Sfruttando la domanda Bioorthogonal Inverse Electron Diels-Alder cicloaddizione per Pretargeted PET Imaging

Summary

The bioorthogonal inverse electron demand Diels-Alder cycloaddition has been harnessed to create an effective and modular pretargeted PET imaging strategy for cancer. In this protocol, the steps of this methodology are described in the context of a model system employing the colorectal cancer targeted antibody huA33 and a ⁶⁴Cu-labeled radioligand.

Abstract

Due to their exquisite affinity and specificity, antibodies have become extremely promising vectors for the delivery of radioisotopes to cancer cells for PET imaging. However, the necessity of labeling antibodies with radionuclides with long physical half-lives often results in high background radiation dose rates to non-target tissues. In order to circumvent this issue, we have employed a pretargeted PET imaging strategy based on the inverse electron demand Diels-Alder cycloaddition reaction. The methodology decouples the antibody from the radioactivity and thus exploits the positive characteristics of antibodies, while eschewing their pharmacokinetic drawbacks. The system is composed of four steps: (1) the injection of a mAb-trans-cyclooctene (TCO) conjugate; (2) a localization time period during which the antibody accumulates in the tumor and clears from the blood; (3) the injection of the radiolabeled tetrazine; and (4) the in vivo click ligation of the components followed by the clearance of excess radioligand. In the example presented in the work at hand, a ⁶⁴Cu-NOTA-labeled tetrazine radioligand and a trans-cyclooctene-conjugated humanized antibody (huA33) were successfully used to delineate SW1222 colorectal cancer tumors with high tumor-to-background contrast. Further, the pretargeting methodology produces high quality images at only a fraction of the radiation dose to non-target tissue created by radioimmunoconjugates directly labeled with ⁶⁴Cu or ⁸⁹Zr. Ultimately, the modularity of this protocol is one of its greatest assets, as the trans-cyclooctene moiety can be appended to any non-internalizing antibody, and the tetrazine can be attached to a wide variety of radioisotopes.

Introduction

Negli ultimi trent'anni, tomografia ad emissione di positroni (PET) è diventato uno strumento indispensabile clinica nella diagnosi e gestione del cancro. Anticorpi sono stati a lungo considerati vettori promettenti per la fornitura di radioisotopi ad emissione di positroni per tumori a causa della loro affinità squisita e specificità per biomarcatori tumorali. ^1,2, tuttavia, relativamente lenti farmacocinetica in vivo di anticorpi mandati l'uso di radioisotopi con più giorni emivita fisica. Questa combinazione può produrre alte dosi di radiazioni agli organi non bersaglio di pazienti, una complicazione importante che è di particolare rilevanza clinica poiché radioimmunoconjugates vengono iniettati per via endovenosa e quindi – a differenza parziali scansioni corpo CT – risultato in dosi assorbite in ogni parte del corpo, indipendentemente tessuti interrogati.

Per evitare questo problema, notevole sforzo è stato dedicato alla svipment di strategie di imaging PET che disaccoppiare radioisotopo e la frazione di targeting, sfruttando in tal modo le proprietà vantaggiose di anticorpi e contemporaneamente costeggiando i loro limiti farmacocinetiche intrinseche. Queste strategie – spesso definito pretargeting o il targeting più fasi – tipicamente impiegano quattro fasi: (1) la somministrazione di un anticorpo in grado di legare sia un antigene ed un radioligando; (2) l'accumulo dell'anticorpo nel tessuto bersaglio e la sua clearance dal sangue; (3) la somministrazione di una piccola molecola radioligando; e (4) la legatura in vivo del radioligando all'anticorpo seguita dalla rapida clearance dell'eccesso radioligando. ^3-8 In alcuni casi, un agente di compensazione addizionale viene iniettato tra i passaggi 2 e 3, al fine di accelerare l'escrezione di qualsiasi anticorpo che deve ancora impegnare il tumore e rimane nel sangue. ⁵

In generale, two tipi di strategie pretargeting sono più diffusi in letteratura. Mentre entrambi hanno dimostrato con successo in modelli preclinici, possiedono anche limitazioni chiave che hanno impedito la loro applicabilità clinica. La prima strategia si basa sul alta affinità tra streptavidina anticorpi coniugati e radiolabels biotina-modificato; Tuttavia, l'immunogenicità degli anticorpi streptavidina-modificato ha dimostrato di essere un problema preoccupante per quanto riguarda la traduzione. ^5,6,9,10 La seconda strategia, al contrario, impiega anticorpi bispecifici geneticamente ingegnerizzati per legare sia un cancro biomarker antigene e una piccola aptene radiomarcato molecola. ^3,11-14 Mentre quest'ultimo rotta è certamente creativo, la sua ampia applicabilità è limitata dalla complessità, spesa, e la mancanza di modularità del sistema.

Recentemente, abbiamo sviluppato e pubblicato una metodologia di imaging PET pretargeted basato sulla domanda inversa elettrone Diels-Alder (IEDDA) reazione di cicloaddizione tra -cyclooctene trans (TCO) e tetrazina (Tz;. Figura 1) ¹¹ Mentre la reazione si è stato conosciuto per decenni, IEDDA chimica ha conosciuto una rinascita negli ultimi anni come una tecnica bioconjugation click chemistry, come illustrato da l'affascinante lavoro dei gruppi di Ralph Weissleder, Giuseppe Volpe, e Peter Conti, tra gli altri. ^12-15 L'IEDDA cicloaddizione è stato applicato in una vasta gamma di impostazioni, tra cui imaging di fluorescenza con peptidi, anticorpi, e nanoparticelle e di imaging nucleare . con entrambi radiohalogens e radiometalli ^16-26 La legatura è ad alto rendimento, pulito, veloce (k _1> 30.000 M ^-1 sec ^-1), selettivo, e – critica -. bioorthogonal ²⁷ E mentre un certo numero di tipi di click chemistry – compresi azide-alkyne cicloaddizioni Cu-catalizzata, cicloaddizioni azide-alkyne ceppo-promossa, e Staudinger ligzioni -. bioorthogonal sono pure, è la combinazione unica di cinetica di reazione veloci e bioorthogonality che rende IEDDA chimica così adatto per applicazioni pretargeting in organismi interi ^28,29 Lungo queste linee, è importante notare che la recente relazione nostro laboratori non è stato il primo ad applicare IEDDA chimica per pretargeting: il primo rapporto delle immagini pretargeted con IEDDA sorto dal lavoro di Rossin, et al e caratterizzato da una metodologia SPECT impiegando un ¹¹¹ In marcato tetrazina ^30..

Come abbiamo discusso in precedenza, la metodologia pretargeting ha quattro abbastanza semplici passaggi (Figura 2). Nel protocollo a portata di mano, sarà descritta una strategia pretargeted per imaging PET di tumore del colon-retto, che si avvale di un Cu-NOTA-marcato radiolegante ⁶⁴ tetrazina e un coniugato TCO modificato dell'anticorpo huA33. Tuttavia, in ultima analisi, la modularità di questa metodologia è uno dei suoi grbeni ne mangerai, come la frazione -cyclooctene trans possono essere aggiunti a qualsiasi anticorpo non interiorizzare, e la tetrazina può essere collegato a una grande varietà di giornalisti radioattive.

Protocol

ETICA DICHIARAZIONE: Tutti gli esperimenti sugli animali in vivo descritti sono stati eseguiti secondo un protocollo approvato e alle linee guida etiche del Memorial Sloan Kettering Cancer Center Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC). 1. Sintesi di Tz-Bn-NOTA In un piccolo recipiente di reazione, sciogliere 7 mg NH 2–BN NOTA (1,25 x 10 -2 mmoli) in 600 microlitri tampone di NaHCO3 (0,1 M, pH 8,1). Controllar…

Representative Results

Le prime tre fasi dell'esperimento – la sintesi di Tz-Bn-NOTA, la coniugazione di TCO per huA33, e la radiomarcatura della Tz-Bn-NOTA costruiscono (figure 3 e 4) – sono altamente affidabili. Nel caso della procedura sopra, il costrutto Tz-Bn-NOTA stato sintetizzato con alta resa e purezza. L'anticorpo huA33 stato modificato con 4,2 ± 0,6 TCO / mAb e Tz-Bn-NOTA era radiomarcato con 64 Cu a cedere il radiolegante purificato in> 99% di purezza radiochimica,> 85% d…

Discussion

Il principale vantaggio di questa strategia PET pretargeted è che è in grado di delineare tumori con contrasto immagine target-to-background soltanto ad una frazione della dose di radiazione di fondo prodotto da anticorpi marcati direttamente. Ad esempio, nel sistema di imaging del cancro del colon-retto qui descritto, i dati provenienti da esperimenti biodistribuzione acuti sono stati impiegati per eseguire i calcoli di dosimetria per la strategia basata pretargeting-Cu ⁶⁴ con direttamente marcato ^64<…

Materials

Tetrazine NHS Ester	Sigma-Aldrich	764701	Store at -80 °C
Trans-cyclooctene NHS Ester	Sigma-Aldrich	764523	Store at -80 °C
p-NH2-Bn-NOTA	Macrocyclics	B-601	Store at -80 °C