Jun 11, 2023
다이나믹 18F
Nature Communications 13권, 기사 번호: 7974(2022) 이 기사 인용 3469 액세스 5 인용 356 Altmetric Metrics 세부 정보 Pretomanid는 니트로이미다졸 항균 활성 물질입니다.
Nature Communications 13권, 기사 번호: 7974(2022) 이 기사 인용
3469 액세스
5 인용
356 알트메트릭
측정항목 세부정보
프레토마니드는 약물 내성 결핵균에 대한 니트로이미다졸 항균제이며 다제내성(MDR) 폐결핵(TB) 치료를 위해 베다퀼린 및 리네졸리드(BPaL)와 병용하도록 승인되었습니다. 그러나 이러한 항생제가 중추신경계(CNS)에 침투하는 것과 결핵 수막염에 대한 BPaL 요법의 효능은 잘 확립되어 있지 않습니다. 중요한 것은 MDR 계통으로 인해 결핵 수막염에 대한 효과적인 치료법이 부족하여 사망률이 높다는 것입니다. 우리는 18F-프레토마니드(항생제와 화학적으로 동일함)를 합성하는 새로운 방법을 개발하고 프리토마니드 농도-시간 프로파일을 비침습적으로 측정하기 위해 종간 양전자 방출 단층 촬영(PET) 이미징을 수행했습니다. 결핵 수막염의 마우스 및 토끼 모델에서 동적 PET는 전토마니류의 우수한 CNS 침투를 보여주지만 뇌척수액(CSF) 수준은 뇌 실질의 수준과 상관관계가 없습니다. 결핵 수막염 마우스 모델에서 BPaL 요법의 살균 활성은 표준 결핵 요법보다 실질적으로 열등하며, 이는 아마도 베다퀼린과 리네졸리드가 뇌 실질로 침투하는 것이 제한되어 있기 때문인 것 같습니다. 마지막으로, 6명의 건강한 지원자를 대상으로 한 인간 최초의 동적 18F-프리토마니드 PET는 CSF보다 뇌 실질에서 상당히 높은 수준으로 프리토마니드의 뛰어난 CNS 침투를 보여줍니다. 이러한 데이터는 결핵 수막염에 대한 새로운 항생제 치료법을 개발하는 데 중요한 의미를 갖습니다.
결핵(TB)은 단일 감염원으로 인한 주요 사망 원인 중 하나이며1, 결핵 수막염은 특히 젊고 면역력이 약한 사람들에게 가장 파괴적인 폐외 형태입니다2,3,4. 1차 항생제(즉, 이소니아지드 및 리팜핀)에 내성을 갖는 결핵균에 의해 발생하는 다제내성(MDR)-TB가 증가하고 있습니다. MDR 계통으로 인한 결핵 수막염은 높은 사망률과 관련이 있으며5,6,7, 약물 내성은 사망을 독립적으로 예측하는 인자입니다8. 최근 237명의 결핵성 뇌수막염 환자를 대상으로 한 후향적 코호트 연구에서, 약물 감수성 질환 환자(24%, P < 0.001)보다 약물 내성 환자(67%)의 사망률이 유의하게 높았습니다. 더욱이, 약물 내성 결핵 뇌수막염 환자의 사망률은 치료 시작 90일 후 유의하게 더 높았습니다(조정 위험 비율 7.2)(P < 0.001). 따라서 이러한 공중 보건 위협에 맞서기 위해서는 다제내성 결핵에 대한 신약과 더욱 효과적인 치료법이 시급히 필요합니다. 프레토마니드(이전 PA-824)는 니트로이미다졸 계열 항균제에 속하는 소분자로서, 베다퀼린 및 리네졸리드(BPaL)와 병용하여 폐 다제내성 결핵 치료용으로 2019년 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받았습니다. - 베다퀼린, 프레토마니드, 리네졸리드)10. Pretomanid는 복제 및 비복제 M. tuberculosis에 대해 활성을 가지며 이는 우수한 살균 활성에 기여합니다11,12,13,14.
몇 가지 예외를 제외하고 현재 항생제 투여 권장 사항은 감염 부위의 약물 농도에 대한 정보 없이 혈장 농도를 기준으로 합니다. 표적 조직의 부적절한 항생제 수준은 내성 유기체의 선택, 독성 또는 장기 손상, 궁극적으로 치료 실패로 이어질 수 있기 때문에 점점 더 많은 연구와 미국 FDA에서 감염된 조직의 항생제 농도 측정을 점점 더 지원하고 있습니다15. 따라서 우리는 동물과 인간의 항생제 농도-시간 곡선에 대한 비침습적, 동시적, 편견 없는 다중 구획 현장 측정을 위한 양전자 방출 단층촬영(PET) 기반 임상적으로 번역 가능한 기술을 개발했습니다16,17,18. 이 연구에서 우리는 결핵 뇌수막염의 마우스 및 토끼 모델에 대한 상세한 동물 연구를 활용하여 전신 약물 생체 분포를 비침습적으로 평가하기 위한 분자 영상 도구로서 18F-프레토마니드의 개발을 보고합니다(그림 1). 간단히 말하면, 감염된 동물은 18F-프레토마니드를 사용하여 동적 PET/컴퓨터 단층촬영(CT)을 거쳐 관심 볼륨(VOI)으로 PET 신호를 정량화하여 시간-활동 곡선(TAC) 및 곡선 아래 면적(AUC)을 얻습니다. 사후 자가 방사선 촬영 및 조직학도 모든 동물 모델에서 수행됩니다. 결핵 수막염에 대한 프리토마니드 함유 요법의 알려지지 않은 잠재력을 고려하여, 베다퀼린(B), 프레토마니드(P) 및 리네졸리드(L) 요법을 결핵 수막염 마우스 모델에서 테스트했습니다20. 질량 분석법과 전통적인 미생물학 기술을 사용하여 실질 내 약물 수준과 살균 효능(집락 형성 단위[CFU]로 정량화된 세균 부담)을 세로로 평가합니다. 현재 우수제조관리기준(cGMP)에 따른 18F-프레토마니드의 방사선합성은 인간으로의 번역을 용이하게 하며, 인간 최초의 동적 18F-프레토마니드 PET 연구는 미국 FDA 지침에 따라 수행됩니다.
98%. While this method allowed the radiosynthesis of 18F-pretomanid for animal studies, the use of dichloroethane precluded its clinical translation. Therefore, we tested alternative reaction solvents to translate the synthesis of 18F-pretomanid under cGMP conditions which unfortunately significantly reduced RCY. However, automated cGMP synthesis of 18F-pretomanid was successful under microwave irradiation at 100 watts for 10 min (reaching 120 °C) in dimethylformamide in the absence of silver salts, despite previous reports that catalyst-free thermal activation had been unsuccessful for the preparation of 18F-labeled aryl-OCF3 compounds. Under these conditions, 18F-pretomanid was obtained in 5.7 ± 0.3% n.d.c. yield and a specific activity of 68 ± 2 GBq/µmol. HPLC analysis showed ≥95% radiochemical purity and a single peak corresponding to the 19F-reference pretomanid in the UV chromatogram (Fig. S3)./p>90%) in mouse, rabbit, and human serum at 37 °C for three hours. Defluorination was not observed. Pretomanid is known to be highly protein bound (~86%) in human plasma22. When incubated with mouse, rabbit, and human serum at 37 °C, the protein binding level of 18F-pretomanid was 75–77% in healthy human, 78–80% in healthy rabbit, 80–83% in M. tuberculosis-infected rabbit, 75–80% in healthy mouse, and 74–78% in M. tuberculosis-infected mouse sera (Table S1). Overall, 18F-pretomanid had similar protein binding (74–83%) to unlabeled pretomanid, and no significant differences were found between species over time. 18F-Pretomanid experimental LogD7.4, which represents its distribution coefficient at physiological pH, was 1.9 ± 0.1, which is only a 0.4 Log decrease when compared to unlabeled pretomanid23. Thus, 18F-labeled and unlabeled pretomanid are expected to have similar tissue partitioning. Whole-body biodistribution of 18F-pretomanid was measured in mice with experimentally-induced pulmonary TB utilizing PET/CT and gamma counting (Fig. S4). Upon intravenous injection, 18F-pretomanid rapidly distributed to all major organs, which was also confirmed by post-mortem biodistribution quantification by gamma-counting (Fig. S4a, b). The activity in the bone was low and did not substantially increase over time which indicates that defluorination did not occur in vivo (Fig. S4c). Similar to the parent drug, 18F-pretomanid underwent both renal and hepatobiliary excretion (Fig. S4d). Low uptake was observed in muscle and high uptake was found in brown adipose tissue (BAT), which cleared within hours (Fig. S4e). Spatial distribution with ex vivo autoradiography in the mouse model of pulmonary TB showed reduced uptake of 18F-pretomanid in lung lesions compared to unaffected lung (Fig. S4f). The upper-body biodistribution of 18F-pretomanid was also measured in rabbits showing similar findings as in mice (Fig. S5)./p>1]. However, in vivo 3D PET/CT and 2D ex vivo autoradiography in the mouse model of TB meningitis showed reduced uptake of 18F-pretomanid with filling defects at the center of the brain lesion (visible in live animals with 18F-FDG PET/CT and ex vivo histopathology, respectively) (Fig. 3a, b). AUC ratio (brain/plasma) was 1.35 (median; IQR, 0.81–1.52) in brain lesions and 1.56 (median; IQR, 1.22–1.69) in unaffected brain regions (Fig. 3c, d). Similar findings were noted in a rabbit model of TB meningitis (Fig. 3e–h), with median AUC ratio (brain/plasma) of 1.87 (IQR, 1.66–4.63) into brain lesions and 2.75 (IQR, 1.64–5.73) into the unaffected brain./p>1.5) at the start of treatment (and remained high (>1) after two weeks of treatment (Fig. 4e). Brain parenchymal and CSF drug and metabolite levels were also measured by mass spectrometry, which demonstrated discordant penetration into the brain parenchyma and CSF compartments (P = 0.002, Fig. 4f–h and Table S3). While linezolid levels were higher in the CSF compared to the brain parenchyma, both pretomanid and bedaquiline levels were higher in the brain parenchyma compared to the CSF. Bedaquiline rapidly undergoes N-demethylation in vivo to form a metabolite (M2), which is also active against M. tuberculosis. We found that M2 levels (albeit still low) were higher in the brain parenchyma than the parent drug (Table S3)./p>1 (Fig. 5 and Fig. S8). Additionally, and similar to the findings in the animal models, 18F-pretomanid exposures were compartmentalized with significantly lower penetration noted in the CSF (ventricles), compared to the brain parenchyma (Fig. 5; P = 0.018)./p>1] even after initiation of treatment with dexamethasone-containing regimens, which decreases BBB permeability./p>95%) using cGMP by the Johns Hopkins PET Radiotracer Center. Written informed consent was obtained from all healthy volunteers and deidentified images were analyzed. All subjects had a physical exam by a trained physician and screening laboratory tests before imaging to confirm eligibility. Each subject received an intravenous bolus of 359.52 ± 2.79 MBq of 18F-pretomanid followed by dynamic PET utilizing a multi-bed protocol immediately after tracer injection (0–60 min) and 180 min after tracer injection (180–210 min) using Siemens Biograph mCT 128-slice scanner. All subjects were assessed for adverse events immediately after the completion of the imaging studies and via a follow up telephone interview at 20–25 days after the imaging studies. A trained radiologist also evaluated the CT images for all subjects to assess for any anatomic abnormalities./p>
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