Développement de nouveaux radioligands pour l’imagerie immunoTEP de PD-L1

Development of new radioligands for immunoPET imaging of PD-L1

• Auteur / Autrice : Alizée Bouleau
• Direction : Vincent Lebon, Charles Truillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie et physique médicale
• Date : Soutenance le 26/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie biomédicale multimodale Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Maillère
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Noirault, Françoise Kraeber-Bodéré, Lucie Sancey
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Elisabeth Noirault, Françoise Kraeber-Bodéré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie par émission de positons

Pharmacocinétique

Antigène CD274

Mots clés libres

Tomographie par émission de positons

PD-L1

Anticorps radiomarqués

Biomarqueur d’imagerie

Pharmacocinétique

Inhibiteurs de points de contrôle immunitaire

Positron emission tomography

Programmed cell death-Ligand 1

Radiolabeled antibodies

Imaging biomarker

Pharmacokinetics

Immune checkpoint inhibitors

Résumé

Les immunothérapies avec des anticorps monoclonaux ciblant les points de contrôle immunitaire PD-1/PD-L1 (« programmed cell death protein 1 »/« programmed cell death-ligand 1 ») ont grandement amélioré la prise en charge des patients souffrant de cancer du poumon non à petites cellules (CPNPC) avancé. Chez ces patients, une forte expression de PD-L1 mesurée par immunohistochimie (IHC) sur une biopsie tumorale a été identifiée comme un biomarqueur prédictif de l’efficacité thérapeutique. Cependant, tous les patients avec des tumeurs PD-L1+ ne répondent pas aux immunothérapies anti-PD-1/anti-PD-L1, tandis que certains patients avec des tumeurs PD-L1- y répondent. L’analyse IHC anti-PD-L1 ne permet pas de capturer l’hétérogénéité spatio-temporelle de l’expression de PD-L1 au sein des différentes tumeurs du patient, ce qui pourrait contribuer à sa valeur prédictive limitée. L’utilisation de la tomographie par émission de positons (TEP) avec des anticorps radiomarqués ciblant PD-L1 (immunoTEP) apparait comme une approche prometteuse pour évaluer le statut PD-L1 tumoral du patient, en complément des méthodes d’IHC conventionnelles. La TEP offre la possibilité de quantifier en temps réel et de manière non invasive l’expression de PD-L1 dans l’ensemble des tumeurs du patient (tumeur primitive et métastases). L’imagerie TEP de PD-L1 pourrait ainsi être utilisée pour mieux prédire et surveiller l’efficacité des immunothérapies anti-PD-1/anti-PD-L1 chez les patients souffrant de CPNPC. Idéalement, les radioligands anti-PD-L1 utilisés pour la TEP doivent diffuser rapidement dans les tumeurs tout en étant vite éliminés du sang, afin d’obtenir des images avec un fort contraste tumeur sur bruit à des temps courts post-injection. L’examen TEP peut alors être réalisé quelques heures seulement après l’administration du radioligand anti-PD-L1, limitant la lourdeur du protocole clinique et la dosimétrie du patient. L’objectif de cette thèse a été d’explorer différentes stratégies permettant d’améliorer les propriétés pharmacocinétiques (PK) des radioligands utilisés pour l’imagerie immunoTEP de PD-L1. Pour cela, deux nouveaux formats de ligand ont été produits à partir de l’anticorps IgG C4 anti-PD-L1. Un fragment Fab C4 (« fragment antigen binding ») a été dérivé de l’anticorps entier. Un anticorps C4 doublement muté (H310A/H435Q) sur son domaine Fc a également été développé. Ces mutations ont été introduites dans le but de supprimer l’interaction entre l’IgG C4 mutant et le récepteur Fc néonatal (FcRn), responsable de la demi-vie plasmatique prolongée des IgGs. La PK et la biodistribution in vivo de l’IgG C4, de l’IgG C4 mutant et du fragment Fab C4, radiomarqués au 89Zr, ont été comparées par imagerie TEP/tomodensitométrie (TDM) longitudinale dans des modèles précliniques de CPNPC humain PD-L1+ et PD-L1-. Les trois radioligands C4 ont été capables de détecter efficacement et spécifiquement l’expression de PD-L1 dans les xénogreffes sous-cutanées de CPNPC PD-L1+. Le fragment Fab C4 et l’IgG C4 mutant ont tous deux montré une PK accélérée in vivo en comparaison de l’IgG C4 parental, avec l’obtention des images TEP de meilleur contraste tumeur sur bruit à des temps plus courts post-injection. Par ailleurs, l’analyse dosimétrique effectuée à partir des données de biodistribution murine des trois radioligands C4 a révélé des valeurs de dose acceptables pour une éventuelle utilisation clinique. Enfin, l’inhibiteur des protéines à bromodomaine et domaine extraterminal (BET) JQ1 a été identifié comme régulant négativement l’expression de PD-L1 in vitro dans plusieurs lignées cellulaires humaines de CPNPC. La possibilité de détecter les variations d’expression tumorale de PD-L1 en réponse à un traitement (par ex. JQ1) par imagerie TEP avec les nouveaux radioligands 89Zr-Fab C4 et 89Zr-IgG C4 mutant développés reste à explorer.

Immunotherapies with monoclonal antibodies targeting the PD-1/PD-L1 (programmed cell death protein 1/programmed cell death-ligand 1) immune checkpoint pathway have significantly improved the management of advanced non-small cell lung cancer (NSCLC). In NSCLC patients, high PD-L1 expression determined by immunohistochemistry (IHC) on tumor biopsies has been identified as a predictive biomarker for therapeutic efficacy. However, patients with PD-L1+ tumors can fail anti-PD-1/anti-PD-L1 immunotherapies, while patients with PD-L1- tumors can experience objective responses. The IHC assessment of PD-L1 expression suffers from several limitations that might contribute to the discrepancies observed in treatment response. Notably, a single biopsy cannot reflect the spatio-temporal heterogeneity of PD-L1 expression within and across lesions of a patient. Positron emission tomography (PET) with radiolabeled antibodies targeting PD-L1 (immunoPET) appears as a promising approach to evaluate the patient tumor PD-L1 status, complementing the conventional IHC procedures. PET imaging provides a non-invasive, quantitative and real-time assessment of PD-L1 expression within all the patient lesions (primary tumor and metastases). Therefore, PD-L1 PET imaging may be used to better predict and monitor NSCLC patient responses to anti-PD-1/anti-PD-L1 immunotherapies. Ideally, anti-PD-L1 PET radioligands should rapidly diffuse into tumors while being quickly cleared from the blood. As a result, PET images with high tumor-to-background contrast could be obtained within only hours after radioligand administration, enabling same-day imaging and reducing radiation burden for the patient.The objective of this PhD thesis was to design and evaluate anti-PD-L1 radioligands with optimized pharmacokinetic (PK) properties for immunoPET imaging of PD-L1 expression. To this purpose, two new ligand formats were developed from the anti-PD-L1 IgG antibody C4. A smaller Fab C4 fragment (« fragment antigen binding ») was derived from the full-length IgG C4. An IgG C4 with two mutations (H310A/H435Q) on its Fc domain was also engineered. These mutations were introduced to suppress the interaction between the double mutant IgG C4 and the neonatal Fc receptor (FcRn), which is responsible for the extended serum half-life of IgGs. The in vivo PK and biodistribution of the 89Zr-labeled IgG C4, IgG C4 (H310A/H435Q) and Fab C4 were compared by longitudinal PET/computed tomography (CT) imaging in PD-L1+ and PD-L1- human NSCLC preclinical models. The three C4 radioligands effectively and specifically detected PD-L1 expression in subcutaneous PD-L1+ NSCLC xenografts. Compared with the parental IgG C4, the Fab C4 fragment and the double mutant IgG C4 demonstrated a faster PK in vivo, with best-contrast PET images obtained at earlier time points after injection. Besides, for each C4 radioligand, human organ absorbed doses extrapolated from murine biodistribution data revealed a favorable dosimetry for potential clinical uses. Eventually, the inhibitor of bromodomain and extraterminal domain (BET) proteins JQ1 was identified as a negative regulator of in vitro PD-L1 expression in several human NSCLC cell lines. The feasibility of detecting variations of tumor PD-L1 expression in response to a specific treatment (e.g. JQ1) by PD-L1 PET imaging with the new 89Zr-Fab C4 and 89Zr-IgG C4 (H310A/H435Q) radioligands remains to be explored.