Mit dem rasanten Fortschritt zellulärer und genetischer Therapien wie CAR-T-Zellen und AAV-(adeno-associated virus)-basierten Gentherapien steigen die Anforderungen an die Bildgebung: Gesucht sind Systeme, die eine nichtinvasive, sensitive und quantitative Nachverfolgung dieser Therapeutika im Körper ermöglichen – ohne deren Funktion oder Sicherheit zu beeinträchtigen.
Konventionelle Bildgebungsverfahren stoßen hier an Grenzen: Optische Marker wie Luciferasen versagen bei größerer Gewebetiefe, während direkte Zellmarkierungen durch Signalverdünnung und mangelnde Spezifität limitiert sind. Die Lösung könnte in der Kombination molekularer Zielstrukturen mit hochauflösender nuklearmedizinischer Bildgebung liegen.
PET: Sensitivität und Tiefenunabhängigkeit für die Therapieüberwachung
Die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) ist ein klinisch etabliertes Verfahren, das mithilfe radioaktiver Tracer metabolische und molekulare Prozesse im gesamten Körper sichtbar macht. Sie bietet eine hohe Tiefenauflösung, quantitative Auswertbarkeit und eignet sich ideal für die longitudinale Verfolgung von Arzneimitteln für neuartige Therapien (ATMPs) in vivo.
Ein bevorzugter Tracer für PET ist Fluor-18 (¹⁸F). Dieses Radionuklid besitzt eine kurze Halbwertszeit von 109 Minuten, emittiert Positronen mit niedriger Energie bei gleichzeitig hoher Bildauflösung und lässt sich in großem Maßstab mit guter Verfügbarkeit herstellen – ideal für wiederholte Anwendungen.
[¹⁸F]F-DTPA: Ein bioorthogonaler Tracer für gezielte Detektion
Um gezielt therapeutische Zellen oder Genprodukte zu visualisieren, entwickelten die Forschenden in einer aktuellen Studie einen Fluor-18-markierten Lanthanidkomplex, kurz [¹⁸F]F-DTPA. Dieser Radioligand weist eine hohe Stabilität auf, reichert sich nicht unspezifisch im Gewebe an und wird rasch über die Nieren ausgeschieden.
Seine Schlüsselfunktion: Er bindet spezifisch an das zelloberflächenständige Protein Anticalin, das in die Zielzellen eingeschleust wird. Nur dort erzeugt der Tracer ein PET-Signal.
Anticalin: Ein synthetischer Zelloberflächen-Reporter
Anticaline sind künstlich erzeugte Bindungsproteine, die auf der Struktur natürlicher Lipocaline basieren. Im Gegensatz zu Antikörperfragmenten bestehen sie aus einer einzigen Polypeptidkette, sind stabil, nicht immunogen und gut produzierbar. Die Forschenden entwickelten ein membranverankertes Anticalin, das den [¹⁸F]F-DTPA-Komplex mit hoher Affinität erkennt.
Das Reporterprotein ist kompakt (774 bp), zeigt eine hohe Zelloberflächenexpression und beeinflusst weder die Proliferation noch die Funktion der Zielzelle – ideale Voraussetzungen für einen funktionell inerten Marker.
Anwendung 1: Verfolgung von CAR-T-Zellen
In präklinischen Modellen wurden humane αCD19-CAR-T-Zellen mit dem Anticalin-Reporter ausgestattet und in Mäusen mit Raji-Lymphom eingesetzt. Die PET-Bildgebung mit [¹⁸F]F-DTPA ermöglichte eine präzise, tiefenunabhängige und sensitive Darstellung der Zellmigration über über einen Zeitraum von 30 Tagen.
Bereits ab 1.200 CAR-T-Zellen im Knochenmark war ein Signal nachweisbar. Die PET-Signalintensität korrelierte eng mit Zellzahlen, die per Durchflusszytometrie validiert wurden (R² = 0,92). Auch die Infiltration einzelner Lymphomherde konnte longitudinal dargestellt werden.
Anwendung 2: Quantitative Bildgebung viraler Genexpression (AAV9)
In einem zweiten Anwendungsfeld wurde das Reporter-Gen in AAV9-Vektoren verpackt und systemisch appliziert. AAV9 (adeno-associated virus, Serotyp 9) ist ein weit verbreiteter Vektor in der Gentherapie, der insbesondere Herz, Leber, Muskel- und Nervengewebe effizient transduziert. Ein prominentes Beispiel ist Zolgensma, eine zugelassene AAV9-basierte Therapie für die spinale Muskelatrophie.
Nach Vektorapplikation zeigte die PET-MR-Bildgebung dosisabhängige Signale in den transduzierten Zielorganen. Die Signalstärke korrelierte linear mit der applizierten Virusdosis, den mRNA-Spiegeln sowie den Vektorkopien (ddPCR) – und belegt damit das Potenzial zur nichtinvasiven Quantifizierung der Effizienz des Gentransfers.
Bewertung: Ein Reporter-System mit klinischem Potenzial
Das neue Reporter-System erfüllt zentrale Kriterien für translational einsetzbare molekulare Marker:
- Bioorthogonalität: keine endogene Expression → hohe Spezifität
- Hohe Sensitivität: Nachweis <1.000 Zellen möglich
- Funktionelle Inertheit: keine Beeinflussung der Zellbiologie
- Geringe Immunogenität
- Kosteneffiziente Herstellung von [¹⁸F]F-DTPA
Im Vergleich zu klassischen Systemen wie der Herpes-simplex-Virus-Thymidinkinase (HSV-tk) oder dem Natrium-Iodid-Symporter (NIS) überzeugt das Anticalin/F-DTPA-Duo durch höhere Spezifität, geringerer Hintergrundaktivität und breiter Anwendbarkeit.
Ausblick: Ein universeller molekularer Marker für ATMPs?
Das System eröffnet neue Möglichkeiten für die klinische Entwicklung und Evaluation von ATMPs. Perspektivisch könnte es als universeller molekularer Marker dienen – für die Planung, Kontrolle und Optimierung von Zell- und Gentherapien im Menschen.
Auch unter dem Gesichtspunkt des 3R-Prinzips (Reduce, Refine, Replace) ist das System attraktiv: Durch longitudinale, quantitative Bildgebung lassen sich präklinische Studien effizienter gestalten – bei gleichzeitig reduzierter Tieranzahl und höherer Aussagekraft.
