抗體成像（immunoPET）助力癌癥研究

? ?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(dòng)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(guò)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(lè)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(guò)收集的組織樣本，但是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何跡象提示藥物具有毒性。當(dāng)研究人員對(duì)活體進(jìn)行成像，并跟蹤藥物在動(dòng)物體內(nèi)的擴(kuò)散時(shí)，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(dòng)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(shí)，研究人員往往不知道后續(xù)會(huì)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(shí)患者會(huì)對(duì)藥物產(chǎn)生響應(yīng)；有時(shí)則不會(huì)。無(wú)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(gè)問(wèn)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(lèi)似分子結(jié)合起來(lái)，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(lái)越精確和復(fù)雜，用于評(píng)估療效的工具也需要不斷改進(jìn)。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(cè)哪一部分患者適用于這種治療?；顧z只能告訴你一個(gè)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(lái)觀察人體組織功能，而 immunoPET 則則使用抗體來(lái)識(shí)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(dòng)免疫系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗腫瘤的治療策略的越來(lái)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(dòng)力學(xué)等因素都需要審慎考慮。不過(guò)幸運(yùn)的是，目前科學(xué)家們已經(jīng)取得了一些進(jìn)展?，F(xiàn)在，他們可以鑒定越來(lái)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(cè)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(wèn)題。這意味著，人們可能不知道下一步該怎么做。

? 潛力無(wú)限的 PET

? 狹義來(lái)說(shuō)，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(lèi)似分子來(lái)識(shí)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(dòng)物體內(nèi)，抗體就會(huì)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生一對(duì)γ射線顆粒，彼此反向高速離開(kāi)。只要同時(shí)檢測(cè)這一對(duì)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(lái)解釋為什么一些患者對(duì)治療產(chǎn)生響應(yīng)，而其他患者則沒(méi)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(duì) 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(guò)使用放射性標(biāo)記，該小組發(fā)現(xiàn)，29%的患者的腫瘤沒(méi)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(gè)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(gè)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(cè)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(shí)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(shí)，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(duì)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(wú)法穿過(guò)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(shí)，它們可能與原始腫瘤不同。因此僅僅對(duì)一個(gè)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(gè)問(wèn)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(gè)，可能有多個(gè)，但你無(wú)法對(duì)這些轉(zhuǎn)移進(jìn)行一一活檢。不過(guò)現(xiàn)在有了 immunoPET，研究者和醫(yī)生就可以對(duì)這些轉(zhuǎn)移灶進(jìn)行成像了。在一項(xiàng) 2016 年開(kāi)展的 immunoPET 研究中，Lewis 等人確定了兩名 HER2 陽(yáng)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(duì)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(kāi)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(gè)受體與 T 細(xì)胞表面的一個(gè)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(gè)受體中的一個(gè)結(jié)合，并抑制其活性，從而激活腫瘤周?chē)?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(gè)基本假設(shè)是通過(guò)細(xì)胞表面蛋白 CD8 可以識(shí)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(méi)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(lèi)患者將需要其它治療方案。

?????????????????????????????????????????????????????????? 小鼠注射 PET 示蹤劑后不同時(shí)間點(diǎn)的 PET 與 CT 疊加圖像。BLK：空白對(duì)照組；NBLK：實(shí)驗(yàn)組。

?? Ribas 指出，當(dāng)免疫細(xì)胞過(guò)度激活，損傷其它組織時(shí)，免疫檢查點(diǎn)治療可能會(huì)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(jiàn)副作用。他推測(cè)，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(lèi)的臨床問(wèn)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(kāi)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(méi)有縮小，反而會(huì)變大——免疫細(xì)胞浸潤(rùn)腫瘤，使組織發(fā)生腫脹時(shí)，研究人員和臨床醫(yī)生有時(shí)會(huì)誤以為治療無(wú)效。ImmunoPET 可以揭示細(xì)胞類(lèi)型之間的差異，并在腫瘤細(xì)胞明顯開(kāi)始死亡之前顯示治療有效。

? Williams 表示，在藥物開(kāi)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(gè)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(huì)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(gè)經(jīng)常討論的問(wèn)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(kāi)頭提到的抗體—藥物偶聯(lián)物在非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)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(duì)比度和特異性的圖像的整個(gè)過(guò)程可能需時(shí)一周。

?? 一些情況下，這個(gè)時(shí)間尺度是可以接受的。例如，在藥物開(kāi)發(fā)方面，研究人員需要就是否繼續(xù)開(kāi)發(fā)候選藥物做出決定，一般沒(méi)有時(shí)間去等待新的、更快速的成像劑問(wèn)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(shí)間里做出，就毫無(wú)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(shí)間是成像測(cè)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(duì)于這樣病情嚴(yán)重的病人來(lái)說(shuō)，臨床決策需要盡快做出，一周還是太長(zhǎng)了。

?? 因此，研究人員也在努力開(kāi)發(fā)精度不低于抗體，但分子量更小，藥代動(dòng)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(zhǎng)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(guò)肝臟或腎臟排出體外，這取決于它們的大小。為了提高對(duì)比度，并獲得盆腔腫瘤的清晰形象，臨床醫(yī)生將選擇通過(guò)肝臟清除的抗體；對(duì)于胰腺癌，通過(guò)腎臟清除的抗體則會(huì)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?lèi)蛋白質(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(dòng)力學(xué)更快的 immunoPET 成像劑。這些駱駝種類(lèi)產(chǎn)生的抗體僅含有一種類(lèi)型的鏈，而不是常規(guī)抗體那樣，由兩種鏈組成，其重量?jī)H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(shí)內(nèi)成像，然后離開(kāi)醫(yī)院的方法都是值得鼓勵(lì)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(kāi)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)和 12.7 小時(shí)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(gè)結(jié)合位點(diǎn)——一個(gè)位點(diǎn)與蛋白質(zhì)靶標(biāo)（如 PD-L1）結(jié)合，另一個(gè)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(gè)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(méi)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(guò)這種方式根治癌癥，并且認(rèn)為可行性很高。

?? Gambhir 表示，開(kāi)發(fā)和測(cè)試癌癥療法的研究人員通常沒(méi)有意識(shí)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(lái)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(lái)了。