Neue 68Ga/89Zr-Chelatoren zur Markierung von Biomolekülen für PET

Gallium-68 (68Ga) hat in den letzten Jahren große Bedeutung für die Markierung von Radiopharmaka für die Positronenemissionstomographie (PET) gefunden. Als Generatornuklid mit einer Halbwertszeit von 68min und hoher Positronenausbeute etabliert sich 68Ga zunehmend als Alternative zu Fluor-18. Für die Markierung von Biomolekülen werden derzeit zyklische Aminocarboxylat-Chelatoren (v.a.DOTA und NOTA) verwendet. Wir konnten kürzlich zeigen, dass zyklische Peptid-Siderophore hervorragende komplexbindende Eigenschaften für 68Ga mit hoher spezifischer Aktivität und exzellenter metabolischer Stabilität aufweisen. Ausgehend von einem zyklischen Derivat konnte in Vorversuchen eine Möglichkeit der synthetischen Kopplung von Aminosäuren und eines RGD-Peptids an dieses Peptid-Siderophor aufgezeigt werden. Ein trimeres RGD Konjugat konnte unter milden Bedingungen mit 68Ga markiert werden unter Erreichen extrem hoher spezifischer Aktivitäten. 68Ga-(RGD)3 zeigte hohe Stabilität und effiziente Bindung an alpha- v-Beta3 Integrin exprimierende Tumorzellen, deutlich höher als bisher etablierte monomere RGD-Derivate. Neben 68Ga hat auch 89Zr in den letzten Jahren Interesse für die Anwendung in der PET gefunden. Mit einer Halbwertszeit von 78,4h erlaubt es die Bildgebung von biologischen Targets Tage nach Applikation. In Vorversuchen konnten wir zeigen, dass eine Reihe von Peptid-Siderophoren auch mit 89Zr in hoher Ausbeute und Stabilität markierbar sind und stellen damit Alternativen zum bisher verwendeten Desferoxamin (DFO)-Chelatoren dar. Basierend auf diesen Vorversuchen postulierten wir, dass A) Zyklische Peptidsiderophore sehr vielversprechende bifunktionelle Chelatoren für die Konjugation mit Biomolekülen zur 68Ga Markierung darstellen B) Die Kopplung von Peptiden an zyklische Peptidsiderophore in einer metabolischen Stabilisierung des Chelators resultiert, C) Diese zyklischen Peptidsiderophore auch mit 89Zr markierbar sind und sich Vorteile gegenüber linearen Chelatoren ergeben. Dieses Projekt hat das Ziel, selektierte Peptid-Siderophore, als Basis für das Design, die Synthese und Evaluierung von zielgerichteten Biomolekülen für die Markierung mit 68Ga und 89Zr zu etablieren. Dabei sind 6 Arbeitspakete geplant. In den ersten beiden werden RGD- Derivate mit verschiedenen Linkern, in einem weiteren ein Minigastrin- Konjugat und in einem 4. Arbeitspaket Konjugate von EGFR gerichteten Affibody synthetisiert und in vitro in Hinblick auf Markierung, Stabilität und Rezeptorbindungsverhalten als auch in Tumor Modellen charakterisiert. In einem weiteren Arbeitspaket werden selektierte Konjugate mit 89Zr markiert und mit den entsprechenden 68Ga markierten Derivaten verglichen. Arbeitspaket 6 zielt auf die Evaluierung von synthetischen Strategien, auch andere Peptid-Siderophorkonjugate für die Markierung mit 68Ga und 89Zr zugänglich zu machen. Eine Zusammenarbeit mit der Universität Nijmegen (RGD und Minigastrin) als auch der Universität Uppsala (Affibodies) wurde etabliert, im Speziellen auch zur Darstellung bildgebender Eigenschaften mittels Micro-PET. Dieses Projekt erforscht neue Möglichkeiten zur Herstellung hochspezifischer radioaktiv markierter Biomoleküle und deren Eigenschaften für die Anwendung in der Molekularen Bildgebung mittels PET im Speziellen in der Onkologie und soll neue Möglichkeiten in der nuklearmedizinischen Diagnostik aufzeigen.

In den letzten Jahren haben die Radionuklide Gallium-68 (68Ga) und Zirkonium-89 (89Zr) große Bedeutung für die Markierung von Radiopharmaka für die Positronenemissionstomographie (PET), ein modernes bildgebendes Verfahren, gefunden. Als Generatornuklid mit einer Halbwertszeit von 68min etabliert sich 68Ga zunehmend als Alternative zu Fluor-18, 89Zr vor allem in der Markierung von Antikörpern. In diesem Projekt wurde die Anwendung von zyklischen Peptid-Siderophoren, vor allem Fusarinine C (FSC), als Gerüst für die Entwicklung zielgerichteter Biomoleküle zur radioaktiven Markierung mit 68Ga und 89Zr untersucht. In einem ersten Schritt wurden RGD- Peptide, die an Integrin-Zielstrukturen bei der Neubildung von Blutgefäßen in Tumorgewebe binden, gekoppelt. Diese FSC(RGD)3 Biokonjugate (3 Peptide pro FSC Molekül) zeigten exzellente Bindung von 68Ga und 89Zr und eine deutlich verstärkte Bindung an Integrine als einzelne markierte RGD Peptide. In einem weiteren Schritt wurden Minigastrin Peptide, die spezifische Tumoren wie das medulläre Schilddrüsenkarzinom erkennen, an FSC gekoppelt. Es zeigte sich, dass durch Kopplung mehrerer Peptide die Anreicherung im Tumor gesteigert werden konnte und eine verbesserte diagnostische Tumordarstellung möglich ist, auch dadurch, dass diese Moleküle im Körper länger stabil sind und weniger schnell ihre Bindungseigenschaften verlieren. Die Verwendung der neuen FSC-basierten Chelatoren wurde weiters durch Kopplung eines sogenannten Affibodys, einem kleinen Protein das hochselektiv einen Wachstumsfaktor von Tumorzellen erkennt, nachgewiesen. Im Speziellen wurde gezeigt, dass FSC eine vielversprechende Alterative zu bisher verwendeten 89Zr-Markierungen darstellt. Dabei wurden auch initiale chemische Modifikationen der FSC Grundstruktur durchgeführt. Eine neue Forschungsrichtung ist heute die Kombination radioaktiver Markierungen mit Fluoreszenzmarkern, die eine optische Bildgebung mit der PET erlauben unter Verwendung eines diagnostischen Markers. Wir konnten das FSC Molekül so modifizieren, dass es einerseits radioaktiv markiert Tumorzellen erkennt, andererseits auch fluoresziert und damit auch mit optischen Verfahren sichtbar gemacht werden, kann z.B, intraoperativ. Das Projekt wurde durch mehrere internationale Kooperationen (Uppsala, Nijmegen, London und Olomouc) erfolgreich realisiert und resultierte in mehr als 10 wissenschaftlichen Publikationen, 2 Dissertationen und 3 Diplomarbeiten, sowie zahlreichen Vorträgen. Es zeigte neue Möglichkeiten auf, verbesserte, zielgerichtete Moleküle für die molekulare Bildgebung mit PET vor allem in der Onkologie zu entwickeln. Dies stellt einen signifikanten Beitrag zur Weiterentwicklung moderner Diagnostik für die personalisierte Medizin dar.