Ac-225与Bi-213作为肿瘤α靶向治疗放射性同位素的比较

2021-03-30 17:43

摘要

225Ac213Bi核素是针对癌症靶向α治疗临床前和临床研究225Ac(四个α衰变)和213Bi(一个α衰变)标记靶向载体,形成用于癌症治疗的α免疫偶联物。本文研究225Ac213Bi作为临床前和临床TAT首选放射性同位素的放射生物学和经济性体外和体内的实验数据和DNA修复作用进行了审查最大耐受剂量和治疗增益进行比较两种核素相同活度225Ac具有更高的治疗增益但是,缓慢双链断裂修复减少这种治疗增益优势比较了靶向细胞和非靶向细胞的能量沉积、直接或间接靶向内皮细胞的能量沉积、关键器官所需的药物最小剂量以及临床前和临床试验应用的成本核算。总的来说,225Ac213Bi相比,同等疗效225Ac价格优势


介绍

放射免疫疗法的发展由来已久,Lindmo等人[14]125I标记的9.2.27单克隆抗体(MAb)显示靶向黑色素瘤细胞的细胞毒性TAT疗法值得推广作者预测,二十年后,Ac-225/Bi-213成器已成为许多靶向α疗法(TAT)实验室的主力军,并且213Bi-9.2.27在转移性黑色素瘤的1期临床试验中证明了其安全性和有效性[21]。

225Ac半衰期为9.9d进行α衰变221Fr发生α衰变迅速衰变213Bi之后213Bi经过45.6分钟的半衰期衰213Po(98%)或209Tl(2%)这两个核素通过αβ衰变成为209Pb半衰期为3小时209Pb最后以β衰变稳定的209Bi(图1)。


位于德国卡尔斯鲁厄的超铀元素研究所(ITU)此类发生器,运送美国,澳大利亚和欧洲进行合作研究225Ac半衰期使便于长途运送各地213Bi半衰期足够使其可以以纯净的形式获得成分复杂性最小癌症靶向载体进行放射性标记发生器淋洗间隔为两个小时(图2)。

2 225Ac衰变213Bi2小时达到80%的产率(Morgenstern)


McDevitt等人[17]提出225Ac单独用于TATα-免疫结合物(AIC)225Ac与DOTA(四羧酸及其各种共轭碱)螯合而成DOTA作为六齿配体,通过四个氮和两个羧酸中心与225Ac结合。


然而,225Ac在四次α衰变后,子体核素的反冲分离周围正常细胞毒性增加,使之成为丞待解决问题发射α射线的子核素进入机体循环系统自由地分布在身体各个地方,有可能正常的器官造成额外的辐射损伤但是,如果放射性标记抗体是内化的,细胞内产生的子核素会保留在细胞内[17]所以为降低毒性,我们必须Antczak[4]和运载工具[16] 深入研究


本文从放射生物学、物理和经济方面研究225Ac213Bi作为临床前和临床TAT首选放射性核素的可行性目的,当相同的放射活度时,225Ac是否比213Bi具有更高的治疗增益,或者放射生物学和半衰期效应是否有实质性的不同?本文探讨了在体和体外实验数据DNA修复过程,最大耐受剂量(MTD)和治疗增益(TG),以及临床应用的经济因素


放射生物学

相对于β射线,α射线的优势已共识对于外部射线辐照RBE5是一个认可的值[5]然而,针对α粒子标记的靶向单克隆抗体癌症体外细胞毒性的RBE约为120 [22]显然RBE这是由于与β射线以及RBE相比,α射线的射程非常因此,现有的宏观剂量测定方法TAT不合适的TAT需要微量剂量测定并且225Ac213Bi细胞发射的α射线射程和范围相似。


细胞毒性研究通常将癌细胞放在α-免疫偶联物(AIC)培养基中孵育24小时然后洗涤细胞计数。不同放射性同位素螯合在同一载体上的细胞毒性可以通过方法测定根据结果提高AIC活性但是,比较不同半衰期的放射性同位素细胞毒性研究往往需要辐照时间进行修正最准确的方法是将同一同位素与特异性和非特异性靶向载体进行比较否则,应使用辐照期间的实际衰变次数,而不是吸收剂量然而比较α和β放射RIs的研究很少,具体到213Bi225Ac核素的研究是凤毛麟角了


蒙特卡罗计算[10]表明,对于留在细胞膜上的α或β放射性同位素,225Ac沉积在细胞核中的比能(SE)是213Bi的4.6倍,其他β放射性同位素1000倍左右(图3)。

3靶细胞核150次衰变的比能(Gy)

α和β放射性同位素在细胞膜上的分布[10]


具有不同平均寿命(λ)的两种放射性同位素的相同衰变率或活度为:

dN/dT = λ1N1 = λ2N2

比较225Ac213Bi,相同活原子数(N)为:

N(Ac)∕N(Bi) = λ(Bi)∕λ(Ac) = 2.53E4∕0.80E6=316


这意味着产生相同活度所需的225Ac原子要比213Bi多316倍对于相同的靶向载体和靶点,如果213Bi的活性=1 MBq,则225Ac的活性为3.16 kBq。然而,225Ac每个衰变过程α衰变,而213Bi只有一个SE(Ac)/SE(Bi=27.5mev/8.4mev=3.3,225Ac初始衰减率降低到0.96kbq。对于相同的比能,注入活度的比率为1040。但是,如果一个或多个反冲产物从靶标逸出,SE降低至19.2/8.4≤2.3,放射性活性增加至1.4 kBq,比率为≤714。


蒙特卡洛对体外细胞实验的计算表明,对于细胞核半径为5 µm,细胞半径为7.5 µm的细胞来说α射线命中概率从位于细胞核中放射的100%降至细胞质中的21%,即细胞表面的12.5%,细胞外的0.1%(Huang 2016)。这些结果表明,对于非特异性靶标,细胞外衰变对癌细胞核的α命中率较低。如果AICs能靶向癌细胞膜或内化到细胞质或细胞核,则命中概率将显著增加。


肿瘤的血依赖于内皮毛细血管细胞。对于血管周围α放射源,内皮细胞(EC)的每个α命中概率(P)极低[10],因此,同一衰变导致两次或更多次命中的概率小于0.0005,可以忽略不计。


但是,Ac衰减的α辐射是Bi的α辐射的四倍,因此每次衰减的命中概率(P)为:

P(Ac)= 4 P(Bi)

在两种情况下,每个α衰变的比能都相似,即SE(Ac)SE(Bi)。


注入四倍的Bi活动会产生四倍的命中率,因此:

P(Ac).SE(AC)4 P(Bi).SE(Bi)

每次命中是一的事件,每个事件具有相似的细胞存活率S(SE)。


靶向癌细胞

对于靶向癌细胞(CC),放射性同位素位于细胞膜或细胞质中,因此传递到细胞的SE占释放的总能量的较大部分(12–21%)。 这样,可以使用总的α衰变能量。


那么,沉积在细胞中的相对SE为:

SE(Ac) = 2 3 SE(Bi).


由于细胞存活率与剂量呈指数,因此将α的SE增加1gy将使细胞存活率降低约5倍[5]。从图3可以看出,225Ac / 213Bi的SE比为4.6。相对存活率降低大约 600

S(Ac)<102S(Bi)。


该结果表明,225Ac对靶向癌细胞的毒性比213Bi高得多,但对非靶向细胞则没有毒性


225Ac213Bi相比的治疗效果

治疗增益(TG)是非靶向细胞(eg EC)和靶向癌细胞(CC)的存活率比值

TG=S(EC)/S(CC)

比较Ac和Bi,ECs的治疗增益(TG)为:

TG(Ac)=1.0∕(<0.01)>100

TG(Bi)=1

TG(Ac)>100 TG(Bi)

因此,225Ac在此基础上明显优于213Bi。


DNA修复

高线性能量传输(LET)辐射引起的DNA单链断裂(SSB),修复效应快,而对双链断裂(DSB)的修复效应则慢。多次α射线命中可能导致SE累加并降低细胞生存率。但是,一旦DNA完成修复,细胞恢复到其原始状态(基因突变除外),额外的剂量就不会累加,因此单次命中病例的细胞存活率保持不变。


可以通过检测γ-H2AX病灶来测DNA的辐射损伤,对于所有辐射类型,γ-H2AX病灶在辐射后30分钟达到最大(Antonelli等,2015)。0.5Gy不同类型的辐射类型γ射线、质子、碳离子和α粒子分别诱发12.6±0.3、10.1±0.4、8.8±0.6和4.8±0.4个病灶,表明低LET辐射以单链断裂为主。


γ-H2AX病灶的持续性还取决于放射质量,即LET越高,由于DSB的修复速度较慢,病灶在细胞核中的持续时间越长γ-H2AX病灶作为DSB修复的替代品,相对于DSB修复的动力学,γ-H2AX病灶的出现和消失的动力学是未知的,因此γ-H2AX病灶测试结果可能会DNA辐射损伤产生误导。


癌细胞和正常细胞在伽玛射线引起的损伤中表现出明显的异质性。平均损伤量随0–15 Gy线性增加,两种细胞类型的放射敏感性相似[20]。肿瘤细胞和正常细胞的DNA修复率无显著差异,大多数细胞在15gy照射30min时已修复SSB损伤。


直接测量DSBs产生的微核(MN)形成表明,使用非特异性213BiAIC照射淋巴细胞,在人类在TAT后3小时MN含量出现峰值之后2周下降到接近平均水平[25]。TAT诱导小鼠肾脏突变,24小时时MN含量高值,在>4周时间内下降接近正常[2]。因此,修复过程有快之分,但DSB肯定不会在照射后24小时内修复DSB修复在每个复制周期(24、48、96小时,大多数细胞)发生,通常需要120小时才能彻底完成其中SSB的修复需要<1小时,DSB的修复需要>24小时,因此在此时间范围内使用213Bi施加重复剂量DNA修复过程持续发生DSB


增加放射或在24小时内补充213Bi-MAb可对未修复的细胞造成额外的打击,并增加SE,细胞的损伤呈指数增加因此,上述分析表明,与213Bi相比,225Ac的优势微乎其微。TG(225Ac)~TG(213Bi)。


肿瘤抗血管α疗法(TAVAT)

TAVAT概念的提出是为了解释在TAT治疗转移性黑色素瘤的1期临床试验中黑色素瘤的复发[1]。黑色素瘤试验使用225Ac213Bi发生器生产213Bi标记靶向单克隆抗体9.2.27 [21]。治疗在残留的肿瘤病灶上没有发现黑色素瘤细胞的痕迹这一结果归因于TAT,因为213Bi的半衰期短,AIC扩散到肿瘤中的时间要长得多(α-免疫偶联物(AIC)通过渗漏的肿瘤毛细血管扩散,以靶向病灶周围黑素瘤细胞表达的抗原)。这些213Bi发出的α射线,照射到毛细血管内皮细胞的细胞核,导致毛细血管闭合,随后导致肿瘤的氧气和营养物质减少肿瘤因此消退并消失。这一概念通过蒙特卡罗计算得到验证,并且验证显示只有α射线这样具有短射程和高LET才能在远低于预期最大耐受剂量的剂量下观察到肿瘤消退。


半衰期

更长的半衰期没有明显的优势,因为在213Bi的46分钟半衰期内,AIC必须很快渗入肿瘤周围毛细血管的区域,才能作用较长的半衰期使AIC更深地扩散到毛细血管周围,但由于α射程短立体角效应这对TAVAT不利的所以具有10半衰期225Ac反而不利于TAVAT的应用并且AIC的不稳定性可能产生较多脱靶的α粒子从而降低最大耐受剂量MTD。


命中概率

毛细血管周围的α射线击中EC核的概率只有百分之几[10],因此同一225Ac衰变中多次击中的概率可以忽略不计。因此,TAVAT中Ac225既没有半衰期优势,也没有EC命中概率优势。对于ECs的直接靶向目标225Ac每次衰变的命中率213Bi高。然而,这一优势又取决于修复时间。


比活度(SA)

当产物损耗过大时,放射性标记抗体螯合的效率低,SA在3到50之间。SA定义为AIC每分子的活度对于SA=1,每毫克抗体有1 mCi的活性(A=dN/dt)。


1 mCi相当于每秒37×106衰变,给出213Bi的放射性标记抗体的数量:

N(Bi) = 37E6∕λ(Bi) = 37E61∕2.53E 4 = 14.6E10

1mg中MW=150000的抗体分子数为:Nm = E 3 × 6.023 × E23∕1.50E5 = 4E15

SA=1 mCi/kg的放射性标记分数为:N(Bi)∕Nm = 14.6E10∕4E15 = 3.7E5


癌细胞受体饱和

SA意味着大多数癌细胞受体将被放射性载体靶向并占位特定细胞膜抗原表位的典型表达是每细胞50万个表位[14]。如果比活SA=10,则标记的单克隆抗体靶向的抗原数为3.7E-4。5E5~150。


如果达到90%的肿瘤控制概率(TCP)[23],控制10000个细胞每个细胞的α命中数为20–100,这样肿瘤范围内对于较低的特异性活或较低的抗原表达的TAT将不太有效且不足以使肿瘤消退。


225Ac衰变释放4个α辐射,因此所需的未阻断抗原数量是213Bi的四分之一。这意味着具有四分之一抗原表达的细胞或具有四分之一比活的结合物仍然有效然而无论哪种方式,225Ac都比213Bi更适合针对相同特定活的AIC细胞。


关键器官

225Ac(10天)和213Bi(46分钟)的半衰期有很大差异因此,关键器官内放射性粒子滞留可能存在一种放射性同位素明显优于另一种放射性同位素的情况例如,使用阻断剂来保护表达靶抗原的关键器官如果冷阻剂的泄漏率很高,比如说24小时的半衰期,213Bi由于半衰期较短,它的保护作用10天半衰期225Ac相比显得短了另一方面,如果冷媒的吸收和滞留很慢,则213Bi会在器官吸收达到顶峰之前老早稳定同位素对于实体瘤,抗体扩散通常需要1-2天,因此使用225Ac优势明显


所以放射性同位素的半衰期应与载体的肿瘤摄取时间相当对于转中的扩散癌细胞213Bi是首选,而需要缓慢摄取克隆抗体的固定实体瘤使用225Ac


实验数据

1总结了225Ac213Bi的比较数据,从放射生物学、体外、体内研究、临床方面和成本进行


放射生物学

225Ac对于低特异性的结合物或癌细胞受体表达较低更为优越TAVAT和正常细胞毒性与213Bi相似。蒙特卡罗计算表明,与213Bi相比,225Ac的每次衰变比能约为213Bi的4.6倍[9]213Bi相比,这意味着体外细胞存活率将会下降2个数量级以上[5]。然而,如果DSB修复过程足够长,B24小时内i213DNA修复4个周期中的4α命中产生225Ac类似的效果。

结果225Ac参照

1用于蒙特卡罗、体外、体内和临床研究的225Ac和213Bi免疫偶联物的MTD和SE


体外细胞存活

细胞孵育时间(24小时)意味着,对于相同的衰变率,225Ac仅计算衰变的一小部分,而213Bi计算衰变。对于相同的初始活和靶向载体,225Ac细胞的存活率应该要低得多,因为它具有更高的比能量。然而,这种效应缓慢的DSB修复过程介因此213Bi 4倍活暴露可以使多个细胞命中这就导致225Ac相比核素细胞生存结果类似标准的细胞集落增殖测定法不适合体外细胞毒性,因为与细胞膜结合的单克隆抗体可能无法彻底清除因此225Ac将继续衰,杀死的细胞时间超出24


McDevitt等人[17]发现,225Ac结合对几种不同癌细胞系的体外致死剂量中位数为0.3至74 Bq/mL(0.008–2 nCi/mL),比文献中213Bi对应值7400 Bq/mL低约两个数量级以上。Borchadt等人[6]在225Ac-曲妥珠单抗中培养卵巢癌细胞,用氚化胸腺嘧啶核苷测定细胞活力,给出50%存活的有效剂量ED50~88 Bq/mL。Miederer等人[19]用225Ac-3F8测定神经母细胞瘤细胞的有效剂量ED50,饱和对照组为30 Bq/mL。


体内

McDevitt[17]、Borchardt[5]、Miederer[19]已经报道临床前小鼠研究数据揭示了靶向225Ac对不同癌症的疗效然而,没有213Bi进行比较研究。

213Bi-AIC组分6每组剂量1.85 MBq或225Ac-AIC组分6×1.85 kBq的治疗分别将中位生存期延长至95天和97天,表明它们在相同终点下初始活的构成因子为1000 虽然用短半衰期的213Bi标记的F3在治疗后30天内的早期时间肿瘤质量下降225Ac-AIC的抗肿瘤作用在后的时间点增加了。 225Ac-AIC(43%)和213Bi-AIC(36%)治疗后的细胞坏死分数差异不临床前比较小鼠对225Ac213Bi的最大耐受剂量(MTD)[7]表明,213Bi-DTPA-F3和225Ac-DOTA-F3 AICs的ED50分别为53kbq/mL和67bq/mL,因子为790。


据报道,在neu-N小鼠乳腺癌模型中,AICs 213Bi-7.16.4和225Ac-7.16.4的MTD分别为120µCi和400 nCi(Song 2009)。MTD比率为300。ED50值分别为940nci/mL和19nci/mL。213Bi的中位生存期为61天,而225Ac治疗8/12小鼠中位生存期为1年


Ac对肿瘤的细胞毒性(每次衰变有多个癌细胞命中)大于对非靶向正常组织的细胞毒性(每次衰变只有一个命中),因此治疗效果更,但由于DSB修复过程使这一优势降低,所以允许额外的特定能量补充


临床

225Ac的10天半衰期很长,足以强化射性药物肿瘤的213Bi来说是不可能然而,225Ac的短α范围和不均匀分布意味着会出现热点和冷点,后者肿瘤再生提供因此,TAVAT效应可能显得更为重要


一期试验表明,213Bi-CHX-A-HuM195单周期的MTD约为2.6 GBq[11]这一结果与213Bi-DOTATOC的结果相当,即每周期5 GBq[15],尽管将血癌的长清除率单克隆抗体与实体瘤癌的快速清除肽进行比较是有问题的可以使用225Ac-DOTATOC与213Bi直接比较相同的NET癌症和多肽,它的耐受性高达40 MBq [15],而213Bi结合物仅为5 GBq。由于肾脏225Ac结合物清除使得225Ac结合物衰变体外所以当期望值为1000时,225Ac结合物MTD的活只有125这种效应半衰期较短的213Bi结合物观察。小鼠的单克隆抗体清除率通常为2-3天,嵌合体为8-10天,人源单克隆抗体为20-23天[27]。在前两种情况下,225Ac的综合背景剂量将大大降低,从而使MTD增加因此MTD比低于预测值。所有结果总结在表1中。


成本考虑

由于225Ac尚未实现工业生产,因此评估225Ac供应成本可能为时过早


临床前

225Ac发生器淋洗213Bi的洗脱在2h~80%(图2)这意味着对于上述53 MBq/mL 213Bi的Essler MTD,需要88 MBq/mL 225Ac并且发生器在10天的半衰期内可以多次淋洗如果使用一个Ac/Bi发生器复洗脱MTD注射100只小鼠超过10天,则每只小鼠注射213Bi的活为88 MBq/100~0.88 MBq/mL。相比之下,225Ac的Essler MTD为每只小鼠0.067 MBq/mL,比213Bi小13倍此外,使用225Ac所需的人员配置可能少于213Bi


临床

3个月对3名患者进行一次临床,可使用740 MBq(20 mCi)Ac/Bi发生器生产213Bi获得所需的MTD,每位患者的活度约为250 MBq然而,考虑到放射性药物的标记和质时间,因此213Bi需要两倍注射在Kratochwil 225AcMTD为每名患者40mBq但是225Ac半衰期无需担忧放射药物标记质控过长导致放射性活度损失225Ac成本比Ac/Bi发生器低12倍。

在临床实践中,740mbq Ac/Bi发生器,在MTD时提供多达10个患者剂量(每天1个,连续10天)225Ac在MTD时每个患者只有一个剂量。因此,每位患者的剂量为740/10=74 MBq(213Bi)和40 MBq(225Ac),所以225Ac成本2倍小于213Bi


并且因为半衰期不同225Ac的运送成本Ac/Bi发生器低,225Ac分装在不同的小瓶中,而Ac:Bi发生器需要带分离柱。


结论

225Ac213Bi的比较评估有两个不确定首先是Ac衰变产物的反冲释放,这会降低效能并增加患者非靶向额外辐射风险其次是DSBs的缓慢修复,这增加了213Bi的疗效并降低细胞存活率。


225Ac的SE较高,半衰期长,与213Bi相比,注入活降低了1000倍,细胞存活率提高了100倍。但是,DSB修复过程足够慢,使SE成为213Bi衰变的加属性,从而使细胞存活率与225Ac相似。


比较225Ac213Bi AICs的体内研究给出了小鼠存活中位数相似结果数据显示相同终点SE因子为1000这一比率与计算结果一致,因此显示225Ac没有明显的背景障碍但是,对于213Bi225Ac-DOTATOC NET癌的临床MTD结果并非如此,活性比为125这一结果可能是由于消除了225Ac结合物,减少了整体背景剂量并因此而增加MTD缘故


对于临床前和临床应用,发现225Ac比Ac/Bi发生器更具成本效益然而,如果使用在器官中具有短生物半衰期的冷载体来避免对关键器官的靶向攻击,则需要使用213Bi


总体而言,就放射生物学,临床前和临床效果以及成本而言,225Ac或与213Bi相当或者优于213Bi


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