Comparative evaluation of radioiodine-labeled 1-(2'-fluoro-2-deoxy-D-arabinofuranosyl)-5-iodouracil (FIAU) and 1-(2'-fluoro-2-deoxy-D-ribofuranosyl)-5-iodouracil (FIRU) for molecular imaging

Abstract

[한글]리포터 유전자를 발현을 통한 분자영상분석은 생체 내에서 유전자 발현평가가 가능하다는 큰 장점을 가지고 있다. 이러한 분자영상을 얻기 위해 Herpes Simplex Virus type 1 thymidine kinase (HSV1-TK) 유전자가 리포터 유전자로써 널리 사용되고 있다. Thymidine만을 인산화 하는 mammalian thymidine kinase와 달리 HSV1-TK는 기질 특이성이 약해 purine, pyrimidine nucleoside 뿐만 아니라 그 유도체와도 반응하여 인산화 시키는 특성을 가지고 있다. FIAU와 FIRU는 각각 당의 2＇위치에 arabino와 ribo 형태로 fluorine이 결합된 pyrimidine nucleoside 유도체로써 HSV1-TK와의 반응을 통해 세포와 동물 영상에 이용될 수 있다. 본 연구에서는 이 두 물질이 HSV1-TK를 발현하는 세포의 분자영상에서 어떻게 작용하는지 비교분석하고자 하였다.

우선 FIAU와 FIRU를 방사옥소표지 반응 후 HPLC로 정제하여 99% 이상의 방사화학순도로 표지된 FIAU와 FIRU를 얻었다. 세포실험과 동물실험을 위해 MCA 간암세포주와 HSV1-TK를 발현하는 MCA세포를 이용하였다. 이 두 세포주를 이용하여 FIAU와 FIRU의 세포독성과 HSV1-TK 유전자 발현의 연관성을 분석하고자 하였다. MCA-TK 세포에서 FIAU는 ganciclovir(GCV)에 비해 세포독성이 컸고, FIRU는 GCV 보다 독성이 작았다. 방사옥소표지된 이 두 화합물을 MCA와 MCA-TK 세포에 0.5시간, 1시간, 2시간, 4시간동안 반응시켜 세포내 섭취정도를 비교하였다. MCA-TK 세포 내에서는 FIAU와 FIRU 둘 다 4시간까지 섭취량이 증가되는 현상을 보였지만, MCA 세포 내에서는 섭취량이 현저하게 낮았다. FIAU는 30.24 %ID 정도가 섭취되었고, FIRU는 15.02 %ID 정도 섭취되었다.

분자영상을 얻을 수 있는 두 물질의 활성을 비교하기 위해 MCA 세포와 MCA-TK 세포를 면역결핍 누드마우스의 양쪽 어깨에 각각 이식하여 동물모델을 준비하여, 동위원소가 표지된 FIAU와 FIRU를 이식된 종양을 가지고 있는 마우스에 정맥 투여 후 microPET과 γ-camera으로 분자영상을 얻었다. FIAU를 투여하였을 때 288 시간 이상 γ-camera를 이용한 MCA-TK 종양영상을 선명하게 확인할 수 있었으나 MCA 종양영상은 수 시간 후에 관찰이 불가능 하였다. MCA-TK와 MCA 종양 영상의 %ID/g 비가 FIRU의 경우는 약 1.2배인 것에 비해 FIAU는 187.3배를 보였다. 세포추적 영상평가에서 폐로 이동한 를 섭취한 세포를 72시간까지 관찰할 수 있었다. 그러나 종양전이모델에서는 방사옥소 표지된 FIAU의 투여를 통해 전이암의 영상을 얻을 수 없었다.

이상의 결과로써, HSV1-TK 유전자 발현을 통한 분자영상을 얻는 데에 FIAU가 FIRU에 비해 보다 효율적인 기질로 작용한다는 것을 알 수 있었다. 또한 FIAU를 이용하여 줄기세포나 면역세포를 생체 내에서 장기간 추적하는 데 유용할 것으로 보인다.

[영문]The goal of this investigation is to evaluate the efficiencies of the FIAU (1-(2'-fluoro-2-deoxy-D-arabinofuranosyl)-5-iodouracil)and FIRU (1-(2'-fluoro-2-deoxy-D-ribofuranosyl)-5-iodouracil) as a potential tracer for reporter gene imaging with microPET and γ-camera imaging of herpes simplex virus type 1 thymidine kinase (HSV1-TK)-expressing cells xenografted in mice. [*I]FIAU and [*I]FIRU have 2'-arabinofluoro and 2'-ribofluoro substitution, respectively. To examine the characteristics of two different configurations of FIAU and FIRU, a series of biological evaluations were performed in HSV1-TK gene-expressing cells and mice with HSV1-TK gene-expressing tumor xenograft.

FIAU and FIRU were radiolabeled with [124I], [125I] and [131I] using a H2O2 oxidizing agent and purified by high performance liquid chromatography (HPLC). Their radiochemical purity was <99% by HPLC. For cytotoxicity analysis of FIAU and FIRU, MCA rat hepatoma cells and MCA-TK (HSV1-TK-positive) cells were treated with FIAU, FIRU, or GCV (ganciclovir) and their viabilities were measured by the MTS method 5 days later. FIAU was more toxic than GCV in MCA and MCA-TK cells while FIRU was less toxic to the both cell lines. Cellular uptakes of [125I]FIAU and [125I]FIRU were analysed at 0.5 h, 1 h, 2 h, and 4 h post treatment. The uptakes of [125I]FIAU and [125I]FIRU by MCA-TK cells were 30.2 and 15.0 %ID, respectively. The uptakes by MCA-TK cells were higher than those by MCA cells. [124,131I]FIAU and [124,131I]FIRU were administered to mice bearing MCA or MCA-TK cells. Molecular images of the treated mice were obtained with a microPET and γ-camera at various time-points. [124I]FIAU and [124I]FIRU exhibited 7.11 and 0.15 %ID/g in the ROIs (regions of interest) of tumor region, respectively. In the microPET image analysis, [124I]FIAU showed higher %ID/g values than [124I]FIRU in the both tumor mouse models. Imaging of tumor cell trafficking in mice carrying metastasized MCA-TK tumors was obtained with γ-camera at several time points. However, metastasized regions of the tumors were not localized.

The experimental results in this thesis suggest that the radiolabeled FIAU can be utilized as an efficient imaging agent for long term trafficking of HSV1-TK-expressing cells, such as varied types of stem cells and immune cells.