Clinically Validated/Tested and Commercially Available Radiopharmaceuticals

In document University of Groningen Positron emission tomography in infections associated with immune dysfunction Ankrah, Alfred (Page 36-44)

[18F]FDG

During infection, the human body responds with the migration and activation of immune cells to the  site of infection. These activated immune cells markedly increase their glucose uptake. The glucose  transporters on the membrane of immune cells transport [18F]FDG, a glucose analog into the cell. Once  [18F]FDG is inside the immune cell it is phosphorylated like glucose but is unable to continue along the  biochemical pathway for glucose utilization and remains trapped in the immune cell. In addition to  this,  some  microorganisms  like  bacteria  have  been  found  to  contribute  to  the  [18F]FDG  signal  by  actively taking up [18F]FDG [6]. Compared to other methods used in infection imaging, the process of  imaging  with  FDG  is  relatively  fast  with  the  study  complete  within  a  few  hours.  Unlike  white  cell  labeling, [18F]FDG does not require direct handling of blood and laborious labeling procedures. [18F]FDG  can be used in patients with neutropenia where anatomical‐based imaging modalities or white cell  imaging  may  be  less  helpful.  [18F]FDG  has  some  limitations  including  its  non‐specificity  that  is  particularly a problem in the early postoperative period when inflammation at the site of operation  limits  the  ability  of  [18F]FDG  to  detect  infection.  [18F]FDG  does  not  image  the  microorganism  themselves but rather the downstream immune activation. Table 1 summarizes the targets of the  radiopharmaceuticals used in infection. 

              

3

Tracers used in PET imaging of infection

Table 1: Biological process and target of currently available or potential PET tracers

Process Target Tracer example Stage

Activated immune cells Energy consumption [18F]FDG Clinical

Infiltration of leucocytes Radiolabeled white blood cells Clinical

Host defense Iron availability [68Ga]citrate Clinical

Iron scavenging [68Ga]siderophores Preclinical

Immune response Antimicrobial peptides Ubiquicidine peptides Clinical Bacterial cell wall Cell wall synthesis inhibition No PET tracers Preclinical

Bacterial biosynthesis Folic acid synthesis inhibition [18F]trimethoprim Preclinical

Protein synthesis inhibition [68Ga]puromycin Preclinical

RNA synthesis inhibition [11C]rifampicin Preclinical

DNA synthesis inhibition [68Ga]ciprofloxacin Preclinical Host defense Bacterial antigens 64Cu and 89Zr-radiolabeled

Antibodies Preclinical

Bacterial metabolism Carbohydrate metabolism [18F]carbohydrates Preclinical Various other processes [18F]FLT, PET-amino acids, etc. Preclinical

[18F]FDG and Different Microorganisms

[18F]FDG‐PET has been used in the evaluation of different microorganisms. For viruses, [18F]FDG has  been  used  to  stage  the  infection  and  assess  HIV‐associated  infections  and  malignancies  [1,  7].  In  bacterial imaging, [18F]FDG has been used to determine the site of infection when the site of infection  is unknown or stage infection to determine the location of undiagnosed disease. In bacterial infections  that  require  prolonged  treatment  like  tuberculosis,  [18F]FDG  is  useful  in  monitoring  treatment  of  infection (Fig. 1) [8]. In fungal infections, [18F]FDG can be used to help diagnosis and guide therapy in  a wide array of fungal infections [3, 9]. For parasitic infections, [18F]FDG has been used in the follow‐

up of treatment for alveolar echinococcosis [2]. 

  Figure 1  

18F‐FDG‐PET/CT scan before anti‐TB treatment and 2 months after initiation of treatment for  interim assessment of treatment response. 

(a) Maximum intensity projection (MIP) image before treatment (PET images only), showing  extensive  disease:  pulmonary,  cervical,  axillary,  mediastinal,  abdominal,  pelvic  and  inguinal  lymph nodes, hepatic and skeletal metastasis to the lumbar spine and right humerus.  

(b) MIP image after 2 months of anti‐TB treatment (PET images only): complete meta‐  bolic  response of the pulmonary and right humeral lesions and the pelvic and inguinal lymph nodes. 

Good metabolic response in the mediastinal, cervical, and axillary nodes. Active disease is still  present in the lumber spine with progression of the hepatic lesions.  

(c)  Transverse  scans  showing  axillary  nodes  before  treatment  (PET  and  integrated  PET/CT  images). 

 (d) Transverse scans showing response of axillary nodes after 2 month of anti‐TB therapy; nodal  uptake diminished but still present 

  

36 37

3

Chapter Three

FDG Imaging of Some Site‐Specific Infections Which Have Been Validated Osteomyelitis 

[18F]FDG is useful in the diagnosis of osteomyelitis, especially chronic osteomyelitis. A meta‐analysis  found  the  sensitivity  and  specificity  of  [18F]FDG‐PET  in  chronic  osteomyelitis  to  be  96%  and  91%,  respectively [10]. [18F]FDG‐PET is particularly useful in multi‐focal osteomyelitis. 

Spondylodiscitis

[18F]FDG is used for imaging spondylodiscitis where other imaging modalities may be suboptimal [11–

13].  Differentiating  degenerative  disease  from  infection  is  particularly  challenging,  and  [18F]FDG‐

PET/CT is very useful for this purpose [12]. A meta‐analysis found the pooled sensitivity and specificity  of [18F]FDG‐PET/CT in spondylodiscitis to be 97% and 88% [14]. 

 

Diabetic Foot

FDG‐PET  is  useful  in  diagnosing  pedal  osteomyelitis.  One  study  found  PET/CT  had  sensitivity  and  specificity of 81% and 93% in the diagnosis of pedal osteomyelitis in the diabetic foot [15]. 

 

Hip and Knee Prosthesis

[18F]FDG‐PET has been used in the evaluation of infected prosthesis of the hip and knee joints. Several  studies found [18F]FDG‐PET useful and also established interpretation criteria [16–20]. A meta‐analysis  of the diagnosis of infected knee and ankle prosthesis by [18F]FDG‐PET found a pooled sensitivity of  87% and specificity of 87% [21]. 

 

Infected Vascular Graft

Some studies have evaluated the role of [18F]FDG‐PET in the evaluation of infected vascular graft. The  sensitivity, specificity, and accuracy of [18F]FDG‐PET in the diagnosis of infected vascular graft were  100%, 86%, and 97%%, respectively [22]. 

 

Infective Endocarditis

[18F]FDG‐PET/CT is used in the evaluation of infected prosthetic heart valves and is recommended by  major  international  guidelines  [23].  The  sensitivity  and  specificity  of  [18F]FDG‐PET/CT  in  prosthetic  heart  valves  was  found  to  be  71%  and  95%,  respectively,  after  confounders  were  removed  the  sensitivity and specificity improved to 91% and 95% [24]. [18F]FDG‐PET/CT is not recommended in the  assessment of native valve infective endocarditis; however, it is useful in detecting septic emboli from  native valve endocarditis. 

 

Cardiac Implantable Electronic Device Infectionss

[18F]FDG‐PET/CT  is  a  useful  additive  tool  in  patients  with  suspected  cardiac  implantable  electronic  device infections [25]. A meta‐analysis found [18F]FDG‐PET had a pooled sensitivity and specificity of  87% and 94% for infected implantable cardiac devices [26]. 

 Labeled White Blood Cells

During  infection,  chemotactic  agents  attract  leucocytes  to  the  site  of  infection.  Radiolabeled  WBC  provides  a  means  of  imaging  infection.  Leucocytes  have  been  labeled  with  [18F]FDG  [27,  28].  The  sensitivity and specificity per lesion were found to be 91% and 85%, respectively, and 86% for both  sensitivity and specificity per patient [27]. The labeling efficiency of [18F]FDG labeled white cells are  lower than SPECT‐based tracers, and the short half‐life of 18F is not ideal for delayed imaging which is  essential for the diagnosis of infection by labeled WBCs. Leucocytes have also been labeled with 64Cu 

3

Tracers used in PET imaging of infection

because the long half‐life of 64Cu would permit delayed imaging to distinguish infection. The labeling  efficiency and viability of the labeled leucocytes were higher than 111In‐labeled leucocyte. However,  there was higher leakage from 64Cu compared to SPECT‐based labeled leucocytes [29]. The radiation  exposure to the long‐lived lymphocytes from PET‐based radioisotope is a concern [30]. 

[68Ga]Citrate

[68Ga]citrate has been used to image osteomyelitis, tuberculosis, and soft‐tissue infections in human  studies [31–33]. Iron is utilized by both mammals and microorganism for their metabolism. Gallium  mimics iron, and in infection, the uptake of gallium is due to transferrin‐dependent and independent  mechanisms.  [68Ga]citrate  like  [18F]FDG  lacks  specificity  and  accumulates  in  sterile  inflammatory  process or malignancy [34]. The ease of preparation of the radiopharmaceutical and the availability of  good manufacturing practice 68Ga‐generators makes the use of [68Ga]citrate appealing. The sensitivity  and specificity for osteomyelitis was 100% and 76%, respectively. Larger studies with [68Ga]citrate are  required to validate its use in various clinical scenarios. 

Peptides

AMPs are peptides produced by the immune system of the host against microorganisms. They have  low toxicity and have activity against a wide range of microorganisms. Several AMPs have been labeled  for imaging infection. For PET imaging, ubiquicidin fragments have been most widely investigated. 

Ubiquicidin (UBI) Fragments

UBI, a 51 amino acid peptide that binds negatively charged moieties in the cell wall of bacteria has  shown promising results for imaging infection. Several fragments of UBI have been labeled with 68Ga  and 18F and tested in different animal models [35–39]. The [68Ga]UBI fragments were able to distinguish  infection and inflammation and had good localization of infection (Fig.2) [36]. [68Ga]UBI fragments  (UBI29‐41 and UBI31‐38) have been used in humans with promising results [36, 37]. The UBI29‐41  fragment was labeled with 18F but did not have as much success in imaging infection as the 68Ga‐labeled  counterpart due to significant defluorination and the lack of specific binding to Staphylococcus aureus  in vivo. Larger studies with [68Ga]UBI would be necessary to validate the use of the tracer in different  clinical situations. 

  Figure 2

PET/CT images of healthy mouse (a), mouse with sterile inflammation (b), and mouse infected with S. aureus (c). Images were acquired 2 h after injection of 68 Ga-NOTA-UBI-29-41 (1, coronal; 2, sagittal;

and 3, axial). Images correspond to frame 2 of 4. Arrows indicate inflamed or infected muscle (Mónica Vilche et al. J Nucl Med 2016; 57:622–627.)     

  

38 39

3

Chapter Three

Experimental Radiopharmaceuticals

Peptides

Depsipeptide Derivative

A depsipeptide derivative was labeled with 68Ga by DOTA chelation and was used for in vivo evaluation  of Escherichia coli in a mouse model and Staphylococcus aureus and Mycobacterium tuberculosis in a  rabbit model [40, 41]. The tracer detected these infections but was not able to differentiate infection‐

associated inflammation from bacteremia. 

K‐A9 Peptide

K‐A9 is a peptide that binds to Staphylococcus aureus that was selected and proposed as an imaging  peptide  [42].  The  peptide  was  radiolabeled  with 68Ga  but  was  not  found  to  be  selective  towards  infection  probably  due  to  some  factors  including  vascular  leakiness,  hyperemia,  and  the  peptide‐

binding epitopes in dead bacteria [43]. 

 

Antibiotics and other antimicrobials  

Antibiotics have been used extensively with SPECT tracers. A few have also been labeled with PET  radionuclides. 

 

Ciprofloxacin

Radiolabeled ciprofloxacin is one of the earliest antibiotics used in imaging infections. The antibiotic or  its conjugates have been labeled with 68Ga and 18F [44, 45]. [68Ga]ciprofloxacin conjugates were labeled  by  bifunctional  DOTA  and  NOTA  chelators  [44].  The  [68Ga]ciprofloxacin  conjugates  (Fig.  3)  could  discriminate between Staphylococcus aureus infected sites in rat muscle from inflammation. These  tracers are yet to be tested in the clinic. Ciprofloxacin was also labeled by nucleophilic 18F‐fluorination. 

However, the radioactivity was not retained in the infected tissue, and the clearance from infected  tissue was similar to non‐infected tissue [45]. 

 

Trimethoprim

Trimethoprim  inhibits  the  synthesis  of  the  nucleic  acid  thymidine  in  bacteria  by  inhibiting  tetrahydrofolic  acid.  Trimethoprim  has  been  labeled  with 18F  by  nucleophilic  fluorination  and  was  found to show a very high uptake (>100‐fold) in live bacteria but not in other pathologies such as cancer  or sterile inflammation in a mouse model. The biodistribution of this tracer has been determined in a  nonhuman primate but no human studies have been carried out [46]. 

 

Puromycin

Puromycin is an antibiotic that interrupts bacteria protein synthesis by terminating the translation of  ribosomes. Puromycin has been labeled with 68Ga by DOTA chelation and showed promising results  for uptake in Staphylococcus aureus foci compared to sterile inflammation [47]. Puromycin has also  been labeled with 18F for imaging protein synthesis [48]. This labeled antibiotic has not yet been tested  for infection imaging. 

 

3

Tracers used in PET imaging of infection

Rifampicin

The  anti‐mycobacterial  agent  rifampicin  was  radiolabeled  with 11C.  The  SPECT  equivalent  of  this  radiolabeled antibiotic was evaluated as a tuberculosis imaging agent. The 11C‐labeled antibiotic was  used to determine the distribution of the agent but may play a role in imaging the infection. The short  half‐life of 11C however may limit its clinical application [49]. 

 

Isoniazid

The anti‐mycobacterial drug isoniazid was radiolabeled with 18F by nucleophilic substitution [50]. The  tracer was used to image mice infected with Mycobacterium tuberculosis and the tracer showed good  uptake at infected sites. This tracer is yet to be translated to human studies. 

 Pyrazinamide

Pyrazinamide, an anti‐mycobacterial agent, was labeled with 18F by a fluoride exchange reaction. The  biodistribution of the 5‐[18F]pyrazinamide compound was assessed. The pyrazinamide analog did not  show significant differences in infected tissue and uninfected mice model of tuberculosis. There was  rapid  and  extensive  defluorination  of  [18F]pyrazinamide.  As  a  result  of  this,  the  fluorine  analog  of  pyrazinamide may be limited as an infection imaging agent [51]. 

 

Fluconazole

Fluconazole an antifungal agent has been radiolabeled with 99mTc and was found to be an excellent  tracer for detecting Candida albicans in mice [52]. The agent was also labeled with 18F. The PET tracer,  however, may not be as successful in imaging candida infections as there was intense hepatic uptake  due to the excretion of the [18F]fluconazole [53]. 

 

Antibody Labeling

Antibodies Against Gram‐Negative Bacteria

Polyclonal antibodies against the outer membrane protein of Yersinia enterocolitica, adhesion A, were  labeled with 64Cu. The radiolabeling was achieved by chelation with 1,4,7‐triazacyclononane,1‐glutaric  acid‐4,7‐acetic acid (NODAGA). The 64Cu‐labeled antibody was taken up in infected tissues in a dose‐

dependent manner. The 64Cu‐labeled antibody was able to detect infection in spleens of mice with low  dose infection in contrast to FDG [54]. 

 

Antibodies Against Gram‐Positive Bacteria

Gram‐positive bacteria surface molecule lipoteichoic acid (LTA) was imaged with the anti‐LTA antibody  SAC55 labeled with 89Zr after its conjugation with bifunctional chelate, p‐SCN‐Bn‐DFO. The tracer was  tested in a mouse model of prosthetic joint infection and was able to distinguish infection prosthetic  joints from inflammation non‐infected joint. The findings are yet to be translated to humans [55]. 

 

Antibody Against Simian Immunodeficiency Virus Envelope Protein

A monoclonal antibody against the glycoprotein Gp120 on the surface of Simian immunodeficiency  virus  has  been  labeled  with 64Cu.  The  radiolabeling  method  was  DOTA  chelation  of  the  modified  antibody. The tracer was used to provide the location and quantification of in vivo viral replication in  a nonhuman primate [56]. 

 

Aspergillus Fumigatus‐Specific Monoclonal Antibody JF5

The JF5 monoclonal antibody binds to an extracellular mannoprotein of Aspergillus fumigatus that is  produced during growth of the fungi. The JF5 monoclonal antibody was radiolabeled with 64Cu by 

40 41

3

Chapter Three

chelating with DOTA. The tracer was tested in a neutrophil‐depleted mouse model of invasive fungal  infection. The tracer was able to distinguish the growth phase of Aspergillus fumigatus from other  pathology including infection with other microorganisms [57]. 

  

Imaging Targeted Molecules or Metabolism Specific to Microorganisms Siderophores

Siderophores are proteins used by microorganisms to scavenge iron in their micro‐environment. 68Ga‐

labeled siderophores have been used for imaging invasive pulmonary aspergillosis in an animal model. 

Two compounds triacetylfusarinine and ferrioxamine E were radiolabeled using the direct method. The 

68Ga‐labeled siderophores showed high sensitivity and selectivity for rat lungs infected with Aspergillus  fumigatus [58, 59]. 

 Carbohydrate Metabolism  

Maltodextrins: Maltohexose was labeled with 18F by nucleophilic substitution. [18F]fluoromaltohexose  is transported into the bacteria by a maltodextrin transporter which is unique to bacteria making it a  promising agent. In an in vivo study involving a rat model of an implantable cardiac device, the tracer  was found to be specific and sensitive for the detection of Staphylococcus aureus [60]. The tracer had  earlier been shown to be sensitive and specific for the detection of Escherichia coli in in vitro studies  [61]. The tracer was found to accumulate in as few as 105 colony forming units [62]. 

 Maltotriose: Maltotriose is also utilized by bacteria but not mammalian cells. 6‐[18F]fluoromaltotriose  was radiolabeled by nucleophilic 18F‐fluorination. In preliminary in vivo studies in mice, the tracer was  specifically taken up by viable Escherichia coli but not in sterile inflammation [63]. 

 

Sorbitol:  Sorbitol  is  a  substrate  for  Gram‐negative  bacteria,  Enterobacteriaceae.  The  tracer  [18F]fluorosorbitol ([18F]FDS). The tracer which can easily be synthesized from [18F]FDG (Fig. 4) was  found to be promising as a bacteria‐specific imaging agent some studies. [18F]FDS was found to be a  better  biomarker  than  [18F]FDG,  in  tracking  bacterial  lung  infection  using  a  mouse  model  [64].  In  another  study,  [18F]FDS  was  found  to  accumulate  in  susceptible  and  carbapenem‐resistant  drug  isolates [65]. [18F]FDS was evaluated in humans for safety and no adverseeffects were observed 24 h  after  administration  of  the  tracer  [66].  [18F]FDS  was  able  to  detect  Enterobacteraceae  in  mixed  infections, brain infections, and mice undergoing chemotherapy [67]. 

 

       

Figure 3: Chemical structure of [68Ga]‐Bz‐SCN‐ciprofloxacin  Figure 4: Synthesis of [18F]FDS from clinical grade [18F]FDG  via a reduction step 

 

[18F]Fluorodeoxyglucose‐phosphate (FDG‐P):  Bacteria  can  utilize  FDG‐P  using  universal  hexose  phosphate transporters which are not present in mammalian cells. Unlike FDS which targeted only 

3

Tracers used in PET imaging of infection

Gram‐negative bacteria, it was hoped that FDG‐P would be useful in imaging Gram‐positive bacteria  with  high  sensitivity  and  bacteria  selectivity.  FDG‐P  uptake  was  higher  in  Staphylococcal‐infected  catheter implants in mice compared to uninfected implants [68]. 

 

D‐mannitol: The ability of some bacteria to utilize d‐mannitol as a source of energy has been exploited  for potential bacterial imaging. The sugar was radiolabeled with 18F. The radiolabeled d‐mannitol was  rapidly taken up by Gram‐positive and Gram‐negative bacteria in a myositis model in mice. The tracer  was taken up by both susceptible and resistant microorganisms [65]. 

 

Fluoroacetamide‐d‐glycopyranose (FAG):  Amino  sugars  are  important  components  of  the  bacterial cell wall. This makes them a good target for imaging bacteria. An analog of an amino sugar  was radiolabeled by microwave irradiation to [18F] FAG. The radiolabeled tracer was able to distinguish  infection with Escherichia coli and sterile inflammation in an animal model [69]. 

 

Trehalose analogs: Trehalose is a disaccharide sugar that is used by plants and microorganism for  some functions like stress protection and energy storage. A modified 18F‐labeled analog of trehalose  has been produced by the chemoenzymatic conversion of [18F]FDG. The 18F‐labeled analog of trehalose  was shown to be metabolized by Mycobacterium smegmatis but not mammalian cell in cellular uptake  experiments. There are no clinical studies available [70]. 

 

Other Metabolites Fialuridine (FIAU)

Fialuridine  is  a  nucleoside  analog  that  is  a  building  block  of  the  nucleic  acid  of  microorganisms. 

Fialuridine is phosphorylated by thymidine kinase and remains trapped in the microorganism allowing  imaging is tagged with a radioisotope. FIAU has been radiolabeled with 18F and 124I [68, 71, 72]. The  [18F]FIAU was radiolabeled by nucleophilic substitution. The synthesis of [18F]FIAU is more complex and  achieves lower yields than [124I]FIAU. When [124I]FIAU was used in the evaluation of prosthetic joint  prosthesis the image quality and specificity was low [73]. 

 

Para‐Aminobenzoic acid (PABA)

PABA is utilized by bacteria in the synthesis of folate. In mammals, folate is obtained from the diet and  mammals cannot utilize PABA. This makes PABA a good target to image infection. PABA has been  labeled with 11C and 18F [74, 75]. In an animal model, the [11C]PABA was able to distinguish between  infection and sterile inflammation. The [18F]PABA was tested in an animal model where it was found  to be useful in imaging Staphylococcus aureus infection. 

D‐Methionine

D‐Methionine was labeled with 11C and successfully used to image bacteria. D‐amino acids are used  solely  by  bacteria  for  building  their  cell  walls.  The  [11C]  methionine  rapidly  accumulated  in  Gram‐

positive and Gram‐negative bacteria. No human study has been done on this PET tracer [76]. 

 

Prothrombin

Some  Staphylococcus  sp.  produce  staphylocoagulase  which  help  bacteria  evade  detection  by  the  immune system of their host by covering their antigen with clotted blood from the host. An analog of  prothrombin  was  labeled  with 64Cu  by  chelation  with  DOTA.  This  enabled  the  detection  of  Staphylococcus sp.‐induced endocarditis in mice [77]. 

42 43

3

Chapter Three

 

Transferrin

Transferrin  is  a  protein  involved  in  the  transport  of  iron.  Transferrin  was  labeled  with 68Ga  as  [68Ga]apotransferrin. The tracer was found to be able to detect Staphylococcus aureus infection in a  rat model within an hour of injection [78]. 

 Nonspecific Tracers Used in Infection to Discriminate Infection from Malignancy

[18F]fluorothymidine ([18F]FLT)

Synthesis  of  DNA  can  be  imaged  by  [18F]FLT.  During  an  infection,  microorganisms  are  constantly  growing with actively synthesizing nucleic acids. The growth of Staphylococcus aureus in rabbit was  imaged using [18F]FLT. However, nucleic acid formation is not limited to bacteria growth and makes  the  tracer  just  as  nonspecific  as  [18F]FDG  [79,  80].  In  another  study  using  a  model  with  Yersinia  enterocolitica, [18F]FLT was not useful in assessing bacterial proliferation [81]. 

Other clinically available PET tracers have been used in the evaluation of different aspects a particular  infection.  In  tuberculosis,  for  example,  [18F]NaF  used  to  evaluate  calcification  of  tuberculous  granulomas  in  mice,  the  complex  lipid  covering  was  evaluated  by  [11C]choline  or  [18F]fluoroethylcholine. The use of these tracers is limited to the pathology of a particular infection and  lacked specificity for the infection [8]. 

Other clinically available PET tracers have been used in the evaluation of different aspects a particular  infection.  In  tuberculosis,  for  example,  [18F]NaF  used  to  evaluate  calcification  of  tuberculous  granulomas  in  mice,  the  complex  lipid  covering  was  evaluated  by  [11C]choline  or  [18F]fluoroethylcholine. The use of these tracers is limited to the pathology of a particular infection and  lacked specificity for the infection [8]. 

In document University of Groningen Positron emission tomography in infections associated with immune dysfunction Ankrah, Alfred (Page 36-44)