טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים הדמיה של סחר בתאים: שיטה של תיוג רדיו תאים
Summary
מוצג כאן פרוטוקול לתאי רדיולייבל עם טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET) רדיואיזוטופ, 89 Zr (t1/2 78.4 h), באמצעות סינתון רדיו-תיוג מוכן לשימוש, [89 Zr]Zr-p-isothiocyanatobenzyl-desferrioxamine ([89Zr]Zr-DBN). תיוג רדיו של תאים עם [89Zr]Zr-DBN מאפשר מעקב לא פולשני והדמיה של תאים רדיו-מסומנים בגוף עם PET עד 7 ימים לאחר מתן התרופה.
Abstract
טיפולים בתאי גזע וקולטן אנטיגן כימרי (CAR) לתאי T מסתמנים כטיפולים מבטיחים להתחדשות איברים וכאימונותרפיה לסוגי סרטן שונים. למרות התקדמות משמעותית שנעשתה בתחומים אלה, יש עוד מה ללמוד כדי להבין טוב יותר את הפרמקוקינטיקה והפרמקודינמיקה של התאים הטיפוליים המנוהלים במערכת החיה. עבור מעקב לא פולשני, in vivo של תאים עם טומוגרפיה פליטת פוזיטרונים (PET), פותחה שיטה חדשה [89 Zr]Zr-p-isothiocyanatobenzyl-desferrioxamine ([89 Zr]Zr-DBN)-mediated cell radiolabeling method באמצעות 89Zr (t 1/2 78.4 h). הפרוטוקול הנוכחי מתאר סינתון [89Zr]Zr-DBN, מוכן לשימוש, לסימון רדיואקטיבי ישיר של מגוון תאים, כולל תאי גזע מזנכימליים, תאי גזע קרדיופויטיים מונחי שושלת, הפטוציטים המחדשים את הכבד, תאי דם לבנים, תאי מלנומה ותאים דנדריטיים. המתודולוגיה שפותחה מאפשרת הדמיית PET לא פולשנית של סחר בתאים עד 7 ימים לאחר מתן התרופה מבלי להשפיע על אופי או תפקוד התאים המסומנים ברדיו. בנוסף, פרוטוקול זה מתאר שיטה מדורגת לרדיוסינתזה של [89 Zr]Zr-DBN, ניסוח תואם ביולוגית של [89 Zr]Zr-DBN, הכנת תאים לתיוג רדיו, ולבסוף תיוג רדיו של תאים עם [89Zr]Zr-DBN, כולל כל הפרטים המורכבים הדרושים לתיוג רדיואקטיבי מוצלח של תאים.
Introduction
טיפולי תאי גזע וקולטן אנטיגן כימרי (CAR) T-cell צוברים פופולריות ונמצאים תחת חקירה פעילה לטיפול במחלות שונות, כגון אי ספיקת שריר הלב1,2, ניוון רשתית 2, ניוון מקולרי 2, סוכרת 2, אוטם שריר הלב 3,4,5 וסרטן 6,7,8,9,10. בין שתי הגישות הסבירות של טיפולים בתאי גזע, תאי גזע יכולים להיות מושתלים ישירות באתר המחלה כדי לגרום לתגובה טיפולית, או לגרום לשינויים במיקרו-סביבה של אתר המחלה מבלי להיצמד לאתר המחלה כדי ליזום תגובה טיפולית עקיפה. תגובה טיפולית עקיפה עלולה לגרום לשינויים במיקרו-סביבה של אתר המחלה על ידי שחרור גורמים שיתקנו או יטפלו במחלה5. גישות אלה של טיפולים בתאי גזע יכולות להיות מוערכות על ידי הדמיה לא פולשנית של תאי גזע מסומנים רדיו. הדמיה לא פולשנית יכולה להתאים את ספיגת התאים הרדיואקטיביים באתר המחלה עם תגובה טיפולית לפענוח התגובה הטיפולית הישירה לעומת העקיפה.
בנוסף, טיפולים מבוססי תאי חיסון מפותחים לטיפול בסוגי סרטן שונים באמצעות CAR T-cell 6,7,8,9,10 ואימונותרפיה של תאים דנדריטיים 11,12. באופן מכניסטי, באימונותרפיהשל תאי T CAR 6,7,8,9,10, תאי T מהונדסים לבטא אפיטופ שנקשר לאנטיגן ספציפי על גידולים שיש לטפל בו. תאי CAR T מהונדסים אלה, עם נתינתם, נקשרים לאנטיגן הספציפי הקיים על תאי הגידול באמצעות אינטראקציה אפיטופית-אנטיגן. לאחר הקשירה, תאי ה-CAR T הקשורים עוברים הפעלה ולאחר מכן מתרבים ומשחררים ציטוקינים, מה שמאותת למערכת החיסון של המארח לתקוף את הגידול המבטא את האנטיגן הספציפי. לעומת זאת, במקרה של טיפולים בתאים דנדריטיים11,12, תאים דנדריטיים מהונדסים להציג אנטיגן סרטני ספציפי על פני השטח שלהם. תאים דנדריטיים מהונדסים אלה, כאשר הם מנוהלים, הם ביתם של בלוטות הלימפה ונקשרים לתאי T בבלוטות הלימפה. תאי T, עם קשירתם לאנטיגנים הסרטניים הספציפיים על התאים הדנדריטיים המנוהלים, עוברים הפעלה/התפשטות ויוזמים תגובה חיסונית של המאכסן כנגד הגידול המבטא את האנטיגן הספציפי. לפיכך, הערכת הסחר של תאי CAR T הניתנים לאתר גידול9,10 וביות של תאים דנדריטיים לבלוטות הלימפה11,12 אפשרית על ידי הדמיה רדיואקטיבית של תאי CAR T ותאים דנדריטיים כדי לקבוע את יעילות האימונותרפיה. יתר על כן, סחר לא פולשני בתאים יכול לעזור להבין טוב יותר את הפוטנציאל הטיפולי, להבהיר את התגובה הטיפולית הישירה לעומת העקיפה, ולחזות ולנטר את התגובה הטיפולית של טיפולים מבוססי תאי גזע ותאי חיסון.
שיטות הדמיה שונות לסחר בתאים נחקרו 3,4,9,10,12, כולל דימות אופטי, דימות תהודה מגנטית (MRI), טומוגרפיה ממוחשבת של פליטת פוטון יחיד (SPECT) וטומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET). לכל אחת מהטכניקות הללו יתרונות וחסרונות משלה. מבין אלה, PET הוא המודל המבטיח ביותר בשל אופיו הכמותי ורגישותו הגבוהה, החיוניים לכימות אמין של תאים בסחר תאים מבוסס הדמיה 3,4,9,10.
רדיואיזוטופ פולט פוזיטרונים 89Zr, עם זמן מחצית חיים של 78.4 שעות, מתאים לתיוג תאים. הוא מאפשר הדמיית PET של סחר בתאים במשך יותר משבוע אחד ומיוצר בקלות על ידי ציקלוטרון רפואי זמין באופן נרחב, אנרגיה נמוכה 13,14,15,16,17. בנוסף, כלטור p-isothiocyanatobenzyl-desferrioxamine (DFO-Bn-NCS) המתפקד כראוי זמין מסחרית לסינתזה של סינתון תיוג תאים 89 Zr, מוכן לשימוש, [89 Zr]Zr-p-isothiocyanatobenzyl-desferrioxamine, הידוע גם בשם [89Zr]Zr-DBN 18,19,20,21,22,23,24,25. העיקרון של [89 Zr]Zr-DBN בתיווך תיוג תאים מבוסס על תגובה בין אמינים ראשוניים של חלבוני קרום התא לבין moiety איזותיוציאנט (NCS) של [89Zr]Zr-DBN כדי לייצר קשר קוולנטי יציב thiourea.
[89זר] תיוג והדמיית תאים מבוססי Zr-DBN פורסמו כדי לעקוב אחר מגוון תאים שונים, כולל תאי גזע 18,23,25, תאים דנדריטיים18, תאי גזע קרדיופויטיים19, תאי סטרומה נשירים 20, מקרופאגים שמקורם במח עצם 20, תאי דם חד-גרעיניים היקפיים 20, תאי T Jurkat/CAR 21, הפטוציטים22,24 ותאי דם לבנים 25. הפרוטוקול הבא מספק שיטות שלב אחר שלב של הכנה ותיוג רדיו של תאים עם [89Zr]Zr-DBN ומתאר שינויים שעשויים להידרש בפרוטוקול התיוג הרדיואקטיבי עבור סוג תא ספציפי. לקבלת בהירות רבה יותר, השיטה של radiolabeling התא המוצג כאן מחולק לארבעה חלקים. החלק הראשון עוסק בהכנת [89 Zr]Zr-DBN על ידי chelating 89Zr עם DFO-Bn-NCS. החלק השני מתאר את ההכנה של נוסחה תואמת ביולוגית של [89Zr]Zr-DBN שניתן להשתמש בה בקלות לתיוג רדיו של תאים. החלק השלישי מכסה את השלבים הדרושים להתניה מוקדמת של תאים לתיוג רדיו. ההתניה המוקדמת של התאים כרוכה בשטיפת התאים עם תמיסת מלח מבודדת ללא חלבון פוספט (PBS) ותמיסת מלח מאוזן HEPES חוצצת הנקס (H-HBSS) כדי להסיר חלבונים חיצוניים, אשר עשויים להפריע או להתחרות בתגובה של [89Zr]Zr-DBN עם אמינים ראשוניים הנמצאים על פני התא חלבונים במהלך תיוג רדיו. החלק האחרון מספק שלבים המעורבים ברדיותיוג בפועל של התאים וניתוח בקרת איכות.
Protocol
Representative Results
Discussion
להלן שלבים קריטיים בפרוטוקול הזקוקים לאופטימיזציה לתיוג רדיו תאי יעיל. בשלבי פרוטוקול 1.2 ו-1.3, בהתאם לנפח של [89 Zr]Zr(HPO 4)2 או [89Zr]ZrCl4 שנעשה בו שימוש, יש להשתמש בנפח מתאים (מיקרוליטרים) של בסיס; יש להשתמש בתמיסת 1.0 M K 2 CO 3 לנטרול [89 Zr]Zr (HPO 4)2 ו- 1.0 M Na2CO3</…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי NIH 5R21HL127389-02, NIH 4T32HL007111-39, מענקי NIH R01HL134664 ו- DOE DE-SC0008947, הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית, וינה, המחלקה לרפואה גרעינית במאיו קליניק, המחלקה לרדיולוגיה ומרכז מאיו קליניק לרפואה רגנרטיבית, רוצ’סטר, מינסוטה. כל הדמויות נוצרו באמצעות BioRender.com.
Materials
| Acetonitrile | Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA, USA | A996-4 | |
| Alpha Minimum Essential Medium | Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA, USA | 12571063 | |
| Anion exchange column | Macherey-Nagel, Inc., Düren, Germany | 731876 | Chromafix 30-PS-HCO3 SPE 45 mg cartridge |
| Conical centrifuge tubes (15 mL) | Corning Inc., Glendale, AZ, USA | 352096 | Falcon 15 mL high-clarity polypropylene (PP) conical centrifuge tubes |
| Dendritic cells | The American Type Culture Collection, Manassas, VA, USA | CRL-11904 | |
| DFO-Bn-NCS | Macrocyclics, Inc., Plano, TX, USA | B-705 | p-SCN-Bn-Deferoxamine |
| DMSO | Sigma-Aldrich, Inc., St. Louis, MO | 276855 | |
| Dose calibrator | Mirion Technologies (Capintec), Inc., Florham Park, NJ, USA | 5130-3234 | CRC -55tR Dose Calibrator |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium | The American Type Culture Collection, Manassas, VA, USA | 30-2002 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | The American Type Culture Collection, Manassas, VA, USA | 30-2020 | |
| Hanks Balanced Salt solution (HBSS) | Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA, USA | 14025092 | For preparation of H-HBSS |
| Hydrochloric Acid (trace metal basis grade) | Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA, USA | A508P212 | |
| Melanoma cells | The American Type Culture Collection, Manassas, VA, USA | CRL-6475 | |
| Methanol | Sigma-Aldrich, Inc., St. Louis, MO | 34860 | |
| Microcentrifuge tube | Eppendorf, Hamburg, Germany | 30108442 | Protein LoBind microcentrifuge tube |
| Murine GM-CSF | R&D Systems, Inc., Minneapolis, MN USA | 415-ML-010 | |
| Penicillin/Streptomycin | Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA, USA | 15140-122 | |
| Phosphate Buffered Saline without Ca2+ and Mg2+ | Thermo Fisher Scientific, Inc., Waltham, MA, USA | 10010023 | For washing cells |
| Saline | Covidien LLC, Mansfield, MA, USA | 1020 | 0.9% Sterile Saline Solution |
| Shaker | Eppendorf, Hamburg, Germany | T1317 | Thermomixer |
| Silica gel-rad-TLC paper sheet | Agilent Technologies Inc., Santa Clara, CA, USA | SGI0001 | iTLC-SG |
Riferimenti
- Bhawnani, N., et al. Effectiveness of stem cell therapies in improving clinical outcomes in patients with heart failure. Cureus. 13 (8), e17236 (2021).
- Zakrzewski, W., Dobrzynski, M., Szymonowicz, M., Rybak, Z. Stem cells: past, present, and future. Stem Cell Research & Therapy. 10 (1), 68 (2019).
- Bukhari, A. B., Dutta, S., De, A. Image guidance in stem cell therapeutics: unfolding the blindfold. Current Drug Targets. 16 (6), 658-671 (2015).
- Momeni, A., Neelamegham, S., Parashurama, N. Current challenges for the targeted delivery and molecular imaging of stem cells in animal models. Bioengineered. 8 (4), 316-324 (2017).
- Gnecchi, M., Zhang, Z., Ni, A., Dzau, V. J. Paracrine mechanisms in adult stem cell signaling and therapy. Circulation Research. 103 (11), 1204-1219 (2008).
- D’Aloia, M. M., Zizzari, I. G., Sacchetti, B., Pierelli, L., Alimandi, M. CAR-T cells: the long and winding road to solid tumors. Cell Death & Disease. 9 (3), 282 (2018).
- Zhang, Q., et al. CAR-T cell therapy in cancer: tribulations and road ahead. Journal of Immunology Research. 2020, 1924379 (2020).
- Sterner, R. C., Sterner, R. M. CAR-T cell therapy: current limitations and potential strategies. Blood Cancer Journal. 11 (4), 69 (2021).
- Shao, F., et al. Radionuclide-based molecular imaging allows CAR-T cellular visualization and therapeutic monitoring. Theranostics. 11 (14), 6800-6817 (2021).
- Sakemura, R., Can, I., Siegler, E. L., Kenderian, S. S. In vivo CART cell imaging: Paving the way for success in CART cell therapy. Molecular Therapy Oncolytics. 20, 625-633 (2021).
- Wang, Y., et al. Dendritic cell biology and its role in tumor immunotherapy. Journal of Hematology & Oncology. 13 (1), 107 (2020).
- Bulte, J. W. M., Shakeri-Zadeh, A. In vivo MRI tracking of tumor vaccination and antigen presentation by dendritic cells. Molecular Imaging and Biology. 24 (2), 198-207 (2022).
- Holland, J. P., Sheh, Y., Lewis, J. S. Standardized methods for the production of high specific-activity zirconium-89. Nuclear Medicine and Biology. 36 (7), 729-739 (2009).
- Larenkov, A., et al. Preparation of zirconium-89 solutions for radiopharmaceutical purposes: interrelation between formulation, radiochemical purity, stability and biodistribution. Molecules. 24 (8), 1534 (2019).
- Pandey, M. K., et al. A new solid target design for the production of 89Zr and radiosynthesis of high molar activity [89Zr]Zr-DBN. American Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 12 (1), 15-24 (2022).
- Pandey, M. K., et al. Improved production and processing of 89Zr using a solution target. Nuclear Medicine and Biology. 43 (1), 97-100 (2016).
- Pandey, M. K., Engelbrecht, H. P., Byrne, J. P., Packard, A. B., DeGrado, T. R. Production of 89Zr via the 89Y(p,n)89Zr reaction in aqueous solution: effect of solution composition on in-target chemistry. Nuclear Medicine and Biology. 41 (4), 309-316 (2014).
- Bansal, A., et al. Novel 89Zr cell labeling approach for PET-based cell trafficking studies. EJNMMI Research. 5, 19 (2015).
- Bansal, A., et al. 89Zr]Zr-DBN labeled cardiopoietic stem cells proficient for heart failure. Nuclear Medicine and Biology. 90-91, 23-30 (2020).
- Friberger, I., et al. Optimisation of the synthesis and cell labelling conditions for [89Zr]Zr-oxine and [89Zr]Zr-DFO-NCS: a direct in vitro comparison in cell types with distinct therapeutic applications. Molecular Imaging and Biology. 23 (6), 952-962 (2021).
- Lee, S. H., et al. Feasibility of real-time in vivo 89Zr-DFO-labeled CAR T-cell trafficking using PET imaging. PLoS One. 15 (1), e0223814 (2020).
- Nicolas, C. T., et al. Hepatocyte spheroids as an alternative to single cells for transplantation after ex vivo gene therapy in mice and pig models. Surgery. 164 (3), 473-481 (2018).
- Yang, B., et al. Tracking and therapeutic value of human adipose tissue-derived mesenchymal stem cell transplantation in reducing venous neointimal hyperplasia associated with arteriovenous fistula. Radiology. 279 (2), 513-522 (2016).
- Nicolas, C. T., et al. Ex vivo cell therapy by ectopic hepatocyte transplantation treats the porcine tyrosinemia model of acute liver failure. Molecular Therapy. Methods & Clinical Development. 18, 738-750 (2020).
- Bansal, A., Sharma, S., Klasen, B., Rosch, F., Pandey, M. K. Evaluation of different 89Zr-labeled synthons for direct labeling and tracking of white blood cells and stem cells in healthy athymic mice. Scientific Reports. 12 (1), 15646 (2022).
- Behfar, A., et al. Guided cardiopoiesis enhances therapeutic benefit of bone marrow human mesenchymal stem cells in chronic myocardial infarction. Journal of the American College of Cardiology. 56 (9), 721-734 (2010).
- Charoenphun, P., et al. 89Zr]oxinate4 for long-term in vivo cell tracking by positron emission tomography. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 42 (2), 278-287 (2015).
- Sato, N., et al. In vivo tracking of adoptively transferred natural killer cells in rhesus macaques using 89zirconium-oxine cell labeling and PET imaging. Clinical Cancer Research. 26 (11), 2573-2581 (2020).
- Volpe, A., Pillarsetty, N. V. K., Lewis, J. S., Ponomarev, V. Applications of nuclear-based imaging in gene and cell therapy: probe considerations. Molecular Therapy Oncolytics. 20, 447-458 (2021).
- Fogli, L. K., et al. Challenges and next steps in the advancement of immunotherapy: summary of the 2018 and 2020 National Cancer Institute workshops on cell-based immunotherapy for solid tumors. Journal for Immunotherapy of Cancer. 9 (7), e003048 (2021).
- Li, X., Hacker, M. Molecular imaging in stem cell-based therapies of cardiac diseases. Advanced Drug Delivery Reviews. 120, 71-88 (2017).
- Puges, M., et al. Retrospective study comparing WBC scan and 18F-FDG PET/CT in patients with suspected prosthetic vascular graft infection. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 57 (6), 876-884 (2019).
- Butterfield, L. H. Dendritic cells in cancer immunotherapy clinical trials: are we making progress. Frontiers in Immunology. 4, 454 (2013).
- de Vries, I. J. M., et al. Magnetic resonance tracking of dendritic cells in melanoma patients for monitoring of cellular therapy. Nature Biotechnology. 23 (11), 1407-1413 (2005).
- Gosmann, D., et al. Promise and challenges of clinical non-invasive T-cell tracking in the era of cancer immunotherapy. EJNMMI Research. 12 (1), 5 (2022).
