Pretargeted Radioimmuntherapie basierend auf die Inverse Elektron Nachfrage Diels-Alder-Reaktion
Summary
Dieses Protokoll beschreibt die Synthese und Charakterisierung von einem Trans– Cyclooctene (TCO)-modifizierte Antikörper und einem 177-Lu-Label kurz (Tz) Radioligand für pretargeted Radioimmuntherapie (Gewinn). Darüber hinaus enthält sie die Verwendung von diesen beiden Konstrukte für in Vivo Bioverteilung und längs Therapiestudien in einem Mausmodell des kolorektalen Karzinoms.
Abstract
Während Radioimmuntherapie (RIT) einen vielversprechenden Ansatz für die Behandlung von Krebs ist, kann die lange pharmakokinetische Halbwertszeit von radioaktiven Antikörper hohe Strahlendosen auf gesundes Gewebe führen. Vielleicht haben es überrascht nicht, verschiedene Strategien entwickelt, um diese beunruhigende Einschränkung zu umgehen. Eines der vielversprechendsten Ansätze ist pretargeted Radioimmuntherapie (Gewinn). Gewinn gründet sich auf Entkopplung Radionuklids aus dem Immunglobulin, Injektion von ihnen getrennt und dann erlauben sie, in Vivo im Zielgewebe zu kombinieren. Dieser Ansatz nutzt die außergewöhnliche Tumor-targeting Eigenschaften der Antikörper während Sockelleiste ihre pharmakokinetischen Nachteile, dadurch Senkung der Strahlenbelastung für Nichtziel-Gewebe und erleichtert den Einsatz von Radionukliden mit Halbwertszeiten, die als zu kurz für Einsatz in traditionellen Radioimmunoconjugates. In den letzten fünf Jahren haben unser Labor und andere ein Ansatz zur in-Vivo pretargeting basierend auf die inverse Elektron-Nachfrage Diels-Alder (IEDDA) Reaktion zwischen Trans– Cyclooctene (TCO) und kurz (Tz) entwickelt. Diese Strategie erfolgreich angewendet wurde, pretargeted Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Single Photon Emission Computertomographie (SPECT) Bildgebung mit einer Vielzahl von Antikörper-Antigen-Systemen. Wir haben in ein paar Neuerscheinungen die Wirksamkeit des IEDDA-basierte Gewinn in murinen Modellen Duktales Pankreaskarzinom und kolorektalen Karzinom gezeigt. Wir beschreiben in diesem Protokoll Protokolle für Gewinn mit einem 177-Lu-DOTA-Label kurz Radioligand ([177Lu] Lu-DOTA-PEG-7– Tz) und einer TCO-modifizierte Variante des colorectal Krebses Ausrichtung auf huA33 Antikörper (huA33-TCO). Genauer gesagt, beschreiben wir den Bau der huA33-TCO, Synthese und enzymatische [177Lu] Lu-DOTA-PEG-7– Tz, und die Leistung der in Vivo Bioverteilung und längs Therapiestudien in murinen Modellen der kolorektalen Karzinom.
Introduction
Radioimmuntherapie (RIT) – die Verwendung von Antikörpern für die Lieferung von therapeutischen Radionuklide zu Tumoren – schon seit langem ein verlockender Ansatz zur Behandlung von Krebs1,2. In der Tat hat dieses Versprechen durch die United States Food and Drug Administration Zulassung von zwei Radioimmunoconjugates für die Behandlung von Non-Hodgkin Lymphom unterstrichen worden: 90Y-Ibritumomab Tiuxetan und 131-Tositumomab3 , 4. aber auch von ihren Anfängen, die klinische Perspektiven der RIT durch eine wichtige Komplikation behindert haben: hohe Strahlung Dosis Raten auf gesundes Gewebe5,6. Im allgemeinen Radioimmunoconjugates für RIT mit langlebiger Radionuklide gekennzeichnet sind (z. B. 131ich [t½ = 8,0 Tage] und 90Y [t½ = 2,7 Tage]) mit physischen Halbwertszeiten, die gut mit der lange pharmakokinetische Halbwertszeiten von Immunglobulinen. Dies ist wichtig, denn es gewährleistet, dass genügend Radioaktivität bleibt der Antikörper nach einigen Tagen nach der Übermittlung seiner optimalen Bioverteilung angekommen. Diese Kombination von langen Verweilzeiten im Blut und lange körperliche Halbwertszeiten führt jedoch unweigerlich in der Bestrahlung von gesundem Gewebe, wodurch therapeutische Verhältnisse und die Wirksamkeit der Therapie7zu begrenzen. Verschiedene Strategien zur Umgehung dieses Problems, einschließlich der Verwendung von abgeschnittenen Antikörperfragmente wie Fab, Fab erkundet worden “, F(ab’)2, Minibodies und Nanobodies8,9,10. Eine der vielversprechendsten und faszinierend, aber unbestreitbar Komplex, alternative Ansätze ist in Vivo pretargeting11.
Pretargeting in Vivo ist ein Ansatz zur nuklearen Bildgebung und Therapie, die versucht, die exquisite Affinität und Selektivität von Antikörpern nutzbar zu machen, während ihre pharmakokinetischen Nachteile11,12,13Sockelleiste. Zu diesem Zweck ist der radioaktiven Antikörper verwendet im traditionellen Radioimmuntherapie in zwei Komponenten zerlegt: ein kleines Molekül Radioligand und eine Immunoconjugate, die sowohl ein Tumor Antigen und die oben genannten Radioligand binden können. Das Immunoconjugate ist zuerst injiziert und einen “Vorsprung”, oft mehrere Tage, in denen es reichert sich in das Zielgewebe und löscht aus dem Blut. Anschließend das kleine Molekül Radioligand verabreicht und kombiniert mit der Immunoconjugate auf den Tumor oder löscht rasch aus dem Körper. Im wesentlichen stützt sich in Vivo pretargeting auf Radiochemie innerhalb des Körpers selbst durchführen. Durch die Reduzierung der Zirkulation der Radioaktivität, dieser Ansatz gleichzeitig reduziert Strahlenbelastung auf gesundes Gewebe und erleichtert den Einsatz von Radionukliden (z. B. 68Ga, t½ = 68 min.211; Als t½ = 7,2 h) mit Halbwertszeiten, die in der Regel mit Antikörper-basierten Vektoren unvereinbar angesehen werden.
Beginnend in den späten 1980er Jahren, eine Handvoll verschiedener Ansätze zur in-Vivo pretargeting entwickelt worden, einschließlich Strategien basierend auf Bispezifische Antikörper, die Interaktion zwischen Streptavidin und Biotin, und der Hybridisierung von ergänzenden Oligonukleotide14,15,16,17,18. Noch ist jeder zurück in unterschiedlichem Ausmaß von Komplikationen, am bekanntesten die potente Immunogenität von Streptavidin-modifizierte Antikörper19,20gehalten worden. In den letzten fünf Jahren haben unsere Gruppe und andere einen Ansatz zur in-Vivo pretargeting basierend auf der schnellen und Bioorthogonal inverse Elektron Nachfrage Diels-Alder Ligatur zwischen Trans– Cyclooctene (TCO) und kurz (Tz) entwickelt 21,22,23,24. Das erfolgreichste dieser Strategien haben ein TCO-modifizierte Antikörper und ein Tz-Lager Radioligand beschäftigt wie TCO in der Regel stabiler in Vivo als seine Tz Partner (Abbildung 1)25,26. In anderen pretargeting Methoden ist die mAb-TCO Immunoconjugate zuerst verabreicht und Zeit aus dem Verkehr gezogen und im Tumorgewebe anreichern. Anschließend wird das kleine Molekül Tz Radioligand injiziert, anschließend entweder mit der Immunoconjugate in das Zielgewebe klickt oder löscht rasch aus dem Körper. Dieses in Vivo pretargeting Strategie bewährt sehr effektiv für PET und SPECT imaging mit mehreren verschiedenen Antikörper/Antigen-Systemen, konsequent produziert Bilder mit hohem Kontrast und ermöglicht die Verwendung von kurzlebigen Radionukliden wie 18 F (t½ = 109 min) und 64Cu (t1/2 = 12,7 h)21,22,24. Vor kurzem wurde die Wirksamkeit von Klick-basierte pretargeted Radioimmuntherapie (Gewinn) in murinen Modellen Duktales Pankreaskarzinom (PDAC) und kolorektalen Karzinom27,28nachgewiesen. Zu diesem Zweck die therapeutischen Radionuklids 177Lu (βmax = 498 keV, t1/2 = 6,7 Tage) wurde in Verbindung mit zwei verschiedenen Antikörpern eingesetzt: 5B1, die Kohlenhydrat-Antigen 19,9 (CA19.9) ubiquitär in PDAC ausgedrückt richtet sich an , und huA33, die A33 abzielt, einen transmembranen Glycoprotein ausgedrückt in > 95 % der kolorektale Karzinome. In beiden Fällen diesen Ansatz auf 177Lu-Gewinn ergab hohe Aktivitätskonzentrationen im Tumorgewebe, erstellt eine dosisabhängige therapeutische Wirkung und reduziert gleichzeitig Aktivitätskonzentrationen in gesundes Gewebe im Vergleich zu traditionellen direkt-mit der Bezeichnung Radioimmunoconjugates.
In diesem Artikel beschreiben wir Protokolle für Gewinn mit einem 177-Lu-DOTA-Label kurz Radioligand ([177Lu] Lu-DOTA-PEG-7– Tz) und einer TCO-modifizierte Variante der huA33 Antikörper (huA33-TCO). Genauer gesagt, beschreiben wir den Bau des huA33-TCO (Abbildung 2), der Synthese und enzymatische [177Lu] Lu-DOTA-PEG7– Tz (Abbildung 3 und Abbildung 4) und die Leistung von in Vivo Bioverteilung und längs Therapiestudien in murinen Modellen des kolorektalen Karzinoms. Darüber hinaus in der repräsentative Ergebnisse und Diskussion, wir präsentieren ein Beispieldatensatz Adresse mögliche Strategien zur Optimierung dieses Ansatzes und betrachten diese Strategie in den größeren Zusammenhang der in Vivo pretargeting und Gewinn. Schließlich ist es wichtig zu beachten, dass während wir gewählt haben, konzentrieren sich auf pretargeting mit huA33-TCO und [177Lu] Lu-DOTA-PEG-7– Tz in diesem Protokoll, diese Strategie hochmodular ist und kann eine Vielzahl von Antikörpern angepasst werden und Radionuklide.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eine der Stärken dieses Ansatzes zu in Vivo pretargeting — vor allem in Bezug auf Strategien auf Bispezifische Antikörper ausgesagt und radioaktiv Haptens – ist seine Modularität: Trans– Cyclooctene Moieties können angehängt werden, um Antikörper und kurz Radioligands kann mit einer außergewöhnlichen Vielfalt von Radionukliden ohne Beeinträchtigung ihrer Reaktionsfähigkeit mit ihren Partnern klicken Sie radioaktiv sein. Die Anpassung dieses Konzepts auf andere Antikörper/Antigen-System is…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Dr. Jacob Houghton für hilfreiche Gespräche. Die Autoren auch möchte die NIH für ihre großzügige Finanzierung (R00CA178205 und U01CA221046).
Materials
| (E)-Cyclooct-4-enyl 2,5-dioxo-1-pyrrolidinyl carbonate (TCO-NHS) | Sigma-Aldrich | 764523 | Store at -80 °C |
| 2,5-Dioxo-1-pyrrolidinyl 5-[4-(1,2,4,5-tetrazin-3-yl)benzylamino]-5-oxopentanoate (Tz-NHS) | Sigma-Aldrich | 764701 | Store at -80 °C |
| Acetonitrile (MeCN) | Fisher Scientific | A998-4 | |
| Ammonium Acetate (NH4OAc) | Fisher Scientific | A639-500 | |
| Boc-PEG7-amine (O-(2-Aminoethyl)-O′-[2-(Boc-amino)ethyl]hexaethylene glycol) | Sigma-Aldrich | 70023 | Store at -20 °C |
| Dichloromethane (DCM) | Fisher Scientific | D143-1 | |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO), anhydrous | Fisher Scientific | D12345 | |
| EMD Millipore Amicon Ultra-2 Centrifugal Filter Unit | Fisher Scientific | UFC205024 | |
| GE Healthcare Disposable PD-10 Desalting Columns | Fisher Scientific | 45-000-148 | |
| N,N-Dimethylformamide (DMF), anhydrous | Fisher Scientific | AC610941000 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Fisher Scientific | 70-011-044 | 10x Concentrated |
| p-SCN-Bn-DOTA | Macrocyclics | B-205 | Store at -20 °C |
| Triethylamine (TEA) | Fisher Scientific | AC157911000 | |
| Trifluoroacetic Acid (TFA) | Fisher Scientific | A116-50 | |
| Tumor measuring device | Peira TM900 | Peira TM900 |
Referências
- Goldenberg, D. M. Targeted Therapy of Cancer with Radiolabeled Antibodies. Journal of Nuclear Medicine. 43 (5), 693-713 (2002).
- Goldenberg, D. M., et al. Radioimmunotherapy of B-cell Lymphomas with Iodine-131-labeled LL2 Monoclonal Antibody. Journal of Clinical Oncology. 9 (4), 548-564 (1991).
- Kaminski, M. S., et al. Radioimmunotherapy with 131I-Tositumomab for Relapsed or Refractory B-cell non-Hodgkin Lymphoma: Updated Results and Long-Term Follow-Up of the University of Michigan Experience. Blood. 96 (4), 1259-1266 (2000).
- Davies, A. J. Radioimmunotherapy for B-cell Lymphoma: Y90 Ibritumomab Tiuxetan and I131 Tositumomab. Oncogene. 26, 3614 (2007).
- Rajendran, J., et al. Comparison of Radiation Dose Estimation for Myeloablative Radioimmunotherapy for Relapsed or Recurrent Mantle Cell Lymphoma Using 131I Tositumomab to That of Other Types of Non-Hodgkin’s Lymphoma. Cancer Biotherapy and Radiopharmaceuticals. 19 (6), 738-745 (2004).
- Rajendran, J. G., et al. High-Dose 131I-Tositumomab (Anti-CD20) Radioimmunotherapy for Non-Hodgkin’s Lymphoma: Adjusting Radiation Absorbed Dose to Actual Organ Volumes. Journal of Nuclear Medicine. 45 (6), 1059-1064 (2004).
- Larson, S. M., Carrasquillo, J. A., Cheung, N. -. K. V., Press, O. Radioimmunotherapy of Human tumours. Nature Reviews Cancer. 15 (6), 347-360 (2015).
- Kelly, M. P., et al. Tumor Targeting by a Multivalent Single-Chain Fv (scFv) Anti-Lewis Y Antibody Construct. Cancer Biotherapy & Radiopharmaceuticals. 23 (4), 411-423 (2008).
- Yazaki, P. J., et al. Tumor Targeting of Radiometal Labeled Anti-CEA Recombinant T84.66 Diabody and T84.66 Minibody: Comparison to Radioiodinated Fragments. Bioconjugate Chemistry. 12 (2), 220-228 (2001).
- van Duijnhoven, S. M. J., et al. Diabody Pretargeting with Click Chemistry In Vivo. Journal of Nuclear Medicine. 56 (9), 1422-1428 (2015).
- Altai, M., Membreno, R., Cook, B., Tolmachev, V., Zeglis, B. M. Pretargeted Imaging and Therapy. Journal of Nuclear Medicine. 58 (10), 1553-1559 (2017).
- Goldenberg, D. M., Chatal, J. -. F., Barbet, J., Boerman, O., Sharkey, R. M. Cancer Imaging and Therapy with Bispecific Antibody Pretargeting. Update on cancer therapeutics. 2 (1), 19-31 (2007).
- Rossin, R., et al. In-Vivo Chemistry for Pretargeted Tumor Imaging in Live Mice. Angewandte Chemie International Edition. 49 (19), 3375-3378 (2010).
- Gestin, J. F., et al. Two-Step Targeting of Xenografted Colon Carcinoma Using a Bispecific Antibody and 188Re-Labeled Bivalent Hapten: Biodistribution and Dosimetry Studies. Journal of Nuclear Medicine. 42 (1), 146-153 (2001).
- Green, D. J., et al. Comparative Analysis of Bispecific Antibody and Streptavidin-Targeted Radioimmunotherapy for B-cell Cancers. Pesquisa do Câncer. 76 (22), 6669 (2016).
- Sharkey, R. M., et al. Development of a Streptavidin−Anti-Carcinoembryonic Antigen Antibody, Radiolabeled Biotin Pretargeting Method for Radioimmunotherapy of Colorectal Cancer. Studies in a Human Colon Cancer Xenograft Model. Bioconjugate Chemistry. 8 (4), 595-604 (1997).
- Knox, S. J., et al. Phase II Trial of Yttrium-90-DOTA-Biotin Pretargeted by NR-LU-10 Antibody/Streptavidin in Patients with Metastatic Colon Cancer. Clinical Cancer Research. 6 (2), 406 (2000).
- Schubert, M., et al. Novel Tumor Pretargeting System Based on Complementary L-Configured Oligonucleotides. Bioconjugate Chemistry. 28 (4), 1176-1188 (2017).
- Forero, A., et al. Phase 1 Trial of a Novel Anti-CD20 Fusion Protein in Pretargeted Radioimmunotherapy for B-cell Non-Hodgkin Lymphoma. Blood. 104 (1), 227 (2004).
- Kalofonos, H. P., et al. Imaging of Tumor in Patients with Indium-111-Labeled Biotin and Streptavidin-Conjugated Antibodies: Preliminary Communication. Journal of Nuclear Medicine. 31 (11), 1791-1796 (1990).
- Zeglis, B. M., et al. A Pretargeted PET Imaging Strategy Based on Bioorthogonal Diels-Alder Click Chemistry. Journal of Nuclear Medicine. 54 (8), 1389-1396 (2013).
- Meyer, J. -. P., et al. 18F-Based Pretargeted PET Imaging Based on Bioorthogonal Diels-Alder Click Chemistry. Bioconjugate Chemistry. 27 (2), 298-301 (2016).
- Rossin, R., Läppchen, T., vanden Bosch, S. M., Laforest, R., Robillard, M. S. Diels-Alder Reaction for Tumor Pretargeting: In Vivo Chemistry Can Boost Tumor Radiation Dose Compared with Directly Labeled Antibody. Journal of Nuclear Medicine. 54 (11), 1989-1995 (2013).
- Zeglis, B. M., et al. Optimization of a Pretargeted Strategy for the PET Imaging of Colorectal Carcinoma via the Modulation of Radioligand Pharmacokinetics. Molecular Pharmaceutics. 12 (10), 3575-3587 (2015).
- Agard, N. J., Prescher, J. A., Bertozzi, C. R. A Strain-Promoted [3 + 2] Azide−Alkyne Cycloaddition for Covalent Modification of Biomolecules in Living Systems. Journal of the American Chemical Society. 126 (46), 15046-15047 (2004).
- Blackman, M. L., Royzen, M., Fox, J. M. Tetrazine Ligation: Fast Bioconjugation Based on Inverse-Electron-Demand Diels−Alder Reactivity. Journal of the American Chemical Society. 130 (41), 13518-13519 (2008).
- Houghton, J. L., et al. Establishment of the In Vivo Efficacy of Pretargeted Radioimmunotherapy Utilizing Inverse Electron Demand Diels-Alder Click Chemistry. Molecular Cancer Therapeutics. 16 (1), 124-133 (2017).
- Membreno, R., Cook, B. E., Fung, K., Lewis, J. S., Zeglis, B. M. Click-Mediated Pretargeted Radioimmunotherapy of Colorectal Carcinoma. Molecular Pharmaceutics. 15 (4), 1729-1734 (2018).
- Reiner, T., Lewis, J. S., Zeglis, B. M. Harnessing the Bioorthogonal Inverse Electron Demand Diels-Alder Cycloaddition for Pretargeted PET Imaging. Journal of Visualized Experiments. (96), e52335 (2015).
- Cook, B. E., Membreno, R., Zeglis, B. M. Dendrimer Scaffold for the Amplification of In Vivo Pretargeting Ligations. Bioconjugate Chemistry. 29 (8), 2734-2740 (2018).
- Cheal, S. M., et al. Theranostic Pretargeted Radioimmunotherapy of Colorectal Cancer Xenografts in Mice Using Picomolar Affinity Y-86- or Lu-177-DOTA-Bn Binding scFv C825/GPA33 IgG Bispecific Immunoconjugates. European journal of nuclear medicine and molecular imaging. 43 (5), 925-937 (2016).
- Meyer, J. -. P., et al. Bioorthogonal Masking of Circulating Antibody-TCO Groups Using Tetrazine-Functionalized Dextran Polymers. Bioconjugate Chemistry. 29 (2), 538-545 (2018).
- Houghton, J. L., et al. Pretargeted Immuno-PET of Pancreatic Cancer: Overcoming Circulating Antigen and Internalized Antibody to Reduce Radiation Doses. Journal of Nuclear Medicine. 57 (3), 453-459 (2016).
- Keinänen, O., et al. Pretargeting of Internalizing Trastuzumab and Cetuximab with a (18)F-Tetrazine Tracer in Xenograft Models. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging Research. 7, 95 (2017).
- Billaud, E. M. F., et al. Micro-flow Photosynthesis of New Dienophiles for Inverse-Electron-Demand Diels-Alder Reactions. Potential Applications for Pretargeted In Vivo PET Imaging. Chemical Science. 8 (2), 1251-1258 (2017).
