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Authors: Moderegger, Dorothea
Title: Radiolabeling of defined polymer architectures with fluorine- 18 and iodine-131 for ex vivo and in vivo evaluation : visualization of structure-property relationships
Online publication date: 14-Sep-2012
Language: english
Abstract: Nuclear medicine imaging techniques such as PET are of increasing relevance in pharmaceutical research being valuable (pre)clinical tools to non-invasively assess drug performance in vivo. Therapeutic drugs, e.g. chemotherapeutics, often suffer from a poor balance between their efficacy and toxicity. Here, polymer based drug delivery systems can modulate the pharmacokinetics of low Mw therapeutics (prolonging blood circulation time, reducing toxic side effects, increasing target site accumulation) and therefore leading to a more efficient therapy. In this regard, poly-N-(2-hydroxypropyl)-methacrylamide (HPMA) constitutes a promising biocompatible polymer. Towards the further development of these structures, non-invasive PET imaging allows insight into structure-property relationships in vivo. This performant tool can guide design optimization towards more effective drug delivery. Hence, versatile radiolabeling strategies need to be developed and establishing 18F- as well as 131I-labeling of diverse HPMA architectures forms the basis for short- as well as long-term in vivo evaluations. By means of the prosthetic group [18F]FETos, 18F-labeling of distinct HPMA polymer architectures (homopolymers, amphiphilic copolymers as well as block copolymers) was successfully accomplished enabling their systematic evaluation in tumor bearing rats. These investigations revealed pronounced differences depending on individual polymer characteristics (molecular weight, amphiphilicity due to incorporated hydrophobic laurylmethacrylate (LMA) segments, architecture) as well as on the studied tumor model. Polymers showed higher uptake for up to 4 h p.i. into Walker 256 tumors vs. AT1 tumors (correlating to a higher cellular uptake in vitro). Highest tumor concentrations were found for amphiphilic HPMA-ran-LMA copolymers in comparison to homopolymers and block copolymers. Notably, the random LMA copolymer P4* (Mw=55 kDa, 25% LMA) exhibited most promising in vivo behavior such as highest blood retention as well as tumor uptake. Further studies concentrated on the influence of PEGylation (‘stealth effect’) in terms of improving drug delivery properties of defined polymeric micelles. Here, [18F]fluoroethylation of distinct PEGylated block copolymers (0%, 1%, 5%, 7%, 11% of incorporated PEG2kDa) enabled to systematically study the impact of PEG incorporation ratio and respective architecture on the in vivo performance. Most strikingly, higher PEG content caused prolonged blood circulation as well as a linear increase in tumor uptake (Walker 256 carcinoma). Due to the structural diversity of potential polymeric carrier systems, further versatile 18F-labeling strategies are needed. Therefore, a prosthetic 18F-labeling approach based on the Cu(I)-catalyzed click reaction was established for HPMA-based polymers, providing incorporation of fluorine-18 under mild conditions and in high yields. On this basis, a preliminary µPET study of a HPMA-based polymer – radiolabeled via the prosthetic group [18F]F-PEG3-N3 – was successfully accomplished. By revealing early pharmacokinetics, 18F-labeling enables to time-efficiently assess the potential of HPMA polymers for efficient drug delivery. Yet, investigating the long-term fate is essential, especially regarding prolonged circulation properties and passive tumor accumulation (EPR effect). Therefore, radiolabeling of diverse HPMA copolymers with the longer-lived isotope iodine-131 was accomplished enabling in vivo evaluation of copolymer P4* over several days. In this study, tumor retention of 131I-P4* could be demonstrated at least over 48h with concurrent blood clearance thereby confirming promising tumor targeting properties of amphiphilic HPMA copolymer systems based on the EPR effect.
Bildgebende Verfahren der Nuklearmedizin wie die PET haben in der pharmazeutischen Forschung zur nicht- invasiven Abschätzung von Arzneiwirkungen vermehrt an Relevanz gewonnen. (Chemo-)Therapeutika weisen oft eine schlechte Bilanz von Nutzen und Toxizität auf. An diesem Punkt können Transportsysteme auf Polymerbasis die Pharmakokinetik niedermolekularer Therapeutika (Verlängerung der Blutzirkulation, Verringerung von Nebenwirkungen, erhöhte Anreicherung im Zielgewebe) verändern, wodurch eine effizientere Therapie erreicht werden kann. Für Anwendungen im Bereich des Wirkstofftransports stellt Hydroxypropylmethacrylamid (HPMA) ein vielversprechendes Polymersystem dar. Zur Optimierung solcher Systeme ermöglicht die Bildgebung mittels PET hier einen Einblick in Struktur-Wirkungsbeziehungen, wodurch die Entwicklung effizienter Transportsysteme erleichtert wird. Hierfür bedarf es der Entwicklung vielseitiger Radiomarkierungsstrategien und Etablierung von 18F- und 131I-Markierungen unterschiedlichster HPMA Architekturen. Dies schafft die Grundlage zur Durchführung von Kurz- und Langzeit in vivo Evaluierungen. Mittels der prosthetischen Gruppe [18F]FETos gelang eine erfolgreiche 18F-Markierung verschiedener HPMA Architekturen (Homopolymere, amphiphile Copolymere sowie Blockcopolymere), was ihre systematische Evaluierung in tumor-tragenden Ratten ermöglichte. Diese Untersuchungen zeigten deutliche Unterschiede in Abhängigkeit individueller Polymercharakteristika (Mw, Amphiphilie und Architektur durch Einbau hydrophober Laurylmethacrylat-(LMA) Segmente) sowie des untersuchten Tumormodells. Entgegen dem AT1 Tumormodell zeigten die Polymere in Walker 256 Tumoren eine höhere Anreicherung (in Übereinstimmung mit erhöhter Zellaufnahme in vitro). Höchste Tumoranreicherung wiesen verglichen mit Homo- und Blockcopolymer Systemen die statistischen LMA-Copolymere auf. Insbesondere Copolymer P4* (Mw=55 kDa, 25% LMA) zeigte aussichtsreiche in vivo Charakteristika, u.a. die höchste Blutretention sowie Tumoraufnahme. Weitere Studien konzentrierten sich auf die Untersuchung des Einflusses einer PEGylierung (‚Stealth Effekt‘) hinsichtlich der Verbesserung der Wirkstofftransporteigenschaften definierter Polymermizellen. Durch [18F]Fluorethylierung verschieden PEGylierter Blockcopolymere (0%, 1%, 5%, 7%, 11% an eingebautem PEG2kDa) konnte systematisch der Einfluss des PEG Einbauverhältnisses hinsichtlich in vivo Eigenschaften untersucht werden. Hier zeigte sich, dass ein höherer PEG-Einbau zu verlängerter Blutzirkulation sowie linearem Anstieg der Tumoraufnahme (Walker 256 Karzinom) führte. Die strukturelle Vielfalt an Trägersystemen erfordert differenzierte 18F-Markierungsstrategien. Dahingehend konnte ein weiterer prosthetischer 18F-Markierungsansatz basierend auf der Cu(I)-katalysierten Click-Reaktion für HPMA basierte Polymere etabliert werden, was die Einführung von 18F unter milden Bedingungen und in hohen Ausbeuten ermöglichte. Auf dieser Basis konnte erfolgreich eine µPET Studie eines über [18F]F-PEG3-N3 markierten Polymers durchgeführt werden.Durch das Aufzeigen initialer Pharmakokinetiken ermöglicht es die 18F-Markierung, das Potential von HPMA Polymeren hinsichtlich effektiven Wirkstofftransportes zeiteffizient abschätzen zu können. Dennoch ist die Untersuchung der Langzeitverteilung der Trägerstrukturen essentiell, insbesondere bezüglich verlängerter Zirkulationseigenschaften und passiver Tumoranreicherung (EPR-Effekt). Daher wurden Radiomarkierungen verschiedener HPMA Polymere mit dem längerlebigen Isotop 131I durchgeführt, wodurch eine Evaluierung von P4* über mehrere Tage ermöglicht wurde. In dieser Studie konnte eine Tumorretention von 131I-P4* über 48 h bei gleichzeitiger Blutclearance gezeigt werden, was die vielversprechenden Eigenschaften amphiphiler HPMA Copolymere hinsichtlich EPR-basierter Tumoranreicherung bestätigte.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4683
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 227 S.
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