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Synthese und Evaluierung spezifischer Radiotracer für die Bildgebung gastrointestinaler Stromatumore

Prause, Martin

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Abstract

Um die Bildgebung von gastrointestinalen Stromatumoren mittels Positronen-Emissions-Tomo¬graphie zu verbessern, wurden in dieser Arbeit neue 18F-markierte PET-Radiotracer entwickelt und evaluiert. Dafür wurde einerseits ein Radiotracer ([18F]Fluor-Norimatinib) entwickelt, der die Sensitivität des Tumors gegenüber Imatinib darstellen sollte und andererseits ein Radiotracer ([18F]Fluor-DOG1), mit dem sich gastrointestinale Stromatumore von anderen Sarkomen ohne invasive Biopsie unterscheiden lassen sollten. Literaturbekannte 18F-markierte Imatinib-Derivate weisen eine hohe Lipophilie und damit eine starke Akkumulation in der Leber auf, die die Bildgebung von gastrointestinalen Stromatumoren erschwert, weshalb in dieser Arbeit der hydrophilere Metabolit Norimatinib als Grundstruktur verwendet wurde. Das Radiolabel wurde am Pyridin-Ring eingeführt, da an dieser Position keine metabolischen Prozesse bekannt waren und [18F]Fluorpyridine über Nitropyridin-Vorläufer einfach zugänglich sind. Die Darstellung des Nitropyridin-Vorläufers und des Fluor-Standards von FNI wurden zunächst in einer 6-stufigen Synthese geplant, die allerdings nur für den Standard Fluor-Norimatinib (FNI) erfolgreich durchgeführt werden konnte, da die harschen Reaktionsbedingungen des letzten Reaktionsschrittes nicht mit dem Nitro-Derivat kompatibel waren. Eine neue 7-stufige Synthese, bei der weitestgehend auf mildere Bedingungen zurückgegriffen wurde, konnte jedoch den Nitropyridin-Vorläufer in guten Ausbeuten liefern. Die zweistufige Radiomarkierung konnte erfolgreich etabliert werden, sodass [18F]FNI nach Radiofluorierung, Entschützung und Aufreinigung in guten Ausbeuten erhalten wurde. Die Eva¬luierung in vitro wies aufgrund der Lipophilie nur eine geringe spezifische Bindung auf, jedoch zeigte FNI ein zu Imatinib analoges Bindungsprofil bezüglich verschiedener KIT-Mutanten. In den in vivo-Studien konnte zwar die renale Ausscheidung des Radiotracers stark erhöht werden, wodurch eine vorteilhafte, geringere Akkumulation in der Leber resultierte, allerdings erfolgte keine hohe Anreicherung in den Tumoren, vermutlich aufgrund deren geringer Vaskula¬risierung. Des Weiteren wurde durch die Metabolisierung des Radiotracers [18F]Fluorid freigesetzt, welches zu erhöhter Knochenanreicherung führte. Dies konnte jedoch durch Administra¬tion kleiner Mengen Ketoconazol reduziert werden, wobei zudem die Anreicherung in den Tumoren leicht stieg. Für die Radiomarkierung von [18F]Fluor-DOG1 wurden zunächst verschiedene Vorläufer mit Nitro-, Triazen- bzw. Borsäureester-Abgangsgruppen erfolgreich synthetisiert. Dabei zeigte sich, dass der Nitro-Vorläufer keine ausreichende Stabilität unter den harschen Markierungsbedingungen besaß, weswegen auf den reaktiveren Triazen-Vorläufer zurückgegriffen wurde. Dessen hohe Reaktivität führte allerdings zu einer Vielzahl an Reaktionsprodukten, die sowohl die Analytik, als auch die Aufreinigung derart erschwerten, dass auch dieser Vorläufer keine sinnvolle Option darstellte. Über die Kupfer-katalysierte Radiofluorierung des Borsäureester-Vorläufers hingegen konnte der gewün¬schte Radiotracer [18F]Fluor-DOG1 in guten Ausbeuten erhalten werden. In ersten in vivo-Studien in Mäusen zeigte der Radiotracer keine zufriedenstellende Pharmakokinetik, da die Anreicherung im Tumor nur unzureichend stattfand, jedoch eine starke Akkumulation in der Leber beobachtbar war. Dies wurde auf die geringe Stabilität von [18F]Fluor-DOG1 in murinem Blutserum zurückgeführt, weswegen eine Optimierung dahingehend vorgenommen werden sollte.

Translation of abstract (English)

To improve the imaging of gastrointestinal stromal tumours via positron emission tomography, novel 18F-labelled PET radiotracers have been developed in this work. For this, two radiotracers have been designed, on the one hand a radiotracer ([18F]fluoronorimatinib) displaying the sensitivity of the tumour towards Imatinib and on the other hand another radiotracer ([18F]fluoro-DOG1) being able to distinguish gastrointestinal stromal tumours from other sarcoma without the need for invasive biopsy. Literature-known 18F-labelled derivatives of Imatinib show a high lipophilicity and thus a strong accumulation in the liver impeding the imaging of gastrointestinal stromal tumours. Therefore the more hydrophilic metabolite Norimatinib has been used as the lead structure in this study. The radiolabel has been introduced into the pyridine ring, since there are no known metabolic processes at this position and [18F]fluoropyridines are easily accessible via nitropyridine precursors. The syntheses of the nitropyridine precursor and the non-radioactive reference of FNI were first planned in a 6-step reaction scheme, which, however, could only be successfully applied to the standard compound fluoronorimatinib (FNI), since the harsh reaction conditions of the last reaction step were not compatible with the nitro derivative. In a new 7-step synthesis employing mostly milder conditions, finally, the nitropyridine precursor could be obtained in good yields. The 2-step radiosynthesis was established successfully, so [18F]FNI could be synthesised in good yields after radiofluorination, deprotection and purification. The in vitro evaluation exhibited only a low specific binding due to the lipophilicity of the compound. However, FNI displayed a comparable binding profile as Imatinib towards different KIT mutants. Although the renal excretion of the tracer could be increased, resulting in an advantageous lower accumulation in the liver, there was only moderate uptake in the tumours, most probably due to their weak vascularisation. Furthermore, [18F]fluoride has been released from the radiotracer due to metabolisation leading to increased bone uptake. However, this could be reduced with the co-administration of minute amounts of ketoconazole, which also lead to a slight increase in tumour uptake. For the radiosynthesis of [18F]fluoro-DOG1, at first, various precursors have been successfully synthesised, covering nitro, triazene and boronic acid ester leaving groups. It could be observed, that the nitro precursor didn’t show sufficient stability under the harsh labelling conditions, which is why the more reactive triazene precursor has been evaluated. However, its high reactivity led to a huge number of reaction products impeding both analysis as well as purification in a way, that this precursor did not pose a viable option. Eventually, the radiotracer [18F]fluoro-DOG1 could be obtained in good yields via copper-catalysed radiofluorination of the boronic acid ester precursor and was evaluated in vivo. However, the radiotracer showed undesirable pharmacokinetics, since the uptake in the tumour was insufficient for imaging and a high hepatic accumulation could be observed. This was referred to the poor stability of [18F]fluoro-DOG1 in murine blood serum, which is why an optimisation in this regard should be performed.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Fricker, Prof. Dr. Gert
Date of thesis defense: 17 May 2019
Date Deposited: 03 Jul 2019 13:46
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
540 Chemistry and allied sciences
570 Life sciences
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