Authors:	Kettenbach, Kathrin
Title:	Development and evaluation of radiotracers for tumor imaging via positron emission tomography
Online publication date:	9-Jun-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	Positron emission tomography (PET) enables the non-invasive imaging of metabolical processes in the human body. Thus, the use of radiolabeled cancer-specific targeting vectors can facilitate early diagnosis of tumors. A robust and reliable attachment of the radionuclide to the bioactive compound without major influences on its pharmacokinetic behavior is mandatory for routine PET imaging. In the herein presented work two different 18F-prosthetic groups for the radiolabeling of biomolecule-azides via click chemistry were evaluated. First, a strained prosthetic group based on (aza)dibenzocyclooctyne (DBCO) was developed to enable copper-free strain-promoted alkyne-azide cycloadditions (SPAAC) with biomolecule-azides. The radiolabeling conditions were evaluated and optimized providing [18F]fluoro-DBCO in good radiochemical yields and within a suitable synthesis time. Click reactions with various azides (cRGD, ɲMSH peptides, maltohexaose, PDGF-ɴ peptide) showed very high yields under mild conditions, which proved the general feasibility of this novel prosthetic group for the labeling of sensitive biomolecules with fluorine-18. The oxidized form of folic acid (5,6,7,8-tetrahydrofolate, THF) plays an important role as one-carbon donor during DNA synthesis. The reduced folate carrier (RFC) provides sufficient supply of THF for normal cell proliferation. Tumors additionally (over)express the folate receptor (FR) due to their increased proliferation rate. This makes the FR an ideal oncological target for diagnosis and therapy. Most of the 18F-labeled folate derivatives until now suffer from either insufficient radiolabeling or unfavorable in vivo behavior. Especially the need of cytotoxic copper during click radiolabeling might hinder the application of [18F]fluoro-click-folates for human use. On one hand the novel [18F]fluoroDBCO was used for the copper-free radiofluorination of a folate-azide. On the other hand, the recently reported [18F]fluoro-alakyne was applied to the same folate-azide to improve its pharmacokinetic behavior. Both [18F]fluoro-folates were available in good radiochemical yields and showed high affinities to the FR. Unfortunately, the DBCO-moiety increased the overall lipophilicity of this novel folate-based radiotracer. Thus, high unspecific binding was observed in cell studies and the tumor was not visible in µPET imaging studies due to high abdominal background. In contrast, the [18f]fluoro-alafolate showed a much more favorable lipophilitity reducing the unspecific binding in vitro and provided moderate tumor accumulation combined with a suitable tumor-to-background contrast. In a second part of this work, [18F]fluoro-alakyne was evaluated as a tumor imaging candidate. Tumors in general show a high demand on amino acids due to an increased protein synthesis rate. Most of the amino acid based radiotracers suffer from unwanted accumulation in the abdominal region, limiting the application of these radiotracers for the detection of brain tumors. [18F]fluoro-alakyne showed low accumulation in non-small cell lung cancer xenografts but no unspecific binding in other organs combined with an exclusively renal excretion pathway. Therefore, despite the low tumor uptake a good tumor visibility was achieved. These findings enable a 2in1 approach where [18F]fluoro-alakyne cannot only be used as a polar 18F-prosthetic group but also as a highly potential tumor imaging radiotracer. This approach broadens the application range of [18F]fluoro-alakyne for various different tumor types. In the last part of this work, a microbody with specificity to the fibroblast activation protein (FAP) was derivatized with a DOTA chelator and labeled with gallium-68. In vitro cell studies with [68Ga]Ga-DOTAMC-FA-012 showed high specific accumulation in huFAP-positive cells compared to huFAP-negative cells. In addition, the multivalency approach was evaluated with a microbody neutrAvidin-biotin tetramer, showing an enhanced uptake compared to the monomer and increased specificity. This proved the high potential of this novel microbody for the imaging of epithelial cancers (breast, lung or colorectal). Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ermöglicht die nicht-invasive Bildgebung metabolischer Prozesse im menschlichen Körper. Durch die Verwendung radiomarkierter krebsspezifischer Zielstrukturen wird damit die frühzeitige Diagnose von Tumoren ermöglicht. Eine robuste und verlässliche Anbindung des Radionuklids an die biologisch aktive Komponente ohne nennenswerten Einfluss auf sein pharmakologisches Verhalten ist dabei unabdingbar für routinemäßige PETMessungen. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei unterschiedliche 18F-prosthetische Gruppen für die Radiomarkierung von Biomolekül-Aziden via Click-Chemie evaluiert. Als erstes wurde eine gespannte prosthetische Gruppe basierend auf (Aza)dibenzocyclooctin entwickelt, um die kupferfreie spannungsvermittelte Alkin-Azid-Cycloaddition (SPAAC) zu ermöglichen. Die Radiomarkierungbedingungen wurden evaluiert und optimiert, um [18F]Fluor-DBCO in guten radiochemischen Ausbeuten und innerhalb einer angemessenen Synthesezeit zugänglich zu machen. Clickreaktionen mit verschiedenen Aziden (cRGD, ɲ-MSH Peptide, Maltohexaose, PDGF-ɴ Peptid) zeigten sehr gute radiochemische Ausbeuten unter äußerst milden Bedingungen, was die generelle Anwendbarkeit dieser innovativen, prosthetischen Gruppe für die Markierung von sensiblen Biomolekülen mit Fluor-18 bestätigte. Die oxidierte Form der Folsäure (5,6,7,8-Tetrahydrofolat, THF) spielt eine wichtige Rolle als Kohlenstoff-Baustein-Donor während der DNA-Synthese. Der Folattransporter 1 (Reduced Folate Carrier, RFC) gewährleistet die ausreichende Versorgung normal proliferierender Zellen mit THF. Tumore überexprimieren auf Grund ihrer erhöhten Proliferationsrate zusätzlich den Folatrezeptor (FR). Das macht den FR zum idealen Zielobjekt für die Tumordiagnose und –therapie. Die meisten 18Fmarkierten Folatderivate weisen bisher entweder eine unzureichende Radiomarkierung oder eine unvorteilhafte Bioverteilung im Körper auf. Vor allem die Notwendigkeit eines zytotoxischen Kupferkatalysators während der Radiomarkierung könnte die Anwendbarkeit solcher [18F]Fluor-ClickFolate für die Tumordiagnose beim Patienten erschweren. Auf der einen Seite wurde daher das neue [18F]Fluor-DBCO für die kupferfreie Radiofluorierung eines Folat-Azids verwendet. Auf der anderen Seite sollte das kürzlich publizierte [18F]Fluor-Alakin für das gleiche Folat-Azid verwendet werden, um sein pharmakologisches Verhalten zu verbessern. Beide [18F]Fluor-Folate wurden in guten radiochemischen Ausbeuten erhalten und zeigten eine hohe Affinität zum FR. Leider erhöhte die DBCO-Einheit die Lipophilie des neuen Folat-basierten Radiotracers so sehr, dass in vitro eine hohe unspezifische Bindung beobachtet wurde und der Tumor in µPET Studien durch den hohen abdominalen Hintergrund nicht erkennbar war. Im Gegensatz dazu zeigte das [18F]Fluro-Ala-Folat eine vielversprechend niedrige Lipophilie, wodurch die unspezifische Bindung in vitro reduziert und eine moderate Tumoranreicherung in Kombination mit einem geeigneten Tumor-zu-HintergrundVerhältnis erzielt werden konnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde [18F]Fluor-Alakin für die Tumorbildgebung evaluiert. Tumor haben auf Grund ihrer erhöhten Proteinsyntheserate (PSR) generell einen hohen Bedarf an Aminosäuren. Die meisten Aminosäure-basierten Radiotracer weisen allerdings eine unerwünschte Anreicherung im Abdomen auf, was ihre Anwendung auf die Diagnose von Gehirntumoren beschränkt. [18F]Fluro-Alakin zeigte eine geringe Anreicherung im Tumor, aber auch keine unspezifische Anreicherung in anderen Organen kombiniert mit einer ausschließlich renalen Ausscheidung. Dadurch konnte trotz des geringen Tumoruptakes eine gute Bildgebung des Tumors erzielt werden. Diese positiven Ergebnisse ermöglichen einen 2in1 Ansatz, wobei das [18F]Fluro-Alakin nicht nur als polare, prosthetische Gruppe sondern auch als äußerst vielversprechender Radiotracer verwendet werden kann. Dies bietet ein breiteres Spektrum der Anwendbarkeit des [18F]Fluro-Alakins auf verschiedenste Tumorarten. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde ein Fibroblasten-Aktivierungs-Protein (FAP) spezifischer Microbody mit einem DOTA-Chelator derivatisiert und mit Gallium-68 radiomarkiert. In Vitro Zellstudien mit [68Ga]Ga-DOTA-MC-FA-012 zeigte eine hochspezifische Anreicherung in huFAP-positiven Zellen im Vergleich zu huFAP-negativen Zellen. Zusätzlich wurde ein Multivalenz-Ansatz mit einem MicrobodyneutrAvidin-Biotin-Tetramer evaluiert. Dabei zeigte sich eine erhöhte Anreicherung im Vergleich zum Monomer kombiniert mit einer höheren Spezifizität. Diese Ergebnisse bestätigen das große Potential dieses neuen Microbody für die Bildgebung epitheler Karzinome, wie z.B. Brust-, Lungen- oder kolorektaler Tumore.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-860
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000013490
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	277 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen