Radiolabelling of Monoclonal Antibodies for PDL-1 for Therapy Planning in Non-Small Cell Lung Cancer

Abstract

Lung cancer is the leading cause of cancer death worldwide, resulting in 25% of cancer deaths.Non-small cell lung cancer (NSCLC) it’s the most common lung cancer type, representing 85-90% of the cases. One hallmark of NSCLC is the difficulty of the immune system to detect the tumor cells. This occurs due to the linkage between immune checkpoints inhibitors (ICIs), such as PD-1 (programmed cell death protein 1), and its ligand PD-L1 (programmed cell death protein ligand 1), which prevents autoimmunity in normal tissues by inhibiting the immune response of T cells. A target treatment approach is immunotherapy using monoclonal antibodies (mAbs). Pembrolizumab is a highly selective humanized mAb against PD-1, which will block the binding of PD-1 to PD-L1 preventing inhibitory signals from T cells, with recognition of cytotoxic cells. Even so, not all patients respond to the immune checkpoint (IC) blockade therapy.Currently, diagnosis of NSCLC is made by immunohistochemical (IHC) analysis of PD-L1tumor expression, which is the only biomarker for treatment selection. However, IHC suffers from several limitations, including lack of information on the expression profiles of metastatic lesions, incomplete tumor sampling (heterogeneity), and the need for an invasive biopsy. In this regard, several studies have shown that nuclear imaging techniques using PET (Positron Emission Tomography) are a promising alternative for diagnosing and monitoring the response to therapy directed at PD-1 and PD-L1 and stratify patients in naive population. This approach will spare patients from ineffective treatments and potential side effects. It will also have fewer economic implications, as cancer therapy remains expensive and time-consuming. For this, a radioisotope is used with a half-life (t1/2) compatible with the time needed to achieve an optimal in vivo tumor-to-non-tumor ratio. For intact mAbs used for targeting solid tumors, the ideal time to obtain the imaging is typically 4–7 days, so zirconium-89 (89Zr) is considered a suitable PET radioisotope due to its long half-life of 78.4 h which matches the time needed for the imaging of antibodies.Thus, the main objective of this master’s project is the development of a new antibody-based nuclear probe against NSCLC using pembrolizumab radiolabelled with 89Zr for diagnostic purposes. For that, we optimized the methods for an efficient bioconjugation between pembrolizumab and the linker (DFO) that will further be complexed with 89Zr. Before radiolabelling with 89Zr, we optimized the best reaction conditions using a short half-life radioisotope – gallium-68 (68Ga). Additionally,we discuss several conditions for the synthesis of [89Zr]Zr-DFO-pembrolizumab and evaluate their stability in vitro. In conclusion, production and purification of 89Zr were performed with high radionuclidic purity, and [89Zr]Zr-DFO-pembrolizumab was obtained with radiochemical purity (RCP) and radiochemical yield (RCY) of 94,31% and 73,48%, respectively. Good stability in vitro over seven days was observed.The work developed during this master’s thesis provides an innovative probe for non-invasive nuclear imaging for whole-body visualization of PD-1 and pembrolizumab biodistribution. These data require validation in larger studies to prove their impact on patients selection for PD-1 blockade. The first-in-human studies have already started.

O cancro do pulmão é a principal causa de morte por cancro a nível mundial, resultando em 25% de mortes derivadas por cancro. O cancro do pulmão de células não pequenas (NSCLC) é o tipo de cancro do pulmão mais comum, representando cerca de 85-90% dos casos. Uma das características do NSCLC é a dificuldade de o sistema imunitário detetar as células tumorais. Isto deve-se à ligação entre os inibidores de checkpoints imunológicos (ICIs), dos quais PD-1 (proteína de morte celular programada 1) e o seu ligante PD-L1 (ligante da proteína de morte celular programada 1), que impedem a autoimunidade nos tecidos normais ao inibir a resposta imunitária das células T. Uma abordagem de tratamento alvo é a imunoterapia utilizando anticorpos monoclonais (mAb). Pembrolizumab é um mAb humanizado altamente seletivo para a PD-1, que bloqueará a ligação da PD-1 ao PD-L1, impedindo assim sinais inibidores das células T, com reconhecimento de células citotóxicas. Contudo, nem todos os doentes respondem à terapia de bloqueio de IC.Atualmente, o diagnóstico do NSCLC é feito por análise imunohistoquímica (IHC) da expressão tumoral PD-1, que é o único biomarcador para a seleção do tratamento. No entanto, IHC apresenta várias limitações, incluindo falta de informação sobre os perfis de expressão das lesões metastáticas, amostragem incompleta do tumor (heterogeneidade) e necessidade de uma biópsia invasiva. Neste sentido, vários estudos demonstraram que as técnicas de imagem nuclear incluindo a PET (Tomografia Emissão Positrão) são uma alternativa promissora para o diagnóstico e monitorização da resposta à terapia dirigida à PD-1 e PD-L1 e permite estratificar doentes que não foram submetidos a nenhum tipo de imunoterapia. Esta abordagem poupará os doentes de terapias ineficazes e potenciais efeitos adversos. Também terá menos implicações económicas, uma vez que a terapia do cancro continua a ser dispendiosa e demorada. Para tal, foi utilizado um radioisótopo com tempo de semi-vida (t1/2) compatível com o tempo necessário para atingir uma relação tumor-não tumor in vivo ideal. Para mAbs intactos direcionados a tumores sólidos, o tempo ideal para a obtenção da imagem é tipicamente de 4-7 dias, pelo que o zircónio-89 (89Zr) é considerado um radioisótopo PET adequado devido à sua semi-vida longa de 78,4 h, coincidente com o tempo necessário para a imagiologia de anticorpos.Considerando isto, o principal objetivo desta tese incide no desenvolvimento de uma nova sonda nuclear baseada em anticorpos para o NSCLC, utilizando pembrolizumab radiomarcado com 89Zr para fins de diagnóstico. Para tal, foram otimizados métodos para uma eficiente bioconjugação entre o pembrolizumab e o agente quelante (DFO) que posteriormente, foi complexado com o 89Zr. Antes da radiomarcação com 89Zr, as condições reacionais foram otimizadas utilizando um radioisótopo de tempo semi-vida curta – gálio-68 (68Ga). Ainda, discutimos várias condições para a síntese de [89Zr]Zr-DFO-pembrolizumab e avaliamos a sua estabilidade in vitro. Em conclusão, a produção e purificação do 89Zr foram obtidas com elevada pureza radionuclídica e o radiofármaco [89Zr]Zr-DFO-pembrolizumab foi obtido com 94,31% e 73,48% de pureza radioquímica (RCP) e rendimento radioquímico (RCY), respetivamente. Boa estabilidade in vitro durante sete dias foi observada. O trabalho desenvolvido durante esta dissertação de mestrado permitiu obter uma sonda inovadora para imagiologia nuclear não-invasiva para visualização de corpo inteiro do marcador PD-1 e biodistribuição de pembrolizumab. Esses dados requerem validação com outros estudos para comprovar o seu impacto na seleção de doentes para bloqueio de PD-1. Os primeiros estudos em humanos já tiveram início.