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CAR-T 在體內的示蹤研究中的應用

瀏覽次數(shù):3177 發(fā)布日期:2021-4-9  來源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負
(一) 賓大發(fā)表 CAR-T 示蹤研究論文
賓夕法尼亞大學 Perelman 醫(yī)學院通過使用 MOLECUBES PET/CT 模塊化臺式小動物成像系統(tǒng), 2020 年 1 月在《Molecular Therapy》上發(fā)表了論文《Imaging CAR T CellTrafficking with eDHFR as a PET Reporter Gene》,揭示如何利用 PET/CT 進行小鼠體內的 CAR-T 示蹤研究【1】。
圖 1. 賓夕法尼亞大學發(fā)表的論文。

(二) 如何設計 PET 報告基因?

目前 CAR-T 和 TCR-T 細胞治療已經越來越成熟,但我們如何知道此治療細胞在體內到達了靶點,而非到達其他部位引發(fā)毒性反應? 賓大的研究者設計出一種 PET 報告基因: [18F]-TMP-eDHFR([18F]-TMP: 氟代甲氧芐胺嘧啶; eDHFR: 二氫葉酸還原酶), TMP 和 eDHFR 的生化結構保證了小分子 TMP 和蛋白質 eDHFR 能相互作用,從而緊密結合在一起。將轉染 DYR 質粒(DYR: eDHFR-YFR-Renilla; YFP:黃色熒光蛋白; Renilla luciferase:熒光素酶)的腫瘤細胞移植在小鼠體內,再從小鼠尾靜脈注射[18F]-TMP, 特定時間后對小鼠進行 PET 成像,就可以顯示出腫瘤細胞的位置。 同時熒光素酶的加入,使生物發(fā)光成像(BLI) 也成為可能。


圖 2. PET 報告基因([18F]-TMP-eDHFR)的結構。

如果用靶向 GD2(雙唾液酸神經節(jié)苷酯)的 CAR 慢病毒和帶 DYR 質粒的慢病毒同時轉染 T細胞,就可以得到轉染了 eDHFR 的 DYR-CAR T cell,注射 DYR-CAR T cell 到移植了 GD2+和 GD2-的腫瘤細胞的小鼠體內, 通過從小鼠尾靜脈注射[18F]-TMP 核素, 就可以跟蹤 CAR
T cell 是否靶向 GD2+的腫瘤細胞。 靶向 GD2+的 CAR-T 療法, 可治療兒科腫瘤如成神經細胞瘤和骨肉瘤。



圖 3. DYR 質粒和 CAR 質粒示意圖【1】。

(三) 主要實驗結果

3.1 體內實驗檢測[18F]-TMP 和 eDHFR 的結合力方法: 表達 eDHFR-YFP 的 HCT116 cells(人結腸癌細胞) 和無轉導(NTD) HCT116 cells
(對照組) 分別移植到 CD1 nu/nu 小鼠的雙肩,生長 3 周(圖 4, C 圖); [18F]-TMP 從尾靜脈注射入小鼠體內; 注射后 3h 和 6h 進行 PET 成像(圖 4, D 圖和 E 圖)。結論(1): eDHFR tumor 攝取更多的[18F]-TMP;對照組基本無攝取。



圖 4. 小鼠體內實驗檢測[18F]-TMP 和 eDHFR 的結合力【1】。

結論(2): 小鼠不同臟器部位的放射信號強度表示[18F]-TMP 的攝入量:eDHFR tumor 攝取更多的[18F]-TMP,其他重要器官(如心臟、肌肉、 肺、 脾臟、腦部,等) 攝入低,靈長類骨髓、腸道攝入低(圖 5, A 圖)。腫瘤和肌肉的放射信號強度比表示: eDHFR tumor 明顯高于 Control Tumor(圖 5, B 圖)。 說明此方法背景值低,方法靈敏。



圖 5. 小鼠不同臟器部位的信號強度表示[18F]-TMP 的攝入量【1】。

3.2 體內實驗顯示 CAR T cell 的跟蹤
用流式細胞儀可根據(jù) YFP 和 mCherry 的不同表達分選出不同細胞群進行后續(xù)實驗:
(1)雙陽性 DYR-CAR T cell;
(2)單陽性的對照的 DYR-only T cell、 CAR-only T cell。

方法: 小鼠進行肩部皮下異體腫瘤移植: 小鼠:免疫缺陷的人源化的 NSG mice; 腫瘤為:GD2+腫瘤(143b 人骨肉瘤) 和 GD2-對照腫瘤(HCT116 人結腸癌細胞) 對比; 腫瘤生長 14天后從尾靜脈注射 DYR-CAR T cell 或 control DYR-only T cell; 在 T cell 注射之后的第 7 天和第 13 天成像,開始是尾靜脈注射腔腸素后進行生物發(fā)光成像(BLI),然后尾靜脈注射[18F]-TMP 進行 PET/CT 成像。



圖 6. 體內實驗流程圖【1】。

結論(1): GD2+ 143b tumor 研究: DYR-CAR T cell 的比值在第 13 天增加,而 Control DYR T cell 的比值均未增加(圖 7, D 圖)。小鼠 M4: BLI 顯示:第 7 天時脾臟有信號,在第 13 天時信號聚集在 GD2+ tumor 中; PET 顯示:紅色箭頭為腫瘤內的 T cell 的聚集(圖7, E 圖)。 DYR-CAR T cell 聚集在 GD2+ tumor 中。



圖 7. GD2+ 143b tumor 研究: DYR-CAR T cell 聚集在 GD2+ tumor 中【1】。

結論(2): GD2- HCT116 tumor 研究: DYR-CAR T cell 的比值和 Control DYR T cell 的比值均未增加(圖 8, F 圖)。 小鼠 M3: BLI 顯示:脾臟熒光第 13 天已減弱,信號出現(xiàn)在腫瘤上(圖 8, A 圖); PET 顯示: GD2+信號強, GD2-信號弱(圖 8, B 圖)。 DYR-CAR T cell
不會聚集在 GD2- tumor 中。



圖 8. GD2- HCT116 tumor 研究: DYR-CAR T cell 不會聚集在 GD2- tumor 中【1】。

詳細實驗過程及結果,請參考原文。

(四) 實驗的意義

本文開發(fā)了一種 PET 成像技術利用[18F]-TMP 和 eDHFR 作為報告基因進行 CAR T cell的追蹤。

PET 成像信號來自: DYR-CAR T cells , CAR 是 T cells 增殖和示蹤的關鍵,可以檢測僅有 11,000 CD8 DYR-CAR T cells per mm3 的腫瘤組織,方法靈敏度高于其他 PET 示蹤技術, 如: human norepinephrine transporter (hNET) 和 herpes simplex virus thymidine kinase (HSV-tk)。本方法可以對生物工程細胞進行長期(數(shù)周到數(shù)月)的追蹤,是短期標記追蹤技術(如 Zr-89 或 In-111 oxine)的有力補充。 【1】對人體內的少量基因改造細胞,如 CAR T cell 進行成像是加速從新細胞治療技術到臨床實踐轉化的關鍵?杉訌娢覀儗χ委煶晒Α⑹『投拘缘睦斫夂驼J知。

適合做 CAR T cell 示蹤的 PET 必須具有高分辨率、高靈敏度、低劑量等優(yōu)勢。 比利時MOLECUBES PET/CT 模塊化臺式小動物分子影像系統(tǒng)是市面上為數(shù)不多滿足這些要求的PET/CT 系統(tǒng)。

(五) MOLECUBES PET/CT 介紹

5.1 儀器技術介紹

MOLECUBES 成立于比利時根特大學(比利時學術排名第一), 采用先進的小動物活體成像技術/核醫(yī)光電技術及光學材料,將原本體積巨大、笨重的 PET/SPECT/CT 儀器設計成結構緊湊、運輸安裝方便的臺面式儀器,同時提供高分辨率和高靈敏度,是市面上可做整只大鼠全身成像的桌面式 PET/SPECT/CT【 2】。



圖 9. MOLECUBES 的模塊化臺式小動物 PET/CT。

MOLECUBES 為模塊化設計, PET、 SPECT、 CT 為獨立的儀器。 PET、 SPECT 為功能性成像,CT 為結構性成像,可組成 PET-CT、 SPECT-CT、 PET-SPECT-CT 等多種模態(tài),同時提供功能性和結構性信息。

模塊化的優(yōu)勢有: 各模塊具有功能表現(xiàn)、圖像完美自動配準、速度快、通量高、可任意升級組合、維修不影響其他模塊、占地小、安裝易、運輸方便,等。

MOLECUBES PET/SPECT/CT 的優(yōu)勢及特點有【2】 :
1、 PET 采用先進的連續(xù)型單體閃爍晶體和 SiPM 耦合技術,和臨床 PET 趨勢一致; NEMA數(shù)據(jù)(空間分辨率、能量分辨率、靈敏度,等)業(yè)界好【3】 。
2、 SPECT 具有專利的準直器,高分辨率、高靈敏度,可使用三種不同放射核素同時成像。
3、 CT 為 360 度滑環(huán)結構,和臨床 CT 趨勢一致;可以極低放射劑量掃描。
4、都可做高通量掃描(同時 4 只小鼠)。
5、操作步驟在 10 步以內,簡單易學。
6、 2016 年投產以來已在全球銷售 60+臺,遠超其他同類產品。

PET 探測器技術采用連續(xù)型單體閃爍晶體與硅光電倍增器系統(tǒng)相耦合 ( LYSO cont./SiPM):即晶體為整體材料,無需由多個小晶體拼接而成,單晶使探測器能夠更準確的獲得光子在閃爍晶體中能量沉積的位置與時間(DOI, Depth of Interaction), 具有更高的光子探測效率,提高系統(tǒng)的空間分辨率、時間分辨率、靈敏度,進而提高系統(tǒng)的成像質量。與臨床 PET 的發(fā)展方向保持一致。 而其他品牌的 PET 仍然采用傳統(tǒng)的像素化多晶體,分辨率有限,靈敏度低,成本高。此外,硅光電倍增器(SiPM)與光電倍增管(PMT)相比,能在更低的電壓下提供更高的增益和更快的反應,光電轉化效率更高,是更新、更先進的技術(圖10) 。 MOLECUBES 使用的連續(xù)型單晶體具有高光子吸收效率【2】 。



圖 10. 連續(xù)型單體閃爍晶體和 SiPM 耦合(左圖),像素型多晶體和 PMT 耦合(右圖)。

根據(jù) NEMA 行業(yè)標準(NEMA 即美國電氣制造商協(xié)會, 成立于 1926 年, 由美國 560 家主要電氣制造廠商組成, NEMA 行業(yè)標準為不同生產商生產的設備提供一個國際公認的比較標準), MOELCUBES 的 PET 具有以下優(yōu)勢【3】 :
(1) 單床 FOV 可做整只大/小鼠的全身掃描成像;
(2) 極佳的空間分辨率: 在徑向上均勻一致的亞毫米級別(0.9mm) ;
(3) 極佳的峰值靈敏度: 12.4% (255-765 keV);
(4) 極佳的能量分辨率: 12%;
(5) 在 散射 分數(shù) ( scatter fraction ) 、 對比 恢復系 數(shù)( contrast recoverycoefficient, CRC) 、溢出比率(spill-over ratio, SOR) 等指標上也優(yōu)于同類產品。



圖 11. PET 單床 FOV 可做整只小鼠的全身成像, 高通量成像可同時做 4 只小鼠。



圖 12. PET 單床 FOV 和 SPECT 多床 FOV 可做整只大鼠的全身成像。



圖 13.高分辨率 PET,可觀察到細微結構,如斑馬魚的脊柱、小鼠肺泡上的腫瘤、小鼠的紋狀體和心臟的乳頭狀肌結構【2】 。



圖 14.因為有高分辨率和高靈敏度, PET 可以極低放射劑量成像。

MOLECUBES 的 CT 也具有低放射劑量和快速成像功能,同時保證極佳的分辨率。



圖 15.在噪聲調整技術下的極低放射劑量和快速 CT 成像:僅需 2.8mGy 和 25s【2】 。

軟件設計友好,用戶使用界面簡單直觀, 整個軟件操作在 10 步以內,任何研究人員在半天的培訓后都可以進行儀器操作成像。

5.2 PET/CT 應用舉例



圖 16.藥物代謝研究: 20min 動態(tài) PET/CT 圖像,藥物對肝臟有毒性,不能殘留在肝臟里,動態(tài)成像最后肝臟不亮,說明沒有藥物殘留【2】 。

(六) 附錄
更 多資訊, 請聯(lián)系: 森西 賽智科技 有限公司 ,電 話: 010-61666616,郵 箱:info@sinsitech.com,網址: www.sinsitech.com。

參考文獻:
【1】 Sellmyer,M.A.,et.al., Imaging CAR T Cell Trafficking with eDHFR as a PETReporter Gene, Molecular Therapy, Vol28, No.1, January 2020.
【2】 Molecubes website: www.molecubes.com
【3】 NEMA paper: Performance evaluation of the MOLECUBES β -CUBE——a high spatial resolution and high sensitivity small animal PET scanner utilizing monolithic LYSO scintillation detectors, Physics in Medicine & Biology. 63(2018) 155013(12pp).
來源:森西賽智科技有限公司
聯(lián)系電話:010-61666616
E-mail:info@sinsitech.com

標簽: PET 小動物成像
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