Synthetic studies toward [18F]-fluorination of solid-supported silyl ethers

Abstract

Molekylær avbildning er definert som visualisering av in vivo biologiske prosesser på molekylært- eller cellulært nivå. Dette krever bruk av prober og kan gi anatomisk samt funksjonell informasjon. Molekylær avbildning inkluderer radiotracer-avbildning/nukleær medisin, magnetisk resonanstomografi (MR), MR spektroskopi, optisk avbildning og ultralyd.

De mest sensitive molekylære avbildningsteknikkene er de radionuklide-baserte positron emisjons tomografi (PET) og singel foton emisjons-computertomografi (SPECT), som tilbyr noninvasiv avbildning samt kvantitative bilder som kan benyttes for å undersøke biologiske prosesser, som metabolisme og reseptoruttrykking i vev. Alt fra biomakromolekyler til små molekyler og nanopartikler kan brukes som radiomerkede tracere, avhengig av avbildningsformålet og kinetikken til prosessen som studeres. Vår målsetting i dette arbeidet har vært å utvikle en ny metode for 18F-radiomerking av peptider og andre biologisk relevante molekyler, samt å fremstille peptidbaserte tracere for PET-avbildning.

Vi har hatt et ønske om å utvide feltet for 18F-radiofluorering av organosilisium-forbindelser ved å immobilisere forløpere på fast-fase via en O-Si binding som kan kløyves med 18F-. Dette kan potensielt anvendes for produksjon av radiotracere uten behov for HPLC-opprensing for å separere radiomerket produkt fra ureagert startmateriale eller umerket tracer. I dette arbeidet har en rekke ulike silyletere blitt fremstilt for å undersøke FOSi-metoden. Syntese av silaner og klorsilaner med ulike substitusjons-mønstre har lagt grunnlaget for videre stabilitetsstudier og utforskning av fluoreringsbetingelser. Tillagingen av Si-O bindinger var utfordrende for de sterisk hindrede di-tert-butylanalogene, mens for diisopropylanalogene ble det laget silyletere med variert funksjonalitet på den aromatiske ringen (azid, aldehyd, etere). Én silyleteranalog ble immobilisert på fast-fase og fluoreringer av både ikke-immobilisert og immobilisert forløper var vellykket. Utprøving av 18F-fluorering av fast-faseforløperen på PET-senteret ga lovende resultater. Videre studier av reaksjonsbetingelser er nødvendig for å kunne belyse det fulle potensialet til FOSi-metoden.

Tre peptidbaserte tracere ble syntetisert, bestående av en Granzyme B bindende peptidsekvens, som kan brukes til å observere aktiveringen av immunsystemet, bundet til ulike kelatorer som koordineres til metalliske radioisotoper. NOTA-GzmB, NODAGA-GzmB og DOTA-GzmB ble laget fra samme peptidaldehyd-sekvens (beta-Ala-Gly-Gly-Ile-Glu-Phe-Asp-H), men med ulik kelator-konjugasjon. De tre forløperne skal radiomerkes med 68Ga, og potensielt 64Cu, og studeres videre av våre samarbeidspartnere i Tromsø.

Molecular imaging is defined as the visualization of in vivo biological processes at the molecular or cellular level. It requires the use of imaging probes and can provide anatomic as well as functional information. Molecular imaging includes radiotracer imaging/nuclear medicine, magnetic resonance (MR) imaging, MR spectroscopy, optical imaging and ultrasound.

The most sensitive molecular imaging techniques are the radionuclide-based positron emission tomography (PET) and single photon emission computed tomography (SPECT) imaging modalities, which offer non-invasive and quantitative images that can be used to investigate biological processes, such as metabolism and receptor expression in tissues. Anything from biomacromolecules to small molecules and nanoparticles can be utilized as radiolabeled tracers, depending on the imaging target and the kinetics of the process under investigation.

In this work, we aimed at developing a new method for 18F-radiolabeling of peptides or other biologically relevant molecules, as well as preparing relevant peptide-based tracers for PET imaging.

We have expanded the field of radiofluorinated organosilicons, by immobilizing precursors onto a solid support, using an O-Si linker that can be cleaved by 18F- to release the 18F-radiolabeled tracer without the need for HPLC purification to separate the product from unreacted material or unlabeled tracer.

A wide variety of silyl ethers have been prepared to investigate the use of this new method for radiotracer production. Synthesis of silanes and chlorosilanes with various substitution patterns has laid the foundation for further hydrolytic stability-studies and exploration of fluorination conditions. Constructing the Si-O bond was challenging for bulky di-tert-butyl-substituted analogues, while for diisopropyl-substituted analogues, silyl ethers with various functionality on the benzene ring (azide, aldehyde, ethers) could readily be prepared. One silyl-ether analogue was immobilized on a solid support, and fluorinations of both non-immobilized and immobilized precursors were successful. The immobilized precursor was also subjected to hot fluorination at the PET center, where we obtained promising results. Further studies of the reaction conditions are required to fully elucidate the potential of the FOSi-method.

Three peptide-based tracers constituting a Granzyme B (GzmB) binding peptide sequence (beta-Ala-Gly-Gly-Ile-Glu-Phe-Asp-H), which can be used to monitor activation of the immune system, linked to different chelators that can coordinate to metallic radioisotopes, have been prepared in this work. NOTA GzmB, NODAGA GzmB and DOTA GzmB will be radiolabeled with 68Ga and potentially 64Cu, and further studied by our collaborators in Tromsø.