發(fā)布日期：2017-05-02
使用抗體的正電子發(fā)射斷層掃描（Positron-emission tomography, PET）成像可以幫助研究人員觀察小鼠和其它動物體內(nèi)潛在的癌癥位置。
新技術(shù)幫助研究者深入理解免疫系統(tǒng)的作用機制。
抗癌藥物的研發(fā)過程非常曲折：起初，細胞實驗和小鼠實驗的前景都非常樂觀；但是，隨后的猴子試驗就非常讓人沮喪：猴子們被那些旨在靶向和殺死胰腺癌細胞的藥物毒死了。
該藥物的研發(fā)團隊成員、加州Genentech公司的Simon Williams指出，團隊檢驗過收集的組織樣本，但是沒有發(fā)現(xiàn)任何跡象提示藥物具有毒性。當(dāng)研究人員對活體進行成像，并跟蹤藥物在動物體內(nèi)的擴散時，他們終于找到了癥結(jié)所在：這種基于抗體的藥物主要被動物的骨髓吸收，進而殺死骨骼的白細胞。鑒于此，研究人員放棄了這種藥物。
當(dāng)生物藥物進入活體時，研究人員往往不知道后續(xù)會發(fā)生什么情況。從早期試驗到最終應(yīng)用于臨床，他們并不能確定藥效究竟如何。有時患者會對藥物產(chǎn)生響應(yīng)；有時則不會。無論結(jié)果如何，研究人員都想知道為什么。但通常他們?nèi)狈线m的研究工具。
現(xiàn)在，成像科學(xué)家和癌癥研究人員正在試圖解決這個問題。他們將傳統(tǒng)PET（Positron-emission tomography，正電子發(fā)射斷層掃描）技術(shù)與抗體和類似分子結(jié)合起來，創(chuàng)造了一種名為immunoPET的新技術(shù)。研究人員表示，隨著癌癥治療變得越來越精確和復(fù)雜，用于評估療效的工具也需要不斷改進。現(xiàn)代生物治療只適用于部分患者，但是醫(yī)生還不能可靠地預(yù)測哪一部分患者適用于這種治療?；顧z只能告訴你一個腫瘤的一部分發(fā)生了什么，immunoPET則可以提供身體里所有腫瘤的快照。
傳統(tǒng)PET使用放射性示蹤劑來觀察人體組織功能，而immunoPET則則使用抗體來識別目標細胞。隨著癌癥免疫治療的蓬勃發(fā)展和調(diào)動免疫系統(tǒng)來對抗腫瘤的治療策略的越來越流行，癌癥領(lǐng)域?qū)@種新興成像技術(shù)興趣大增。但是設(shè)計immunoPET成像探針并不容易。放射性示蹤劑的選擇、抗體設(shè)計和成像動力學(xué)等因素都需要審慎考慮。不過幸運的是，目前科學(xué)家們已經(jīng)取得了一些進展?，F(xiàn)在，他們可以鑒定越來越多的免疫細胞和癌癥組織，并且正在調(diào)整抗體結(jié)構(gòu)以改善其性質(zhì)。新的治療和成像策略呼之欲出。
斯坦福大學(xué)（Stanford University）放射科主任、致力于癌癥早期檢測和管理的分子成像研究者Sam Gambhir指出，這種“免疫工具箱”非常必要。他們做的大多數(shù)治療干預(yù)措施都是盲目射擊，不知道治療是否有效，特別是早期階段。人們只能看到腫瘤是否真的縮小了？但如果不縮小，就不知道哪里出了問題。這意味著，人們可能不知道下一步該怎么做。
潛力無限的PET
狹義來說，immunoPET是使用抗體或相關(guān)分子作為成像劑的工具。研究人員選擇一種抗體或類似分子來識別感興趣的細胞——例如幫助癌癥細胞免受免疫系統(tǒng)攻擊的PD-L1，或標記殺傷T細胞的CD8。把抗體注射到動物體內(nèi)，抗體就會擴散到身體各處，直到到達靶細胞并與其結(jié)合。
為了“看到”這些細胞，研究人員用半衰期較短的放射性同位素（通常為鋯-89或碘-124，半衰期分別為3.27和4.18天）標記抗體。這些PET標簽發(fā)射正電子——電子的反物質(zhì)。當(dāng)正電子與身體中的電子碰撞時，會產(chǎn)生一對γ射線顆粒，彼此反向高速離開。只要同時檢測這一對粒子，就可以顯示體內(nèi)目標物的位置和豐度了。研究人員可以將這些數(shù)據(jù)疊加到計算機斷層掃描（computed-tomography, CT）或磁共振成像掃描（）magnetic resonance imaging scans, MRI scans）圖像中，以確定抗體標簽的解剖位置。
生物學(xué)家和臨床醫(yī)生正在使用immunoPET來解釋為什么一些患者對治療產(chǎn)生響應(yīng)，而其他患者則沒法響應(yīng)。
例如，幾年前，荷蘭格羅寧根大學(xué)醫(yī)學(xué)中心（University Medical Center Groningen）的醫(yī)學(xué)腫瘤學(xué)家Elisabeth de Vries等人對56名晚期乳腺癌患者進行了immunoPET成像。該組患者接受了trastuzumab emtansine（Kadcyla）藥物治療。Kadcyla是一種偶聯(lián)藥物，它由與腫瘤蛋白HER2結(jié)合的抗癌抗體trastuzumab與靶向目標細胞的化療藥物結(jié)合而成。通過使用放射性標記，該小組發(fā)現(xiàn)，29％的患者的腫瘤沒有大量吸收抗體。這意味著患者不太可能從治療中受益；實際上，該組患者的生存期中位數(shù)為2.8個月，最后試驗以失敗告終。而那些腫瘤攝取較多抗體的患者的生存期中位數(shù)為15個月。De Vries等人和荷蘭三家研究機構(gòu)正在進行一項試驗，以測試這種前期成像是否能改善200名新診斷為轉(zhuǎn)移性乳腺癌女性患者的治療方案。該試驗預(yù)計在今年晚些時候完成志愿者招募工作。
在另一項研究中，de Vries等人證實，當(dāng)癌癥已經(jīng)損害血腦屏障時，抗體可以達到神經(jīng)膠質(zhì)瘤。這表明，與常規(guī)觀念相反，基于抗體的治療可能可以有效對抗神經(jīng)膠質(zhì)瘤。 de Vries指出，傳統(tǒng)理論認為，抗體分子太大了，以致無法穿過血腦屏障，然而事實并非如此。
許多癌癥發(fā)展迅速，當(dāng)它們傳播或轉(zhuǎn)移到身體的其它部位時，它們可能與原始腫瘤不同。因此僅僅對一個轉(zhuǎn)移腫瘤進行活檢是不夠的。ImmunoPET掃描全身的能力也有助于解決這個問題。紐約市紀念斯隆凱特琳癌癥中心分子成像和納米技術(shù)中心（Center for Molecular Imaging and Nanotechnology at Memorial Sloan Kettering Cancer Center）主任Jason Lewis表示，癌癥患者的轉(zhuǎn)移灶往往不止一個，可能有多個，但你無法對這些轉(zhuǎn)移進行一一活檢。不過現(xiàn)在有了immunoPET，研究者和醫(yī)生就可以對這些轉(zhuǎn)移灶進行成像了。在一項2016年開展的immunoPET研究中，Lewis等人確定了兩名HER2陽性轉(zhuǎn)移的女性，她們的原發(fā)性腫瘤為HER2陰性；這兩名患者對曲妥珠單抗治療有響應(yīng)。
輔助免疫治療
加州大學(xué)（University of California）洛杉磯分校的醫(yī)學(xué)腫瘤學(xué)家、黑色素瘤研究者Antoni Ribas指出，正在開發(fā)的免疫治療也可能受益于immunoPET。例如，在免疫檢查點抑制療法中，腫瘤細胞表面的一個受體與T細胞表面的一個受體相互反應(yīng)，從而抑制T細胞的免疫功能。免疫檢查點抑制劑與這兩個受體中的一個結(jié)合，并抑制其活性，從而激活腫瘤周圍的T細胞，使其行使腫瘤殺傷功能。
但是，Ribas表示，這種殺傷機制的一個基本假設(shè)是通過細胞表面蛋白CD8可以識別那些位于腫瘤附近的殺傷性T細胞。但事實并非如此。使用immunoPET，你可以確定免疫系統(tǒng)是否可以激活，如果腫瘤處沒有CD8細胞存在，那么使用檢查點抑制劑并不能激活該處的T細胞。這類患者將需要其它治療方案。
小鼠注射PET示蹤劑后不同時間點的PET與CT疊加圖像。BLK：空白對照組；NBLK：實驗組。
Ribas指出，當(dāng)免疫細胞過度激活，損傷其它組織時，免疫檢查點治療可能會引起令人討厭的副作用。例如，腸道炎癥是黑素瘤檢查點抑制劑藥物ipilimumab（Yervoy）的常見副作用。他推測，也許immunoPET可以讓臨床醫(yī)生盡早觀察到這些副作用的蛛絲馬跡。
諸如此類的臨床問題使得Ribas與加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）成像科學(xué)家Anna Wu（加州成像公司ImaginAb的聯(lián)合創(chuàng)始人，目前從事改進抗體，優(yōu)化immunoPET的工作）合作。2015年，Wu的團隊與Ribas等人使用immunoPET跟蹤三種免疫療法實驗中小鼠體內(nèi)的殺傷T細胞。放射性標記探針——靶向CD8受體的抗體片段顯示T細胞聚集在腫瘤中，并改變腫瘤在身體其它部位的分布。
Wu指出，ImmunoPET甚至可以在治療早期，在腫瘤開始縮小之前揭示治療是否有效。事實上，初始治療后，腫瘤可能沒有縮小，反而會變大——免疫細胞浸潤腫瘤，使組織發(fā)生腫脹時，研究人員和臨床醫(yī)生有時會誤以為治療無效。ImmunoPET可以揭示細胞類型之間的差異，并在腫瘤細胞明顯開始死亡之前顯示治療有效。
Williams表示，在藥物開發(fā)實驗室，immunoPET可以幫助研究人員決定是否應(yīng)該繼續(xù)研發(fā)一個抗體。在臨床前工作中，immunoPET證實了一種名為STEAP1的抗體的潛力。該抗體靶向轉(zhuǎn)移性前列腺癌細胞，其連接的藥物會殺傷癌細胞。在早期（未發(fā)表）臨床試驗中，成像顯示抗體組分甚至可以到達曾被認為是不可接近的組織中的轉(zhuǎn)移瘤，例如骨骼。以前免疫治療領(lǐng)域一個經(jīng)常討論的問題是：抗體能否轉(zhuǎn)運到骨轉(zhuǎn)移瘤？成像結(jié)果給了我們肯定的答案。
Williams的immunoPET有助于研究本文開頭提到的抗體—藥物偶聯(lián)物在非人靈長類動物上的重大毒副作用的案例，以查明為什么那種藥物如此致命。
快速遞送
研究人員指出，單克隆抗體能夠產(chǎn)生非常漂亮的immunoPET圖像。但是，將抗體送至目標的組織，并將未與靶細胞結(jié)合的單抗排出體外，從而產(chǎn)生良好的對比度和特異性的圖像的整個過程可能需時一周。
一些情況下，這個時間尺度是可以接受的。例如，在藥物開發(fā)方面，研究人員需要就是否繼續(xù)開發(fā)候選藥物做出決定，一般沒有時間去等待新的、更快速的成像劑問世。Williams指出，管理層必須決定：我們要繼續(xù)臨床3期試驗嗎？如果成像不能在限定時間里做出，就毫無意義。
抗體可以特異性結(jié)合細胞靶點，并使其在PET中可視化
但在臨床方面，時間是成像測試的首要考慮因素。約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University）分子成像科學(xué)家Sridhar Nimmagadda表示，一般immunoPET用于晚期癌癥患者，這些患者常常有轉(zhuǎn)移。對于這樣病情嚴重的病人來說，臨床決策需要盡快做出，一周還是太長了。
因此，研究人員也在努力開發(fā)精度不低于抗體，但分子量更小，藥代動力學(xué)更理想的分子。例如，Wu的實驗室已經(jīng)設(shè)計了名為“微型抗體”和“雙抗體”的細長抗體變體。這些抗體保留了傳統(tǒng)單抗與抗原相互作用的部分（稱為可變結(jié)構(gòu)域），但是去除了與免疫系統(tǒng)其它部分（例如清除細菌和碎片的細胞）接觸的部分。所這些抗體只保留了與目標分子結(jié)合的能力。Wu指出，病人注射這種抗體后，一天內(nèi)就可以成像。
Wu還表示，這些蛋白質(zhì)變體還有其它有用的特性。例如，它們能否通過肝臟或腎臟排出體外，這取決于它們的大小。為了提高對比度，并獲得盆腔腫瘤的清晰形象，臨床醫(yī)生將選擇通過肝臟清除的抗體；對于胰腺癌，通過腎臟清除的抗體則會更合適。Wu還可以改變這些工程化的抗體片段，使其盡可能地貼近人的內(nèi)源性蛋白，減少造成的免疫排斥反應(yīng)（因為它們不是天然的人類蛋白質(zhì)），或者使放射性同位素標記物以統(tǒng)一的方式附著于蛋白質(zhì)上，這有助于確?？贵w活力的一致和可靠性。Wu指出，這就是蛋白質(zhì)工程師的任務(wù)了。只要你想生產(chǎn)重組蛋白質(zhì)，你就可以你能優(yōu)化的蛋白的一切特性。
其他實驗室，如波士頓兒童醫(yī)院（Boston Children's Hospital）分子生物學(xué)家Hidde Ploegh的實驗室，利用美洲駝、羊駝和駱駝的抗體獲得了藥代動力學(xué)更快的immunoPET成像劑。這些駱駝種類產(chǎn)生的抗體僅含有一種類型的鏈，而不是常規(guī)抗體那樣，由兩種鏈組成，其重量僅為常規(guī)抗體的十分之一。但它們也比常規(guī)抗體更易被清除，并且在組織中的浸透深度更深。
放射學(xué)家和分子成像科學(xué)家Martin Pomper指出，任何允許病人在幾小時內(nèi)成像，然后離開醫(yī)院的方法都是值得鼓勵的。Pomper是約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University）核醫(yī)學(xué)和分子成像系的主任，Nimmagadda就職于該院系。
但是Pomper和Nimmagadda認為，臨床的最佳方法不在于抗體或抗體變體，而是更小的肽和其它低分子量分子。該團隊開發(fā)了一種放射性標記的肽，這種肽能與PD-L1結(jié)合，并可以在兩小時內(nèi)成像。目前該小組還在研發(fā)更小的成像劑。
標簽兩步法
保持抗體精確度的另一個策略是采取兩步法。研究人員往病人體內(nèi)注入抗體，然后等待一周，等不與靶標結(jié)合的抗體排出體外。接著注射第二個較小的標記探針，其迅速與第一次注射的抗體結(jié)合。這種方法中使用的放射性同位素半衰期更短，例如可以采用半衰期分別小于2小時和12.7小時的氟-18或銅-64。
該方法取決于“雙特異性”抗體的產(chǎn)生。這種抗體具有兩個結(jié)合位點——一個位點與蛋白質(zhì)靶標（如PD-L1）結(jié)合，另一個位點與放射性標記探針結(jié)合。
紀念斯隆-凱特琳癌癥中心（Memorial Sloan-Kettering Cancer Center）分子藥理學(xué)項目主管Steven Larson指出，與immunoPET一樣，兩步策略并不是什么新想法。但是，現(xiàn)在成像和抗體工程的進步讓兩步策略成為了一個令人興奮的產(chǎn)物。Larson相信，這種方法可以為放射免疫療法（利用抗體特異性，靶向性地向腫瘤遞送放射性毒性藥物）這種舊治療策略注入新活力。Larson表示，現(xiàn)代成像使醫(yī)師能夠精確地校準劑量，避免損傷正常組織。
他還補充，如果實質(zhì)瘤沒有在早期被發(fā)現(xiàn)，那么患者就很難完全治愈。他們想通過這種方式根治癌癥，并且認為可行性很高。
Gambhir表示，開發(fā)和測試癌癥療法的研究人員通常沒有意識到成像技術(shù)是非常實用的工具。但他們正在學(xué)習(xí)。1月份發(fā)表的一篇論文顯示，在免疫治療試驗中，工程化的T細胞到達膠質(zhì)瘤后，可以被PET成像劑跟蹤。這篇文章發(fā)表后，他收到了很多來自業(yè)界的咨詢。制藥公司的電話Gambhir已接到手軟。藥企一看到人體上的試驗結(jié)果，就興奮起來了。
來源：生命奧秘
