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(jī)制。

抗癌藥物的研發(fā)過程非常曲折：起初，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和小鼠實(shí)驗(yàn)的前景都非常樂觀;但是，隨后的猴子試驗(yàn)就非常讓人沮喪：猴子們被那些旨在靶向和殺死胰腺癌細(xì)胞的藥物毒死了。

該藥物的研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員、加州 Genentech 公司的 Simon Williams 指出，團(tuán)隊(duì)檢驗(yàn)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(jìn)行成像，并跟蹤藥物在動物體內(nèi)的擴(kuò)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(jìn)而殺死骨骼的白細(xì)胞。鑒于此，研究人員放棄了這種藥物。

當(dāng)生物藥物進(jìn)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(yàn)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(jìn)?，F(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(biāo)細(xì)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(jì) immunoPET 成像探針并不容易。放射性示蹤劑的選擇、抗體設(shè)計(jì)和成像動力學(xué)等因素都需要審慎考慮。不過幸運(yùn)的是，目前科學(xué)家們已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。現(xiàn)在，他們可以鑒定越來越多的免疫細(xì)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(xì)胞——例如幫助癌癥細(xì)胞免受免疫系統(tǒng)攻擊的 PD-L1，或標(biāo)記殺傷 T 細(xì)胞的 CD8。把抗體注射到動物體內(nèi)，抗體就會擴(kuò)散到身體各處，直到到達(dá)靶細(xì)胞并與其結(jié)合。

為了“看到”這些細(xì)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(biāo)記抗體。這些 PET 標(biāo)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(biāo)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(jì)算機(jī)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(biāo)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(jìn)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(biāo)細(xì)胞的化療藥物結(jié)合而成。通過使用放射性標(biāo)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(shí)際上，該組患者的生存期中位數(shù)為 2.8 個月，最后試驗(yàn)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(jī)構(gòu)正在進(jìn)行一項(xiàng)試驗(yàn)，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(yàn)預(yù)計(jì)在今年晚些時候完成志愿者招募工作。

在另一項(xiàng)研究中，de Vries 等人證實(shí)，當(dāng)癌癥已經(jīng)損害血腦屏障時，抗體可以達(dá)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(rèn)為，抗體分子太大了，以致無法穿過血腦屏障，然而事實(shí)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jìn)行成像了。在一項(xiàng) 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(diǎn)抑制療法中，腫瘤細(xì)胞表面的一個受體與 T 細(xì)胞表面的一個受體相互反應(yīng)，從而抑制 T 細(xì)胞的免疫功能。免疫檢查點(diǎn)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(xì)胞，使其行使腫瘤殺傷功能。

但是，Ribas 表示，這種殺傷機(jī)制的一個基本假設(shè)是通過細(xì)胞表面蛋白 CD8 可以識別那些位于腫瘤附近的殺傷性 T 細(xì)胞。但事實(shí)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(xì)胞存在，那么使用檢查點(diǎn)抑制劑并不能激活該處的 T 細(xì)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(diǎn)的 PET 與 CT 疊加圖像。BLK：空白對照組;NBLK：實(shí)驗(yàn)組。

Ribas 指出，當(dāng)免疫細(xì)胞過度激活，損傷其它組織時，免疫檢查點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)抗體，優(yōu)化 immunoPET 的工作)合作。2015 年，Wu 的團(tuán)隊(duì)與 Ribas 等人使用 immunoPET 跟蹤三種免疫療法實(shí)驗(yàn)中小鼠體內(nèi)的殺傷 T 細(xì)胞。放射性標(biāo)記探針——靶向 CD8 受體的抗體片段顯示 T 細(xì)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(shí)上，初始治療后，腫瘤可能沒有縮小，反而會變大——免疫細(xì)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(xì)胞類型之間的差異，并在腫瘤細(xì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(xì)胞，其連接的藥物會殺傷癌細(xì)胞。在早期(未發(fā)表)臨床試驗(yàn)中，成像顯示抗體組分甚至可以到達(dá)曾被認(rèn)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(yùn)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(biāo)的組織，并將未與靶細(xì)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(yàn)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(xì)胞靶點(diǎn)，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(yán)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(shí)驗(yàn)室已經(jīng)設(shè)計(jì)了名為“微型抗體”和“雙抗體”的細(xì)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(xì)菌和碎片的細(xì)胞)接觸的部分。所這些抗體只保留了與目標(biāo)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?yàn)樗鼈儾皇翘烊坏娜祟惖鞍踪|(zhì))，或者使放射性同位素標(biāo)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(rèn)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種放射性標(biāo)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(biāo)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(biāo)結(jié)合的抗體排出體外。接著注射第二個較小的標(biāo)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(diǎn)——一個位點(diǎn)與蛋白質(zhì)靶標(biāo)(如 PD-L1)結(jié)合，另一個位點(diǎn)與放射性標(biāo)記探針結(jié)合。

紀(jì)念斯隆 - 凱特琳癌癥中心(Memorial Sloan-Kettering Cancer Center)分子藥理學(xué)項(xiàng)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(jìn)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(zhǔn)劑量，避免損傷正常組織。

他還補(bǔ)充，如果實(shí)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(rèn)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(shí)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(yàn)中，工程化的 T 細(xì)胞到達(dá)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(yàn)結(jié)果，就興奮起來了。