Project Funding Details

Problem Prostate cancer (PCa) is the most common malignancy in men and the fifth cause of cancer-related death globally. The prognosis of PCa is dependent on the disease stage and the 5-year survival rate of patients with advanced PCa is only 28%. Over time different detection techniques and therapies have been developed, which positively impacted PCa patient care. However, currently used imaging modalities and therapeutic options are still limited; especially for the detection and treatment of (oligo)metastatic disease, improvements are needed for more accurate detection and dedicated, precise treatment with a low toxicity profile. Within nuclear medicine, our group has very successfully introduced and applied radiopeptides for imaging and treatment of cancer. These radiopeptides bind to receptors overexpressed on tumor cells and thereby accumulate at the disease site (Figure 1A). Depending on the radionuclide applied, such radioligands can be used for imaging (using gamma-emitters ,e.g. 111In, or positron-emitters, e.g. 68Ga) or treatment (alpha-particle emitters, e.g. 213Bi, or beta-particle emitters, e.g. 177Lu). In some cases the same molecule, after labeling with different radionuclides, can be alternatingly applied for imaging or treatment, the so-called theranostic approach (Figure 1B). The gastrin releasing peptide receptor (GRPR) is a G-protein coupled receptor, overexpressed in the majority of PCas. Several GRPR-targeting radioligands have been developed for imaging and treatment. The results of these studies are very promising with successful visualization of small metastatic lesions in PCa patients and prolonged survival in animal therapy studies. We have co-invented and evaluated the GRPR radioligand NeoBOMB1. We demonstrated its stability, specificity, high receptor affinity and favorable pharmacokinetic properties in preclinical studies (Figure 2+3). In addition, PCa lesions were successfully visualized in pilot clinical imaging studies using this radiotracer (Figure 4). Based on the theranostic approach, radiolabeled NeoBOMB1 can potentially be applied for treatment of GRPR-positive PCa. However, besides high tumor uptake, high uptake of the radiotracer was also observed in the GRPR-expressing pancreas, which may cause side-effects. Calculations based on preclinical studies using 177Lu-NeoBOMB1 revealed that if a tumor dose of 200 Gy (necessary for significant therapeutic efficacy) is to be reached, this will result in a pancreas dose of ±93 Gy (Table 1). Pancreatic toxicity, resulting in chronic pancreatitis and pancreatic exocrine deficiency, can already be expected after exposure to 40-50 Gy though. To implement 177Lu-NeoBOMB1-based tumor-targeted therapy, we therefore need to establish a novel strategy to achieve maximum therapeutic efficacy with minimum toxicity in healthy organs. Solution In our previous studies in mice we observed that radiolabeled NeoBOMB1 cleared relatively fast from the pancreas while tumor uptake retained much longer (Figure 3). This difference in kinetics between the tumor and the pancreas is ideal for the application of a pre-targeting strategy. Within the pre-targeting approach a receptor-targeting molecule provided with a click element («Click A») is administered that binds to the target on tumor cells. Subsequently, a radiolabeled small molecule is administered that contains a complementary click element («Click B») that can bind to «Click A» in vivo, thereby delivering radioactivity to receptor-positive cells (Figure 5). By administering the complementary radiolabeled small molecule when tumor uptake of the targeting molecule is still high and pancreas uptake is already low, the tumor can be treated efficiently without healthy organ toxicity (Figure 6). The aim of this preclinical project is to develop and evaluate a pre-targeting strategy based on click-chemistry for safe and effective GRPR-targeted radionuclide therapy. The pre-targeting approach has not been applied before for such small molecules, and once established, may also be used for other radiopeptides and other small molecules. Investigation plan and expected outcome We will modify the NeoBOMB1 sequence to adapt a click element and synthesize a small radiolabeled molecule with a complementary click element. Two click-chemistry methods will be compared to determine the best method for pre-targeting using this peptide. Synthesized peptides will be tested for important characteristics including GRPR affinity, selectivity, stability and click-ability. Subsequently, administration conditions will be optimized and biodistribution studies will be performed. Finally, efficacy and toxicity of the pre-targeting approach with radiolabeled NeoBOMB1 will be determined and compared with the direct-targeting approach. See Figure 7. I expect that the pre-targeting strategy will deliver a safe and effective therapy option for PCa. Furthermore, patients with other GRPR-expressing cancer types e.g. breast cancer and gastrointestinal stromal cancer, may directly benefit from the results of this study. PSMA-targeting radiotracers are also being explored for PCa treatment. However, PSMA expression in PCa is not universal and GRPR radioligands may be applied for treatment of low PSMA-expressing or PSMA-negative PCa.

Probleemstelling Prostaatkanker is de meest voorkomende kankersoort bij mannen en wereldwijd de 5e doodsoorzaak als gevolg van kanker. In Nederland waren er op 1 januari 2016 79.200 mannen met prostaatkanker. In hetzelfde jaar zijn er 11.100 nieuwe gevallen gediagnosticeerd en zijn er 2.768 mannen overleden aan de ziekte. Ondanks de ontwikkelingen op het gebied van ziektedetectie en behandeling is het sterftecijfer als gevolg van de ziekte erg hoog. De ontwikkeling op gebied van interventies is vooral gericht op laat-stadium prostaatkanker. Er is een grote behoefte aan nieuwe behandelmethoden om de ziekte in een eerder stadium (waarbij beperkte uitzaaiingen aanwezig zijn) op een effectieve en veilige manier aan te pakken. Dit onderzoek is gericht op het ontwikkelen van een nieuwe en effectieve behandeling van prostaatkanker met minimale bijwerkingen. Binnen de nucleaire geneeskunde bestaat het zogenaamde thera-nostische concept. Hierbij wordt één en dezelfde radioactief-gelabelde stof (een tracer) afwisselend gebruikt voor de diagnostiek en voor de therapie van tumoren (Figuur 1). De radioactief-gelabelde tracer die hiervoor wordt gebruikt, bindt heel specifiek aan de tumorcel en bestaat uit 2 onderdelen: het gedeelte dat bindt aan de tumorcellen en een radioactief deel. De soort radioactiviteit die gebruikt wordt, bepaalt of de radioactief-gelabelde tracer gebruikt wordt voor tumordetectie of voor behandeling. Voor tumordetectie wordt radioactiviteit gebruikt met lage energie (waarbij er een scan wordt gemaakt), terwijl voor behandeling radioactiviteit gebruikt wordt met een hogere energie. De detectie en behandeling van tumoren met radioactief-gelabelde stoffen wordt momenteel zeer succesvol toegepast in het Erasmus MC bij patiënten met verschillende soorten tumoren. Recentelijk hebben we radioactieve tracers ontwikkeld voor de detectie en de behandeling van prostaatkanker. In dit geval zijn de tracers gericht tegen de GRP-receptor (GRPR), een molecuul dat in overmaat voorkomt op het oppervlak van prostaatkankercellen. De ontwikkelde tracers die aan de GRPR binden hebben we reeds uitgebreid getest in tumorcellen in kweek en in diermodellen; de resultaten van deze studies zijn zeer veelbelovend (Figuur 2+3). Tevens hebben we scans gemaakt bij prostaatkankerpatiënten. Op deze scans waren zelfs hele kleine prostaattumoren en/of uitzaaiingen daarvan goed zichtbaar (Figuur 4). Onze meest veelbelovende tracer die kan binden aan prostaatkankercellen is NeoBOMB1. De volgende stap is nu om radioactief NeoBOMB1 te gebruiken voor behandeling. Echter, radioactief NeoBOMB1 bindt niet alleen aan prostaatkankercellen, maar ook aan cellen van de alvleesklier (omdat op deze cellen de GRPR ook voorkomt). Dit heeft als gevolg dat behandeling kan leiden tot beschadiging van de alvleesklier. Dit laatste kan heftige bijwerkingen met zich mee brengen, zoals hevige buikpijn, misselijkheid, braken, vermagering en diabetes. Om deze bijwerkingen te voorkomen, wil ik een nieuwe, effectieve en veilige methode toepassen voor de toediening van radioactief NeoBOMB1, waarbij een optimale tumordosis kan worden bereikt zonder dat dit de alvleesklier beschadigt. Onderzoeksrichting Uit ons eerdere onderzoek is gebleken dat radioactief NeoBOMB1 voor een relatief lange tijd in de tumor blijft na toediening, maar snel verdwijnt uit de alvleesklier (Figuur 3). Wij gaan gebruik maken van dit belangrijke verschil door de behandeling in 2 stappen toe te dienen: eerst een niet radioactieve GRPR-bindende stof (die bindt aan prostaatkankercellen en ook aan cellen van de alvleesklier) en pas na enkele uren een radioactief molecuul, die heel specifiek bindt aan de GRPR-bindende stof, die op dat moment nog wel aan de tumorcellen bindt, maar niet meer aan de alvleeskliercellen (Figuur 5). We zullen gebruik maken van zogeheten “click-chemie”, een mooie, nieuwe methode om moleculen goed in elkaar te klikken in het lichaam. Hiervoor moeten de GRPR-bindende stof en het radioactieve molecuul voorzien worden van click-elementen, zodat deze als puzzelstukjes in elkaar vallen. Het gevolg is dat de tumor optimaal behandeld kan worden, terwijl de alvleesklier gespaard blijft (Figuur 6). Deze bovengenoemde methode (ook wel de pre-targeting methode genoemd) wordt reeds succesvol toegepast voor behandeling met grote radioactieve antistoffen, maar is nog nooit eerder toegepast voor radionuclide behandeling met kleine peptiden, zoals hier beschreven. Deze methode kan later ook toegepast worden voor behandeling met andere kleine peptiden/moleculen, en hiermee potentieel andere behandelingen optimaliseren en bijwerkingen voorkomen. Onderzoeksopzet, verwachte uitkomsten en implementatie van resultaten Om bovengenoemde methode uit te testen zullen wij de GRPR-bindende stof NeoBOMB1 en een radioactief molecuul beide voorzien van click-elementen, zodat deze in het lichaam aan elkaar kunnen binden. Deze stoffen zullen wij onderzoeken in prostaatkankercellen in kweek en optimaliseren. Vervolgens zullen wij onderzoek doen naar de optimale omstandigheden (o.a. de timing) voor een maximaal effect op tumorgroei en minimale impact op het gezonde alvleesklierweefsel. Tenslotte zullen wij in preklinische dierstudies menselijke prostaattumoren behandelen met deze nieuwe methoden om de effectiviteit van behandeling op de tumoren te bepalen en ook zal de nieuwe methode vergeleken worden met de conventionele methode (hierbij wordt een radioactief-gelabelde GRPR-bindende stof direct toegediend). Tegelijkertijd zullen wij ook eventuele weefselschade van de alvleesklier bepalen. Zie Figuur 7. Indien de uitkomsten van deze studie positief zijn en wij inderdaad verminderde alvleesklierschade kunnen vaststellen bij gelijke of hogere antitumor-effectiviteit door deze pre-targeting methode, dan kunnen de eerste studies in patiënten kort (1 á 2 jaar) na het afronden van dit project plaatsvinden. Indien succesvol zal dit project resulteren in een efficiënte en veilige methode voor prostaatkankerbehandeling. Tevens heeft recent onderzoek uitgewezen dat radioactief NeoBOMB1 ook gebruikt kan worden voor detectie en behandeling van onder andere borsttumoren. De pre-targeting methode ontwikkeld in dit project zal dus ook bijdragen aan effectieve en veilige behandeling van deze veel voorkomende tumorsoort. Naast de GRPR, komt ook PSMA veel voor op prostaatkankercellen en momenteel worden ook radioactief-gelabelde PSMA-bindende tracers onderzocht voor behandeling van prostaatkanker. Echter, PSMA-expressie in prostaatkankerpatiënten is niet altijd aanwezig en behandeling met radioactief-gelabelde tracers gericht tegen de GRPR kan toegepast worden in prostaatkankerpatiënten die geen of lage PSMA-expressie hebben.