Development of Aptamer for PD-L1 expression in cancer

Abstract

Background: The Program Death 1 (PD-1) receptor is an immunosuppressive receptor expressed on activated T cells, and when the ligand, which is Program Death Ligand 1 (PD-L1), binds to it, it induces an inhibitory signal. Recent studies have indicated that PD-1/PD-L1 block can increased endogenous antitumor immunity. Thus, the PD-1/PD-L1 axis may be a promising therapeutic target for cancer immunotherapy. Aptamers are oligonucleotides with high specificity and affinity for target molecules and potential candidates for molecular imaging and targeted therapy. 68Ga is an attractive radionuclide that serves as a low-cost alternative to cyclotron-produced positron emission tomography (PET) radionuclides. In this study, we generated a 68Ga-labeled PD-L1 aptamer and investigated its target specificity and utility for in vivo PET scanning. Method: In the first part of our study, we estimated the binding affinity of three PD-L1 aptamers in PD-L1-positive (H1975 and B16F10) and negative (A549 and HT-29) tumor cells by flow cytometry and confocal microscopy. Optical imaging studies of PD-L1 aptamers were executed in H1975 tumor-bearing mice, and the aptamer with the highest binding affinity to PD-L1 positive tumors was selected. PD-L1 aptamers were radiolabeled with 68Ga. PET was performed for in vivo imaging of the 68Ga-NOTA-PD-L1 aptamer in H1975 tumor-bearing mice (PD-L1-positive cells) and A549 tumor-bearing mice (PD-L1-negative cells). Results: Flow cytometry and confocal microscopy indicated that PD-L1 aptamers had strong binding to PD-L1-positive H1975 and B16F10 cells. In contrast, PD-L1-negative A549 and HT-29 cells showed low binding to PD-L1 aptamers. Optical imaging of H1975 tumor-bearing mice showed the highest uptake of the 2198-06-07 PD-L1 aptamer. PET of 68Ga-NOTA-PD-L1 aptamers demonstrated increased uptake into PD-L1-positive H1975 tumors compared with PD-L1-negative A549 tumors. Conclusion: We confirmed that 68Ga-NOTA-PD-L1 aptamers facilitated the visualization of PD-L1 expression by in vivo PET scanning. These data suggest that 68Ga-NOTA-PD-L1 aptamers could potentially act as tracers for imaging for PD-L1-positive cancers.

배경: Programmed death-1 (PD-1) 수용체는 활성화된 T 세포에서 발현되는 면역 억제 수용체이며 리간드인 PD-L1와 결합하여 말초조직에서 T 림프구 기능을 조절한다. 최근 연구에 따르면 PD-1 또는 PD-L1에 대한 단클론항체를 이용하여 그 기능을 억제하여 종양특이 T 림프구 세포활성 및 효과를 증강시켜 항종양 면역을 향상시킬 수 있다. 따라서 PD-1/PD-L1 axis는 암 면역 요법의 잠재적인 치료옵션이 될 수 있다. 압타머는 표적 분자에 대해 높은 특이성과 친화성을 갖는 올리고뉴클레오티드로서 항체와 비슷한 성질을 보이지만 면역반응이 없어 분자 영상화 및 표적 치료를 위한 유망한 후보 물질로 각광받고 있다. 68Ga는 사이클로트론에서 생산되는 PET 방사성 핵종으로 경제성이 뛰어나고 표지가 매우 간편하여 앞으로 18F을 대체할 만한 매력적인 PET 방사성 핵종이다. 이 연구에서 우리는 68Ga로 표지된 PD-L1 압타머를 개발하고 생체 내 PET 이미징을 위한 표적 특이성과 유용성을 조사했다. 방법: PD-L1 압타머의 결합 친화도를 알기 위하여 3가지 종류의 PD-L1 압타머와 PD-L1 양성 종양 세포 (H1975, B16F10), PD-L1 음성 종양 세포 (A549, HT-29)에서 친화도를 공초점레이저 현미경을 통해 평가하였다. 3가지 압타머 중 가장 친화도가 높은 압타머에 68Ga로 방사성 표지하여 68Ga-NOTA-PD-L1 압타머를 합성하였다. 그 후 H1975 종양모델과 A549 종양모델에 68Ga-NOTA-PD-L1 압타머를 정맥주사하고 양전자 방출 단층 촬영(PET)을 시행하였다. 결과: 유세포 분석 및 공초점 현미경 검사에서 PD-L1 압타머는 PD-L1 양성 세포인 H1975 및 B16F10 세포에 강한 친화도를 보였다. 대조적으로, PD-L1 음성 세포인 A549 및 HT-29 세포는 PD-L1 압타머에 대해 낮은 친화도를 보였다. 3가지 PD-L1 압타머 중 2198-06-07-PD-L1-압타머가 가장 높은 친화도를 보여 2198-06-07-PD-L1-압타머를 68Ga으로 표지하여 68Ga-NOTA-PD-L1 압타머를 합성하였다. 68Ga-NOTA-PD-L1 압타머의 PET 영상은 A549 종양모델에 비해 PD-L1 양성 H1975 종양모델에서 증가된 섭취를 보여주었다. 결론: 68Ga-NOTA-PD-L1-압타머는 in vivo PET을 통해 PD-L1 발현을 영상화할 수 있었다. 이러한 결과는 68Ga-NOTA-PD-L1 압타머가 잠재적으로 PD-L1 양성 종양의 진단과 치료군 설정에 임상적 활용 가능성이 있음을 시사한다.