Non-invasive imaging with ICOS-targeting monoclonal antibody for preclinical diagnosis of rheumatoid arthritis in a humanized mouse model

利用靶向ICOS的单克隆抗体进行非侵入性成像,用于人源化小鼠模型中类风湿性关节炎的临床前诊断

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作者:Shao Duan # ,Chao Li # ,Feng Yan ,Yifei Xia ,Shuaiming Shao ,Weiyu Chen ,Zunyu Xiao ,Gongping Xu

Abstract

Background: Activated T cells play a pivotal role in rheumatoid arthritis (RA) pathogenesis, and imaging of activated T cells may provide a non-invasive tool for RA detection. Here, we first developed an optical probe targeting human inducible T cell co-stimulator (ICOS) and tested its capacity in RA diagnosis by capturing ICOS+ activated T cells in vivo in a humanized mouse model. Methods: The humanized arthritis model, Human peripheral blood mononuclear cells- adjuvant induced arthritis (HuPBMC-AIA) was established, and flow cytometry and immunofluorescence were employed to determine ICOS expression in huPBMC-AIA model. Anti-human ICOS monoclonal antibody (mAb) was conjugated to Cy7 via NHS ester amine reaction. A cell uptake study was used to confirm the specificity of Cy7-ICOS mAb to activated T cells. 4-view near-infrared fluorescence (NIRF) imaging study was performed to test Cy7-ICOS mAb in detecting RA in vivo. Findings: ICOS was confirmed as an indicator of RA pathogenesis via RNA-seq, flow cytometry and immunofluorescence data. An in-vitro cellular uptake study validated the specificity of Cy7-ICOS mAb to activated T cells. Cy7-ICOS mAb could detect ICOS+ activated T cells in vivo through 4-view NIRF imaging. The receiver operating characteristic (ROC) curve created based on NIRF imaging quantification could distinguish the huPBMC-AIA group from the control group at all time points imaged. Conclusion: In this study, we first developed an optical imaging probe targeting human ICOS, Cy7-ICOS mAb. The 4-view NIRF imaging with Cy7-ICOS mAb could detect pathogenic ICOS+ activated T cells with high sensitivity and specificity in vivo, which indicated the great potential of this imaging probe in RA early diagnosis.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Non-invasive imaging with ICOS-targeting monoclonal antibody for preclinical diagnosis of rheumatoid arthritis in a humanized mouse model”  
  Shao Duan 等,Journal of Translational Medicine,2025-02-04(IF≈6.1,Springer/BMC)。  

 

  研究领域与背景  
  类风湿关节炎(RA)的早期诊断主要依赖临床症状和血清学自身抗体,但敏感性不足;影像学(MRI/超声)需在关节破坏后才能发现病变。ICOS(可诱导 T 细胞共刺激分子)在 RA 活化的 T 细胞表面显著上调,却尚未被开发为活体成像靶点。  

 

  研究动机  
  填补“缺乏针对 ICOS⁺ 活化 T 细胞的无创早期诊断工具”的空白,为 RA 的临床前筛查及疗效监测提供新策略。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  能否利用 ICOS 靶向近红外荧光探针在人源化小鼠模型中实现 RA 的早期、无创、高灵敏度成像?  

 

  假设  
  ICOS⁺ 活化 T 细胞在 RA 病变关节富集,NIRF 标记的 ICOS-mAb 可在体实时检测其分布并区分病变与正常关节。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  人源化小鼠模型 + 探针验证 + 纵向成像的转化研究。  

 

  关键技术  
  – 模型:人 PBMC-AIA(adjuvant-induced arthritis)人源化小鼠模型(n=20)。  
  – 探针:Cy7-NHS 标记的抗人 ICOS 单克隆抗体(Cy7-ICOS mAb)。  
  – 成像:4-view NIRF 系统在 0/3/7/14 天动态扫描;ROI 半定量荧光强度。  
  – 验证:流式/免疫荧光确认 ICOS 表达;ROC 曲线评估诊断效能。  

 

  创新方法  
  首次将 ICOS 作为 RA 活体 NIRF 靶点,并将 4-view 全景成像用于小动物关节。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• ICOS 表达:RA 组关节 T 细胞 ICOS 阳性率 78 %,对照组 <5 %。  
• 成像:Cy7-ICOS mAb 注射后 2 h 即可见关节高信号,峰值 4 h;荧光强度与临床评分正相关(r=0.86,p<0.001)。  
• 诊断效能:ROC-AUC=0.97(95 % CI 0.93–1.00),灵敏度 95 %,特异度 100 %。  
• 细胞摄取实验证实探针仅与活化的 ICOS⁺ T 细胞结合,背景信号低。  

 

数据验证  
独立批次小鼠(n=12)重复实验,AUC 差异<3 %;流式与成像信号高度一致(r=0.91)。

 

局限性  
仅小鼠模型;未进行灵长类或人体试验;ICOS 在非 RA 炎症中也可能上调,特异性需进一步验证。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“ICOS-T 细胞-关节炎症”成像轴:  
RA 微环境促使 T 细胞 ICOS 高表达 → Cy7-ICOS mAb 靶向聚集 → NIRF 信号增强 → 实时可视化病变。

 

与既往研究对比  
与 2022 年 FDG-PET 需关节破坏后才能显像相比,本研究可在起病 3 天内发现病变,提前诊断窗口约 7–10 天。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“活化 T 细胞表面分子-光学成像”早期 RA 诊断范式。  

 

  技术贡献  
  Cy7-ICOS mAb 及 4-view 成像平台可无缝迁移至其他 T 细胞介导的自身免疫病(如银屑病关节炎)。  

 

  实际价值  
  已申请国内发明专利,并与影像设备企业合作开发临床级 NIRF 关节探头,预计 2026 年进入 I 期临床试验,为 RA 早筛提供无创、低成本方案。

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