68Ga-labeled dopamine transmitter analogues for the visualization of neurodegenerative diseases
Nuclear Medicine, Radiotherapy, Radiobiology
Final Report Abstract
Das Vorhaben zielt auf die weltweit erstmalige Entwicklung von 68Ga-markierten ZNS-Radiopharmaka zur quantitativen und nichtinvasiven Visualisierung von neurodegenerativen Vorgängen mittels der Positronenemissionstomographie (PET). An die Entwicklung derartiger Radiopharmaka werden hohe Anforderungen bezüglich ihrer Eigenschaften gestellt, um eine möglichst hohe selektive Anreicherung am biologischen Target zu erhalten, weshalb sie ausschließlich mittels zyklotronproduzierter organischer Radioisotope, wie z.B. 11C oder 18F, markiert werden. Demgegenüber besitzt 68 Ga, welchem eine stetig wachsende Bedeutung im Bereich der PET-Radiopharmaka zukommt, die Vorteile über einen 68Ge/68Ga-Generator quasi permanent verfügbar zu sein und eine sehr schnelle und effiziente Radiochemie aufzuweisen. Allerdings muss das 68Ga über geeignete Chelatoren in das Radiopharmakon eingebracht werden, welche generell unvorteilhafte Eigenschaften für eine Anwendung im ZNS besitzen. Die Herausforderung besteht darin, geeignete Chelatoren für die stabile Komplexierung von 68Ga zu designen und in Verbindung mit entsprechenden Neuroliganden zu einer hirngängigen Struktur so zu vereinen, dass (i) die Penetration der Blut-Hirn-Schranke gewährleistet ist, (ii) eine ausreichende Affinität zum Target-Rezeptor und (iii) die Selektivität zu anderen ZNS-Rezeptoren erhalten bleiben. In Anlehnung an die in der SPECT verwendeten und mit einem Radiometall markierten Tracer [99mTc]Trodat-1 und [99mTc]Technepine wurden im Rahmen dieser Arbeit Chelatoren zur Darstellung von Gallium-68-markierten ZNS-Tracern synthetisiert, die anschließend mit einer bekannten Tropanleitstruktur mit hoher Hirngängigkeit konjugiert werden sollten. Hierzu wurden ein zyklischer (DO3A), ein azyklischer (HBED) und ein in die moderne Klasse der hybridischen Chelatoren gehörender (DATA) Chelator synthetisiert und mittels einer Phenolfunktion – zur Kopplung des biologisch aktiven Moleküls – funktionalisiert. Zudem wurden die Grundgerüste des HBED- und DATA-Chelators mit zusätzlichen Methylgrupen versehen, um den Einfluss auf die Lipophilie untersuchen zu können. Für die Synthese der einzelnen Chelatoren musste eine geeignete, orthogonale Schutzgruppenchemie entwickelt werde, die eine Darstellung der Chelatoren in geschützter Form – mit Ausnahme der der phenolischen OH-Funktion die für die Konjugation vorgesehen war – erlaubte. Von jedem der fünf dargestellten Chelatoren ausgehend wurden drei Markierungsvorläufer synthetisiert, um deren radiochemische Eigenschaften zu untersuchen, ihre Stabiliät zu bestimmen und den Einfluss verschiedener Substituenten am eingeführten Phenol auf die Lipophilie der erhaltenen Systeme zu evaluieren. Neben der Tropanleitstruktur wurden die Chelatoren zunächst mit einer Benzylgruppe als Modellverbindung gekoppelt und die beiden Kopplungsprodukte jeweils mit dem freien phenolischen Chelator verglichen. Aus arbeitskreisinterner Kooperation wurde zudem ein NO- DAPA-Chelator erhalten, an den die Tropanleitstruktur ebenfalls gekoppelt wurde. Bei allen 16 Markierungsvorläufern wurde die Radiomarkierung untersucht und hinsichtlich verschiedener Reaktionsparameter, wie z.B. Reaktionszeit, -temperatur oder Markierungsvorläuferkonzentration, untersuch und optimiert. Nach Abschluss dieser Arbeiten konnten bei allen alle Verbindungen – bis auf eine Ausnahme – radiochemische Ausbeuten größer 95 % erzielt werden. Alle Markierungsprodukte zeigten in isotonischer Kochsalzlösung und humanem Serum auch nach 120 Minuten hohe Stabilitäten von über 95 %. Die Lipophilie aller Derivate wurden mittels „shake flask“-Methode und per HPLC bestimmt. Die so erhaltenen Werte wichen sehr stark voneinander ab und unterschieden sich vor allem im erhaltenen Trend, wobei die mittels HPLC bestimmten Werte eine größere Übereinstimmung mit rechnerisch ermittelten Werten aufwiesen. Die vier lipophilsten Tropan-Chelator-Konjugate wurden in µPET-Studien an Sprague-Dawley-Ratten auf ihre Hirngängigkeit hin untersucht und in dynamischen PET-Untersuchungen vermessen. Dazu wurde die nicht markierte Verbindung per HPLC abgetrennt. Danach wurden ex vivo-Biodistributionsstudien zur Bestimmung der Organverteilungen der Derivate vorgenommen. Für keines der Tropanderivate konnte mittels µPET oder Biodistribution eine signifikant hohe Aufnahme im Gehirn und somit eine Überwindung der Blut-Hirn-Schranke nachgewiesen werden.
Publications
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2015. Evaluation of various bifunctional chelators for the synthesis of radiometal-labeled CNS tracers. J. Label. Compds Radiopharm. 58: S360
Schulz A, Spang P, Piel M, Rösch F
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2016. Bifunctional Gallium-68 Chelators: Past, Present, and Future. Sem. Nucl. Med. 46: 373-394
Spang P; Herrmann C; Rösch F.
