Fejlődés a radiofarmakológiában II. PET radiofarmakonok Tóth Gyula
2013
11C: Kovalens kötéssel kapcsolható a vivőmolekulához, Az élő szervezet számára a jelzett tracer megkülönböztethetetlen az eredeti molekulától, 18F: Szintén kovalens kötéssel kapcsolható a vivőmolekulához, A jelzett tracer kémiailag különbözik az eredeti molekulától, 68Ga: Fém-ligand komplexen keresztül kapcsolható a vivőmolekulához, A jelzett tracer tulajdonságai jelentősen eltérnek a az eredeti molekuláétól,
Az izotóp elérhetősége 15O, 13N, 11C,
18F,
68Ga, 82Rb,
Az izotóp „szervezetazonossága”
PET-Radiofarmakonok sajátságai
Elméleti maximum: 11C izotópra:
9213 Ci/µmol (CF) 18F
izotópra:
1707 Ci/µmol (CF) 68Ga
izotópra:
2767 Ci/µmol (CF) Gyakorlatban azonban:
1-15 Ci/µmol (NCA)
A= ln(2) (2)*N (2) T1/2 1, Carrier Free (CF): hordozómentes 2, Carrier Added (CA): hordozót tartalmazó 3, No Carrier Added (NCA): hozzáadott hordozót nem tartalmazó
PET-Radiofarmakonok sajátságai
18F, 11C esetén: Célzott pozícióban történő kovalens kötés kialakítása általában több lépéses reakciót, emelt hőmérsékletet, szerves oldószereket, tisztítási lépések beiktatását igényli.
A reakciópartnerek közötti sztöhiometria azonban jelentősen eltér a klasszikus szerveskémiai rekciók sztöchiometriájától. Néhány µmól, vagy ez alatti anyagmennyiségekkel zajlanak a reakciók, mikrokémiai módszerekkel. Főként a rövid felezési idők és a nagy aktivitásszintek miatt automatikus vezérlésű kémiai szintézismodulok alkalmazása szükséges. Olyan kémiai reakciók is végbemennek amelyek egyébként nem, vagy csak alacsony hatásfokkal lehetségesek, (de fordítva is előfordul). 68Ga
esetén: Az izotópos jelzés SPECT-fémizotópokéhoz hasonlatos, viszonylag egyszerű komplexképzési reakciókkal történhet.
PET-Radiofarmakonok sajátságai
A radionuklid molekulán belüli pozíciója gyakran jelentős kihatással van a jelzett tracer farmakológiai viselkedésére: In vivo alkalmazott molekula sorsát a legtöbb esetben összetett metabolikus folyamatok befolyásolják, így a jelzett tracer farmakokinetikai és farmakodinamikai viselkedését is. Ha jelölő izotóp például egy olyan funkciós csoportban van kötve ([11C]karboxil), amelyik enzimatikus folyamatok révén gyorsan lehasad a molekuláról, akkor ezt követően az izotóp már nem az eredeti molekulát nyomjelzi, hanem a metabolitot. Figyelembe kell venni a jelzett vegyület sztereokémiai jellemzőit is például aminosavak, szénhidrátok, vagy királis centrumot tartalmazóreceptorspecifikus tracerek esetén. A radiofarmakon várható nem-specifikus kötődését el kell kerülni már a tracer tervezése során. Alapszabály, hogy a molekula logP értéke legyen kisebb mint 3. Ha a tervezett tracernek a vér/agy-gáton kell átjutnia akkor 1,5
PET-Radiofarmakonok sajátságai
14N(p,α)11C
11CO
2 11CO
R11COOMgBr
11CH OH 3
11CH 4
R11COOH R11COCl
11C-
11CCl
4
11CH I 3
11CH OSO CF 3 2 3
jelzési utak
11COCl
2
11
O HO
11
N
„Klasszikus” Klasszikus” 11Cmetilezé metilezési rekció rekciók
N
CH3 N H
S
CH3 O O
N
N-, O-, S- metilezezés, SN-reakciók primer, vagy szekunder aminokkal, alkoholokkal, tiolokkal, Rövid reakcióidő, egyszerűség;
[11C]carfentanil
[11C]PIB O
N
O
N
NH2 H311C
N
F
11
O
CH3
S
I2
OH
11CO O
N H OH
1, LiAlH4 11
2
2, HI
O
O
Cl
CH4
[11C]metionin
[11C]flumazenil
H311C
11
Elõállítás:
CH O C
CH3I
11
N
N
N
CH3
AgOTf 200 oC
N F O
Cl
[11C]raclopride
11
[11C]NMSP
Átmenetifém katalizált keresztkötéses reakciók általános mechanizmusa:
CH3OTf
Újabb 11Cmetilezé metilezési mó módok C-C kötés kialakításával,
Palládium katalizált Stille-reakció 11Cjelzett timin-nukleozid szintéziséhez : O
O
11
Sn(CH3)3
HN HO
Célvegyületek: [11C ]metil-csoporot tartalmazó vegyületek - Rövid reakcióidők, - A kívánt pozícióra szelektívek, - Számos funkciós csoportot tolerálnak a jelzendő molekulán belül.
N
O O
[11C]CH3I [Pd2(dba)3]/P(o-tolyl)3/DMF
HO
N
O O F
F
130 oC, 5 perc OH
CH3
HN
OH
[11C]FMAU
1, Stille-reakció. - Sn(Me)3, vagy -Sn(nBu)3 - Palládium-komplexként: dibenzilidén-aceton, -A fémion leválását a Pd-ról P(o-tolil)3 segíti. -Hátrány: Ónorganikus vegyületek toxikusak.
Hisztamin (5HT1A) receptor ligand, a WAY100635 szintézise [11C]karboxilklorid származékon keresztül: O11
MgCl
C
Cl
>C=O kötés kialakítása
WAY 100364
11
1, [ C]CO2 2, HCl, THF 3, SOCl2, 75oC, 5 min
Szinté Szintézis 11Cszé széndioxiddal Célvegyületek: [11C]karbonil-, karboxilcsoporot tartalmazó vegyületek
NEt3, THF 75oC, 5 min
OCH3 O N
11
N
C
N N
[11C]acetát szintézise szívizom oxigén metabolizmusának, ill. prosztata eredetű malignus folyamatok vizsgálatára: O
1, [11C]CO2 H 3C
H3C
MgCl
2, HCl, 3, HPLC elv.
18F-jelzett
11
Grignard-reakciók. -Prekurzorként
R-MgX vegyületek használhatók
[11C]CO2 már a besugárzás során rendelkezésre áll, » egyszerűség, gyorsaság
-Előny:
C OH
radiofarmakonok
1, Kevés a természetes fluororganikus vegyület 2, A fluor beépülése megváltoztatja az eredeti molekula tulajdonságát
A [18F]fluoro-L-DOPA szintézisével analóg a [18F]fluoro-L-tirozin szintézise, ami új szintetikus fehérjékbe beépíthető aminosav: 18
SnMe3
-C-F kötés kialakítása
F
1, [18F]F2 BocO
BocO
NHBoc COOEt
H
Elektrofil 18Ffluorozá fluorozás
NHBoc COOEt
2, HBr H
A 4-[18F]fluorometaraminol fémorganikus prekurzoron keresztüli szintézise magas fajlagos aktivitású [18F]F2-ból kiindulva is sikeres volt, a tracer szívizom szimpatikus beidegződésének vizsgálatához használható: OH NHBoc
BocO
OH
1, CCl3F/AcOH [18F]F2 BocO
Aromás vegyületek trimetilsztannil származékai jelezhetők [18F]F2–ral -Előny: -18F beépülése
itt specifikus,
-[18F]F2 fajlagos aktivitása lehet 1000-szer magasabb is amennyiben [18F]Fluoridból indulunk ki,
-Hátrány: NHBoc -az elektrofil
radioaktív prekurzorok kémiailag agresszívak.
2, HBr
Me3Sn
Fémorganikus prekurzorok fluorozása
18
F
O H3C
NH N
HO
Nukleofil 18Ffluorozá fluorozás
O 18
O
F
N
N H
O
-C-F kötés kialakítása
OCH3 18
OCH3
F
[18F]FLT
Messze a legelterjedtebb jelzési metodika PETtracerek szintézisében
[18F]fallypride
18
F O NH
N O
HO
N
18F
-A módszer előnyei: -18F beépülése specifikus,
O
[18F]haloperidol [18F]spiperone
Cl
-Magas
specifikus aktivitás enyhe reakciókörülmények, -Jó hatásfok -Melléktermékek keletkezése kevéssé jellemző -Viszonylag
18
OH N
A legfontosabb PET-ligandok ezen az úton nyerhetők, így a [18F]FDG is.
N NO2
HOOC
F
NH2 18
F
[18F]MISO
O
[18F]FET
A [18F]fluorid ion vizes oldatban gyenge nukleofil. Ez a képessége növelhető, ha a K[18F]F oldatot Kriptofix2.2.2 jelenlétében azeotróposan beszárítjuk: O
-C-F kötés kialakítása
O O
O
+ R-LG
K+
N
LG
F-
N O
F
Megfelelő távozó csoport előzetes beépítése szükséges R
-Előny: -18F beépülése
18
F + LG
nemcsak a kívánt pozícióban fog megtörténni, de sztereospecifikusan is, azaz királis pozícióban a kívánt optikai izomerhez jutunk. (pl. FDG)
Alternatív nukleofil fluorozó reagens a [18F]TBAF (tetrabutil-ammoniumfluorid), ami protikus oldószerben a Kriptofix-KF adduktnál erősebb nukleofil lehet: HCO3-
n-Bu +
n-Bu N
n-Bu
n-Bu
+ 18F-
n-Bu N+ n-Bu n-Bu
n-Bu
18
Pl: MeCN, DMF, DMSO
LG = Távozó-csoport (Leaving group)
A célvegyület (-R) közvetlen fluorozása (SN2 – mechanizmus )
R
Aprotikus oldószerben O
Nukleofil 18Ffluorid prekurzorok
+ R-LG
LG
18 -
F
Protikus oldószerben Pl: tercier-alkohol
Alkalmas távozó csoportot (LG) tartalmazó aromás vegyületek [18F]fluorozása para-, vagy orto- helyzetben aktivált (AG) gyűrűn valósítható meg:
O 18
CH3 18
F
AG
LG
F
Nukleofil 18Ffluorozá fluorozás
a [18F]fluorobenzil származékok a kívánt tracer fundamentális részei, vagy hozzáfűzzük ezeket a kívánt biomolekulához => u.n. „prosthetic tags”
-Ezek
NO2
NC
F
18
Irányítási szabályok érvényesek
F
[18F]FBA
18
X
18
F
X = Br, I 18
F
F
+ LG
Aromás vegyületek nukleofil fluorozása
H F
18
-C-F kötés kialakítása
O
18
R
R
AG: -NO2, -nitril, -karbonil LG: -NO2, -halid, -tosilát, -triflát, -mezilát, -trialkilammóniumsók, -jodóniumsók
Új tracer a 4F-M[18F]FES, emlőtumorok vizsgálatára alkalmas. Két lépésben lehet szintetizálni védőcsoportos ciklikus szulfonát prekurzorból kiindulva: O O
S
MeO
O
O
O
O
SO2K
MeO
[18F]KF.K2.2.2.
18
-C-F kötés kialakítása
F
Alifás nukleofil fluorozás
O
O
O
F
F
-A reakció jellemzői: -Csak távozó csoport jelenléte
Hidrolízis
szükséges a prekurzor molekulában, aktiváló csoport nincs.
OH MeO 18
HO F
F
4F-M[18F]FES
Az [18F]FLT nukleofil fluorozása tercbutilalkoholban TBAF-dal magasabb (65%) hatásfokkal megy, mint hagyományos KF-Kriptofix alkalmazásakor (15%): O O
H3C
Boc
H3C
1, [18F]TBAF /tBuOH 120oC, 10 min
N
OTs
DMTrO
N
O
F
[18F]FLT
O O 18
F
oxin, vagy hidrazin kötés létrehozásával
O
[18F]SFB
amino-szelektív jelzés (pl: lizin, vagy terminális-NH2) 18
F-jelzett biomolekulák
szilárd fázisú reakcióval
O
szilárd fázisú reakcióval
OH
F
[18F]FBzA
más maleimidek tiol-szelektív jelzés is lehetségesek (pl: [18F]FBAM, (pl: cystein, vagy [18F]FBABM, más szabad-SH) [18F]FPyME) O O N N H 18
F
O
[18F]FBEM
Nukleofil 18Ffluorozá fluorozás -C-F kötés kialakítása
N O
[18F]FBA
O
O
CHO
F
[18F]FDG jelzése is ide tartozik!
-Az
18
18
-Hátrány: -Védőcsoportokra is szükség van, ha szabad –OH, -COOH, -amino csoport is jelen van. -Ezért a [18F]fluor beépítése után a védőcsoportokat is el kell távolítani. => két lépéses reakciók.
NH N
HO
2, Hidrolízis 1 M HCl
O
18
Nukleofil 18Ffluorozá fluorozás
O HO 18
F
[18F]FPA
Biomolekulák nukleofil fluorozása
Peptidek, fehérjék, oligonukleotidok, antitestek, lipidek, stb. -A jelzés jellemzői: -Direkt jelzés csak ritka esetben lehetséges, azaz általában a „hozzáfűzéses” módszer a járható út. -A jelzendő biomolekulát a legtöbb esetben jelzésre elő kell készíteni, azaz szelektív fogadó csoportot kell biztosítani. -Nincsenek védőcsoportok -Előnyök: -A 18F-jelzés csak kis mértékű változást okoz a biomolekula eredeti tulajdonságaiban (pl. szelektív kötődés, lipofilitás) -Hátrányok: -A teljes szintézis mindig több lépéses. -Kíméletes reakciókörülmények kellenek
[18F]alkin és azid közötti 1,3-dipolar Huisgen cikloaddíció gyorsan szelektíven és enyhe reakciókörülmények között megy végbe:
Nukleofil 18Ffluorozá fluorozás
OTs
-C-F kötés kialakítása [18F]KF.K2.2.2. MeCN, 100 oC
O O peptid
peptid 18
N
[18F]fluorozás „klikk-kémia” módszerrel
N
N3
N 18
F
F
Cu(I), DIPEA, Na-aszkorbát
A reakció fordítva is végbemegy, azaz [18F]azid és biomolekulához kötött alkinszármazékok között is:
1, [18F]KF.K2.2.2. MeCN, N3
TsO
18 18
F
N3
2, desztilláció 130 oC
R
N
80 oC, 15 min
N N R
A 68Ga izotóp 4, vagy 6-os koordinációs számmal koordinálódhat un. Kétfunkciós kelátorokhoz, ami pedig kovalens kötéssel kapcsolható biomolekulákhoz:
F
68Ga
radiofarmakonok
BFCA
-kelát komplex kialakítása
Peptid
68
Ga
4, v. 6 koordinációs szám
Kovalens linker
A kelátorok leginkább a DOTA, vagy a NOTA lehetnek (a NOTA jobb kelátor a gallium esetében):
68Ga-jelzés
indirekt módon „BFCA”-n keresztül (bifunctional chelating agent) Eddig főként peptidek jelzését sikerült kidolgozni.
68Ga-NOTA-RGD
peptid szerkezete:
68Ga radiofarmakonok
-kelát komplex kialakítása
68Ga-jelzett
peptidek
(példák)
-Somatostatin
Melanocortin-receptor specifikus tracer:
-MSH
analógok
analóg
Ac-Nle-Asp-His-D-Phe-Arg-Trp-Gly-Lys-NH2
-Bombesin
O NH HOOC N
N
N
N
HOOC
COOH
68Ga-α α-MSH
analóg
- RGD analógok.
