病理性炎症（pathological inflammation）与全球超过一半的死亡息息相关，但研究和治疗炎症性疾病的主要障碍是缺乏可靠的非侵入性检测方法。在这种背景下，正电子发射断层扫描（positron emission tomography, PET）作为一种分子成像技术，正逐渐成为诊断免疫介导疾病的有力工具。PET通过使用特定的靶向探针，能够对细胞和组织的功能过程进行定量的全身成像【1】。目前最常用的PET示踪剂是18F-氟脱氧葡萄糖（18F-FDG），这种葡萄糖类似物被活化的嗜糖白细胞吸收，有助于诊断如结节病、血管炎和骨髓炎等疾病。然而，18F-FDG也会被嗜糖细胞吸收，这可能导致假阳性结果及不必要的额外检测【2】。相反，其他PET探针因只能检测少数免疫过程和疾病的特定靶点，可能导致假阴性结果。因此，迫切需要开发一种在诊断和监测炎症状态时能兼顾灵敏度和特异性的PET探针。
为了解决这个问题，近日，来自哈佛医学院的Mohammad Rashidian团队在Nature上发表了文章CD45-PET is a robust, non-invasive tool for imaging inflammation，开发了基于白细胞共同抗原CD45的PET探针，由纳米抗体（nanobody）、C端特异性标记PEG基团和用于和放射性同位素89Zr结合的deferoxamine (DFO) 螯合剂组成，能够在急性肺损伤模型如急性呼吸窘迫综合征模型（acute respiratory distress syndrome，ARDS)、肠炎模型（DSS-induced colitis）和人源化小鼠模型中精准监控组织特异性炎症性改变的动态变化，该探针拥有巨大的临床转化意义和应用前景，为通过精确的全身炎症轮廓评估、指导炎症性疾病的诊断和治疗决策提供了工具。
研究团队挑选特异性靶点CD45，即白细胞共同抗原，是一种在所有有核造血细胞中表达的蛋白酪氨酸磷酸酶【3】。选择CD45作为炎症PET目标有三个原因：（1）它专门在免疫细胞上表达，确保了特异性；（2）它在所有免疫细胞中丰度表达，具有强大的可检测性；（3）它在不同免疫细胞亚型中广泛表达，增加了跨多个炎症病况的诊断多功能性。靶点部分采用纳米抗体技术（variable heavy domain of heavy chain, VHH），该纳米抗体经过克隆、细菌表达、纯化和标准技术表征。它的C端设计了一个链接含有DFO和叠氮功能基团 (azide functionality) 的底物，DFO有助于附着89Zr，这是一种广泛用于临床的PET放射性核素，具有3.3天的半衰期。叠氮基团能够加入聚乙二醇（PEG）分子，以减少非特异性肾摄取并提高图像信噪比。最终得到一个DFO标记和PEG化的纳米抗体，其产率接近定量，并具有优异的组织穿透能力、高靶标亲和力和快速清除能力，使得在注入后一天即可成像。通过小动物成像证明，该技术实现了全身免疫系统的可视化，在脾、骨髓和所有主要淋巴结链中有明显摄取，在具有低免疫细胞密度的器官如肝脏、肾脏、肺、心脏、结肠和肌肉摄入量少，其平均标准摄取值（SUVmean）比在脾等富含免疫细胞的器官中的摄取量低10到100倍。在体内PET成像后的离体生物分布分析中证实，健康小鼠的主要非免疫器官对探针的生理摄取很低。接下来，研究人员在动物疾病模型中对CD45-PET进行验证。通过使用高剂量和低剂量LPS诱导的ARDS中发现，探针摄入量呈现剂量依赖性升高。相较于低浓度LPS诱导的局部炎症反应，高浓度LPS诱导ARDS呈现肺部弥散性信号，通过CD45 IHC染色发现CD45+细胞和CD45-PET信号高度重合，更重要的是，PET的信号强度和临床或者组织结构疾病的严重程度呈现正相关性。研究人员进一步头对头比较了FDG-PET和其他免疫细胞靶点CD11b后发现，CD45-PET表现出更强的敏感性和特异性。此外，团队在DSS诱导的肠炎模型中使用大肠PET信号观察到了相似的现象，即PET信号和反应疾病严重程度的体重降低有相关性，同时发现DSS诱导疾病缓解治疗后PET信号也相应降低，说明CD45-PET能够通过连续的影像准确的对免疫细胞动态变化进行跟踪。为了将CD45-PET应用于临床，团队从全尺寸CD45抗体（克隆BC8）中设计了一个更小的抗体片段，开发出一种特异于人类CD45的PET探针。该全尺寸抗体靶向所有CD45同种型，已经在临床上作为放射治疗剂使用过。这种改造促进了其在循环中的快速清除，使其适合用于PET成像。工程改造的片段包括免疫球蛋白重链（VH）和轻链（VL）的可变区，以及IgG1的CH3结构域，形成了一个稳定的二聚体（约80 kDa），通常称为小抗体（minibody）。体外功能试验验证该探针与人外周血单个核细胞（PBMCs）的EC50约为5 nM，对非免疫人细胞无结合，突显其强结合亲和力和高特异性。通过使用PMBC人源化的NSG-MHCI/II dKO 动物模型发现，PET信号大量集中在脾、骨髓和少量集中在肝和肾，说明人源化CD45-PET能够高特异性检测人免疫细胞。总的来说，CD45-PET 纳米抗体的开发原理基于其对 CD45 的高度特异性结合能力，以及纳米抗体本身的优良特性，如小尺寸和高稳定性。这些特点使得 CD45-PET 纳米抗体成为一种有前景的工具，用于非侵入性、高灵敏度和特异性地成像炎症和免疫细胞。为监测治疗反应和疾病进展提供了可能，展现了显著的临床应用前景。https://www.nature.com/articles/s41586-024-08441-6制版人：十一
1. Wu, C., Li, F., Niu, G. & Chen, X. PET imaging of inflammation biomarkers. Theranostics 3, 448–466 (2013).2. Pijl, J. P. et al. Limitations and pitfalls of FDG-PET/CT in infection and inflammation. Semin. Nucl. Med. 51, 633–645 (2021).3. Rheinländer, A., Schraven, B. & Bommhardt, U. CD45 in human physiology and clinical medicine. Immunol. Lett. 196, 22–32 (2018).
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