抗體成像助力癌症研究

使用抗體的正電子發射斷層掃描（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潛在的癌症位置。

新技術幫助研究者深入理解免疫系統的作用機制。

抗癌藥物的研發過程非常曲折：起初，細胞實驗和小鼠實驗的前景都非常樂觀；但是，隨後的猴子試驗就非常讓人沮喪：猴子們被那些旨在靶向和殺死胰腺癌細胞的藥物毒死了。

該藥物的研發團隊成員、加州 Genentech 公司的 Simon Williams 指出，團隊檢驗過收集的組織樣本，但是沒有發現任何跡象提示藥物具有毒性。當研究人員對活體進行成像，並跟蹤藥物在動物體內的擴散時，他們終於找到了癥結所在：這種基於抗體的藥物主要被動物的骨髓吸收，進而殺死骨骼的白細胞。鑒於此，研究人員放棄了這種藥物。

當生物藥物進入活體時，研究人員往往不知道後續會發生什麼情況。從早期試驗到最終應用於臨床，他們並不能確定藥效究竟如何。有時患者會對藥物產生響應；有時則不會。無論結果如何，研究人員都想知道為什麼。但通常他們缺乏合適的研究工具。

現在，成像科學家和癌症研究人員正在試圖解決這個問題。他們將傳統 PET（Positron-emission tomography，正電子發射斷層掃描）技術與抗體和類似分子結合起來，創造了一種名為 immunoPET 的新技術。研究人員表示，隨著癌症治療變得越來越精確和複雜，用於評估療效的工具也需要不斷改進。現代生物治療只適用於部分患者，但是醫生還不能可靠地預測哪一部分患者適用於這種治療。活檢只能告訴你一個腫瘤的一部分發生了什麼，immunoPET 則可以提供身體里所有腫瘤的快照。

傳統 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細胞。隨著癌症免疫治療的蓬勃發展和調動免疫系統來對抗腫瘤的治療策略的越來越流行，癌症領域對這種新興成像技術興趣大增。但是設計 immunoPET 成像探針並不容易。放射性示蹤劑的選擇、抗體設計和成像動力學等因素都需要審慎考慮。不過幸運的是，目前科學家們已經取得了一些進展。現在，他們可以鑒定越來越多的免疫細胞和癌症組織，並且正在調整抗體結構以改善其性質。新的治療和成像策略呼之欲出。

斯坦福大學（Stanford University）放射科主任、致力於癌症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。他們做的大多數治療干預措施都是盲目射擊，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，就不知道哪裡出了問題。這意味著，人們可能不知道下一步該怎麼做。

潛力無限的 PET

狹義來說，immunoPET 是使用抗體或相關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胞——例如幫助癌症細胞免受免疫系統攻擊的 PD-L1，或標記殺傷 T 細胞的 CD8。把抗體注射到動物體內，抗體就會擴散到身體各處，直到到達靶細胞並與其結合。

為了「看到」這些細胞，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）標記抗體。這些 PET 標籤發射正電子——電子的反物質。當正電子與身體中的電子碰撞時，會產生一對γ射線顆粒，彼此反向高速離開。只要同時檢測這一對粒子，就可以顯示體內目標物的位置和丰度了。研究人員可以將這些數據疊加到計算機斷層掃描（computed-tomography, CT）或磁共振成像掃描magnetic resonance imaging scans, MRI scans）圖像中，以確定抗體標籤的解剖位置。

生物學家和臨床醫生正在使用 immunoPET 來解釋為什麼一些患者對治療產生響應，而其他患者則沒法響應。

例如，幾年前，荷蘭格羅寧根大學醫學中心（University Medical Center Groningen）的醫學腫瘤學家 Elisabeth de Vries 等人對 56 名晚期乳腺癌患者進行了 immunoPET 成像。該組患者接受了 trastuzumab emtansine（Kadcyla）藥物治療。Kadcyla 是一種偶聯藥物，它由與腫瘤蛋白 HER2 結合的抗癌抗體 trastuzumab 與靶向目標細胞的化療藥物結合而成。通過使用放射性標記，該小組發現，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；實際上，該組患者的生存期中位數為 2.8 個月，最後試驗以失敗告終。而那些腫瘤攝取較多抗體的患者的生存期中位數為 15 個月。De Vries 等人和荷蘭三家研究機構正在進行一項試驗，以測試這種前期成像是否能改善 200 名新診斷為轉移性乳腺癌女性患者的治療方案。該試驗預計在今年晚些時候完成志願者招募工作。

在另一項研究中，de Vries 等人證實，當癌症已經損害血腦屏障時，抗體可以達到神經膠質瘤。這表明，與常規觀念相反，基於抗體的治療可能可以有效對抗神經膠質瘤。 de Vries 指出，傳統理論認為，抗體分子太大了，以致無法穿過血腦屏障，然而事實並非如此。

許多癌症發展迅速，當它們傳播或轉移到身體的其它部位時，它們可能與原始腫瘤不同。因此僅僅對一個轉移腫瘤進行活檢是不夠的。ImmunoPET 掃描全身的能力也有助於解決這個問題。紐約市紀念斯隆凱特琳癌症中心分子成像和納米技術中心（Center for Molecular Imaging and Nanotechnology at Memorial Sloan Kettering Cancer Center）主任 Jason Lewis 表示，癌症患者的轉移灶往往不止一個，可能有多個，但你無法對這些轉移進行一一活檢。不過現在有了 immunoPET，研究者和醫生就可以對這些轉移灶進行成像了。在一項 2016 年開展的 immunoPET 研究中，Lewis 等人確定了兩名 HER2 陽性轉移的女性，她們的原發性腫瘤為 HER2 陰性；這兩名患者對曲妥珠單抗治療有響應。

輔助免疫治療

加州大學（University of California）洛杉磯分校的醫學腫瘤學家、黑色素瘤研究者 Antoni Ribas 指出，正在開發的免疫治療也可能受益於 immunoPET。例如，在免疫檢查點抑制療法中，腫瘤細胞表面的一個受體與 T 細胞表面的一個受體相互反應，從而抑制 T 細胞的免疫功能。免疫檢查點抑製劑與這兩個受體中的一個結合，並抑制其活性，從而激活腫瘤周圍的 T 細胞，使其行使腫瘤殺傷功能。

但是，Ribas 表示，這種殺傷機制的一個基本假設是通過細胞表面蛋白 CD8 可以識別那些位於腫瘤附近的殺傷性 T 細胞。但事實並非如此。使用 immunoPET，你可以確定免疫系統是否可以激活，如果腫瘤處沒有 CD8 細胞存在，那麼使用檢查點抑製劑並不能激活該處的 T 細胞。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的 PET 與 CT 疊加圖像。BLK：空白對照組；NBLK：實驗組。

Ribas 指出，當免疫細胞過度激活，損傷其它組織時，免疫檢查點治療可能會引起令人討厭的副作用。例如，腸道炎症是黑素瘤檢查點抑製劑藥物 ipilimumab（Yervoy）的常見副作用。他推測，也許 immunoPET 可以讓臨床醫生儘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 與加州大學洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）成像科學家 Anna Wu（加州成像公司 ImaginAb 的聯合創始人，目前從事改進抗體，優化 immunoPET 的工作）合作。2015 年，Wu 的團隊與 Ribas 等人使用 immunoPET 跟蹤三種免疫療法實驗中小鼠體內的殺傷 T 細胞。放射性標記探針——靶向 CD8 受體的抗體片段顯示 T 細胞聚集在腫瘤中，並改變腫瘤在身體其它部位的分佈。

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。事實上，初始治療后，腫瘤可能沒有縮小，反而會變大——免疫細胞浸潤腫瘤，使組織發生腫脹時，研究人員和臨床醫生有時會誤以為治療無效。ImmunoPET 可以揭示細胞類型之間的差異，並在腫瘤細胞明顯開始死亡之前顯示治療有效。

Williams 表示，在藥物開發實驗室，immunoPET 可以幫助研究人員決定是否應該繼續研發一個抗體。在臨床前工作中，immunoPET 證實了一種名為 STEAP1 的抗體的潛力。該抗體靶向轉移性前列腺癌細胞，其連接的藥物會殺傷癌細胞。在早期（未發表）臨床試驗中，成像顯示抗體組分甚至可以到達曾被認為是不可接近的組織中的轉移瘤，例如骨骼。以前免疫治療領域一個經常討論的問題是：抗體能否轉運到骨轉移瘤？成像結果給了我們肯定的答案。

Williams 的 immunoPET 有助於研究本文開頭提到的抗體—藥物偶聯物在非人靈長類動物上的重大毒副作用的案例，以查明為什麼那種藥物如此致命。

快速遞送

研究人員指出，單克隆抗體能夠產生非常漂亮的 immunoPET 圖像。但是，將抗體送至目標的組織，並將未與靶細胞結合的單抗排出體外，從而產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，在藥物開發方面，研究人員需要就是否繼續開發候選藥物做出決定，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：我們要繼續臨床 3 期試驗嗎？如果成像不能在限定時間裡做出，就毫無意義。

抗體可以特異性結合細胞靶點，並使其在 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（Johns Hopkins University）分子成像科學家 Sridhar Nimmagadda 表示，一般 immunoPET 用於晚期癌症患者，這些患者常常有轉移。對於這樣病情嚴重的病人來說，臨床決策需要儘快做出，一周還是太長了。

因此，研究人員也在努力開發精度不低於抗體，但分子量更小，葯代動力學更理想的分子。例如，Wu 的實驗室已經設計了名為「微型抗體」和「雙抗體」的細長抗體變體。這些抗體保留了傳統單抗與抗原相互作用的部分（稱為可變結構域），但是去除了與免疫系統其它部分（例如清除細菌和碎片的細胞）接觸的部分。所這些抗體只保留了與目標分子結合的能力。Wu 指出，病人注射這種抗體后，一天內就可以成像。

Wu 還表示，這些蛋白質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，這取決於它們的大小。為了提高對比度，並獲得盆腔腫瘤的清晰形象，臨床醫生將選擇通過肝臟清除的抗體；對於胰腺癌，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，使其儘可能地貼近人的內源性蛋白，減少造成的免疫排斥反應（因為它們不是天然的人類蛋白質），或者使放射性同位素標記物以統一的方式附著於蛋白質上，這有助於確保抗體活力的一致和可靠性。Wu 指出，這就是蛋白質工程師的任務了。只要你想生產重組蛋白質，你就可以你能優化的蛋白的一切特性。

其他實驗室，如波士頓兒童醫院（Boston Children's Hospital）分子生物學家 Hidde Ploegh 的實驗室，利用美洲駝、羊駝和駱駝的抗體獲得了葯代動力學更快的 immunoPET 成像劑。這些駱駝種類產生的抗體僅含有一種類型的鏈，而不是常規抗體那樣，由兩種鏈組成，其重量僅為常規抗體的十分之一。但它們也比常規抗體更易被清除，並且在組織中的浸透深度更深。

放射學家和分子成像科學家 Martin Pomper 指出，任何允許病人在幾小時內成像，然後離開醫院的方法都是值得鼓勵的。Pomper 是約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University）核醫學和分子成像系的主任，Nimmagadda 就職於該院系。

但是 Pomper 和 Nimmagadda 認為，臨床的最佳方法不在於抗體或抗體變體，而是更小的肽和其它低分子量分子。該團隊開發了一种放射性標記的肽，這種肽能與 PD-L1 結合，並可以在兩小時內成像。目前該小組還在研發更小的成像劑。

標籤兩步法

保持抗體精確度的另一個策略是採取兩步法。研究人員往病人體內注入抗體，然後等待一周，等不與靶標結合的抗體排出體外。接著注射第二個較小的標記探針，其迅速與第一次注射的抗體結合。這種方法中使用的放射性同位素半衰期更短，例如可以採用半衰期分別小於 2 小時和 12.7 小時的氟 -18 或銅 -64。

該方法取決於「雙特異性」抗體的產生。這種抗體具有兩個結合位點——一個位點與蛋白質靶標（如 PD-L1）結合，另一個位點與放射性標記探針結合。

紀念斯隆 - 凱特琳癌症中心（Memorial Sloan-Kettering Cancer Center）分子藥理學項目主管 Steven Larson 指出，與 immunoPET 一樣，兩步策略並不是什麼新想法。但是，現在成像和抗體工程的進步讓兩步策略成為了一個令人興奮的產物。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，現代成像使醫師能夠精確地校準劑量，避免損傷正常組織。

他還補充，如果實質瘤沒有在早期被發現，那麼患者就很難完全治癒。他們想通過這種方式根治癌症，並且認為可行性很高。

Gambhir 表示，開發和測試癌症療法的研究人員通常沒有意識到成像技術是非常實用的工具。但他們正在學習。1 月份發表的一篇論文顯示，在免疫治療試驗中，工程化的 T 細胞到達膠質瘤后，可以被 PET 成像劑跟蹤。這篇文章發表后，他收到了很多來自業界的諮詢。製藥公司的電話 Gambhir 已接到手軟。葯企一看到人體上的試驗結果，就興奮起來了。

原文檢索：Rosie Mestel. (2017) Cancer: Imaging with antibodies. Nature, 543(1038): 743-746.

張潔 / 編譯