[11C]GW457427作为中性粒细胞弹性蛋白酶示踪剂的临床前评估
S. Estrada et al., Nuclear Medicine and Biology, 2022
总结
炎症反应作为主要或次要现象，参与了大多数人类疾病。炎症的病理表现涉及组织反应的许多不同方面，如蛋白水解酶、促纤维蛋白原细胞因子、血管生成因子、生长因子的慢性上调以及自身免疫反应。在这一过程中，白细胞等免疫活性细胞发挥着关键作用。
中性粒细胞是循环系统中数量最多的白细胞。它们是先天免疫系统的一部分，在免疫反应中充当第一道防线，并存在于许多炎症性疾病中，尤其是炎症性肠病（IBD），主要是溃疡性结肠炎（UC），以及囊性纤维化（CF）、支气管扩张（BE）和慢性阻塞性肺疾病（COPD）等肺部疾病。虽然腹主动脉瘤（AAA）主要不被视为一种炎症性疾病，但血管壁中弹性蛋白的破坏涉及炎症细胞的参与，这是动脉瘤形成的主要驱动因素。
中性粒细胞也已知参与急性呼吸窘迫综合征（ARDS）中发现的破坏性免疫炎症，此外，最近有假设认为，同样的机制可能也导致了新冠肺炎（COVID-19）继发性肺部炎症。
中性粒细胞活性的一个关键事件是通过嗜苯胺蓝颗粒的脱颗粒作用释放蛋白酶中性粒细胞弹性蛋白酶（NE），从而在局部产生高浓度的NE，这些NE要么结合在中性粒细胞的外细胞膜上，要么以中性粒细胞胞外陷阱（NETs）的形式存在。
中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）的一个关键作用是降解细胞外基质成分，如弹性蛋白，从而使粒细胞和巨噬细胞能够穿越组织并到达炎症部位。NE还能将预先形成的蛋白质裂解成具有药理学活性的信号肽，这些信号肽作为细胞功能的调节剂，促进其他免疫细胞向炎症组织的趋化。这种过度活跃的免疫反应可能会加剧患者的病情，并使感染的预后恶化。在体内，NE的蛋白水解活性由抗蛋白酶α1-抗胰蛋白酶平衡。
中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）一直是肺部疾病药物开发中的靶点，相关疗法旨在保护肺组织。已有多种药物进入临床试验阶段，例如Sivelestat®和AZD9668，但结果喜忧参半，尽管报告了一些积极结果，但尚无确凿证据表明其有效。在这些研究中，并未使用分子成像技术（如正电子发射断层扫描（PET））来研究药物与NE之间的体内相互作用，因此可以推测，临床疗效不佳的原因可能是治疗时间过短或剂量过低。
在腹主动脉瘤（AAA）中，弹性蛋白酶活性在整个疾病进展过程中促进弹性蛋白降解和动脉瘤形成。相关动物模型已证明弹性蛋白酶抑制可减少动脉瘤的生长，但目前尚无已确立或正在开发中的医疗疗法能够阻止患者动脉瘤的扩张。尽管AAA患者的功能成像结果表明主动脉壁的炎症促使其降解，但这些结果尚无定论。嗜酸性颗粒中的弹性蛋白酶浓度很高（约5-10 mM），导致蛋白酶在释放后局部浓度显著升高，足以用选择性且特异性的正电子发射断层扫描（PET）放射性配体进行测量。为此，作者开发了[11C]GW457427（命名为[11C]NES）作为选择性且特异性的PET示踪剂，用于使用PET在人体内研究中性粒细胞弹性蛋白酶，该示踪剂已在人体腹主动脉瘤组织中与健康主动脉进行了体外验证，并在脂多糖（LPS）诱导的肺部炎症动物模型中与对照组动物进行了体内验证。作者还提供了[11C]GW457427的符合良好生产规范（GMP）的生产方法和毒理学数据。
来自nanoScan PET/MRI 3T和nanoScan SPECT/CT的结果
在成像研究中，将溶于生理盐水中的[11C]GW457427（2–5 MBq）作为单次剂量静脉注射（i.v.）给三组BALB/c小鼠：（i）诱导炎症的动物（n = 8），（基线组）；（ii）诱导炎症的动物（使用脂多糖（LPS）和甲酰甲硫氨酰-亮氨酰-苯丙氨酸（fMLP））（n = 6），该组动物还接受了过量未标记的GW457427（1 mg/kg）的共注射（阻断组）；以及（iii）未处理的BALB/c小鼠（n = 6，对照组）。对每组中的两只动物进行体内动态正电子发射断层扫描（PET）成像（n = 6），随后进行计算机断层扫描（CT）扫描。将小鼠置于PET/MRI 3T扫描仪的加热床上，并在注射[11C]GW457427前立即启动动态PET采集。PET扫描持续40分钟，胸部位于视野内。PET采集后，将床转移到美迪索 SPECT/CT。然后进行全身CT扫描，持续8分钟。使用Tera-TomoTM 3D算法（4次迭代和6个子集）对美迪索系统的PET图像进行重建。将PET-CT图像融合并在PMOD 4.0中进行分析。
图5显示，动态正电子发射断层扫描（PET）研究与离体数据高度一致，同样显示经处理（脂多糖[LPS]+真菌溶血素[fMLP]）的动物肺部摄取量高，而对照组和阻断组则无摄取。虽然无法直接比较PET和离体测量确定的肺部标准化摄取值（SUV）值，但假设肺部密度为0.3克/毫升，则PET采集结束时（40分钟）的SUV值约为6。
如图7所示，动态正电子发射断层扫描（PET）还揭示了小鼠其他器官的摄取动力学。对于对照组小鼠，其摄取动力学与离体剂量学研究获得的大鼠器官摄取和清除动力学相似，大多数器官表现出快速洗脱动力学，肝脏和肾脏中短暂积聚，膝关节和肠道中放射性增加，这表明药物通过肝胆消除，并在红骨髓（中性粒细胞生成和储存的地方）中特异性摄取。
● 体内成像研究表明，除骨髓外，健康组织中的示踪剂摄取量非常低，部分示踪剂会通过肝胆排泄进入肠道。
● 如所述，在小鼠LPS肺部炎症模型中的小动物PET-CT-MR研究表明，肺部有高摄取，而通过共注射GW457427可以阻断这一摄取。
● 通过使用两种结构不同的选择性弹性蛋白酶抑制剂Sivelestat®和GW311616，我们在体外证实了[11C]GW457427与弹性蛋白酶结合的特异性。因此，[11C]GW457427是一种非常有前景的神经内分泌（NE）正电子发射断层扫描（PET）生物标志物，目前正在一项首次人体研究中对其进行评估。
