Willmann, Michael Andreas 
ORCID: 0000-0002-3828-5166
(2021).
Herstellung und Evaluation spezifischer PET-Liganden unter Anwendung moderner Radiofluorierungsmethoden.
PhD thesis, Universität zu Köln.
Abstract
Die molekulare Bildgebung mit Hilfe der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist wesentlich von der Verfügbarkeit geeigneter Radiotracer abhängig. Der erste Schritt im Entwicklungsprozess eines Radiotracers ist die Identifikation eines geeigneten molekularen Targets, welches durch den Radiotracer adressiert werden soll. Molekulare Targets sind beispielsweise Rezeptorproteine, die Erkrankungen aufzeigen können, da das regionale Rezeptorexpressionsprofil aufgrund pathologischer Prozesse verändert sein kann. Auch Enzyme eignen sich als molekulare Targets, da deren veränderte Aktivität mit Hilfe von Radiotracern detektiert werden kann. Nach Targetidentifikation, müssen Radioliganden entwickelt und deren Eignung für die Bildgebung evaluiert werden. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war die Radiosynthese und Evaluation geeigneter 18 F-markierter Radioliganden für die Bildgebung der Dopamin-D 4 sowie der Serotonin 5-HT 2A -Rezeptoren, deren Funktion und Beteiligung bei der Entstehung neurologischer und psychischer Erkrankungen, wie der
Schizophrenie oder der Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS), heute noch nicht ausreichend geklärt ist. In-vivo-PET-Studien könnten einen entscheidenden Beitrag zur Aufklärung der Funktion dieser Rezeptoren liefern und dazu beitragen neue Therapieansätze zu entwickeln. Besonderer Klärungsbedarf besteht dabei für die Funktionen des Dopamin-D 4 -Rezeptors (D 4 R), der aufgrund seiner geringen Verteilungsdichte im Gehirn eine besondere Herausforderung für die Bildgebung darstellt. Die aus der aktuellen Literatur bekannten, D 4 R-spezifischen Liganden, wurden als nicht-radioaktive Referenzverbindungen hergestellt und ihr Bindungsverhalten gegenüber den Subtypen der Dopaminrezeptoren D 1-5 R, hinsichtlich Bindungsaffinität und Selektivität, in Bindungsstudien evaluiert. In dieser Arbeit wurden zwei Leitstrukturen ausgewählt und mit Fluor-18 markiert. In In-vitro-Autoradiographien wurde für eine der 18 F-markierten Verbindungen ein spezifisches Bindungsverhalten gezeigt. Für PET-Studien des 5-HT 2A -Rezeptors sind die Radioliganden [ 18 F]Altanserin und [ 11 C]MDL100,907 im klinischen Einsatz. Allerdings ist deren Anwendung mit einigen Nachteilen verbunden, wie z.B. der Bildung hirngängiger Radiometaboliten bei [ 18 F]Altanserin oder einer (zu) kurzen Halbwertszeit bei [ 11 C]MDL100,907, die den Einsatz in klinischen Studien erschweren. R91150 ist ein spezifischer 5-HT 2A R-Ligand, der als radioiodiertes Derivat
[ 123 I]Iod-R91150 allerdings aufgrund seiner hohen Lipophilie ein unspezifisches Bindungsverhalten zeigt. Das entsprechende radiofluorierte Analogon sollte mit knapp zwei Stunden Halbwertszeit und geringerer Lipophilie günstigere Bindungseigenschaften aufweisen. Vor ca. 10 Jahren wurde bereits eine 6-stufige Radiosynthese von [ 18 F]R91150 vorgestellt. Trotz vielversprechender Resultate aus ersten Metabolismusstudien hat die aufwendige und schwierig zu automatisierende Radiosynthese bisher weitere Studien verhindert. Die Radiosynthese von [ 18 F]R91150 konnte in vorliegender Arbeit durch Anwendung moderner Radiofluorierungsmethoden deutlich vereinfacht werden, sodass erstmals der In-vitro-Einsatz von [ 18 F]R91150 möglich wurde. Der 18 F-markierte 5-HT 2A R-Ligand hat in den In-vitro-Autoradiographien eine klar abgegrenzte, spezifische Bindung in Hirnarealen mit hoher 5-HT 2A R-Expression gezeigt. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuer, 18 F-markierter prosthetischer Gruppen für die indirekte Radiofluorierung empfindlicher Biomoleküle. Dazu wurden Amin-reaktive sowie für die „Click-Chemie“ funktionalisierte Azaisatosäureanhydride mit 18 F-markiert und ihre Reaktivität gegenüber verschiedenen Aminen, bzw. im Fall einer Propargyl-funktionalisierten Verbindung, die Konjugation mit Aziden in der Kupfer(I)-vermittelten Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) entwickelt. Durch Adaption neuer Methoden der Radiofluorierung konnten die neuen Markierungsbausteine innerhalb von nur 1-2 min direkt auf einer Anionenaustauscherkartusche mit Fluor-18 markiert werden. Die Reaktion mit verschiedenen Modellaminen lieferte überwiegend moderate bis quantitative radiochemische Ausbeuten (RCY = 15-98%). Durch Konjugation an die PSMSA-spezifische Glu-C(O)-Lys Struktur konnte ein neuer PSMA-selektiver Tracer [ 18 F]JK-PSMA-15 erhalten werden. Die Azid-funktionalisierten Azaisatosäureanhydride wurden mittels CuAAC mit verschiedenen Propargyl-funktionalisierten Modellverbindungen in radiochemischen Umsätzen von 38-56% dargestellt. Mit dieser Methode wurden zwei weitere, auf der Glu-C(O)-Lys Struktur basierende PSMA-Tracer, [ 18 F]JK-PSMA-16 und [ 18 F]JK-PSMA-17, synthetisiert. [ 18 F]JK-PSMA-15 wurde in In-vivo-PET-Studien an gesunden Ratten (PSMA-positives Ganglien-Modell) evaluiert, wobei der Tracer eine PSMA-spezifische Anreicherung mit hohem Signal-Hintergrund-Verhältnis, ohne Hinweise auf Defluorierung oder unspezifischem Bindungsverhalten aufwies. Der neue Markierungsbaustein lässt sich schneller markieren und isolieren als vergleichbare prosthetische Gruppen für die indirekte Radiofluorierung und kann sehr effektiv zur Konjugation mit Aminen und Aziden eingesetzt werden.
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