Synthesis of F-labelled PET tracers by nucleophilic copper-mediated radiofluorination
Description
Positron emission tomography (PET) enables to detect physiological and pathophysiological processes on the cellular or molecular level. Therefore, PET has gained great importance as a diagnostic imaging technique. Thus, a number of neurological and neoplastic disordes are associated with alterations in the expression or activity of certain receptors, transporters or enzymes, which can be visualized and quantified using PET imaging. This is achieved by the application of radiolabeled probes (tracers) that selectively interact with a molecular target of interest and can be detected non-invasively based on the emission of positrons. Owing to its favorable half-live and the low energy of emitted positrons, fluorine-18 is one of the most attractive radionuclides for labeling of PET-tracers. A number of novel transition metal-mediated, late-stage radiofluorination methods have enabled an easy access to F-labeled aromatic systems regardless of their electronic properties. In particular, Cu-mediated radiofluorination with alcohols as co-solvents has been shown to afford high radiochemical yields (RCYs) of several clinically relevant PET tracers that are hardly or not accessible by conventional methods. The aim of the present work was to prepare F-labeled PET tracers for different molecular targets by alcohol-enhanced Cu-mediated radiofluorination and to evaluate their properties by preclinical experiments in vitro and in vivo. The molecular targets were selected based on their pathophysiological relevance and comprised the glycine transporter 1 (GlyT1), the synaptic vesicle glycoprotein 2A (SV2A) and the A adenosine receptor (AAR). Following identification of suitable high-affinity lead structures, the corresponding precursor compounds were synthesized and subsequently radiolabeled using copper-mediated radiofluorination. In the first part, the potent and selective GlyT1 inhibitor ALX5407 should be labeled with F and evaluated as a potential PET tracer for imaging of GlyT1. To this end, [F]ALX5407 was prepared via Cu-mediated alcohol-enhanced radiofluorination in RCYs of 55±7%. The experimental logD value of [F]ALX5407 amounted to 2.2, which is in the optimal range for blood brain barrier (BBB) penetration, and experiments in human blood plasma showed its stability up to 60 min. In addition, in vitro autoradiography with [F]ALX5407 in rat brain slices revealed a distribution of the tracer consistent with the pattern of previous studies on the expression of GlyT1 in the brain. In vivo PET imaging in healthy rats injected with [F]ALX5407 alone, [F]ALX5407 together with the Pgp-inhibitor Elacridar or [F]ALX5407 together with non-radioactive ALX5407 revealed accumulation of the tracer in peripheral tissue. However, no brain uptake was observed. When the corresponding methyl ester [F]ALX5406 (logD of 2.9) was used as a pro-drug, the corresponding PET studies showed a high brain uptake, but regional tracer distribution did neither match with the expression pattern of GlyT1 nor with the distribution of [F]ALX5407 in autoradiographic studies. The second part of this work focused on the chiral PET tracer [F]MNI-1126, which targets SV2A and can be used to visualize synaptic integrity. Since the existing method for synthesis and HPLC purification of the enantiomeric radiolabeling precursor is cumbersome, an optimized synthetic pathway based on a chiral alcohol-modified quinidine derivative as a catalyst was developed. This approach afforded the trimethyl stannyl precursor for Cu-mediated alcohol enhanced radiofluorination over 7 steps with an overall yield of 8% and an enantiomeric excess (ee) of 98%. Advantageously final chiral purification by HPLC could be omitted. Transfer of the manual radiosynthesis to an automated synthesis module allowed the production of [F]MNI-1126 (RCY of 26±6%) on a preparative scale and enabled its use for preclinical studies. Finally, in the third part of this work, radiofluorinated partial agonists for imaging of the AAR density via PET were prepared. To this end, four promising radioligands 2-amino-4-(3-[F]fluorophenyl)-6-{[(6-methylpyridine-2-yl)methyl]thio}pyridine-3,5-dicarbonitrile ([F]FMPD), 2-amino-4-(3-[F]fluorophenyl)-6-{[(5-methylpyridine-3-yl)methyl]thio}pyridine-3,5-dicarbonitrile (iso-[F]FMPD), 2-amino-4-(3-(2-[F]fluoroethoxy)-6-{[(6-methylpyridine-2-yl)methyl]thio}pyridine-3,5-dicarbonitrile ([F]FEMPD) and 2-amino-4-(3-(2-[F]fluoroethoxy)-6-{[(5-methylpyridine-3-yl)methyl]thio}pyridine-3,5-dicarbonitrile (iso-[F]FEMPD) with nanomolar affinities (K = 2.6-5.8 nM) towards AAR and suitable logD-values (2.6–3.4) were prepared in moderate RCYs of 8–77% and reasonable molar activities of 3.5-61 GBq/μmol (end of synthesis). For the radiosynthesis either Cu-mediated alcohol enhanced ([F]FMPD and iso-[F]FMPD) or conventional radiofluorination ([F]FEMPD and iso-[F]FEMPD) was applied. In vitro autoradiography in rat brain slices revealed a relatively homogenous brain distribution with higher accumulation in the cerebellum. Specific binding was determined by competitive displacement experiments with the AR antagonist DPCPX and the AR agonist NECA. Highest specific binding (40% for displacement with DPCPX) was found for [F]FEMPD, which was subsequently evaluated by in vivo PET imaging in a healthy rat. This experiment showed that [F]FEMPD is stable for at least one hour and displayed a binding pattern matching the binding pattern of previous AAR expression studies. Taken together, this F-labeled radioligand as a representative of a partial agonist shows high potential for the visualization of the AAR system.
Availability note (English)
Also available from: http://hdl.handle.net/2128/30107Abstract (German)
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ermöglicht die in vivo Visualisierung von physiologischen und pathologischen Prozessen auf zellulärer oder molekularer Ebene und stellt damit ein wichtiges Instrument der diagnostischen Bildgebung dar. So gehen etwa viele neurologische und onkologische Erkrankungen mit Veränderungen in der Expression oder Aktivität von bestimmten Rezeptoren, Transportern oder Enzymen einher, welche sich im Rahmen von PET Untersuchungen darstellen und quantifizieren lassen. Dazu werden radioaktiv markierte Sonden (Tracer) verwendet, die selektiv mit einem molekularen Target wechselwirken und deren Verteilung sich mittels PET nicht-invasiv erfassen lässt. Aufgrund der nahezu idealen Zerfallseigenschaften in Bezug auf Halbwertszeit und Positronen-Energie wird zur Radiomarkierung bevorzugt auf das Radionuklid Fluor-18 zurückgegriffen. Um es in Biomoleküle einzuführen, können unterschiedliche Strategien verfolgt werden, wobei in jüngster Zeit vor allem Methoden für die Übergangsmetall-vermittelte Radiofluorierung zur Markierung von aromatischen Verbindungen an Popularität gewonnen haben. Sie ermöglichen die einfache Einführung von [F]Fluorid in elektronenreiche, -arme und -neutrale Aromaten. So konnte beispielsweise mit der Kupfer-vermittelten Radiofluorierung unter Verwendung von Alkohol als Kosolvenz die Radiosynthese von vielen klinisch relevanten aber zuvor nur schwer zugänglichen PET-Tracern mit hoher Ausbeute erreicht werden. Ziel dieser Arbeit war es, mittels Alkohol-unterstützter Cu-vermittelter Radiofluorierung F-markierte PET-Tracer für unterschiedliche molekulare Targetstrukturen herzustellen und diese in präklinischen in vitro und in vivo Versuchen zu evaluieren. Als Targetstrukturen mit pathologischer Relevanz wurden der Glycintransporter 1 (GlyT1), das synaptische Vesikelglykoprotein 2A (SV2A) und der A Adenosin- Rezeptor (AAR) ausgewählt. Für diese Targets wurden zunächst aromatische Leitstrukturen mit entsprechend hohen Affinitäten identifiziert und diese anschließend mittels Kupfer-vermittelter Radiofluorierung markiert. Im ersten Teil der Arbeit sollte der selektive GlyT1 Inhibitor ALX5407 mit F markiert und hinsichtlich seiner Eignung als PET-Tracer untersucht werden. [F]ALX5407 konnte über die Kupfer-vermittelte Alkohol-verstärkte Radiofluorierung in einer radiochemischen Ausbeute (RCA) von 55±7% hergestellt werden. Der experimentelle LogD Wert des Tracers lag mit 2.2 im optimalen Bereich für eine Penetration der Bluthirnschranke (BHS) und Stabilitätsversuche mit Blutplasma ergaben keine Hinweise auf eine Metabolisierung für mindestens 60 min. In vitro Autoradiographien an Rattenhirnschnitten zeigten zudem eine Akkumulation, die mit dem in früheren Arbeiten beschriebenen Expressionsmuster von GlyT1 übereinstimmte. In in vivo PET-Experimenten in gesunden Ratten mit [F]ALX5407 alleine, [F]ALX5407 und dem Pgp-Inhibitor Elacridar oder [F]ALX5407 und nicht-radioaktivem ALX5407, konnte jedoch nur eine Akkumulation in peripheren Geweben ohne Aufnahme des Tracers im Gehirn nachgewiesen werden. Bei Verwendung des zugehörigen Methylesters [F]ALX5406 als Prodrug (LogD = 2.9) zeigte sich eine hohe Hirnaufnahme, allerdings spiegelte die beobachtete regionale Verteilung nicht das in der Literatur beschriebene und in den Autoradiographien beobachtete GlyT1-Verteilungsmuster wider. Im zweiten Teil der Arbeit lag der Schwerpunkt auf dem chiralen PET-Tracer [F]MNI-1126, welches das Vesikelprotein SV2A adressiert und sich daher zur Visualisierung der synaptischen Integrität eignet. Da die Gewinnung des enantiomerenreinen Vorläufers komplex ist, wurde in dieser Arbeit eine neue Markierungsvorläufersynthese unter Verwendung eines chiralen Alkohol-modifizierten Chinidin-Derivats als Katalysator entwickelt. Dieses Verfahren lieferte den Trimethylstannyl-Vorläufer für die Kupfer-vermittelte Alkohol-unterstützte Radiofluorierung über 7 Stufen mit einer Gesamtausbeute von 8% und einem Enantiomerenüberschuss (ee) von 98%. Durch diese Methode konnte auf eine zusätzliche Enantiomerentrennung mittels chiraler HPLC verzichtet werden. Die Übertragung der Radiosynthese auf ein automatisiertes Synthesemodul ermöglichte die Produktion von [F]MNI-1126 (in RCA von 26±6%) im präparativen Maßstab, sodass auch präklinische Studien durchgeführt werden konnten. Im dritten Teil der Arbeit wurden schließlich radiofluorierte Partialagonisten für die Visualisierung der AAR-Rezpetordichte mittels PET hergestellt. Vier potentielle Radioliganden 2-Amino-4-(3- [F]fluorphenyl)-6-{[(6-methylpyridin-2-yl)methyl]thio}pyridin-3,5-dicarbonitril ([F]FMPD), 2-Amino-4-(3-[F]fluorphenyl)-6-{[(5-methylpyridin-3-yl)methyl]thio}pyridin-3,5-dicarbonitril (iso-[F]FMPD), 2-Amino-4-(3-(2-[F]fluorethoxy)-6-{[(6-methylpyridin-2-yl)methyl]thio}pyridin-3,5-dicarbonitril ([F]FEMPD) und 2-Amino-4-(3-(2-[F]fluorethoxy)-6-{[(5-methylpyridin-3-yl)methyl]thio}pyridin-3,5-dicarbonitril (iso-[F]FEMPD) mit einstellig nanomolaren Affinitäten (K= 2.6–5.8 nM) für den AAR und idealen LogD-Werten (2.6–3.4) wurden dazu ausgewählt. Die Radiotracer konnten in moderaten bis guten RCA von 8–77% und ausreichenden molaren Aktivitäten von 3.5–61 GBq/μmol (am Ende der Synthese) über die Kupfer-vermittelte Alkohol-unterstützte ([F]FMPD und iso-[F]FMPD) oder eine klassische Radiofluorierung ([F]FEMPD und iso-[F]FEMPD) hergestellt werden. In vitro Autoradiographien an Rattenhirnschnitten zeigten eine relativ homogene Verteilung des Radioliganden über das gesamte Gehirn und die für Ratten typische, verstärkte Anreicherung im Kleinhirn. Die spezifische Bindung wurde in Verdrängungsexperimenten mit dem AAR-Antagonisten DPCPX und dem AAR-Agonisten NECA ermittelt. Die höchste spezifische Bindung (40% bei Verdrängung mit DPCPX) wurde für [F]FEMPD beobachtet, woraufhin dieser Radioligand mittels in vivo PET-Messungen an einer gesunden Ratte evaluiert wurde. Dabei konnte neben einer effektiven Penetration der BHS ein Verteilungsmuster des Tracers beobachtet werden, welches mit der bekannten AAR-Verteilung im Gehirn übereinstimmt. Zudem war [F]FEMPD über eine Stunde stabil, so dass sich dieser neue Radioligand aus der Klasse der Partialagonisten zur Visualisierung der AARVerteilung für weitere Studien eignen sollte.Files
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- Original title (German)
- Synthese F-markierter PET-Tracer durch nukleophile Kupfer-vermittelte Radiofluorierung
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Publishing Information
- Imprint Pagination
- 204 p.
- ISSN
- 0944-2952
- Report number
- Juel--4430
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 54012789
- Subject category
- S62: RADIOLOGY AND NUCLEAR MEDICINE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- AUTORADIOGRAPHY; BIOLOGICAL ACCUMULATION; BLOOD PLASMA; BLOOD-BRAIN BARRIER; CEREBELLUM; CHIRALITY; FLUORINATION; FLUORINE 18; HIGH-PERFORMANCE LIQUID CHROMATOGRAPHY; IN VITRO; IN VIVO; LIGANDS; POSITRON COMPUTED TOMOGRAPHY; PURIFICATION; RADIOCHEMISTRY; RADIOPHARMACEUTICALS; RATS; SYNTHESIS; TRACER TECHNIQUES; UPTAKE
- Descriptors DEC
- ANIMALS; BETA DECAY RADIOISOTOPES; BETA-PLUS DECAY RADIOISOTOPES; BIOLOGICAL MATERIALS; BLOOD; BODY; BODY FLUIDS; BRAIN; CENTRAL NERVOUS SYSTEM; CHEMICAL REACTIONS; CHEMISTRY; CHROMATOGRAPHY; COMPUTERIZED TOMOGRAPHY; DIAGNOSTIC TECHNIQUES; DRUGS; EMISSION COMPUTED TOMOGRAPHY; FLUORINE ISOTOPES; HALOGENATION; HOURS LIVING RADIOISOTOPES; ISOMERIC TRANSITION ISOTOPES; ISOTOPE APPLICATIONS; ISOTOPES; LABELLED COMPOUNDS; LIGHT NUCLEI; LIQUID COLUMN CHROMATOGRAPHY; MAMMALS; MATERIALS; NANOSECONDS LIVING RADIOISOTOPES; NERVOUS SYSTEM; NUCLEI; ODD-ODD NUCLEI; ORGANS; PARTICLE PROPERTIES; RADIOACTIVE MATERIALS; RADIOISOTOPES; RODENTS; SEPARATION PROCESSES; TOMOGRAPHY; VERTEBRATES