Abstract For the past several decades, chimeric antigen receptor T cell (CAR T) therapies have shown promise in the treatment of cancers. These treatments would greatly benefit from companion imaging biomarkers to follow the trafficking of T cells in vivo . Using synthetic biology, we engineered T cells with a chimeric receptor SyNthetic Intramembrane Proteolysis Receptor (SNIPR) that induces overexpression of an exogenous reporter gene cassette upon recognition of specific tumor markers. We then applied a SNIPR-based positron emission tomography (PET) reporter system to two cancer-relevant antigens, human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) and epidermal growth factor receptor variant III (EGFRvIII), commonly expressed in breast and glial tumors respectively. Antigen-specific reporter induction of the SNIPR-PET T cells was confirmed in vitro using GFP fluorescence, luciferase luminescence, and the HSV-TK PET reporter with [ 18 F]FHBG. T cells associated with their target antigens were successfully imaged using PET in dual xenograft HER2+/HER2- and EGFRvIII+/EGFRvIII-animal models, with > 10-fold higher [ 18 F]FHBG signals seen in antigen-expressing tumors versus the corresponding controls. The main innovation described is therefore PET detection of T cells via specific antigen-induced signals, in contrast to reporter systems relying on constitutive gene expression.

Chemoenzymatic techniques have been applied extensively to pharmaceutical development, most effectively when routine synthetic methods fail. The regioselective and stereoselective construction of structurally complex glycans is an elegant application of this approach, that is seldom applied to positron emission tomography (PET) tracers. We sought a method to dimerize 2-deoxy-[ 18 F]-fluoro-D-glucose ([ 18 F]FDG), the most common tracer used in clinical imaging, to form [ 18 F]-labeled disaccharides for detecting microorganisms in vivo based on their bacteria-specific glycan incorporation. When [ 18 F]FDG was reacted with β-D-glucose-1-phosphate in the presence of maltose phosphorylase, both the α-1,4 and α-1,3-linked products 2-deoxy-[ 18 F]-fluoro-maltose ([ 18 F]FDM) and 2-deoxy-2-[ 18 F]-fluoro-sakebiose ([ 18 F]FSK) were obtained. This method was further extended with the use of trehalose (α,α-1,1), laminaribiose (β-1,3), and cellobiose (β-1,4) phosphorylases to synthesize 2-deoxy-2-[ 18 F]fluoro-trehalose ([ 18 F]FDT), 2-deoxy-2-[ 18 F]fluoro-laminaribiose ([ 18 F]FDL), and 2-deoxy-2-[ 18 F]fluoro-cellobiose ([ 18 F]FDC). We subsequently tested [ 18 F]FDM and [ 18 F]FSK in vitro, showing accumulation by several clinically relevant pathogens including Staphylococcus aureus and Acinetobacter baumannii, and demonstrated their specific uptake in vivo. The lead sakebiose-derived tracer [ 18 F]FSK was stable in human serum and showed high uptake in preclinical models of myositis and vertebral discitis-osteomyelitis. Both the synthetic ease, and high sensitivity of [ 18 F]FSK to S. aureus including methicillin-resistant (MRSA) strains strongly justify clinical translation of this tracer to infected patients. Furthermore, this work suggests that chemoenzymatic radiosyntheses of complex [ 18 F]FDG-derived oligomers will afford a wide array of PET radiotracers for infectious and oncologic applications.

Understanding how the host immune system engages complex pathogens is essential to developing therapeutic strategies to overcome their virulence. While granzymes are well understood to trigger apoptosis in infected host cells or bacteria, less is known about how the immune system mobilizes individual granzyme species in vivo to combat diverse pathogens. Toward the goal of studying individual granzyme function directly in vivo, we previously developed a new class of radiopharmaceuticals termed "restricted interaction peptides (RIPs)" that detect biochemically active endoproteases using positron emission tomography (PET). In this study, we showed that secreted granzyme B proteolysis in response to diverse viral and bacterial pathogens could be imaged with [64Cu]Cu-GRIP B, a RIP that specifically targets granzyme B. Wild-type or germline granzyme B knockout mice were instilled intranasally with the A/PR/8/34 H1N1 influenza A strain to generate pneumonia, and granzyme B production within the lungs was measured using [64Cu]Cu-GRIP B PET/CT. Murine myositis models of acute bacterial (E. coli, P. aeruginosa, K. pneumoniae, and L. monocytogenes) infection were also developed and imaged using [64Cu]Cu-GRIP B. In all cases, the mice were studied in vivo using mPET/CT and ex vivo via tissue-harvesting, gamma counting, and immunohistochemistry. [64Cu]Cu-GRIP B uptake was significantly higher in the lungs of wild-type mice that received A/PR/8/34 H1N1 influenza A strain compared to mice that received sham or granzyme B knockout mice that received either treatment. In wild-type mice, [64Cu]Cu-GRIP B uptake was significantly higher in the infected triceps muscle versus normal muscle and the contralateral triceps inoculated with heat killed bacteria. In granzyme B knockout mice, [64Cu]Cu-GRIP B uptake above the background was not observed in the infected triceps muscle. Interestingly, live L. monocytogenes did not induce detectable granzyme B on PET, despite prior in vitro data, suggesting a role for granzyme B in suppressing their pathogenicity. In summary, these data show that the granzyme response elicited by diverse human pathogens can be imaged using PET. These results and data generated via additional RIPs specific for other granzyme proteases will allow for a deeper mechanistic study analysis of their complex in vivo biology.