Peptider for positronemisjonstomografi (PET)

Last ned hele artikkelen i pdf-format.

BAKGRUNN OG HENSIKT

Positronemisjonstomografi (PET) er en nukleærmedisinsk bildediagnostisk modalitet som baserer seg på simultan deteksjon av gammastrålingsparet som oppstår ved annihilering av et positron og et elektron. I motsetning til en-fotonemisjonstomografi (SPECT) er PET-skannere ringbaserte og benytter seg ikke av fysiske kollimatorer, noe som gir PET en overlegen sensitivitet på grunn av høyere telletall (1). PET-skannere er under stadig utvikling, noe som konstant bidrar til bedre bildekvalitet og kortere tidsbruk for skanningen (2). Unikt for PET er at den hovedsakelig benytter seg av nuklider som produseres i en partikkelakselerator (syklotron). Isotopene fluor-18 (¹⁸F) og karbon-11 (¹¹C) er per dags dato de mest tilgjengelige og innarbeidede positron-emittere for bruk til PET. I kraft av sin lengre halveringstid, tillater produksjoner med ¹⁸F (T_1/2 110 min) komplekse og mer tidskrevende PET-synteser enn ¹¹C (T_1/2 20 min) (2). I tillegg gir den relativt lange halveringstiden mulighet for opptaksstudier over flere timer og distribusjon til nærliggende sykehus. Blant mange nordmenn er PET i dag synonymt med FDG-PET/CT (PET-skanning utført med ¹⁸F-fluorodeoksyglukose, med samtidig utført CT). Men det finnes et bredt spekter av andre potensielt nyttige ligander merket med ¹⁸F og ¹¹C som ennå ikke har oppnådd samme kliniske status som FDG (3–5).

Vi ønsker i denne oversiktsartikkelen å fokusere på peptider. Formålet er å gi en oversikt over noen klinisk lovende ¹⁸F-peptidligander, produksjon, nye applikasjoner og utfordringer i sammenheng med dette.

MATERIALE OG METODE

Artikkelen er basert på et ikke-systematisk søk i PubMed og Scifinder frem til juni 2010, med et skjønnsmessig utvalg av artikler basert på forfatternes erfaring i feltet.

DISKUSJON

Hvilke PET-isotoper til peptidmerking?

Peptider som allerede er utprøvd med SPECT-nuklider, som ^99mTc (Technesium-99m) og ¹¹¹In (Indium-111), blir i økende grad forsøkt merket med positron-emittere, i særlig grad ¹⁸F og ⁶⁸Ga (gallium-68) (6–8). Det har de siste årene vært stor interesse for ⁶⁸Ga (T_1/2 68 min) som ikke er syklotronbasert, men kan utvinnes fra generator tilsvarende ^99mTc. For institusjoner med begrenset tilgang, eller stor avstand til syklotron, vil en gallium-68 generator og kit for merking vært et alternativ (9, 10). Det foreligger konkrete planer om produksjon av ⁶⁸Ga-DOTATOC (vide infra) til klinisk bruk i Norge. ¹⁸F har fordelen av en lengre halveringstid, noe som gir mulighet for utvidet skanningstid og distribusjon. Produksjon av ¹⁸F-merkede peptider har tidligere vært problematisk, men den senere tid har forbedrede metoder gjort ¹⁸F meget aktuell til fremstilling av peptid ligander for PET. ¹¹C er en PET-isotop av naturlig karbon med kort halveringstid (T_1/2 20 min), noe som gjør den mindre egnet til merking av peptider. Denne er likevel høyaktuell ved fremstilling av mindre komplekse substanser med raskere farmakokinetikk. En stor fordel er at et stabilt karbonatom i kroppsendogene substanser eller kjente legemidler kan erstattes med ¹¹C. Egenskapene til¹¹C-forbindelsen forblir identisk med den ikke-radioaktive substansen, med tilsvarende binding, opptak, metabolisme og utskillelse in vivo. Det er også en økende interesse for bruk av kobber-64 (⁶⁴Cu) med halveringstid på 12,7 timer, da særlig i kombinasjon med antistoffer som har en lengre sirkulasjonstid enn peptider (11). Foreløpig er bruk av ⁶⁴Cu som PET-isotop på et mer eksperimentelt stadium. PET-isotopene nitrogen-13(¹³N) og oksygen-15(¹⁵O), med halveringstid på kun henholdsvis 10 og 2 min, er ikke aktuelle for bruk med peptider.

Per dags dato er ¹⁸F i rutinemessig produksjon i Norge for tilvirkning av FDG ved PET-senteret på Rikshospitalet og ved Haukeland i Bergen. Nylig er også [¹⁸F]natriumfluorid ([¹⁸F]NaF) godkjent for produksjon ved Rikshospitalet. ¹⁸F er sammen med ⁶⁸Ga, nå de mest aktuelle kandidatene for bruk med peptider. Tabell 1 gir en oversikt over de fysiske egenskapene til noen klinisk relevante PET-nuklider.

Hvorfor peptider som ligander for PET?

Peptider er relativt små strukturer (ca. 0,5-3 kDa) bestående av kjeder med aminosyrer bundet sammen av peptidbindinger. En rekke hormoner og signaltransmittere er peptidbaserte, som for eksempel: Insulin, Gonadotropin Relasing Hormone (GnRH), Angiotensin, Leptin og Adrenokortikotropt Hormon (ACTH). For endogene peptider vil det være en korresponderende reseptor, som regel uttrykt på utsiden av cellemembranen. Ved forstyrrelser i kroppens metaboliske tilstand eller ved forandrede funksjonelle tilstander kan disse reseptorene bli overuttrykte eller unik uttrykte (12). Særlig er dette tilfelle for en rekke tumorer (13, 14). Denne forandringen av reseptorekspresjon kan i noen tilfeller påvises før synlige anatomiske forandringer. Identifikasjon av uttrykte cellereseptorer i cancerceller er derfor et forskningsområde som kan gi viktig informasjon om tumorprofil og terapirespons på et tidligere tidspunkt. Peptider har en rekke grunnleggende egenskaper som gjør dem velegnet som ligander for PETs kortlivede nuklider. De er relativt ukompliserte forbindelser som kan fremstilles billig og syntetisk i store kvanta. Da sammenhengen mellom kjemisk struktur og biologi for mange peptider er godt kartlagt, kan strukturen ofte optimaliseres for å øke bindingsaffiniteten til reseptor og stabilitet in vivo (15). Sammenliknet med de større antistoffene og proteinene, distribueres og utskilles peptider raskere, og det er derfor mulig å oppnå god kontrast innenfor tidsrammen til kortlivede PET-nuklider som ¹⁸F (16).

Sammen med PETs høye sensitivitet og kvantitative egenskaper har derfor peptider et fremtidig potensial for tidligere sykdomsdiagnose og presis funksjonell sykdomskartlegging som kan lede til en mer rasjonell og målrettet terapi.

Produksjon av peptid PET-radiofarmaka

Produksjon av kortlivede radiofarmaka med høyenergetisk gammastråling krever spesiell tilrettelegging av utstyr og produksjonsmetoder. Særlig viktig er kravet om tilstrekkelig skjerming av produksjonspersonalet og at produksjonen skjer hurtig på grunn av den korte halveringstiden for PET-isotopene. Produksjonen utføres i en blyskjermet boks (hotcelle) med en automatisert synteseenhet. Den automatiserte prosessen tillater samtidig at fremstillingen kan skje hurtig og reproduserbart.

Da PET-radiofarmaka er et injeksjonsproduktstiller dette samtidig strenge krav til tilvirkningsprosessen, lokale og personalet for å sikre sterilitet og riktig kvalitet på produktet (17). Umiddelbart etter hver produksjon foretas det alltid en omfattende kvalitetskontroll før legemiddelet kan utleveres til klinikk, mens mer tidkrevende deler av kvalitetskontrollen, som sterilitetstesting, nødvendigvis må skje etter bruk, og benyttes som rettledere for at produksjonen kan fortsette. Som med konvensjonelle legemidler er PET-radiofarmaka underlagt tilsvarende dokumentasjonskrav til kvalitet og sikkerhet fra myndighetene.

Eksempelvis i Norge hvor ¹⁸F foreløpig er den eneste benyttede nukliden, overføres radioaktiviteten etter produksjon i syklotron til synteseenheten i hotcelle. I synteseenheten kobles isotopen kjemisk til det aktuelle bærermolekylet. Videre følger opprensing og formulering av produktet i en fysiologisk bufferløsning.

Tilsvarende er produksjon av ¹⁸F-peptider mer kompleks, da prosessen krever minst to kjemiske trinn ettersom betingelsene for direkte reaksjon med fluor og peptid vil ødelegge peptidstrukturen. For å unngå dette, er det nødvendig at innmerking av ¹⁸F først gjøres med et bærermolekyl (trinn 1), som igjen kan kobles til peptidet under mildere betingelser (trinn 2) (18). For å ha praktisk anvendelse, bør ikke syntesen, opprensing og formulering overstige 2 timer, dette av hensyn til halveringstiden til ¹⁸F. Deretter følger kvalitetskontroll av produktet, som etter godkjennelse kan utleveres til klinikk og injeksjon til pasient. For ¹⁸F-peptider er produksjonsutbyttet fortsatt en utfordring, sammenliknet med FDG, hvor utbyttet vanligvis er rundt 60–70 % med en syntesetid på ca. 30 min. For ¹⁸F-peptider derimot er dette foreløpig vesentlig lavere (rundt 20–30 % inkludert lengre tilvirkningstid), noe som gjør hver dose dyrere. Utviklingen innen merkningskjemi av peptider med fluor-18 skjer kontinuerlig og nylig er det beskrevet en metode for innmerking av ¹⁸F med peptider via aluminium-fluor-18 kompleks som kan chelateres direkte med peptid (19). Det lovende produksjonsutbyttet (50–70 %) og den betraktelig forenklede fremstillingen for denne metoden tilsier at ¹⁸F-merkede peptider kan ha en klinisk fremtid i større skala. Som for FDG, vil distribusjon av ¹⁸F-petider fra produserende PET-sentre til nærliggende sykehus med PET-skanner være mulig.

Klinisk bruk av peptider som ligander for PET – nåtid og fremtid

Peptidbaserte PET-radiofarmaka er utviklet hovedsakelig med øye for deteksjon av kreftsykdom (20).

Somatostatinreseptorer (SSTR) er uttrykt på de fleste neuroendokrine svulster (NET). Tumorene kan være langsomt voksende, høyt differensierte og har da ofte et lavt glukoseopptak, noe som gjør denne type tumorer mindre egnet til deteksjon med FDG. Somastotatin-reseptorscintigrafi med ¹¹¹In-octreotid eller SPECT med ⁹⁹mTc-analoger er ryggraden ved scintigrafi for nevroendokrine tumorer. Ulemper med ¹¹¹In-octreotid er lang opptakstid (2 dager) og innebærer opphold på pasienthotell. SPECT-CT er en langsom metode som krever mye kameratid. I tillegg er oppløseligheten og sensitiviteten dårligere sammenliknet med PET. Den mest kjente og klinisk benyttede peptidliganden for bruk innen PET er ⁶⁸Ga-DOTATOC med høy affinitet for SSTR2 reseptoren (21). ⁶⁸Ga-DOTATOC og den nær beslektede ⁶⁸Ga-DOTANOC er allerede etablert og godt dokumentert klinisk i Europa, og har vist segå føre til endret stadieinndeling i 13 % og endret behandlingsopplegg i 30 % av undersøkte pasienter (22). ⁶⁸Ga-DOTATOC har vist seg både billig og kostnadsbesparende og forventes å bli tatt i klinisk bruk i Norge i løpet av 2012.

Det foreligger også en rekke somastotatin-analoger, som DOTANOC og DOTATATE, med små endringer i aminosyresammensetningen av peptidet som gir varierende affinitet til de forskjellige SSTR.
For andre peptidligander er hovedvekten av publisert litteratur basert på dyrestudier, men samtidig ses en stadig økning av humane studier.

Integrinet α_vβ₃ er en annen interessant markør som er sterkt uttrykt på aktiverte endotelceller i forbindelse med angiogenese, og spiller en viktig rolle for reguleringen av tumorvekst, lokal invasivitet og det metastatiske potensialet (23). Aminosyresekvensen RGD (arginin-glysin-aspartat) har høy affinitet til α_vβ₃ integrinet. Peptider med RGD-sekvensen er derfor blitt utviklet og merket med ¹⁸F og andre PET-nuklider for deteksjon av angiogenese i primærtumorer og metastaser, samt vurdering eller oppfølging av anti-angiogenetisk behandling (24). ¹⁸F-RGD-peptidet (¹⁸F-galacto-RGD) har allerede vært i klinisk utprøving og har vist lovende resultater i både systemiske tumorer og ved glioblastomer. Figur 1 viser PET undersøkelser med ¹⁸F-galacto-RGD i malignt glioma og figur 2 ¹⁸F-galacto-RGD i lungecancer sammenliknet med FDG-PET før og etter kjemoterapi (25, 26).

Prostatacancer (PC) er den mest vanlige cancer diagnostisert hos menn i den vestlige verden (27). FDG er dårlig egnet ved PC, grunnet lavt glukoseopptak. Flere alternative tracere har blitt etablert: ¹¹C-cholin og ¹¹C-acetat (eller deres ¹⁸F merkede analoga) eller den nyere leucin analogen anti-1-amino-3-[¹⁸F]fluorocyclobutane-1-carboxylic acid ([¹⁸F]FACBC) (28, 29). Gastrin-releasing peptide receptor (GRPR) er høyt uttrykt på cellemembraner i prostatacancervev samt ved en rekke andre kreftformer (28). Disse funnene har stimulert utvikling og bruk av peptidbaserte antagonister innen terapi og diagnostisk nukleærmedisin. Bombesin-analoger er peptider som binder seg til GRPR og lar seg innmerke med både radiometaller og ¹⁸F uten tap av reseptoraffinitet. De allerede lovende prekliniske studiene med bombesinanaloga har behov for flere kliniske oppfølgingsstudier som bekrefter nytteverdien, men at de vil få en reel medisinsk nytteverdi i fremtiden er meget sannsynlig (30). Tabell 2 oppsummer noen klinisk utprøvde peptider for PET.

KONKLUSJON

PET-isotopmerkede peptider kan i prinsippet anvendes til deteksjon og kvantifisering av reseptortetthet i alle typer vev såfremt reseptoren er uttrykt i vevet og liganden lar seg merke uten å forringe bindingsegenskapene. Peptider med affinitet til høyt uttrykte reseptorer i patologiske tilstander som tumorer, trombose og infeksjon/inflammasjon er noen fremtidige bruksområder. I motsetning til FDG som er en mer generell PET-ligand vil PET-isotopmerkede peptider komplementere FDG og bidra til tidligere og sikrere diagnose, mer målrettet behandling,behandlingsmonitorering, særlig innenfor onkologi.

Oppgitte interessekonflikter: Ingen

Litteratur

1. Rahmim A, Zaidi H. PET versus SPECT: strengths, limitations and challenges. Nucl Med Commun 2008; 29: 193–207.
2. Cai L, Lu S, Pike VW. Chemistry with [18F]Fluoride Ion. Eur J Org Chem 2008; 2853–73.
3. Varagnolo L, Stokkel MPM, Mazzi U et al. 18F-labeled Radiopharmaceuticals for PET in Oncology, excluding FDG. Nucl Med Biol 2000; 27: 103–12.
4. Hicks RJ. Beyond FDG: novel PET tracers for cancer imaging. Cancer Imaging 2003; 4: 22–4.
5. Coenen HH, Elsinga PH, Iwata R et al. Fluorine-18 radiopharmaceuticals beyond [18F]FDG for use in oncology and neuroscience. Nucl Med Biol 2010; 37: 727–40.
6. Blok D, Feitsma RIJ, Vermeij P et al. Peptide radiopharmaceuticals in nuclear medicine. 1999; 26: 1511–19.
7. Okarvi SM. Recent progress in fluorine-18 labelled peptide radiopharmaceuticals. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2001; 28: 929–38.
8. Olberg DE, Hjelstuen OK. Labeling strategies of peptides with (18)F for positron emission tomography. Curr Top Med Chem 2010;10: 1669–79.
9. Breeman WAP, Verbruggen AM. The 68Ge/68Ga generator has high potential, but when can we use 68Ga-labelled tracers in clinical routine? Eur J Nucl Med Mol Imaging 2007; 34: 978–81.
10. Lucignani G. Labeling peptides with PET radiometals: Vulcan’s forge. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2008; 35: 209–15.
11. Voss SD, Smith SV, DiBartolo N et al. Positron emission tomography (PET) imaging of neuroblastoma and melanoma with 64Cu-SarAr immunoconjugates. Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104: 17489–93.
12. Lee S, Xie J, Chen X. Peptides and Peptide Hormones for Molecular Imaging and Disease Diagnosis. Chem Rev 2010; 110: 3087–111.
13. Mankoff DA, Link JM, Linden HM et al. Tumor receptor imaging. J Nucl Med 2008; 49 (Suppl 6): 162S.
14. Reubi JC. Peptide receptors as molecular targets for cancer diagnosis and therapy. J Nucl Med 2008; 49: 1735–38.
15. Sato AK, Viswanathan M, Kent RB et al. Therapeutic peptides: technological advances driving peptides into development. Curr Opin Biotechnol 2006; 17: 638–42.
16. Nayak TK, Brechbiel MW. Radioimmunoimaging with longer-lived positron-emitting radionuclides: potentials and challenges. Bioconjug Chem 2009; 20: 825–41.
17. Elsinga P, Todde S, Penuelas I et al. Guidance on current good radiopharmacy practice (cGRPP) for the small-scale preparation of radiopharmaceuticals. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2010; 37:1049–62.
18. Schirrmacher R, Wängler C, Schirrmacher E. Recent developments and trends in 18F-radiochemistry: Syntheses and applications. Mini Rev Org Chem 2007; 4: 317–29.
19. McBride WJ, Sharkey RM, Karacay H et al. A novel method of 18F radiolabeling for PET. J Nucl Med 2009; 50: 991–8.
20. Ferro-Flores G, Ramírez FDM, Meléndez-Alafort L et al. Peptides for in vivo target-specific cancer imaging. Mini Rev Med Chem 2010; 10: 87–97.
21. Biermann M, Johnsen B, Sørbye H et al. Positronemisjonstomografi ved nevroendokrine svulster. Tidsskr Nor Legeforen 2009; 129:1474–7.
22. Ambrosini V, Campana D, Bodei L et al. 68Ga-DOTANOC PET/CT Clinical impact in patients with neuroendocrine tumors. J Nucl Med 2010: 51; 669–73.
23. Duan X, Jia SF, Zhou Z et al. Association of αvβ3 integrin expression with the metastatic potential and migratory and chemotactic ability of human osteosarcoma cells. Clin Exp Metastasis 2004; 21: 747–53.
24. Kenny LM, Coombes RC, Oulie I et al. Phase I trial of the positron-emitting Arg-Gly-Asp (RGD) peptide radioligand 18F-AH111585 in breast cancer patients. J Nucl Med 2008; 49: 879–86.
25. Schnell O, Krebs B, Carlsen J etal. Imaging of integrin αvβ3 expression in patients with malignant glioma by [18F] Galacto-RGD positron emission tomography. Neuro Oncol 2009: 11; 861–70.
26. Haubner R, Beer AJ, Wang H et al. Positron emission tomography tracers for imaging angiogenesis. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2010; 37 (Suppl 1): S86–103.
27. Schmid DT, John H, Zweifel et al. Fluorocholine PET/CT in patients with prostate cancer: Initial experience. Radiology 2005; 235: 623–28.
28. Scher B, Seitz M. PET/CT imaging of recurrent prostate cancer. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2008; 35: 5–8.
29. Schuster DM, Savir-Baruch B, Nieh PT et al. Detection of recurrent prostate carcinoma with anti-1-amino-3-18F-fluorocyclobutane-1-carboxylic acid PET/CT and 111In-capromab pendetide SPECT/CT. Radiology 2011; 259: 852–61.
30. Hofmann M, Machtens S, Stief C et al. Feasibility of Ga-68-DOTABOM PET in prostate carcinoma patients (abstract). J Nucl Med 2004; 45: 449.
31. Schroeder RP, van Weerden WM, Krenning EP et al. Gastrin-releasing peptide receptor-based targeting using bombesin analogues is superior to metabolism-based targeting using choline for in vivo imaging of human prostate cancer xenografts. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2011; 38: 1257–66.
32. Beer AJ, Lorenzen S, Metz S et al. Comparison of integrin αvβ3 expression and glucose metabolism in primary and metastatic lesions in cancer patients: A PET study using 18F-galacto-RGD and 18F-FDG. J Nucl Med 2008; 49: 22–29.
33. Dimitrakopoulou-Strauss A, Hohenberger P, Haberkorn U et al. 68Ga-labeled bombesin studies in patients with gastrointestinal stromal tumors: Comparison with 18F-FDG. J Nucl Med 2007; 48: 1245–50.
34. Wild D, Mäcke H, Christ E et al. Glucagon-like peptide 1–receptor scans to localize occult insulinomas. N Engl J Med 2008; 359: 766–68.

Manuskriptet ble mottatt 27. juni 2011 og godkjent 23. november 2011.

Norsk Farmaceutisk Tidsskrift 2012; 1: 20–4.