In vivo immuno-PET imaging of thyroid tumor nodules using Galectin-3 as tumor marker - Revised version
Biochemistry
Final Report Abstract
Ziel dieses Projekts war das Design klinisch einsetzbarer Tracer auf Proteinbasis, die gegen Galectin-3 (Gal-3), einen innovativen Marker für Schilddrüsen-Tumore, zwecks ImmunPET-Bildgebung von Schilddrüsenknoten gerichtet sind. Ausgehend von einem monoklonalen Antikörper (mAb) der Ratte haben wir neuartige Radioimmunkonjugate entwickelt. Hierzu wurden die variablen Genabschnitte für den mAb aus der entsprechenden Hybridom-Zellinie kloniert und zunächst in Form eines rekombinanten chimären Fab-Fragments (d.h. variable Domänen der Ratte, konstante Domänen des Menschen) funktionell in Escherichia coli produziert. Die Zirkulationsdauer dieses Fab-Fragments (GaletuxiFab) in vivo wurde mit Hilfe der PASylation-Technologie moderat verlängert, und das Protein wurde mit Zirkonium-89 (89Zr) radioaktiv markiert. Um das Potenzial unserer neuen Methodik im Vergleich zur konventionellen Radioiod-Bildgebung zu demonstrieren, haben wir humane orthotope Schilddrüsentumore im Mausmodell etabliert. Dazu wurden 3D-Schilddrüsentumor-Sphäroide ausgehend von Tumorzellen, deren hNIS-Expression niedrig oder null ist und die hohe Expression von Gal3 zeigen, präpariert. Diese Tumorsphäroide wurden erfolgreich eingesetzt, um das Bindungsverhalten des Anti-Gal3-Fab in vitro zu untersuchen und die Bindungsspezifität anschließend in vivo in orthotopen Maus-Modellen zu charakterisieren. Unsere ImmunPET-Studien ergaben, daß die molekulare Bildgebung ein spezifisches Instrument für den nicht-invasiven Nachweis der Gal3-Überexpression in vivo bietet und die Unterscheidung zwischen malignen und gutartigen Schilddrüsenknoten gestattet, selbst wenn keine hNIS-Expression vorliegt. Auf Grundlage dieser vielversprechenden ersten Ergebnisse haben wir das Anti-Gal3 Fab durch CDR-Grafting vollständig humanisiert. Hierbei gestattete die von uns mittels Röntgen-Kristallographie aufgeklärte Struktur des chimären Fabs im Komplex mit dem Gal3-Peptidepitop die rationale Optimierung der humanisierten Immunglobulinstruktur. Das humanisierte Fab (GaletuzuFab) zeigte mit einer Dissoziationskonstante von 0,3 nM praktisch unveränderte hohe Antigen-Bindungsaktivität gegenüber dem ursprünglichen mAb. Das PASylierte humanisierte Anti-Gal3 Fab wurde abschließend wiederum in dem orthotopen Tumormodell mittels ImmunPET untersucht, wobei die Bindungsspezifität gegenüber Gal3-exprimierenden Schilddrüsentumoren bestätigt wurde (mit hohem Bildgebungskontrast 24 Stunden nach der Tracer-Injektion). Der aus diesem Projekt resultierende Protein-Tracer eröffnet vielversprechende Perspektiven zur nicht-invasiven Diagnostik maligner Schilddrüsenknoten, und Arbeiten zu dessen Test an Patienten sind aktuell in Vorbereitung.
Publications
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(2016) Noninvasive in vivo imaging and biologic characterization of thyroid tumors by immunoPET targeting of galectin-3. Cancer Res. 76, 3583-3592
D'Alessandria, C., Braesch-Andersen, S., Bejo, K., Reder, S., Blechert, B., Schwaiger, M. & Bartolazzi, A.
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Immunotargeting of Galectin-3 in thyroid orthotopic tumors opens new challenge for thyroid cancer imaging in vivo. European Molecular Imaging Meeting 2017 (EMIM´17), Köln
F. De Rose, M. T. Kuhlmann, M. Braeuer Miriam, S. Reder, S. Braesh-Andersen, A. Bartolazzi, M. Schwaiger, C. D’Alessandria
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(2019) Galectin-3 targeting in thyroid orthotopic tumors opens new ways to characterize thyroid cancer. J. Nucl. Med. 60, 770-776
De Rose, F., Braeuer, M., Braesch-Andersen, S., Otto, A.M., Steiger, K., Reder, S., Mall, S., Nekolla, S., Schwaiger, M., Weber, W.A., Bartolazzi, A. & D'Alessandria, C.
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(2020) Development of a chimeric antigen-binding fragment directed against human galectin-3 and validation as an immuno-positron emission tomography tracer for the sensitive in vivo imaging of thyroid cancer. Thyroid 30, 1314-1326
Peplau, E., De Rose, F., Reder, S., Mittelhauser, M., Scafetta, G., Schwaiger, M., Weber, W.A., Bartolazzi, A., Skerra, A. & D'Alessandria, C.
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(2021) Effective rational humanization of a PASylated anti-galectin-3 Fab for the sensitive PET imaging of thyroid cancer in vivo. Sci. Rep., 1;11(1):7358
Peplau, E., De Rose, F., Eichinger, A., Reder, S., Mittelhäuser, M., Scafetta, G., Schwaiger, M., Weber, W. A., Bartolazzi, A., D’Alessandria, C. & Skerra, A.
