The specificity of antibodies have made immunoconjugates promising vectors for the delivery of radioisotopes to cancer cells; however, their long pharmacologic half-lives necessitate the use of radioisotopes with long physical half-lives, a combination that leads to high radiation doses to patients. Therefore, the development of targeting modalities that harness the advantages of antibodies without their pharmacokinetic limitations is desirable. To this end, we report the development of a methodology for pretargeted PET imaging based on the bioorthogonal Diels–Alder click reaction between tetrazine and transcyclooctene. Methods: A proof-of-concept system based on the A33 antibody, SW1222 colorectal cancer cells, and ⁶⁴Cu was used. The huA33 antibody was covalently modified with transcyclooctene, and a NOTA-modified tetrazine was synthesized and radiolabeled with ⁶⁴Cu. Pretargeted in vivo biodistribution and PET imaging experiments were performed with athymic nude mice bearing A33 antigen–expressing, SW1222 colorectal cancer xenografts. Results: The huA33 antibody was modified with transcyclooctene to produce a conjugate with high immunoreactivity, and the ⁶⁴Cu-NOTA–labeled tetrazine ligand was synthesized with greater than 99% purity and a specific activity of 9–10 MBq/μg. For in vivo experiments, mice bearing SW1222 xenografts were injected with transcyclooctene-modified A33; after allowing 24 h for accumulation of the antibody in the tumor, the mice were injected with ⁶⁴Cu-NOTA–labeled tetrazine for PET imaging and biodistribution experiments. At 12 h after injection, the retention of uptake in the tumor (4.1 ± 0.3 percent injected dose per gram), coupled with the fecal excretion of excess radioligand, produced images with high tumor-to-background ratios. PET imaging and biodistribution experiments performed using A33 directly labeled with either ⁶⁴Cu or ⁸⁹Zr revealed that although absolute tumor uptake was higher with the directly radiolabeled antibodies, the pretargeted system yielded comparable images and tumor-to-muscle ratios at 12 and 24 h after injection. Further, dosimetry calculations revealed that the ⁶⁴Cu pretargeting system resulted in only a fraction of the absorbed background dose of A33 directly labeled with ⁸⁹Zr (0.0124 mSv/MBq vs. 0.4162 mSv/MBq, respectively). Conclusion: The high quality of the images produced by this pretargeting approach, combined with the ability of the methodology to dramatically reduce nontarget radiation doses to patients, marks this system as a strong candidate for clinical translation.

Abstract VlsE ( v ariable major protein- l ike s equence, e xpressed) is an outer surface protein of the Lyme disease pathogen ( Borreliella species) and a key diagnostic biomarker of Lyme disease. However, the high sequence variability of VlsE poses a challenge to the development of consistent VlsE-based diagnostics and therapeutics. In addition, the standard diagnostic protocols detect immunoglobins elicited by the Lyme pathogen, not the presence of pathogen or its derived antigens. Here we describe the development of recombinant monoclonal antibodies (rMAbs) that bind specifically to conserved epitopes on VlsE. We first quantified amino-acid sequence variability encoded by the vls genes from thirteen B. burgdorferi genomes by evolutionary analyses. We showed broad inconsistencies of the sequence phylogeny with the genome phylogeny, indicating rapid gene duplications, losses, and recombination at the vls locus. To identify conserved epitopes, we synthesized peptides representing five long conserved invariant regions (IRs) on VlsE. We tested the antigenicity of these five IR peptides using sera from three mammalian host species including human patients, the natural reservoir white-footed mouse ( Peromyscus leucopus ), and VlsE-immunized New Zealand rabbits ( Oryctolagus cuniculus ). The IR4 and IR6 peptides emerged as the most antigenic and reacted strongly with both the human and rabbit sera, while all IR peptides reacted poorly with sera from natural hosts. Four rMAbs binding specifically to the IR4 and IR6 peptides were identified, cloned, and purified. Given their specific recognition of the conserved epitopes on VlsE, these IR-specific rMAbs are promising diagnostic and theragnostic agents for direct detection of Lyme disease pathogens regardless of strain heterogeneity.

Glioblastoma multiforme is a highly aggressive form of brain cancer whose location, tendency to infiltrate healthy surrounding tissue, and heterogeneity significantly limit survival, with scant progress having been made in recent decades. 123I-MAPi (Iodine-123 Meitner-Auger PARP1 inhibitor) is a precise therapeutic tool composed of a PARP1 inhibitor radiolabeled with an Auger- and gamma-emitting iodine isotope. Here, the PARP inhibitor, which binds to the DNA repair enzyme PARP1, specifically targets cancer cells, sparing healthy tissue, and carries a radioactive payload within reach of the cancer cells' DNA. The high relative biological efficacy of Auger electrons within their short range of action is leveraged to inflict DNA damage and cell death with high precision. The gamma ray emission of 123I-MAPi allows for the imaging of tumor progression and therapy response, and for patient dosimetry calculation. Here we demonstrated the efficacy and specificity of this small molecule radiotheranostic in a complex preclinical model. In vitro and in vivo studies demonstrate high tumor uptake and a prolonged survival in mice treated with 123I-MAPi when compared to vehicle controls. Different methods of drug delivery were investigated to develop this technology for clinical applications, including convection enhanced delivery (CED) and intrathecal injection. Taken together, these results represent the first full characterization of an Auger-emitting PARP inhibitor, demonstrate a survival benefit in mouse models of GBM, and confirm the high potential of 123I-MAPi for clinical translation.