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We have recently demonstrated CXCR4 overexpression in vestibular schwannomas (VS). This study investigated the feasibility of CXCR4-directed positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) imaging of VS using the radiolabeled chemokine ligand [\(^{68}\)Ga]Pentixafor.
Methods: 4 patients with 6 primarily diagnosed or pre-treated/observed VS were enrolled. All subjects underwent [\(^{68}\)Ga]Pentixafor PET/CT prior to surgical resection. Images were analyzed visually and semi-quantitatively for CXCR4 expression including calculation of tumor-to-background ratios (TBR). Immunohistochemistry served as standard of reference in three patients.
Results: [\(^{68}\)Ga]Pentixafor PET/CT was visually positive in all cases. SUV\(_{mean}\) and SUV\(_{max}\) were 3.0 ± 0.3 and 3.8 ± 0.4 and TBR\(_{mean}\) and TBR\(_{max}\) were 4.0 ± 1.4 and 5.0 ± 1.7, respectively. Histological analysis confirmed CXCR4 expression in tumors.
Conclusion: Non-invasive imaging of CXCR4 expression using [\(^{68}\)Ga]Pentixafor PET/CT of VS is feasible and could prove useful for in vivo assessment of CXCR4 expression.
Chemokine (C-X-C motif) receptor 4 (CXCR4) is a key factor for tumor growth and metastasis in several types of human cancer including multiple myeloma (MM). Proof-of-concept of CXCR4-directed radionuclide therapy in MM has recently been reported. This study assessed the diagnostic performance of the CXCR4-directed radiotracer [\(^{68}\)Ga]Pentixafor in MM and a potential role for stratifying patients to CXCR4-directed therapies.
Thirty-five patients with MM underwent [\(^{68}\)Ga]Pentixafor-PET/CT for evaluation of eligibility for endoradiotherapy. In 19/35 cases, [\(^{18}\)F]FDG-PET/CT for correlation was available. Scans were compared on a patient and on a lesion basis. Tracer uptake was correlated with standard clinical parameters of disease activity.
[\(^{68}\)Ga]Pentixafor-PET detected CXCR4-positive disease in 23/35 subjects (66%). CXCR4-positivity at PET was independent from myeloma subtypes, cytogenetics or any serological parameters and turned out as a negative prognostic factor. In the 19 patients in whom a comparison to [\(^{18}\)F]FDG was available, [\(^{68}\)Ga]Pentixafor-PET detected more lesions in 4/19 (21%) subjects, [\(^{18}\)F]FDG proved superior in 7/19 (37%). In the remaining 8/19 (42%) patients, both tracers detected an equal number of lesions. [\(^{18}\)F]FDG-PET positivity correlated with [\(^{68}\)Ga]Pentixafor-PET positivity (p=0.018).
[\(^{68}\)Ga]Pentixafor-PET provides further evidence that CXCR4 expression frequently occurs in advanced multiple myeloma, representing a negative prognostic factor and a potential target for myeloma specific treatment. However, selecting patients for CXCR4 directed therapies and prognostic stratification seem to be more relevant clinical applications for this novel imaging modality, rather than diagnostic imaging of myeloma.
Das Multiple Myelom ist eine hämatologische Erkrankung, die durch die Proliferation von Plasmazellen und die Produktion von Antikörpern oder deren Leichtketten gekennzeichnet ist. Eine frühe Diagnosestellung durch Detektion sowohl intra- als auch extramedullärer Manifestationen ist für die Einleitung einer effektiven Therapie von entscheidender Bedeutung. Ebenso bedeutsam ist ein wirksames Therapiemonitoring. Wichtige diagnostische Modalitäten sind bei beiden Fragestellungen tomografische, bildgebende Verfahren. Hierbei wurde die Effektivität der 18F-FDG-PET/CT im Rahmen der Diagnose, des Stagings und der Prognoseabschätzung bereits nachgewiesen. Dennoch ist ihr klinischer Nutzen durch die geringe Sensitivität bei Detektion von diffusem Knochenmarksbefall und Vorliegen sowohl falsch positiver als auch falsch negativer Befunde limitiert.
Die vorliegende Arbeit hat untersucht, ob der aminosäurebasierte Tracer 11C-MET über spezifische Eigenschaften verfügt, die eine höhere Sensitivität und Spezifität in der Detektion von Myelomzellen ermöglichen und ob der Radioligand dem etablierten Glukoseanalogon 18F-FDG überlegen ist. Hierfür wurden drei etablierte humane Myelomzelllinien, sowohl nativ als auch nach 48-stündiger Therapie mit dem Proteasominhibitor Carfilzomib, mit 18F-FDG und 11C-MET inkubiert und mithilfe eines Gammastrahlungszählers beurteilt. Zudem wurde untersucht, ob die Traceraufnahme mit spezifischen Charakteristika der Tumorbiologie korreliert. So wurde die Oberflächenexpression von CD138 und CXCR4, die intrazelluläre Expression der Leichtketten κ/λ und die Proliferation der Zelllinien mittels Durchflusszytometrie vor und nach Behandlung mit Carfilzomib eruiert.
Die unbehandelten Zellen zeigten, verglichen zu 18F-FDG, bereits nach kürzester Inkubationsdauer eine 3-3,5-fach höhere 11C-MET Retention. Weiterhin zeigte sich die 11C-MET-Aufnahme nach Behandlung aller Zellreihen insgesamt marginal höher als die 18F-FDG-Aufnahme, während die Reduktion der 11C-MET-Anreicherung im prä- zu posttherapeutischen Vergleich für alle drei Zelllinien signifikant war.
Eine mögliche Erklärung für diese Beobachtungen liefert die Myelombiologie: eine erhöhte Aufnahme der radioaktiv markierten Aminosäure durch MM-Zellen könnte durch eine Zunahme der Zellproliferation und insbesondere durch eine Steigerung der Proteinsynthese im Rahmen der überschießenden Produktion von M-Protein bedingt sein. In Zusammenschau könnte 11C-MET mit höherer Sensitivität Myelommanifestationen detektieren, wodurch ggf. Läsionen mit geringem Metabolismus dargestellt und eine bessere Beurteilung des Krankheitspogresses erfolgen könnte. Zudem bietet für den klinischen Einsatz die – verglichen zu 18F-FDG – größere Differenz der 11C-MET-Retention zwischen prä- und posttherapeutischer Messung die Möglichkeit einer besseren Beurteilbarkeit des Therapieansprechens. 11C-MET birgt ggf. das Potential auch minimale aktive Restherde zu detektieren und damit Patienten einem individualisierten Therapiekonzept zuzuführen.
Ein Zusammenhang zwischen den untersuchten Biomarkern und der 11C-MET Retention bzw. deren Abnahme nach Behandlung konnte nicht gezeigt werden. Somit sollten für 11C-MET andere Biomarker herangezogen werden, um diese mit der Bildgebung zu korrelieren und zu bewerten.
C-X-C-motif chemokine receptor 4 (CXCR4) is a key factor for tumor growth and metastasis in several types of human cancer. We have recently reported promising first-in-man experience with CXCR4-directed endoradiotherapy (ERT) in multiple myeloma (MM).
Eight heavily pretreated MM patients underwent a total of 10 ERT cycles (7 patients with 1 cycle and a single patient with 3 cycles). ERT was administered in combination with chemotherapy and autologous stem cell support. End points were occurrence and timing of adverse events, progression-free and overall survival.
ERT was overall well tolerated without any unexpected acute adverse events or changes in vital signs. With absorbed tumor doses >30-70 Gy in intra- or extramedullary lesions, significant anti-myeloma activity was observed with 1 patient achieving complete remission and 5/8 partial remission. Directly after ERT major infectious complications were seen in one patient who died from sepsis 22 days after ERT, another patient with high tumor burden experienced lethal tumor lysis syndrome. Median progression-free survival was 54 days (range, 13-175), median overall survival was 223 days (range, 13-313). During follow-up (6 patients available), one patient died from infectious complications, 2/8 from disease progression, the remaining 3/8 patients are still alive.
CXCR4-directed ERT was well-tolerated and exerted anti-myeloma activity even at very advanced stage MM with presence of extramedullary disease. Further assessment of this novel treatment option is highly warranted.
Despite histological evidence in various solid tumor entities, available experience with CXCR4-directed diagnostics and endoradiotherapy mainly focuses on hematologic diseases. With the goal of expanding the application of CXCR4 theranostics to solid tumors, we aimed to elucidate the feasibility of CXCR4-targeted imaging in a variety of such neoplasms.
Methods: Nineteen patients with newly diagnosed, treatment-naïve solid tumors including pancreatic adenocarcinoma or neuroendocrine tumor, cholangiocarcinoma, hepatocellular carcinoma, renal cell carcinoma, ovarian cancer, and prostate cancer underwent [\(^{68}\)Ga]Pentixafor PET/CT. CXCR4-mediated uptake was assessed both visually and semi-quantitatively by evaluation of maximum standardized uptake values (SUV\(_{max}\)) of both primary tumors and metastases. With physiologic liver uptake as reference, tumor-to-background ratios (TBR) were calculated. [\(^{68}\)Ga]Pentixafor findings were further compared to immunohistochemistry and [\(^{18}\)F]FDG PET/CT.
Results: On [\(^{68}\)Ga]Pentixafor PET/CT, 10/19 (52.6%) primary tumors were visually detectable with a median SUVmax of 5.4 (range, 1.7–16.0) and a median TBR of 2.6 (range, 0.8–7.4), respectively. The highest level of radiotracer uptake was identified in a patient with cholangiocarcinoma (SUVmax, 16.0; TBR, 7.4). The relatively low uptake on [\(^{68}\)Ga]Pentixafor was also noted in metastases, exhibiting a median SUVmax of 4.5 (range, 2.3–8.8; TBR, 1.7; range, 1.0–4.1). A good correlation between uptake on [\(^{68}\)Ga]Pentixafor and histological derived CXCR4 expression was noted (R = 0.62, P < 0.05). In the 3 patients in whom [\(^{18}\)F]FDG PET/CT was available, [\(^{68}\)Ga]Pentixafor exhibited lower uptake in all lesions.
Conclusions: In this cohort of newly diagnosed, treatment-naïve patients with solid malignancies, CXCR4 expression as detected by [\(^{68}\)Ga]Pentixafor-PET/CT and immunohistochemistry was rather moderate. Thus, CXCR4-directed imaging may not play a major role in the management of solid tumors in the majority of patients.
We aimed to elucidate the diagnostic potential of the C-X-C motif chemokine receptor 4 (CXCR4)-directed positron emission tomography (PET) tracer \(^{68}\)Ga-Pentixafor in patients with poorly differentiated neuroendocrine carcinomas (NEC), relative to the established reference standard \(^{18}\)F-FDG PET/computed tomography (CT). In our database, we retrospectively identified 11 treatment-naïve patients with histologically proven NEC, who underwent \(^{18}\)F-FDG and CXCR4-directed PET/CT for staging and therapy planning. The images were analyzed on a per-patient and per-lesion basis and compared to immunohistochemical staining (IHC) of CXCR4 from PET-guided biopsies. \(^{68}\)Ga-Pentixafor visualized tumor lesions in 10/11 subjects, while \(^{18}\)F-FDG revealed sites of disease in all 11 patients. Although weak to moderate CXCR4 expression could be corroborated by IHC in 10/11 cases, \(^{18}\)F-FDG PET/CT detected significantly more tumor lesions (102 vs. 42; total lesions, n = 107; p < 0.001). Semi-quantitative analysis revealed markedly higher 18F-FDG uptake as compared to \(^{68}\)Ga-Pentixafor (maximum and mean standardized uptake values (SUV) and tumor-to-background ratios (TBR) of cancerous lesions, SUVmax: 12.8 ± 9.8 vs. 5.2 ± 3.7; SUVmean: 7.4 ± 5.4 vs. 3.1 ± 3.2, p < 0.001; and, TBR 7.2 ± 7.9 vs. 3.4 ± 3.0, p < 0.001). Non-invasive imaging of CXCR4 expression in NEC is inferior to the reference standard \(^{18}\)F-FDG PET/CT.
A growing body of literature reports on the upregulation of C-X-C motif chemokine receptor 4 (CXCR4) in a variety of cancer entities, rendering this receptor as suitable target for molecular imaging and endoradiotherapy in a theranostic setting. For instance, the CXCR4-targeting positron emission tomography (PET) agent [\(^{68}\)Ga]PentixaFor has been proven useful for a comprehensive assessment of the current status quo of solid tumors, including adrenocortical carcinoma or small-cell lung cancer. In addition, [\(^{68}\)Ga]PentixaFor has also provided an excellent readout for hematological malignancies, such as multiple myeloma, marginal zone lymphoma, or mantle cell lymphoma. PET-based quantification of the CXCR4 capacities in vivo allows for selecting candidates that would be suitable for treatment using the theranostic equivalent [\(^{177}\)Lu]/[\(^{90}\)Y]PentixaTher. This CXCR4-directed theranostic concept has been used as a conditioning regimen prior to hematopoietic stem cell transplantation and to achieve sufficient anti-lymphoma/-tumor activity in particular for malignant tissues that are highly sensitive to radiation, such as the hematological system. Increasing the safety margin, pretherapeutic dosimetry is routinely performed to determine the optimal activity to enhance therapeutic efficacy and to reduce off-target adverse events. The present review will provide an overview of current applications for CXCR4-directed molecular imaging and will introduce the CXCR4-targeted theranostic concept for advanced hematological malignancies.
Disclosing the CXCR4 expression in lymphoproliferative diseases by targeted molecular imaging
(2015)
Chemokine ligand-receptor interactions play a pivotal role in cell attraction and cellular trafficking, both in normal tissue homeostasis and in disease. In cancer, chemokine receptor-4 (CXCR4) expression is an adverse prognostic factor. Early clinical studies suggest that targeting CXCR4 with suitable high-affinity antagonists might be a novel means for therapy. In addition to the preclinical evaluation of [\(^{68}\)Ga]Pentixafor in mice bearing human lymphoma xenografts as an exemplary CXCR4-expressing tumor entity, we report on the first clinical applications of [\(^{68}\)Ga]Pentixafor-Positron Emission Tomography as a powerful method for CXCR4 imaging in cancer patients. [\(^{68}\)Ga]Pentixafor binds with high affinity and selectivity to human CXCR4 and exhibits a favorable dosimetry. [\(^{68}\)Ga]Pentixafor-PET provides images with excellent specificity and contrast. This non-invasive imaging technology for quantitative assessment of CXCR4 expression allows to further elucidate the role of CXCR4/CXCL12 ligand interaction in the pathogenesis and treatment of cancer, cardiovascular diseases and autoimmune and inflammatory disorders.
Für das klinische Management des Prostatakarzinoms werden nuklearmedizinische Verfahren zunehmend relevant. Bildgebung und Therapie, welche gegen das Prostataspezifische Membranantigen (PSMA) gerichtet sind, werden bereits im klinischen Alltag angewendet. Weitere potenzielle Biomarker des Prostatakarzinoms, wie beispielsweise der CXC-Motiv-Chemokinrezeptor 4 (CXCR4) und der Somatostatinrezeptor Typ 2 (SSTR2), werden zudem als nuklearmedizinische Zielstrukturen diskutiert. Vorangegangene Arbeiten legten einen Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der PSMA-Expression und der Sensitivität gegenüber Docetaxel in Prostatakarzinomzellen nahe. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war, diesen Mechanismus genauer zu untersuchen. Dabei wurden die Aktivität onkogener Signalwege, die Proliferation und die CXCR4- sowie die Androgenrezeptor (AR)- Expression in Prostatakarzinomzelllinien mit unterschiedlicher PSMA-Expression durchflusszytometrisch quantifiziert. Im zweiten Projektteil sollte der Einfluss von Metformin und verschiedener, bereits in der Prostatakarzinomtherapie angewandter Medikamente (Docetaxel, Dexamethason, Abirateron und Enzalutamid), auf die Expression von PSMA, CXCR4 und SSTR2 untersucht werden. Die Quantifizierung der Expression erfolgte mittels Durchflusszytometrie. Ein kausaler Mechanismus für den Zusammenhang zwischen PSMA-Expression und Docetaxel-Sensitivität konnte in dieser Arbeit schließlich nicht hergestellt werden. Es zeigten sich jedoch vor allem Expressionsmodulationen von PSMA und CXCR4. Mittels Docetaxel konnte z.B. bei C4-2 Zellen eine Verdopplung der PSMA-Expression und eine Verdreifachung der CXCR4-Expression erreicht werden. Darüber hinaus zeigte die Behandlung mit Abirateron eine deutliche Heraufregulation der PSMA- Expression bei LNCaP und C4-2 Zellen, sowie eine Zunahme der CXCR4- Expression bei allen untersuchten Zelllinien. Sollte sich der Einfluss der medikamentösen Behandlung auf die Expression von PSMA und CXCR4 bestätigen, kann dies zukünftig zur verbesserten und individualisierten Diagnostik und Therapie von Prostatakarzinompatienten beitragen.
Im Zuge der Bemühungen um neue, tumorspezifische Therapieansätze für die Myelomerkrankung hat sich der C-X-C-Chemokinrezeptor 4 (CXCR4) aufgrund seiner zentralen Rolle in der Tumorgenese als vielversprechender Angriffspunkt hervorgetan. Im Sinne eines theranostischen Konzepts wird der Rezeptor mithilfe eines radioaktiv markierten Liganden quantifiziert und anschließend von rezeptorspezifischen Radiotherapeutika als Zielstruktur genutzt. Die CXCR4-Expression ist allerdings ein höchst dynamischer Prozess mit großer inter- und intraindividueller Heterogenität, der u.a. durch eine begleitende Chemotherapie beeinflusst werden kann. Ob sich therapieinduzierte Veränderungen der Rezeptorexpression gezielt nutzen lassen, um die CXCR4-Expression zu optimieren und so die Effektivität der CXCR4-gerichteten Strategien zu steigern, wurde bislang nicht untersucht.
Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene, in der Myelomtherapie etablierte Substanzen sowohl einzeln als auch in Kombination hinsichtlich ihres Einflusses auf die CXCR4-Expression von MM-Zelllinien und primären MM-Zellen unter in vitro Bedingungen analysiert.
In den durchgeführten Experimenten zeigte sich eine hohe Variabilität der CXCR4-Expression der MM-Zellen nach Therapieinduktion, die sich als substanz-, dosis- und zeitabhängig herausstellte. Die Ergebnisse bestätigten das große Potenzial der therapieinduzierten Modulation der CXCR4-Expression. Im weiteren Verlauf sind translationale Forschungsansätze gerechtfertigt, die die Übertragbarkeit der in vitro gewonnenen Ergebnisse auf die komplexen Vorgänge im lebenden Organismus überprüfen. Langfristiges Ziel ist der Entwurf eines patientenzentrierten, multimodalen Therapiekonzepts, welches das CXCR4-gerichtete theranostische Konzept mit einer individuell angepassten, medikamentösen MM-Therapie kombiniert.