Radioimmunotherapy of Metastatic Disease - Studies of Alpha- and Beta-particle-Emitting Radionuclides in a Preclinical Model

Abstract

In radioimmunotherapy, monoclonal antibodies (mAbs) are used as a targeting agent carrying a toxic payload consisting of radionuclides. This treatment allows the irradiation of small lesions, even on the microscopic level. In the present work, two radionuclides with different properties were used. Lutetium-177 (177Lu) is a beta-particle-emitting radionuclide (t½=6.7 days) and astatine-211 (211At) emits alpha particles (t½=7.2 h). These radionuclides were used to label a mAb targeting the Lewis Y antigen expressed on many carcinomas. A syngeneic rat colon carcinoma model was used in all the studies. The aim of the work described in this thesis was to evaluate the therapeutic effects and toxicity of mAbs labeled with different activities of these two radionuclides, administered separately, or administration of 177Lu-mAbs, followed by administration of the unlabeled mAbs, 177Lu-mAbs or 211At-mAbs. The intratumoral distribution of radioimmunoconjugates was examined over time using digital autoradiography and was related to tumor histology.

The results show that the tumor response was dose dependent after treatment with 177Lu-mAbs alone. Both evaluated activities of 211At-mAbs resulted in similar tumor response rate as the highest tested activity of 177Lu-mAbs (400 MBq/kg). Metastases were detected in approximately half the animals, regardless of the radionuclide or administered activity. The toxicity was deemed tolerable as the numbers of white blood cells and platelets recovered to initial levels.

Administration of the minimal effective activity of 177Lu-mAbs followed by treatment with unlabeled mAbs, 177Lu-mAbs, or 211At-mAbs resulted in a small increase in the number of tumors showing complete response. No effect was seen on the development of metastases. The additional treatment with unlabeled mAbs did not show any toxic effects. Repeated treatment with 177Lu-mAbs resulted in a prolonged period of low white blood cell counts and a second decrease in platelet counts. Sequential administration of minimal effective activities of first 177Lu-mAbs and then 211At-mAbs also resulted in prolonged myelotoxicity, but with faster recovery of the white blood cells than following the repeated treatment with 177Lu-mAbs.

Studies on the intratumoral distribution of the radioimmunoconjugates are important for our understanding of the response to treatment. The results showed that the activity was initially located in the tumor margins, and did not reach the more central parts until 24 h after administration. The distribution of activity was heterogeneous despite the expression of the antigen on all tumor cells. The tumor histology changed from dense tumor growth to areas of stromal tissue in some tumors after 24 h, while other tumors continued to grow. Calculations of the dose rate indicate that the tumors are treated most efficiently during the first 24 h after injection.

In summary, these results show that single treatment with alpha- and beta-particle-emitting radionuclides results in comparable toxicity at activities giving the same rate of tumor response. The studies on combined treatment showed that although a higher number of tumors showed complete response, there was no effect on the development of metastatic disease or survival.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cancer behandlas i första hand med kirurgi, cellgifter och extern strålbehandling. Under senare år har man dessutom utvecklat så kallade målsökande behandlingar, som binder till en viss struktur i tumören. De kan verka på olika sätt: antingen genom att blockera en signal i cellerna och på så vis hindra tumören från att växa, eller genom att stimulera patientens immunförsvar så att det bryter ner tumören. Man kan också använda dessa tumörbindande läkemedel som bärare av mycket giftiga ämnen för att styra dessa gifter till tumören och samtidigt försöka skydda frisk vävnad. Vid radioimmunoterapi använder man sig av antikroppar som känner igen strukturer på tumörcellernas yta som bärare av radioaktiva ämnen. På så vis kommer radioaktiviteten att ansamlas i tumören efter injektion och bestråla den inifrån. Detta kan framförallt vara användbart när det finns många små tumörer utspridda i kroppen, så kallade dottersvulster (metastaser). Den huvudsakliga biverkningen vid denna typ av behandling är att antalet blodkroppar sjunker till följd av att den känsliga röda benmärgen utsätts för bestrålning. Detta gör att man blir mer infektionskänslig och lättare får blödningar, och därför är det viktigt att man inte ger för mycket behandling.

Våra studier baseras på en djurmodell med råttor som bär tjocktarmstumörer på insidan av bukväggen. I studierna har vi använt radioaktiva ämnen med olika egenskaper. Lutetium-177 avger små partiklar, elektroner, som kan transporteras upp till 1,8 mm i vävnad. En fördel med denna räckvidd är att tumörceller som inte själva bundits av bärarmolekylen ändå kan bli bestrålade. Astat-211 avger lite större partiklar, heliumkärnor, när det sönderfaller. Dessa transporteras mycket kort väg, upp till 0,07 mm, och orsakar många skador på sin väg. Därför anses astat-211passa bättre för att behandla mycket små tumörer. Vi började med att testa minsta mängd radioaktivitet som behövdes för att få tumörerna i fem av sex djur att försvinna, detta bestämdes till 400 MBq/kg kroppsvikt lutetium-antikropp och 10 MBq/kg kroppsvikt astat-antikropp. Samtidigt följdes antalet blodkroppar noggrant för att vara säkra på att djuren återhämtades efter biverkningarna. I båda fallen utvecklade ungefär hälften av djuren så kallade metastaser efter behand-lingen. Vi fortsatte våra studier med att testa om man kunde behandla först med lutetium-antikropp så att tumören försvann och sedan ge ytterligare en behandling för att förlänga effekten och försöka hindra att tumören spridde sig. De extra behandlingar som testades var samma antikropp fast utan radioaktivitet, en andra behandling med lutetium-antikropp och behandling med astat-antikropp. Mätningar av blodkroppar visade att det inte blev några ytterligare biverkningar av antikropp utan radioaktivitet och att även om antalet blodkroppar minskade igen efter en andra behandling med radioaktivitet så återhämtades djuren. Dock var det några djur som gick ner mycket i kroppsvikt efter en andra behandling med radioaktivitet, framförallt när lutetium-antikropp och astat-antikropp kombinerats. Det tyder på att det finns andra organ som också är känsliga för strålningen, vilket måste kartläggas ordentligt innan man går vidare och utvecklar behandlingen i klinik. Den extra behandlingen minskade inte antalet djur med metastaser och förlängde inte heller överlevnaden. Vi tror att detta kan bero på att de tumörceller som var kvar vid den andra behandlingen var svårtillgängliga eller saknade strukturen som antikroppen binder till.

För att kunna förklara varför vi har så goda effekter av behandlingen har vi tagit ut tumörer vid olika tidpunker efter injektion och kartlagt hur radioaktiviteten fördelas i förhållande till bland annat blodkärl och strukturen som antikroppen binder till. Resultaten visar att radioaktiviteten först finns i de yttre delarna av tumören för att tränga längre in med tiden. Samtidigt ändras tumören så att strukturen som antikroppen binder till försvinner i bestrålade områden och i områden med mycket radioaktivitet bildas ärrvävnad i samband med att tumörcellerna dör.

• author: Eriksson, Sophie
• supervisor: Jan Tennvall; Rune Nilsson
• opponent: Professor Bruland, Øyvind, Department of Medical Oncology and Radiotherapy, The Norwegian Radium Hospital, Oslo, Norway
• organization: Breastcancer-genetics; BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: Radioimmunotherapy, Antibody therapy, Lutetium-177, Astatine-211, Syngeneic tumor model, Colon carcinoma, Metastases, Autoradiography
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:52
• pages: 122 pages
• defense location: Alwall Lecture Hall, Barng 2A, Lund
• defense date: 2013-05-23 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-22-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 57e0d012-500b-4492-b45b-d3457c7842aa (old id 3732513)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:10:37
• date last changed: 2023-04-18 20:20:32