バイオコンジュゲーションとのアルタン<sup&gt; 89</sup&gt;のZr-DFO標識抗体

要約

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.

要約

例外的な親和性、特異性、および抗体の選択性は、それらの腫瘍標的PET放射性医薬品のための非常に魅力的なベクトルを作る。それらの複数日生物学的半減期に、抗体は、比較的長い物理的な崩壊の半減期を持つ陽電子放出放射性核種で標識されなければならない。伝統的に、陽電子放出同位体¹²⁴ I（T _1/2 = 4.18 ^D）、86 Y（T _1/2 = 14.7時間）、および⁶⁴のCu（T _1/2 = 12.7時間）がための抗体を標識するために使用されてきたPETイメージング。しかし、最近では、フィールドは、抗体ベースのPETイメージング剤における陽電子放出放射性金属⁸⁹ Zrの使用の劇的な増加を目撃した。それは物理的な半分を所有として⁸⁹ Zrは、免疫複合体のPETイメージングのためのほぼ理想的な放射性同位体である抗体のインビボ薬物動態と互換性があり、比較的低いエンを発する-Life（T _1/2 = 78.4時間）高解像度の画像を生成するRGY陽電子。さらに、抗体は、直接にシデロフォア由来のキレート剤デスフェリオキサミン（DFO）を使用して^、89 Zrを用いて標識することができる。このプロトコルでは、前立腺特異的膜抗原のターゲティング抗体J591は、例示するためのモデル系として使用される（1）抗体、（2）放射性合成および⁸⁹ Zr-の精製-イソチオシアネートDFO二官能性キレート剤のバイオコンジュゲーションDFO-mAbでの放射性免疫複合体、および癌のマウスモデルにおける⁸⁹のZr-DFO-mAbでの放射性免疫複合体（3） のインビボ PETイメージング。

概要

それらの著しい感度、親和性、及び選択性は、抗体は、長い癌細胞への放射性同位体を送達するためのベクターとして有望と考えられてきた。しかしながら、陽電子放出断層撮影（PET）イメージングへの応用は、それらの標識に適した陽電子放出放射性同位体の欠如によって妨げられてきた。放射性免疫複合体の設計において最も重要な考慮事項^1-3 One物理減衰に一致さ半二重抗体のin vivoでの薬物動態への放射性同位元素の生活。より具体的には、抗体は、しばしば、比較的長い、複数日の生物学的半減期を有し、従って、同等の物理的半減期を有する放射性同位体で標識されなければならない。 PETイメージング用途のために、抗体は、伝統的に⁶⁴のCu（トン_1/2 = 12.7時間^）、86 Y（tの_1/2 = 14.7時間）、または¹²⁴ I（t _1/2は= 4.18 d）の放射性標識されている^{。4、 5}しかし、それぞれのこれらの放射性同位元素は、臨床イメージングのための適性を妨げる重大な限界を有している。 ⁸⁶ Y及び⁶⁴ Cuで標識された放射性免疫複合体は、前臨床研究において有望であることが証明されているが、両方の同位体は、ヒトでのイメージングのために有効であるには余りにも短い物理的半減期を有する^。124 I、対照的に、のためのほぼ理想的な物理的半減期を有する抗体を用いたイメージングが、それは高価であり、比較的低解像度の臨床画像につながる次善の減衰特性を有している。さらに^、124 I-標識放射性免疫複合体は、 インビボでの腫瘍対バックグラウンド活性比を低下させることができるプロセスを脱ハロゲン化の対象となることができる^。6,7

⁶⁴のCuに取って代わる陽電子放出放射性同位元素^、86 Yを見つけるために、ドライブ、および放射性免疫複合体中の¹²⁴ Iは⁸⁹ Zrの標識抗体の研究の最近の急増に燃料を供給しています^。8-12 T⁸⁹ Zrの出現のために彼の理由は簡単である：放射性診断のPET放射性免疫複合体において使用するためのほぼ理想的な化学的および物理的特性を有している^{13 89} Zrは⁸⁹ Y た（p、n）を用いてサイクロトロンでの⁸⁹ Zrの反応を介して生成される。市販の100％天然に豊富な⁸⁹ Yターゲット^。14,15放射性金属は、23％の陽電子収率が78.4時間の半減期で崩壊し、395.5 keVの（ 図1）の比較的低いエネルギーで陽電子を放出する。 ^13,16,17これは^、89 Zrは、高エネルギーを放出することに留意することが重要で、909 keVのγ線99％の効率を有する。この発光は放出される511keVの光子を精力的に干渉しないが、それは、輸送、取り扱い、および線量測定に関して余分な配慮を必要としません。この警告にもかかわらず、これらの減衰特性は、最終的に⁸⁹ Zrをより良好な時間を持っていないだけであることを意味Cuの⁸⁶ Yおよび⁶⁴より抗体によるイメージングのためのアルフ寿命もより高い687と975 keVのエネルギーの同様の100-150 keVの内のエネルギーを有する光子の数と陽電子を放出する^、124 Iよりも高い解像度の画像を生成することができる511keVの陽電子が作成した光子は^。13また^、89 Zrがまた製造するのに安価で、取扱いが安全で、より効果的に放射性ヨウ素の対応物よりも腫瘍において^{residualizes。89} Zrの^18,19つの潜在的な制限は、それが持っていないということです治療アイソトポマー、 例えば ^、86 Y（PET）対⁹⁰ Y（療法）。これは、それらの治療の対応のための線量測定スカウトとして用いることができる化学的に同一の、サロゲート造影剤の構築を妨げる。とはいえ、調査は⁸⁹ Zrの標識抗体が⁹⁰ Y軸^、177呂標識免疫複合体のためのイメージング·サロゲートとしての可能性を持っていることを示唆している。^20,21

化学的な観点からは、第IV族金属として^、89 Zrが水溶液中で4カチオンとして存在する。のZr ⁴⁺イオンが高度に、比較的大きな（有効イオン半径= 0.84オングストローム）で充電され、「ハード」カチオンとして分類することができる。このように、ハードディスク8、アニオン性酸素ドナーまで軸受リガンドに対する選好を示す。簡単に⁸⁹ Zrの標識放射性免疫複合体で使用される最も一般的なキレート剤は、デスフェリオキサミン（DFO）、3ヒドロキ基を有するシデロフォア由来の、非環式キレート剤である。リガンドは、安定的に生物学的に関連するpHレベルでRTで迅速かつクリーンジルコニウム^{4+カチオン}を調整し、得られたジルコニウム-DFO複合体は、生理食塩水、血清、全血における複数日にわたって安定なままである²²計算の研究が強く示唆DFOは、金属中心三NEUTに配位しているのZr ⁴⁺を有する配位錯体を形成すること然とリガンドの三アニオン性酸素ドナーならびに2つの外因性の水のリガンド （ 図^{2）。23,24 89}のZr-DFO抱合足場を採用した放射性免疫複合体のin vivoでの挙動は、一般的に優れたています。しかし、いくつかのケースでは、イメージングおよび急性生体内分布の研究は⁸⁹ Zrの標識抗体を注射したマウスの骨において高活性レベルを明らかにし、データosteophilic ⁸⁹のZr ⁴⁺イオンがインビボでキレート剤から放出され、その後、無機化されていることを示唆している骨に。8酸素ドナーが文献に登場していると^25は最近、小説⁸⁹のZr ⁴⁺キレート剤の開発の調査の数は特に、現在では、それにもかかわらず^{、24,26,27。}リガンドDFOは、最も広く採用さキレート剤である大差で⁸⁹ Zrの標識放射性免疫複合体で。異なるさまざまな生物結合戦略は、チオール反応性DFOの反応は抗体中のシステインを構築し、活性化エステル有利子DFOの反応は、抗体中のリジンを構築し、バイオ直交クリックケミストリーを含む、抗体にDFOを取り付けるために使用されてきた^{。4,28- 30は}簡単に、最も一般的な戦略、しかし、DFO、DFO-NCS（ 図2）のイソチオシアネート-ベアリング誘導体の使用であった^。22この市販の二官能性キレート剤は、堅牢かつ確実のリジンとの安定した、共有結合チオ尿素結合を形成し、抗体（ 図3）。

過去数年にわたり^、89のZr-DFO標識放射性免疫複合体の多種多様な文献に報告されている。前臨床研究は、そのようなCD105を標的とするTとセツキシマブ、ベバシズマブ、およびトラスツズマブより難解な抗体に、よりよく知られているに至るまで抗体をフィーチャーし、特に豊富だったRC105とfPSAのターゲティング5A10は^30-36より最近では^、89のZr-DFO標識抗体を使用して初期段階の臨床試験の少数が文献に登場した。具体的には、オランダのグループは^、89のZr-DFO-cmAb ^U36、89のZr-DFO-イブリツモマブチウキセタン、及び⁸⁹のZr-DFO-トラスツズマブを用いた試験を公開している。加えて^{、21,32,37、89}と他の臨床試験の範囲Zrの標識放射性免疫複合体は、前立腺癌のイメージングおよび乳癌イメージングのためのHER2を標的とする⁸⁹のZr-DFO-トラスツズマブPSMAを標的と⁸⁹のZr-DFO-J591を使用して、ここでメモリアルスローンケタリングがんセンターの調査を含め、現在進行中である^。23、放射性標識された抗体は、最も一般的な⁸⁹のZrで標識した放射性医薬品のままさらに^30、放射性もますますペプチド、タンパク質、ナノ材料を含む他のベクターに用いられてきた^。38-43

この⁸⁹のZr-DFOラベリング方法論のモジュール性は途方もない資産である。バイオマーカーを標的とする抗体のレパートリーは、拡大を続けるであり、これらの構築物を用いて、生体 PETイメージングで行う際の関心はたちまち成長しています。その結果、我々はより標準化された実践とプロトコルの開発は、フィールドを利益を得ることができると信じています。 DFO-NCSの共役と⁸⁹のZr放射性標識のための優れた書かれた実験プロトコルは、すでにら Vosjan、によって出版されました^。22私たちは、この仕事が提供する視覚的なデモはさらにこれらの技術に新しい研究者を助けることができると感じています。手元プロトコルでは、前立腺特異的膜抗原のターゲティング抗体J591は、例示するためのモデル系として使用される（1）は、抗体へのDFO -イソチオシアネート、二官能性キレート剤のバイオコンジュゲーション^、89（2）放射合成及び精製ZR-DFO-のmAb放射性免疫複合体、（3）癌のマウスモデルにおける⁸⁹のZr-DFO-のmAb放射性免疫複合体によるインビボ PETイメージング^。23,44,45

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プロトコル

記載のin vivo動物実験のすべてが承認されたプロトコルとメモリアルスローンケタリングがんセンター施設内動物管理使用委員会（IACUC）の倫理指針の下で実施した。

DFO-NCSの1抱合J591へ

1. 1.7ミリリットルのマイクロ遠心管中で、1×リン酸緩衝生理食塩水（pH7.4）中、0.5 M HEPES緩衝液（pH7.4）のいずれか1ml中J591 2-5 mg / mlの溶液を調製する。
2. 5-10ミリ（3.8から7.6 mg / ml）での濃度で乾燥DMSOにDFO-NCSを溶かす。超音波処理または完全な溶解を容易にするために、溶液を十分にボルテックスする。
3. 0.1 MのNa ₂ CO ₃の少量のアリコート（<10μl）を添加することにより、8.8から9.0へのJ591溶液のpHを調整します。
4. 抗体溶液は、適切なpHであると、二官能性キレート剤の3-4倍のモル過剰に相当DFO-NCS溶液の容量を追加する。
   1. 試験を受験するPLE、2 mg / mlのJ591抗体溶液（13.3ナノモルJ591）の1ミリリットルに10ミリ（7.6 mg / ml）でDFO-NCS溶液（40.4 nmolのDFO-NCS）の4-5μlを添加する。最終水性反応混合物中のDMSOの量は2％v / vのを超えてはならない。
5. 350 rpmで攪拌​​し、加熱ブロック上で37℃で30分間、反応をインキュベートする。
6. 37°Cで1時間後、溶出液として0.5 M HEPES緩衝液（pH7.4）を使用して、分子量50,000カットオフを有する予め充填使い捨てサイズ排除脱塩カラムを使用して得られた免疫複合体を精製する。このステップでは、完成したJ591-DFOコンストラクトの2ミリリットルソリューションが得られます。
7. 紫外可視分光光度計で構築J591-DFOの濃度を測定します。
8. 構築物のより高い濃度が望まれる場合は50,000分子量カットオフ遠心フィルターユニットを用いてJ591-DFO液を濃縮する。
9. 暗闇の中で-20℃で完成したJ591-DFOの免疫複合体の溶液を保管してください。
   注：この手順で許容停止点である。

⁸⁹のZr 2.放射性標識J591-DFO

注意：プロトコルのこのステップでは、放射能の取り扱いと操作を含む。これらの手順を実行するか、放射能の研究者と他の作業を行う前に、自宅の機関の放射線安全課に相談してください。すべての可能なステップは、電離放射線への暴露を最小限に抑えるよう注意が必要です。

注：適切な放射化学ノート保持性のために、試料中の放射能の量は、投与量較正器を用いて測定されるべきであると前に、以下のプロトコルのステップ2.2から2.13の後に記録された。これは放射化学収率および具体的な活動の正確な決定に役立ちます。

1. 0.5 M HEPES緩衝液、pH7.5の200μlのJ591-DFOの0.5-2.0ミリグラムの溶液を調製する。
2. の音量をピペット ^{89のZr 4+ストック溶液（典型的には1.0 Mのシュウ酸で供給される）2ミリリットルプラスチック製スクリューキャップマイクロ遠心チューブに1.0から6.0 mCiの（37から222 MBqの）に対応する。 1.0Mのシュウ酸を用いて合計300μlにこの溶液の体積を調整します。}
3. 1.0 MのNa ₂ CO _3を使用して、6.8から7.5への⁸⁹のZr ⁴⁺溶液のpHを調整します。ソリューション^{4+ 89}のZrに1.0 MのNa ₂ CO _3250μlのを追加することから始め、その後、所望のpHを達成するためにベースの小さい（<10μl）をアリコートを追加します。
4. ステップ2.1で作成J591-DFO溶液にpH調整した⁸⁹のZr ⁴⁺溶液の所望の量を追加します。
5. それは6.8〜の所望の範囲内にあることを確実にするために、放射性標識化反応混合物のpHをチェックする。
6. 350 rpmで攪拌​​し、加熱ブロック上に室温で60分間の放射標識反応をインキュベートする。
7. インキュベーションの60分後に、ラジアン測定放射性TLCを用いて反応の収率をiolabeling。
   1. この目的のために、シリカ含浸TLCストリップ上に放射標識反応混合物を1μCiのスポット。 50 mMのDTPA（pHは5.5）の溶離液を使用して、TLCを実行し、アリコートを乾燥させると放射性TLCスキャナーを使用してTLCストリップを分析する^。89のZr ^4+、原点に表示されますJ591-DFOコンストラクトに結合している（R _F <0.1）、Zrの⁸⁹自由しばらく⁴⁺陽イオンはDTPAによってキレート化され、溶媒の先端（R _fに溶出することになる> 0.9）。
   2. 、ラジオクロマトグラムを統合する曲線下の総面積で0.0から0.1 _F Rから曲線下面積を分割して、100を掛けることにより反応の放射性標識収量を計算します。
8. 放射能標識収率は十分（通常は> 2のmCi / mgでの理論的な比活性）である場合、50 mMのDTPA、pH5.5で5μlので反応をクエンチした。
9. 生じた免疫複合体のUSIを精製ngの5 mg / mlのゲンチシン酸5mg / mlのゲンチシン酸又は0.25 M酢酸ナトリウム（pH5.5）中0.9％滅菌生理食塩水のいずれかの溶離液を使用して分子量50,000カットオフを有する予め充填された使い捨てのサイズ排除脱塩カラム。このステップでは、完成した⁸⁹のZr-DFO-J591の放射性免疫複合体の2ミリリットルソリューションが得られます。
10. ステップ2.7で説明したように精製した後、放射性TLCを用いて^、89のZr-DFO-J591の放射化学的純度を確認する。
11. 最初に精製された⁸⁹のZr-DFO-J591の放射性免疫複合体を用いて単離した放射能の量によって抗体溶液に加え活動量を分割することによって反応の全体的な放射性標識の収量を計算します。
12. 放射標識反応におけるDFO-J591の初期質量によって精製⁸⁹のZr-DFO-J591の放射性免疫複合体を用いて分離活性量で除して、最終的な比活性を計算します。
13. より高い濃度が望まれる場合、第集中分子量50,000カットオフ遠心フィルターユニットを使用して電子⁸⁹のZr-DFO-J591溶液。
    注：最終精製工程で使用ゲンチシン酸は放射線分解に起因する抗体の分解を最小限にするために用いられる放射性保護で⁴⁶ながら4℃で最大48時間^、89のZr-DFO-J591の放射性免疫複合体の貯蔵。ことが可能であり、これはお勧めしません。放射性免疫複合体を保存する場合には、次亜塩素酸塩媒介性放射線分解のリスクを最小限にするために、保存緩衝液として5 mg / mlのゲンチシン酸を0.25 M酢酸ナトリウム（pHは5.5）を使用する^。47

⁸⁹のZr-DFO-J591によるインビボ PETイメージング3.

注意：プロトコル2節と同様に、プロトコルのこのステップでは、放射能の取り扱いと操作を含む。これらの手順を実行する前に研究者は、自宅の機関の放射線安全課に相談してください。すべてのpossibルステップは、電離放射線への暴露を最小限に抑えるように注意すべきである。

1. オスの無胸腺ヌードマウスでは、皮下インプラント5×10 ⁶のLNCaP前立腺癌細胞と、これらは100〜150ミリメートル³異種移植片（接種後3〜4週間）に成長することができます^。44
2. 0.9％滅菌生理食塩水で1.0 mCiの/ mlの濃度になるように⁸⁹のZr-DFO-J591の放射性免疫複合体を希釈する。
3. 異種移植片担持マウスの外側尾静脈に^{48; 89}のZr-DFO-J591溶液（7.4 MBqの200μCiの）200μlを注入する。
4. 酸素ガス混合物：所望の撮影時点（ 例えば、12、24、48、72、96、または120時間後に注射）で、2％イソフルランでマウスを麻酔。
5. 小動物PETスキャナーのベッドの上にマウスを置き、1％イソフルラン使用して、スキャン中に麻酔を維持：酸素ガス混合物を。スキャナベッドの上で動物を配置する前に、つま先ピンチ方式とAPPLを使用して麻酔を検証麻酔中の乾燥を防ぐために、マウスの目にyの眼軟膏^。49
6. 350〜700 keVのエネルギーウィンドウと6ナノ秒の一致タイミングウィンドウを使用して4000万一致するイベントの最小限の静的スキャンを経由して、マウス用のPETデータを取得する^。50
7. 画像の取得を完了した後、無人のマウスを残していないし、それが意識を取り戻したまで他のマウスとケージに入れないでください。

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結果

抗体にこのプロトコルの最初のステップDFO-NCSの結合は、一般的に非常に堅牢で信頼性の高いです。一般的に、精製され、キレート剤で修飾された免疫複合体は、> 90％の収率で得ることができ、初期結合反応にDFO-NCSの3モル当量を使用する度標識約1.0~1.5 DFOのキレート剤が得られる/モノクローナル抗体。手順の⁸⁹ Zrの放射性標識および精製工程も同様に簡単です。上記のプロトコル?...

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ディスカッション

⁸⁹のZr-DFO-表示のある放射性免疫複合体の建設、放射性標識、およびイメージングは、一般的に、むしろ簡単な手順ですが、それはプロセスの各ステップの間に念頭に置いて、いくつかの重要な考慮事項を維持することが重要である。例えば、おそらく手続きの共役工程中の懸念の原因として最も可能性が高い結合反応中の抗体の集合体である。この問題は、ほとんどの場合、DFO-NCSス...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
p-SCN-Bn-DFO	Macrocyclics	B-705	Store at -80 °C
[89Zr]Zr-oxalate	Various, including Perkin-Elmer		Caution: Radioactive material
PD-10 Desalting Columns	GE Healthcare	17-0851-01	Store at room temperature
Amicon Ultra-4 Centrifugal Filter Units	EMD Millipore	UFC805024	Store at room temperature
Silica Gel Impregnated RadioTLC Paper	Agilent Technologies	SGI0001	Cut into strips 0.5 cm wide