentrar ésimoe 89 solución de Zr-DFO-J591 utilizando una unidad de filtro centrífugo con un peso molecular 50.000 de corte.
    NOTA: El ácido gentísico utilizado en la etapa de purificación final es un protector de radio empleado para minimizar la degradación del anticuerpo debido a la radiolisis 46 Mientras que el almacenamiento de la 89 radioinmunoconjugado Zr-DFO-J591 para un máximo de 48 horas a 4 ° C. es posible, no es recomendable. Si el radioinmunoconjugado se va a almacenar, utilizar 0,25 M de acetato de sodio (pH 5,5) con 5 mg / ml de ácido gentísico como el tampón de almacenamiento con el fin de minimizar el riesgo de radiolisis hipoclorito mediada. 47

3. En Vivo TEP con 89 Zr-DFO-J591

PRECAUCIÓN: Como en la sección Protocolo 2, este paso del protocolo implica el manejo y manipulación de la radiactividad. Antes de realizar estos pasos investigadores deben consultar con el Departamento de Seguridad Radiológica de su institución de origen. Todo posibse deben tomar medidas le minimizar la exposición a la radiación ionizante.

  1. En ratones desnudos atímicos macho, implante por vía subcutánea 5 x 10 células de cáncer de próstata LNCaP 6 y permiten éstos crezcan a un xenotrasplante 100-150 mm 3 (3-4 semanas después de la inoculación). 44
  2. Diluir el radioinmunoconjugado 89 Zr-DFO-J591 a una concentración de 1,0 mCi / ml en 0,9% de solución salina estéril.
  3. Inyectar 200 l de la solución 89 Zr-DFO-J591 (200 Ci; 7,4 MBq). En la vena lateral de la cola de los ratones de xenoinjerto-cojinete 48
  4. En el punto de tiempo de formación de imágenes deseado (por ejemplo, 12, 24, 48, 72, 96, o 120 horas después de la inyección), anestesiar al ratón con un isoflurano 2%: mezcla de gas de oxígeno.
  5. Coloque el ratón sobre la cama del pequeño escáner PET animal, y mantener la anestesia durante el análisis utilizando un isoflurano al 1%: mezcla de gas de oxígeno. Antes de colocar el animal en el escáner, verifique la anestesia utilizando el método del dedo del pie-pinch y aplpomada oftálmica y a los ojos del ratón para evitar que se seque durante la anestesia. 49
  6. Adquirir los datos de PET para el ratón a través de un análisis estático con un mínimo de 40 millones de eventos coincidentes utilizando una ventana de energía de 350-700 keV y una ventana de tiempo coincidencia de 6 nseg. 50
  7. Después de completar la adquisición de la imagen, no deje el ratón sin atención y no lo coloque en una jaula con otros ratones hasta que se haya recuperado la conciencia.

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Resultados

El primer paso en este protocolo la conjugación de DFO-NCS al anticuerpo es típicamente bastante robusto y fiable. Generalmente, la, inmunoconjugado modificado quelante-purificado puede obtenerse con un rendimiento> 90%, y el uso de 3 equivalentes molares de DFO-NCS en la reacción inicial Conjugación producirá un grado de etiquetado del quelante de aproximadamente 1,0-1,5 DFO / MAB. Los 89 Zr de radiomarcaje y purificación pasos del procedimiento son igualmente sencillo. A las concentraciones descrit...

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Discusión

Si bien la construcción, radioinmunoconjugados labled-Zr-DFO radiomarcaje, y las imágenes de 89 es generalmente un procedimiento bastante sencillo, es importante mantener algunas consideraciones clave en mente durante cada paso del proceso. Por ejemplo, tal vez la causa más probable de preocupación durante la etapa de conjugación del procedimiento es la agregación del anticuerpo durante la reacción de conjugación. Este problema es más a menudo un producto de mala mezcla de la reacción de conjugació...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Prof. Thomas Reiner, el Dr. Jacob Houghton, y el Dr. Serge Lyaschenko para conversaciones útiles.

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Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
p-SCN-Bn-DFOMacrocyclicsB-705Store at -80 °C
[89Zr]Zr-oxalateVarious, including Perkin-ElmerCaution: Radioactive material
PD-10 Desalting ColumnsGE Healthcare17-0851-01 Store at room temperature
Amicon Ultra-4 Centrifugal Filter UnitsEMD MilliporeUFC805024Store at room temperature
Silica Gel Impregnated RadioTLC PaperAgilent TechnologiesSGI0001Cut into strips 0.5 cm wide

Referencias

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