Imaging dei recettori della dopamina D2/D3 nei primati non umani con [18F]Fallypride

Nello sviluppo di farmaci per il sistema nervoso centrale (SNC), un candidato che raggiunge il cervello ha superato il primo ostacolo. Se raggiunga il suo obiettivo farmacologico è una questione separata, e l’esposizione plasmatica non può rispondere.

Plasmafarmacocinetica (PK), il campionamento del liquido cerebrospinale (CSF) e la biodistribuzione dei tessuti descrivono la quantità di farmaco presente e la sua destinazione. Nessuno di essi riporta la quantità di uno specifico recettore occupato. Per le terapie del sistema nervoso centrale il divario è importante, perché l’attività farmacologica di solito dipende dal raggiungimento di un livello adeguato di coinvolgimento del target piuttosto che dal raggiungimento di una concentrazione cerebrale misurabile.

L'imaging del recettore della tomografia a emissione di positroni (PET) misura tale occupazione. I ligandi radiomarcati si legano in modo reversibile a recettori specifici e il cambiamento nel legame del ligando dopo un intervento farmacologico quantifica la quantità di pool di recettori assorbita dal farmaco.

Prisys ha presentato un esempio funzionante durante il webinar Prisys Biotech suimaging molecolarenella ricerca sui primati non umani (NHP). Lo studio ha utilizzato [18F]Fallypride per seguire il legame dei recettori D2/D3 della dopamina nelle scimmie cynomolgus attraverso un'acquisizione PET dinamica di 150 minuti, con un test di stimolazione con aloperidolo per via endovenosa a 120 minuti.

Il caso mostra come la PET dinamica caratterizzi il legame dei recettori regionali, dimostri lo spostamento farmacologico e supporti la valutazione del coinvolgimento del target nei programmi preclinici del sistema nervoso centrale.

1. Perché l'occupazione dei recettori è importante oltre la PK convenzionale

L’occupazione recettoriale è la percentuale di recettori bersaglio disponibili legati da un farmaco in un dato momento. La concentrazione plasmatica e l'esposizione totale dei tessuti descrivono la quantità di farmaco presente. L'occupazione descrive ciò che il farmaco sta facendo sul recettore.

Per gli antagonisti D2 della dopamina e gli agonisti parziali, la relazione tra concentrazione plasmatica e occupazione è non lineare e saturabile. A basse concentrazioni, un modesto aumento dell’esposizione produce un notevole aumento dell’occupazione. Man mano che il legame si avvicina alla saturazione, ulteriori aumenti di concentrazione producono guadagni progressivamente più piccoli.

Questa forma ha conseguenze dirette sulla selezione della dose. Studi clinici PET sui farmaci antipsicotici hanno stabilito associazioni tra occupazione dei recettori D2, risposta terapeutica e sintomi extrapiramidali. Misurare l’occupazione mostra quindi se un candidato raggiunge un livello adeguato di impegno senza spingere l’esposizione più in alto di quanto richiesto dalla farmacologia.

La stessa logica si applica ad altri meccanismi diretti dalla dopamina. Un agonista parziale D2 necessita di un'occupazione sufficiente per produrre il suo effetto lasciando spazio alla segnalazione dopaminergica endogena. I composti mirati ai recettori extrastriatali necessitano di un legame dimostrabile in quelle regioni e l'elevato assorbimento striatale da solo non lo dimostra.

2. Cosa misura la [18F]Fallypride PET?

[18F]Fallypride è un radioligando sostituito con benzamide con elevata affinità per i recettori D2-simili della dopamina, compresi i sottotipi D2 e ​​D3. Il legame è reversibile, quindi lo stesso tracciante può essere seguito attraverso l'associazione e la dissociazione all'interno di una sessione.

La sua affinità è sufficientemente elevata da segnalare il legame in regioni a bassa densità recettoriale, comprese le aree corticali e talamiche. La maggior parte degli altri traccianti dei recettori della dopamina sono stati sviluppati per regioni ad alta densità e restituiscono poco segnale utilizzabile all'esterno dello striato.

Il fluoro-18 ha un'emivita fisica di circa 110 minuti, abbastanza lunga per un protocollo dinamico che cattura la consegna, l'accumulo regionale e il washout in un'unica acquisizione.

Si applicano due limiti interpretativi. [18F]Fallypride non separa D2 da D3, quindi il segnale è vincolante D2/D3 e niente di più specifico. Anche l’intensità del segnale PET non equivale al numero dei recettori. La radioattività misurata combina il rilascio del tracciante, la distribuzione non specifica, il legame specifico e la cinetica del tracciante e la separazione di tali componenti richiede l'analisi cinetica.

3. Il caso NHP: imaging PET dinamico con una sfida con aloperidolo

L'esempio del dottor Liu ha utilizzato la PET [18F]Fallypride nelle scimmie cynomolgus per caratterizzare la distribuzione dei traccianti e il legame dei recettori regionali nel cervello normale. L'obiettivo era una descrizione di base piuttosto che un modello di malattia o un candidato terapeutico.

L'acquisizione è durata 150 minuti. A 120 minuti, l'aloperidolo è stato somministrato per via endovenosa come prova di blocco farmacologico.

Le regioni striatali ed extrastriatali si comportano diversamente. Le regioni extrastriatali generalmente raggiungono il picco prima e si schiariscono più velocemente. La striata bilaterale ha raggiunto il picco più tardi e ha trattenuto il tracciante più a lungo.

La densità dei recettori spiega lo schema. In una regione ad alta densità come lo striato, la maggior parte del segnale proviene da un legame specifico. Dove la densità è inferiore, la consegna del tracciante e la distribuzione non specifica ne trasportano proporzionalmente una quantità maggiore.

Questa differenza limita la progettazione dello studio. Una singola immagine statica in un punto temporale fisso non può caratterizzare contemporaneamente il legame striatale ed extrastriatale, quindi i tempi di acquisizione e il piano di analisi devono tenere conto della cinetica regionale.

La sfida con aloperidolo ha aggiunto un test farmacologico. L'aloperidolo è un antagonista dei recettori della dopamina e compete con [18F]Fallypride per gli stessi siti di legame. Dopo il dosaggio, il legame del tracciante diminuisce nelle regioni in cui il segnale è in gran parte un legame specifico D2/D3. Questo spostamento supporta sia la specificità che la reversibilità del segnale regionale.

4. Come vengono quantificati l'occupazione dei recettori e il potenziale di legame?

Le immagini da sole non possono sostenere un’affermazione farmacologica quantitativa. La maggior parte delle informazioni si trovano nella curva tempo-attività (TAC), che traccia la concentrazione di radioattività in una regione selezionata durante l'acquisizione. La sua forma riflette la consegna del tracciante, l'associazione del recettore, la dissociazione e la clearance.

Per i traccianti reversibili, la quantificazione si basa solitamente su una regione di riferimento con un legame specifico trascurabile al bersaglio. Quella regione stima la distribuzione del tracciante non spostabile e consente all'analisi di separare il legame specifico dal resto del segnale.

Il parametro più spesso riportato è il potenziale di legame non spostabile (BP_ND), il rapporto tra il tracciante specificamente legato e il tracciante non spostabile all'equilibrio sotto le ipotesi del modello cinetico scelto. I modelli di tessuto di riferimento o altri approcci cinetici convalidati lo stimano, a seconda del tracciante e del disegno di acquisizione.

L'occupazione deriva quindi da un confronto del potenziale legante prima e dopo un farmaco concorrente:

Occupazione dei recettori (%)=[(BP_{ND, linea di base}− PA_{ND, droga}) / PA_{ND, linea di base}] × 100

Un calo della pressione arteriosa_NDdopo il dosaggio significa che rimangono meno siti disponibili per il radioligando. Secondo i presupposti dello studio, tale caduta stima l’occupazione dei recettori.

The arithmetic is simple. L'affidabilità no. Stabilità fisiologica, acquisizione coerente, definizione accurata della regione, correzione del movimento e un modello cinetico appropriato contribuiscono tutti alla stima.

La progettazione della sfida nel webinar applica lo stesso principio all'interno di una sessione. Invece di confrontare scansioni separate di base e post-trattamento, l'agente bloccante viene somministrato durante un'unica acquisizione dinamica e lo spostamento viene letto direttamente dalla curva tempo-attività. Un numero inferiore di sessioni di imaging significa una minore variabilità da controllare tra le sessioni. Inoltre, dà peso alle scelte progettuali: i tempi di sfida, la dose di blocco e la durata dell'acquisizione rimanente dopo la somministrazione determinano tutti se lo spostamento viene catturato abbastanza bene da poter essere misurato.

5. Cosa può dimostrare una sfida a dose singola?

Un test a dose singola verifica la specificità del tracciante e il legame reversibile al bersaglio. Non produce una relazione dose-occupazione.

Questo limite è importante quando i risultati della PET alimentano una decisione di sviluppo. Una dose bloccante è un punto di intervento. Lo spostamento a quel punto supporta una lettura del segnale mediata dal target e non dice nulla su come l’occupazione si sposta attraverso le concentrazioni.

Una relazione quantitativa dose-occupazione richiede diversi livelli di dose, idealmente con la PK plasmatica misurata insieme in modo che l’occupazione possa essere correlata all’esposizione sistemica. Tale progettazione mappa la concentrazione rispetto all’impegno, identifica l’intervallo di esposizione legato a una determinata fascia di occupazione e supporta la selezione della dose farmacologica.

Altri tre punti influiscono sull'interpretazione.

Selettività farmacologica:l'aloperidolo non è selettivo per D2/D3. Interagisce anche con i recettori sigma-1 e serotonina 5-HT2A. Il suo utilizzo come agente bloccante viene quindi letto rispetto alla distribuzione regionale del tracciante e allo spostamento osservato, non come prova che ogni effetto passa attraverso D2/D3.

Condizioni fisiologiche:l'anestesia e il cambiamento fisiologico influenzano il flusso sanguigno cerebrale, il rilascio del tracciante e possibilmente l'attività dopaminergica endogena. Queste variabili necessitano di controllo e documentazione durante la sessione di imaging.

Occupazione rispetto all’efficacia:l’occupazione mostra il coinvolgimento del target, non il beneficio terapeutico. Un composto può occupare sostanzialmente il suo recettore senza produrre la risposta a valle prevista.

L’imaging dei recettori va quindi affiancato ad altri endpoint farmacodinamici piuttosto che sostituirli.

6. Perché utilizzare primati non umani per gli studi PET sui recettori della dopamina?

L'imaging NHP si adatta al lavoro quantitativo sui recettori del SNC, soprattutto quando la domanda copre insieme le popolazioni striatali ed extrastriatali.

La PET sui roditori è ben consolidata, ma il cervello piccolo limita la quantificazione regionale. Gli effetti del volume parziale diventano gravi quando una regione di interesse si avvicina alla risoluzione spaziale dello scanner e la separazione delle strutture adiacenti diventa inaffidabile. Le piccole regioni extrastriatali sono le più colpite.

Un cervello più grande consente la delineazione pratica dello striato, del talamo e delle aree corticali. I NHP collegano anche la farmacologia dei roditori e il neuroimaging clinico: l'organizzazione neuroanatomica e il sistema dopaminergico assomigliano abbastanza alla disposizione umana da rendere misurabili la distribuzione, il legame ai recettori e la risposta farmacologica in un contesto traslazionale.

L'altro vantaggio è l'imaging ripetuto nello stesso animale. I progetti intra-soggetti riducono l'influenza della variazione interindividuale nella disponibilità e nella fisiologia dei recettori, il che è importante quando l'effetto atteso è piccolo o quando il legame deve essere monitorato nel tempo.

I dati NHP non sono intercambiabili con le misurazioni PET umane. La fisiologia, la cinetica del tracciante, l'anestesia e le condizioni sperimentali differiscono e tali differenze devono essere gestite quando i risultati quantitativi vengono tradotti. Modalità di imaging e metodi analitici abbinati riducono il divario metodologico.

7. Integrazione dell'imaging dei recettori nello sviluppo di farmaci per il sistema nervoso centrale

Il recettore PET contribuisce maggiormente quando si inserisce in una farmacologia e in una strategia PK/PD più ampia.

La valutazione del coinvolgimento degli obiettivi viene prima di tutto. Prima di impegnarsi in studi di efficacia più ampi, un team può stabilire se un candidato raggiunge il cervello e occupa il suo recettore a esposizioni sistemiche rilevanti.

Segue la selezione della dose. L’occupazione misurata su diversi livelli di dose e integrata con la PK plasmatica fornisce una relazione esposizione-occupazione che fornisce una base meccanicistica per la scelta delle dosi negli studi successivi, incluso il lavoro clinico iniziale.

Il confronto dei candidati è il terzo utilizzo. Laddove diversi composti condividono un bersaglio molecolare, i dati sull'occupazione del PET completano l'affinità di legame in vitro e la PK convenzionale e consentono di confrontare l'impegno in vivo con esposizioni abbinate.

Lette insieme ad altri endpoint, queste misurazioni descrivono il programma in modo più completo.

La combinazione di queste misurazioni collega l’esposizione, il coinvolgimento del target e la risposta farmacologica a valle.

8. Considerazioni pratiche e limitazioni della PET del recettore NHP

La PET quantitativa del recettore premia la progettazione attenta e la validazione specifica del tracciante.

L’ipotesi della regione di riferimento è alla base della maggior parte degli approcci quantitativi. La regione scelta necessita di un legame specifico trascurabile con il bersaglio e la sua idoneità deve essere stabilita per il tracciante e le specie in uso.

Il movimento è importante durante le acquisizioni dinamiche lunghe. Piccoli movimenti spostano la registrazione anatomica e distorcono le curve tempo-attività regionali, che si propagano nelle stime vincolanti.

La variabilità test-retest necessita di caratterizzazione ogni volta che una modifica nel legame è un endpoint primario. Senza un valore di variabilità di base, un effetto farmacologico reale e una differenza di misurazione sembrano uguali.

Le caratteristiche di legame del tracciante e le interazioni fuori bersaglio devono essere controllate in anticipo. Laddove sono richieste informazioni specifiche sul sottotipo, [18F]Fallypride non può separare i contributi D2 da D3.

Questi requisiti stabiliscono le condizioni per l’utilizzo della PET del recettore: un tracciante appropriato, endpoint quantitativi definiti e criteri di analisi concordati prima dell’inizio dello studio.

Conclusione

[18F] La PET con Fallypride nelle scimmie cynomolgus mostra ciò che l'imaging dei recettori aggiunge in vivo: legame regionale D2/D3, cinetica striatale ed extrastriatale seguiti attraverso un'acquisizione dinamica di 150 minuti e spostamento farmacologico dopo un test con aloperidolo per via endovenosa a 120 minuti.

Il contributo più ampio è la domanda a cui risponde. Il recettore PET stabilisce se un candidato impegna il suo bersaglio previsto a una determinata esposizione, cosa che nessuna curva PK del plasma, campione di liquido cerebrospinale o immagine di biodistribuzione risolve da sola.

Letti con la PK convenzionale, il campionamento del liquido cerebrospinale, l'imaging della biodistribuzione e gli endpoint farmacodinamici funzionali, i dati sull'occupazione completano la catena dall'esposizione all'attività farmacologica.

L’esposizione, il coinvolgimento del target e l’efficacia terapeutica rimangono quantità distinte. Mantenerli distinti è ciò che rende uno studio traslazionale informativo e una decisione di sviluppo difendibile.

Serie di webinar sull'imaging molecolare

Questo articolo chiude la serie di webinar in sei parti di Prisys Biotech sull'imaging molecolare nella ricerca NHP. Ciascuna parte ha richiesto una domanda.

Seguì il primoImaging della biodistribuzione dell'intero corpoin NHP con SPECT di iodio-125, chiedendo come un composto marcato si distribuisce negli organi nel tempo. Il secondo chiedeva se un composto somministrato per via intranasale raggiungesse il cervello e lo utilizzasseconsegna dal naso al cervellomisurato dalla SPECT per rispondere. Il terzo ha funzionatoProiezione della dose umana di attinio-225dai dati di imaging NHP, inclusa la stima della dose assorbita e le stime dell’attività umana. Il quarto tracciatoPET tau longitudinalein un modello di macaco rhesus. Si applicava la quintaVMAT2 PETin un modello di primate non umano diLa malattia di Parkinsonper quantificare un deficit dopaminergico in vivo.

Letti nel loro insieme, i sei si spostano dalla distribuzione attraverso la somministrazione, la dosimetria, la progressione della malattia e il deficit dopaminergico alla disponibilità dei recettori, che è il punto in cui la lettura di un imaging inizia a rispondere a una domanda farmacologica.

La selezione di un metodo di imaging segue la questione scientifica. Diversi traccianti, protocolli di acquisizione e approcci analitici restituiscono informazioni complementari e la combinazione rafforza l'interpretazione dei dati farmacologici preclinici.

Per un ulteriore contesto, la serie è accompagnata da un articolo di panoramica sulle applicazioni di imaging molecolare nella ricerca NHP e nello sviluppo traslazionale di farmaci.

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