Nye sporstoffer til positron emissions tomografi (PET)-scanning af patienter skal først testes i forsøgsdyr, inden de kan afprøves og tages i brug i mennesker. Til dette formål anvendes oftest mus, rotter og grise. Artiklen beskriver processen fra den første idé til klinisk anvendelse af det nye PET-sporstof.
PET-sporstoffer
Positron emission tomografi (PET) er en nuklearmedicinsk scanningsteknik, hvor man gør brug af radioaktivt mærkede sporstoffer til at undersøge fysiologiske eller patofysiologiske processer i kroppen. PET-sporstoffet bliver typisk indsprøjtet intravenøst et stykke tid forud for PET-scanningen eller ved dennes begyndelse. PET-scanning anvendes i stigende grad klinisk til at stille diagnoser hos patienter, men anvendes også i mindre omfang veterinært til blandt andet cancerdiagnostik. Sporstofferne kan være organiske eller uorganiske molekyler, der er mærkede med en radioaktiv isotop, som henfalder ved at afgive en positron. Halveringstiden er forholdsvis kort, idet den for de tre mest anvendte isotoper er på to minutter [15O], 20 minutter [11C] og 110 minutter [18F].
Efter henfald møder positronen ude i vævet en elektron, hvorved der sker en annihilation, som af scanneren detekteres som to samtidige gamma-partikler. En computer kan efterfølgende kortlægge den rumlige og tidsmæssige fordeling af henfaldene og derved også sporstoffet i kroppen. Det kan eksempelvis være [18F]-mærket fluordeoxyglukose (FDG), som blandt andet bruges til cancerdiagnostik. Her vil cancer afsløre sig ved, at [18F]FDG i særlig grad optages af de neoplastiske celler. Andre sporstoffer binder sig til specifikke enzymer, receptorer eller patologiske belægninger i kroppen. Ofte kombineres PET-scanningen med CT- eller MR-scanning, således en anatomisk lokalisation af sporstoffets placering i kroppen er mulig. Anvendelse af PET-scanning er naturligvis afhængig af, at der findes brugbare sporstoffer til undersøgelserne, og der foregår derfor fortløbende et udviklingsarbejde med at lave nye og bedre sporstoffer.
Fra idé til nyt sporstof
Idéen til et nyt sporstof udspringer ofte af behovet for at kunne diagnosticere en sygdom eller følge en fysiologisk proces hos mennesker. Dette kan eksempelvis bestå i et ønske om at kunne måle mængden af en bestemt receptor i hjernen eller at kunne følge galdens produktion i leveren, dens udskillelse til og genoptagelse fra tarmene. Opgaven med at finde nye sporstoffer består i første omgang i at afsøge litteraturen for at finde mulige molekylære kandidater, som vil kunne binde sig specifikt til receptoren, eller som vil følge galdens passage. Radiokemikeren vil også gøre sig overvejelser over, om molekylet lader sig radioaktivt mærke, og om det er en kemisk proces, som kan ske inden for en realistisk kort tidsperiode sammenlignet med PET-isotopens halveringstid.
Nogle gange falder valget af molekyle på et eksisterende lægemiddel, som det er muligt at radioaktivt mærke. Fordelen er, at der i så fald ofte også eksisterer viden om molekylets fordeling og binding i kroppen. Lægemidlets effekter på kroppen er derimod af mindre betydning, da man typisk kun giver det i meget små doser (deraf navnet sporstof), således det ingen farmakologisk virkning har. Efter nogle indledende radiokemiske testproduktioner af sporstoffet og eventuelle in vitro-afprøvninger, er det nu klart til at blive testet i levende organismer – altså forsøgsdyr.
Afprøvning af sporstoffet i forsøgsdyr
Før et nyt sporstof kan finde klinisk anvendelse hos mennesker, skal det først afprøves i forsøgsdyr. Det er nemlig et lovkrav, at der er ført proof-of-concept i forsøgsdyrene og tillige udført dosimetri forud for, at der kan opnås tilladelse til at afprøve det i frivillige forsøgspersoner. Her anvendes ofte mus, rotter og grise – undertiden flere dyrearter sideløbende. Gnaverne kræver kun små mængder af sporstoffet, og ofte er det muligt at indkøbe relevante transgene stammer af mus, som er egnede til afprøvningen. Eksempelvis mus, som mangler den receptor, som sporstoffet skal binde til, og som derved kan virke som en negativ kontrol. Grisene er derimod noget større, og dette kan være en fordel, når der skal udtages serier af blodprøver.
Blodprøver er både nødvendige for at forstå sporstoffets kinetik, og samtidigt kan de bruges til at måle, hvor hurtigt sporstoffet bliver nedbrudt i blodet eller omdannet til et andet molekyle (metabolit), således man også får et billede af metabolittens fordeling i kroppen. I grise kan der anlægges kateter i mange forskellige blodkar, og der kan sættes flowmålere på organernes blodkar, således værdifulde data for sporstoffets kinetik kan bestemmes. Det er også en fordel, at grisens organer er på nogenlunde samme størrelse som menneskets organer, hvorimod organerne hos mus og rotter selvsagt er ret små. Da PET-scanningen har en forholdsvis ringe rumlig opløsning på en-tre millimeter, vil man kunne se flere detaljer ved brug af grise, end hvis man scanner mus og rotter med deres langt mindre organer.
Den praktiske afprøvning i forsøgsdyr
Forsøgsdyrene er bedøvede under PET-scanningerne, som typisk kan tage fra seks minutter til to timer per scanning afhængig af sporstoffet og halveringstiden for dets isotop. Typisk vil man først foretage en simpel PET-scanning med sporstoffet hos et enkelt forsøgsdyr. Det vil give informationer om, hvorvidt sporstoffet overhovedet når frem til målorganet, som man ønsker at undersøge. Eksempelvis vil en stor del af sporstofferne ikke kunne passere blod-hjerne-barrieren og derfor ikke kunne anvendes til at undersøge hjernen. Sporstoffet kan også på sin vej i blodet blive nedbrudt af enzymer eller omdannet til molekyler med helt andre egenskaber. Hvis sporstoffet når frem til målorganet, kan scanningsbillederne give et første indtryk af, om de binder sig til de steder, hvor receptoren befinder sig. For lovende sporstoffer vil der herefter blive planlagt nye forsøg, hvor man vil forsøge at føre bevis for, at sporstoffet rent faktisk binder sig til den korrekte receptor eller struktur i kroppen.
Efter at have foretaget et baseline-scan med sporstoffet vil man typisk blokere receptoren med en antidot forud for en ny scanning med samme sporstof. Forventningen er her, at der vil være mindre specifik binding i andet scan, end der var i baseline-scannet, hvis ellers sporstoffet virker korrekt, for under andet scan konkurrerer sporstoffet jo med antidoten om bindingen. På tilsvarende vis foretages en helkropsscanning af en eller flere forsøgsdyr, således man kan udregne, om sporstoffet ophober sig i andre dele af kroppen end den, som man har fokus på. Det gør vi for at beregne, hvor stor en stråledosis hvert organ er blevet udsat for. Dette hedder dosimetri, og data bruges til at estimere stråledosis hos mennesker.
Sporstoffer kan testes i dyremodeller
Når et nyt sporstof skal bruges diagnostisk, kan det være nødvendigt først at teste det på en dyremodel for den pågældende sygdom, inden man kan gå videre til mennesker. Eksempelvis har forskere i Aalborg, København og Aarhus de senere år arbejdet på at udvikle nye sporstoffer til påvisning af osteomyelitis og andre skjulte infektioner i kroppen. Her har forsøgsdyrene, som oftest har været grise, men undertiden også mus, været inokuleret med bakteriestammer nogle dage forud for forsøgene. I den efterfølgende periode holdtes forsøgsdyrene under skærpet opsyn, hvor kliniske symptomer blev registreret, og hvor dyrene kunne behandles med smertestillende medicin, således dyrevelfærden blev sikret.
På selve scanningsdagen blev de bedøvede forsøgsdyr scannet med både velkendte sporstoffer og nye kandidater. Ved endt scanning blev de aflivede forsøgsdyr sendt til obduktion, som fungerede som en slags facitliste for antallet og placeringen af infektionerne. Derved var det muligt at sammenligne velkendte sporstoffer med nye kandidater for at afgøre, om de nye var bedre end de gamle. Foruden at kunne lokalisere infektionerne kunne nye sporstoffer også tænkes at give andre informationer om infektionerne – eksempelvis deres alder, og om de var under opheling.
Fra dyr til mennesker
Efter en række dyreforsøg ikke har kunnet påvise toksikologiske effekter, men samtidigt har kunnet frembringe et første bud på dosimetrien, er det tid til at ansøge om tilladelse til at afprøve sporstoffet i frivillige og raske forsøgspersoner, hvor de første forsøg i mennesker ofte vil være en simpel gentagelse af dyreforsøgene. Tilladelse til afprøvning på mennesker bliver givet af Lægemiddelstyrelsen efter godkendelse af en omfattende ansøgning, der indeholder de samlede data for sporstoffet (kemiske detaljer, toksicitet, syntese med mere), som man har udviklet. I disse første biodistributionsstudier laves en serie af helkropsbilleder, som funktion af tiden, hvorved man kan følge sporstoffets fordeling i kroppen. Man vurderer igen, om sporstoffet optages, som forventet, i de ønskede organer – der kunne jo være forskel på dyr og mennesker. Dosimetriberegningerne bliver nu baseret på data fra mennesker og giver derfor en endnu mere sikker bestemmelse af, hvor meget sporstof, som sikkert kan injiceres i mennesker. Der beregnes både absorberet dosis i enkelte organer samt en samlet effektiv dosis til forsøgspersonen.
For nogle sporstoffer kan dosis til enkeltorganer begrænse, hvor meget sporstof man må injicere i alt. Eksempelvis er der højstråledosis til galdeblæren med et radioaktivt galde-sporstof. Oftest er det dog den samlede effektive dosis til patienten, som begrænser, hvor meget sporstof der kan injiceres. Den effektive dosis måles i enheden Sievert og kan direkte relateres til risikoen for ved bestråling at inducere kræftsygdom, eller måske lettere forståeligt sammenlignes med den årlige baggrundsstråling (3 mSv), som vi alle udsættes for i Danmark. Typisk vil deltagelse i sundhedsvidenskabelige forsøg med radioaktive PET-sporstoffer blot medføre en minimal ekstra stråledosis svarende til nul-tre års baggrundsstråling.
Patientundersøgelser med nyt sporstof
Efter de første biodistributionsstudier, kan man nu gå videre til deciderede forsøg, hvor man eksempelvis påviser sporstoffets anvendelighed ved at sammenligne målinger foretaget på en population af syge mennesker med en tilsvarende population af raske frivillige. Ofte er der tale om en enkel måling, hvor man direkte på PET-billedet kan påvise ændret optagelse af sporstoffet i forbindelse med sygdom. Andre gange foretages der en analyse med matematiske modeller, som beskriver sporstoffets omsætning i kroppens væv. Den kinetiske analyse sammenholder tidsforløbet i væv målt med dynamisk PET-scanning med målinger af sporstoftilførslen i arterielt blod, og resultatet kan være fysiologiske parametre, såsom blodflow, optagelseshastigheder og fordelingsvolumener.
Lang, men vigtig vej
Forsøgsdyr er et nødvendigt springbræt fra idé til klinisk afprøvning af nye sporstoffer. Det er et langsommeligt arbejde at udvikle et nyt sporstof, men samtidig også helt afgørende for at få bedre indsigt i menneskers og dyrs fysiologi og patofysiologi. Nogle gange ender sporstofferne med at gøre god gavn i klinisk praksis til diagnosticering af sygdomme hos mennesker.
Artiklen er baseret på en mundtlig sektion om tracerudvikling holdt for Dansk Selskab for Klinisk Fysiologi og Nuklearmedicin af artiklens tre forfattere, den 14. september 2019 i Odeon i Odense.
