Rapid metabolism of the immuno-PET radioligand [68Ga]Ga-NOTA-GZP upon in vivo administration in mice

Binnen het menselijk lichaam wordt vaak een stille oorlog gevoerd door de elite-soldaten van het immuunsysteem: cytotoxische T-cellen en natuurlijke killercellen. Wanneer deze cellen een bedreiging tegenkomen, zoals een kankercel of een geïnfecteerd weefsel, laten ze een specifiek eiwit vrij genaamd Granzyme B. Dit eiwit werkt als een moleculaire trigger die de doelcel opdracht geeft tot zelfvernietiging. Voor artsen en onderzoekers zou het vermogen om te zien waar en wanneer dit eiwit actief is, een krachtig hulpmiddel zijn. Het zou hen in staat stellen om het immuunsysteem in realtime te observeren, om te controleren of een nieuwe behandeling het lichaam succesvol activeert of of een infectie wordt ingedamd. Om dit te doen, hebben wetenschappers piepkleine chemische tracers ontwikkeld, in feite moleculaire spionnen, die in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd en gevolgd kunnen worden met behulp van een speciale camera genaamd een PET-scanner. Deze tracers zijn ontworpen om aan Granzyme B te plakken, waardoor de gebieden waar het immuunsysteem het meest actief is, oplichten.

Een van de meest veelbelovende van deze tracers is een molecuul dat is gelabeld met een radioactieve vorm van gallium, een metaal dat signalen uitzendt die de camera kan detecteren. Wetenschappers hebben deze specifieke tracer, bekend als [68Ga]Ga-NOTA-GZP, gebruikt in muizen en zelfs in vroege menselijke klinische studies om immuunactiviteit in kaart te brengen. De aanname is geweest dat dit molecuul, na injectie, door de bloedbaan reist, zijn doel vindt en intact genoeg blijft om een duidelijk beeld te geven. Echter, een recente studie uitgevoerd door onderzoekers in Noorwegen heeft een verrassende en cruciale fout in deze aanname blootgelegd. Ze ontdekten dat hoewel de tracer perfect stabiel lijkt in een reageerbuis, deze bijna onmiddellijk uit elkaar valt zodra hij een levend dier binnengaat. Deze ontdekking suggereert dat de beelden die wetenschappers hebben gezien mogelijk niet de tracer zijn die zij denken dat het is, maar eerder de afgebroken stukjes ervan, wat kan leiden tot misinterpretaties van hoe goed een behandeling werkt.

De onderzoekers begonnen hun onderzoek door de stabiliteit van de tracer te testen in menselijk bloedplasma buiten het lichaam. Ze mengden het radioactieve molecuul met plasma en verwarmden het tot lichaamstemperatuur, om de omstandigheden binnen een persoon na te bootsen. Na één uur analyseerden ze het mengsel en stelden zij vast dat de tracer volledig intact bleef. Elk molecuul was nog steeds heel, wat suggereerde dat de chemische binding die het radioactieve metaal aan de peptideketen vasthoudt, sterk en betrouwbaar was onder deze gecontroleerde omstandigheden. Dit resultaat sloot aan bij het vertrouwen dat veel wetenschappers in het instrument hadden gesteld, en versterkte het idee dat het een robuuste agent voor beeldvorming was.

Echter, het verhaal veranderde drastisch toen het team de overstap maakte van de reageerbuis naar levende muizen. Ze injecteerden dezelfde tracer in gezonde muizen en tumordragende muizen, en namen vervolgens op specifieke intervallen bloedmonsters: vijftien minuten, dertig minuten en zestig minuten na de injectie. Wanneer ze deze bloedmonsters analyseerden, was het beeld volkomen anders. Binnen slechts vijftien minuten was de hoeveelheid intacte tracer in het bloed gedaald tot ongeveer dertien procent. Bij dertig minuten was dit gedaald tot minder dan vijf procent, en tegen het uur markeren was er bijna geen van het oorspronkelijke molecuul meer over. In plaats van een enkel, helder signaal, bevatte het bloed een mengsel van nieuwe, kleinere radioactieve fragmenten. De tracer was snel door de biologische processen van het lichaam uit elkaar gehaald.

Om te begrijpen wat deze fragmenten waren, vergeleken de onderzoekers ze met bekende stoffen. Eén van de nieuwe fragmenten verscheen in de analyse op een tijdstip dat zeer vergelijkbaar was met vrij gallium, het metaal zonder zijn peptide-drager, of een klein stukje van de drager-molecuul zelf. Dit suggereerde dat het metaal zich had losgemaakt van de peptideketen, een proces dat bekend staat als demetallatie, of dat de keten in stukken was gesneden. Een ander fragment verscheen iets eerder dan de oorspronkelijke tracer, wat de onderzoekers vermoedden het resultaat was van enzymen in het lichaam die de uiteinden van het peptide-molecuul chemisch veranderden, bijvoorbeeld door een specifieke chemische groep in een zuur te veranderen. Cruciaal was dat wanneer ze het gedrag van de oorspronkelijke tracer vergeleken met het gedrag van vrij gallium dat rechtstreeks in muizen werd geïnjecteerd, de twee totaal niet op elkaar leken. Het vrije gallium accumuleerde zwaar in de lever en bleef daar, terwijl de tracer en de fragmenten ervan snel door de nieren werden uitgewassen en in de blaas terechtkwamen. Dit verschil bewees dat de afgebroken stukjes niet simpelweg fungeerden als vrij metaal; ze gedroegen zich als kleine, wateroplosbare fragmenten die het lichaam snel filtert.

De implicaties van deze bevindingen zijn aanzienlijk voor hoe wetenschappers beelden van het immuunsysteem interpreteren. Veel eerdere studies vertrouwden op wiskundige modellen om precies te berekenen hoeveel tracer zich aan een tumor bindt, uitgaande van het feit dat het signaal in het bloed afkomstig is van het intacte molecuul. Als het molecuul zo snel afbreekt, zijn die berekeningen waarschijnlijk onjuist omdat de camera een mengsel detecteert van de oorspronkelijke tracer en de fragmenten ervan. De onderzoekers merkten op dat deze snelle afbraak veel sneller gebeurt dan eerder gerapporteerd in andere studies, die mogelijk slechts naar één tijdstip keken en de snelheid van de degradatie hebben gemist. Ze wezen ook erop dat de chemische structuur van de tracer licht kan variëren afhankelijk van de wijze waarop deze wordt geproduceerd, en dat deze kleine verschillen kunnen verklaren waarom sommige eerdere studies een betere stabiliteit zagen dan andere.

Uiteindelijk dient deze studie als een vitale reality check voor het vakgebied van de immuunbeeldvorming. Het demonstreert dat een molecuul perfect stabiel kan zijn in een reageerbuis, maar fragiel in een levend lichaam, en dat wat lijkt op een succesvol beeld in werkelijkheid een verzameling van metabool afval kan zijn. De onderzoekers concluderen dat om een echt begrip van immuunactiviteit te krijgen, toekomstige studies rekening moeten houden met deze snelle afbraak. Ze suggereren dat wetenschappers stabielere tracers moeten ontwerpen die de reis door de bloedbaan kunnen overleven en dat ze zeer voorzichtig moeten zijn bij het interpreteren van gegevens van bestaande tracers. Zonder deze correcties zouden de beelden die we zien van het immuunsysteem dat ziekte bestrijdt, wazig kunnen zijn, waarbij de nasleep van een strijd wordt getoond in plaats van de strijd zelf.