分子核医学在嵌合抗原受体T细胞免疫治疗的应用进展.pdf
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1、前 言嵌 合 抗 原 受 体 T 细 胞(Chimeric AntigenReceptor T-Cell,CAR-T)疗法作为一种新型、精准靶向的免疫疗法,对肿瘤细胞的杀伤作用不受主要组织相容性复合体分子的限制,通过整合单链可变抗原和信号结构域,靶向识别表达特定抗原的肿瘤细胞形成免疫突触,激活内源性免疫反应,表达促凋亡配体,并释放细胞毒性穿孔素、颗粒酶和炎性细胞因子杀伤肿瘤细胞,给血液系统恶性肿瘤的治疗带来革命性的变化1-3。目前CAR-T已经发展到第5代,已有5款CAR-T细胞疗法药物被美国食品药品监督管理局批准用于治疗B细胞白血病、淋巴瘤以及多发性骨髓瘤4。但回顾既往研究,CAR-T细胞疗
2、法的应用可产生细胞因子释放综合征、脱靶效应、过敏反应等各种毒性反应,并且部分患者未见临床获益,缺乏预测疗效的生物标志物,导致疾病进展5。因此早期评估对CAR-T细胞治疗的应答效果,及时预测疗效成为新的挑战。传统方法如CT、MRI通过实体瘤的免疫反应评分子核医学在嵌合抗原受体T细胞免疫治疗的应用进展黄文鹏,杨琦,陈钊,邱永康,宋乐乐,范岩,康磊北京大学第一医院核医学科,北京 100034【摘要】嵌合抗原受体T细胞(CAR-T)疗法作为一种新型、精准靶向的免疫疗法,给血液系统恶性肿瘤的治疗带来了革命性的变化。基于放射性核素的PET、SPECT等分子核医学技术具有非侵入性、长期动态、实时监测活体水平
3、内的分子靶标评价的独特优势,有助于优化输注CAR-T细胞的时机、剂量以及避免潜在的生物毒性,并对指导CAR-T疗法的研发起重要作用。本文对基于放射性核素的分子核医学在CAR-T细胞治疗中的监测和疗效评估应用进行综述,其中一些有前景的分子探针的临床转化有助于监测CAR-T细胞的活性、生物分布和靶向肿瘤部位的传输。【关键词】分子核医学;免疫疗法;免疫成像;嵌合抗原受体;综述【中图分类号】R392;R811.1【文献标志码】A【文章编号】1005-202X(2023)09-1057-07Advances in application of molecular nuclear medicine in
4、chimeric antigen receptor T cellimmunotherapyHUANG Wenpeng,YANG Qi,CHEN Zhao,QIU Yongkang,SONG Lele,FAN Yan,KANG LeiDepartment of Nuclear Medicine,Peking University First Hospital,Beijing 100034,ChinaAbstract:Chimeric antigen receptor T cell(CAR-T)therapy as a novel and precision-targeted immunother
5、apy hasrevolutionized the treatment of hematologic malignancies.Molecular nuclear medicine technologies such as radionuclide-based PET and SPECT have the unique advantages of non-invasive,long-term dynamic,real-time monitoring of moleculartargets at the in vivo level,which are conducive to optimize
6、the timing and dose of CAR-T cell infusion and avoid potentialbiotoxicity,and play an important role in guiding the development of CAR-T therapy.A review on the application ofradionuclide-based molecular nuclear medicine in the monitoring and efficacy assessment of CAR-T therapy is provided.Theclini
7、cal application of some promising molecular probes helps to monitor CAR-T cell activity,biodistribution and delivery totargeted tumor sites.Keywords:molecular nuclear medicine;immunotherapy;immunoimaging;chimeric antigen receptor;review【收稿日期】2023-03-13【基金项目】国家自然科学基金(82171970,81871385);北京市杰出青年项目(JQ21
8、025);北大医学青年科技创新发展平台青年培育基金(BMU2022PY006);北京大学临床医学+X青年项目(PKU2021LCXQ023)【作者简介】黄文鹏,在读博士,研究方向:肿瘤免疫PET显像及诊疗一体化,E-mail:【通信作者】康磊,副教授,副主任医师,博士生导师,研究方向:肿瘤免疫PET显像及诊疗一体化,E-mail:DOI:10.3969/j.issn.1005-202X.2023.09.001第40卷第9期2023年 9月中国医学物理学杂志Chinese Journal of Medical PhysicsVol.40 No.9September 2023医学放射物理-1057
9、价标准评估CAR-T细胞疗效需在治疗几周后进行,并可能出现假性进展或超进展的误判。多次活检不仅具有有创性,亦不符合临床规范。流式细胞术和聚合酶链反应测量外周循环血中的CAR-T细胞,无法准确反映细胞在体内的实时动态分布、激活状态和免疫持久性6。近年来研究表明,利用基于放射性核素的分子核医学技术,可以非侵入式地对CAR-T细胞进行成像,以此实现对CAR-T细胞在体内的动态监测,并且能够准确评估CAR-T细胞对肿瘤部位的靶向程度,同时也能确定它们是否仍持续发挥免疫功能。分子核医学有助于优化输注CAR-T细胞的时机、剂量以及避免潜在的生物毒性,并在指导CAR-T疗法研发中起重要作用,可极大地减少开发
10、时间和成本7。本文对基于放射性核素的分子核医学在CAR-T细胞治疗中的监测和疗效评估应用进行综述。1 基于直接标记的核素示踪技术实现CAR-T细胞成像1.1 小分子探针为介导CAR-T细胞可直接通过化学小分子介导交换反应而被放射性核素直接进行体外标记进而成像,过程相对简单,对细胞进行的操作少,不涉及遗传修饰。目前有关直接标记技术在CAR-T细胞成像方面的研究进展见表1。最初使用铟-111(111In)-8-羟基喹啉(oxine)标记肿瘤浸润性淋巴细胞,111In-oxine直接标记细胞的原理是111In-oxine具有电中性、脂溶性,能够穿透细胞膜而进入细胞,由于111In与细胞内某些成分(例
11、如乳铁蛋白)的螯合作用强于111In与8-oxine的结合,进而111In结合与细胞实现标记,8-oxine被释放。PET扫描显示标记后的细胞迁移并聚集在黑色素瘤转移部位8,初步证明了过继转移的T细胞在体内靶向肿瘤的现象。标记方法小分子标记小分子标记小分子标记小分子标记小分子标记小分子标记纳米材料标记纳米材料标记纳米材料标记纳米材料标记标记物质111In-tropolone89Zr-oxine89Zr-oxine89Zr-DFO68Ga-oxine89Zr-oxineGNP-64Cu/PEG2000二氧化硅纳米颗粒氧化铁纳米颗粒高胺化氧化铁纳米虫CAR-T细胞类型MUC1-specific-C
12、AR-TErbB-specific-CAR-TIL13R2-CAR-TPSCA-CAR-TCD19-specific-CAR-TJurkat-CAR-ThPBMC-CAR-TCD19-specific-CAR-ThuLym-1-A-BB3z-CAR-TCD19-specific-CAR-ThCEA-redirected-CAR-TAnti-B7-H3-CAR-TCD123-specific-CAR-T成像设备SPECT/CTPET/CTPET荧光成像PET/CTPET/CTPET/MRIPETPET荧光成像MRIPATMPI荧光成像参考文献910111141315164546时间2011年20
13、18年2021年2020年2021年2015年2013年2021年2022年2022年表1 直接标记技术在CAR-T细胞成像方面的应用Table 1 Application of direct labeling technology in CAR-T cell imagingDFO:去铁胺;MUC1:跨膜糖蛋白粘蛋白1;ErbB:表皮生长因子受体;PSCA:前列腺干细胞抗原;hPBMC:人外周血单核细胞Parente-Pereira 等9针对跨膜糖蛋白粘蛋白 1(Transmembrane Glycoprotein Mucin 1,MUC1)和扩展的表皮生长因子受体(ErbB家族)设计两种CA
14、R-T细胞,使用111In-环庚三烯酚酮(tropolone)标记后通过SPECT/CT 成像进行实时跟踪,发现静脉输注的CAR-T细胞无法渗透到肿瘤部位,腹腔注射或皮下输注的 CAR-T 细胞主要停留在注射部位,为后续CAR-T 免疫治疗的临床前评估提供基础。Weist等10首次使用锆-89(89Zr)-oxine 标记 CAR-T 细胞,因89Zr具有较长的物理半衰期(78.4 h),在PET上动态追踪和监测CAR-T细胞可长达6 d。Wu等11为了阐明 CAR-T 细胞在实体瘤中的抗肿瘤机制,使用89Zr-oxine标记的CD19靶向CAR-T细胞进行PET成像和光学成像评价药代动力学和
15、药效学,为CAR-T中国医学物理学杂志第40卷-1058细胞的设计和实体瘤治疗的评价提供参考,并有望用于后续的 CAR-T 细胞靶向筛选和疗效预测。Sta Maria等 12 使用具有更高软组织分辨率的PET/MRI确定89Zr-oxine标记的CAR-T细胞的空间分布,静脉输注CAR-T细胞35 h后其分布在肺内,然后分布于肝脏和脾脏,最长可达23 d,提供了体内CAR-T细胞的靶向分布存在剂量依赖关系,通过输注的细胞剂量可能优化CAR-T细胞靶向到肿瘤部位的传输时间。PET成像对CAR-T细胞不同时期的生物分布具有高度敏感性,MRI可提供软组织高分辨率,更好地定义细胞的空间生物分布,PET
16、/MRI可以在患者治疗过程中更好地评估实时治疗反应,并帮助调整输注剂量和时间。但89Zr-oxine标记方法的主要缺点是放射性标记可能由于细胞凋亡或增殖而释放,导致体内脱标现象,限制了长期监测CAR-T细胞的应用。Bansal 等13认 为 基 于 去 铁 胺(Deferoxamine,DFO)的89Zr细胞标记方法相比oxine在细胞表面蛋白间具有更为稳定的共价结合,可在PET核素显像中得到广泛应用。Lee等1进一步使用89Zr-DFO直接标记 CAR-T 细胞,每个细胞的标记活性为 98.1103.6 kBq/106,标 记 后 细 胞 存 活 率 95%,证 明 利用89Zr-DFO标记
17、CAR-T细胞通过PET成像实时可视化转运是可行的。除了89Zr外,Wang等14使用具有较短半衰期的镓-68(68Ga)标记CAR-T细胞,在体内的前6 h内,89Zr和68Ga标记的CAR-T细胞的生物分布相似,首先聚集在肺内,并逐渐迁移到脾脏和肝脏。通过皮尔森相关分析发现89Zr 和68Ga 标记的CAR-T细胞在同一组织(肺、肝、脾)的分布具有显著正相关性,用于体内CAR-T细胞早期无创性示踪是可行的。68Ga 标记 CAR-T 细胞的有效吸收剂量仅为89Zr标记CAR-T细胞的1/24,有利于临床转化。1.2 纳米探针近些年来,纳米颗粒因其具有实体瘤高通透性和滞留效应,在生物医学领域
18、取得广泛的发展。除了作为药物输送平台外,纳米颗粒具备多模态显像载体平台的潜能,可用于体外和体内的细胞跟踪和检测。Bhatnagar 等15首次通过体外电穿孔技术将铜-64(64Cu)标记的金纳米颗粒(Gold Nanoparticles,GNPs)导入到CAR-T细胞内观察其在动物模型内的分布情况,在输注10 min后PET显像发现肺内有明显的核素摄取,随后肝、脾的摄取逐渐增强,研究证明了基于纳米材料的CAR-T细胞体外标记和体内成像的可行性。Harmsen 等16开发一种基于89Zr 化学吸附标记近红外二氧化硅纳米颗粒的PET/近红外荧光成像双模态探针,对CAR-T细胞进行非基因组直接标记后
19、进行长达1周的跟踪,其探针具有高纳米颗粒负载效率(80%)和稳定的CAR-T细胞内标记。直接标记技术仍存在部分缺陷,由于CAR-T细胞对射线的敏感性,若发生细胞分裂或死亡时可出现直接标记信号的稀释,并且巨噬细胞吞噬死亡的标记细胞可产生信号混叠,干扰CAR-T细胞体内分布的评价。另外标记后的CAR-T细胞靶向到肿瘤部位后不能显示细胞的增殖。另一方面,直接标记仅在体外对CAR-T细胞进行一次标记,即使选择较长半衰期的放射性核素64Cu(12.7 h)、111In(67 h)和89Zr(78.4 h),仍不满足治疗后期的成像需求。2 基于报告基因实现CAR-T细胞成像间接标记方法将报告基因引入CAR
20、-T细胞基因组,并与相应的放射性标记探针一起转化为酶、受体或蛋白质的稳定表达,理论上报告基因的稳定表达使标记细胞能够在较长时间内进行连续成像。目前报告基因示踪技术相比直接标记技术在CAR-T细胞成像方面的研究取得了更多的进展(表2)。2.1 基于酶的报告基因基于酶的报告基因是目前唯一用于人体CAR-T细胞成像的报告基因,单纯疱疹病毒 1型胸苷激酶(HerpesSimplexVirusType1-thymidinekinase,HSV1-tk)已被用于监测各种转导T细胞的生物分布,转染了HSV1-tk的CAR-T细胞可使嘧啶及嘌呤核苷衍生物磷酸化,使其难以透过细胞膜,从而滞留在靶细胞内17。Po
21、nomarev等18利用荧光成像监测依赖T细胞受体的活化T细胞核因子介导的T细胞活化,同时进行双模态PET显像,提供T细胞活化过程的空间及定量信息,用 HSV1-tk/绿色荧光蛋白(GreenFluorescent Protein,GFP)HSV1-tk/GFP(TKGFP)双报 告 基 因 成 像 实 现 了 对 T 细 胞 激 活 的 监 测。Yaghoubi等19报道第 1例使用 HSV1-tk报告基因成像显示接受 CD8+细胞毒性 T 淋巴细胞(Cytotoxic TLymphocytes,CTL)治疗的多形性胶质母细胞瘤患者,以18F-9-4-氟代-3-(羟甲基)丁基-鸟嘌呤 9-4
22、-fluoro-3-(hydroxymethyl)butylguanine,FHBG 为报告探针结构性的表达 HSV1-tk报告基因,通过 PET/MRI显示肿瘤部位较高的活性对于CAR-T细胞的聚集。基于上述发现,Yaghoubi的团队使用相同报告基因成像方法对7例复发性高级别胶质瘤患者进行一项临床试验(NCT00730613 和 NCT01082926),结果显示 CTL 治疗后肿瘤复发部位的18F-FHBG 活性(SUVmean感兴趣体积)比治疗前显著增加,提示复发肿瘤部位存在CAR-T细胞的迁移增多,为临床应用报告基因成像监测实体瘤的CAR-T治疗疗效奠定基础20。但HSV1-tk报告
23、基因具有潜在的免疫原性风第9期黄文鹏,等.分子核医学在嵌合抗原受体T细胞免疫治疗的应用进展-1059险,也存在肿瘤部位本底摄取的局限性21。Murty等22使用18F-FHBG为报告探针对sr39-tk作为报告基因和自杀基因进行PET成像,提供CAR-T细胞迁移和增殖的可视化观察,同时作为自杀开关来限制潜在的生物毒性,首次证明了结合sr39tk报告基因用于CAR-T细胞治疗中监测和控制的可行性。Sellmyer等23使用18F标记荧光衍生的小分子抗菌药物甲氧苄啶(Trimethoprim,TMP)为配体作为报告探针对小鼠骨 肉 瘤 模 型 中 的 大 肠 杆 菌 二 氢 叶 酸 还 原 酶(E
24、scherichia Coli Dihydrofolate Reductase,eDHFR)报告基因标记的 CAR-T 细胞进行监测,PET/CT 显示CAR-T细胞早期主要聚集在脾内,晚期在肿瘤部位具有良好蓄积,可在几周至几个月内对CAR-T细胞进行监测,为T细胞的归巢和渗透提供时间和空间信息。值得注意的是,eDHFR的蛋白质分子量比HSV-tk更小(18 kDa vs 46 kDa),免疫原性更低,体内应用更安全,未来临床应用有更大的潜力,加速新的CAR-T细胞疗法进行临床转化。人类脱氧胞苷激酶双 突 变 体(Human Deoxycytidine Kinase DoubleMutant,
25、HdCKDM)是另一个基于酶的嘧啶特异性报告基因,可与18F标记的嘧啶类FEAU探针相结合,通过催化磷酸化后被摄取和保留在细胞内,用于无环鸟苷类抗病毒药物治疗患者PET显像,已在靶向前列 腺 特 异 性 膜 抗 原(Prostate-Specific MembraneAntigen,PSMA)的 CAR-T细胞中进行临床前研究,并不改变CAR-T细胞活性24。2.2 基于转运体的报告基因目前人钠/碘同向转运体(Human Sodium IodideSymporter,hNIS)、人去甲肾上腺素转运体(HumanNorepinephrine Transporter,hNET)基因也被应用于CAR
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