Bioorthogonal ligations in PET imaging

Abstract

Positronenemissionstomographie (PET) hat sich als Standardverfahren in der nuklearmedizinischen Diagnostik etabliert. Mit Hilfe geeigneter PET-Tracer werden wertvolle medizinische Daten wie etwa der Oxygenierungsgrad eines Tumors bestimmt. Die kurze Halbwertzszeit eingesetzter Radionuklide limitiert die Latenzzeit zwischen Verabreichung des PET-Tracers und PET-Scan wodurch Substanzen mit langsamer Anreicherungskinetik nur bedingt anwendbar sind.<br />Bioorthogonale Reaktionen ermöglichen die Entkopplung von Anreicherungsgeschwindigkeit und Halbwertzszeit durch einen zweistufigen Prozess. Ein nicht radioaktiver Marker reichert sich im ersten Schritt im Zielgewebe an. Im zweiten Prozessschritt bindet eine radioaktiv markierte Spezies mit rascher Pharmakokinetik (PDR, Pull Down Reagenz) mittels bioorthogonaler Reaktion kovalent und in vivo an den Marker. Für den Erfolg dieser Strategie sind neben selektiver Anreicherung des Markers auch Faktoren wie Membrangängigkeit, Biodistribution des PDR und Geschwindigkeit der bioorthogonalen Ligation ausschlaggebend. Basierend auf den bekannten bioorthogonalen SPAACs (strain promoted aklyne-azide cycloadditions) wurden Modellsubstanzen für die PET Diagnose von Hypoxie mittels Marker/PDR Strategie dargestellt. Für die bioorthogonale Reaktion zwischen 1,2,4,5-Tetrazinen und gespannten Alkenen wurden Substrate synthetisiert, und deren Ligationsgeschwindigkeiten mittels Stopped Flow Kinetikmessungen untersucht. Die Reaktion eines Dialkyltetrazins mit einem wasserlöslichen Dienophil verlief in Blutplasma 130-fach schneller als in 1,4-Dioxan, woraus sich die Entwicklung eines Fluor-18 markierten Dialkyltetrazins als PDR ergab.

Positron emission tomography (PET) is a diagnostic tool routinely used in nuclear medicine. By administration of a suitable PET-Tracer valuable medicinal information is gathered. For example PET is used to localize and quantify hypoxic areals within tumors. Short half lifes of used radioisotopes restrict latency between administration of the radiopharmaceutical and subsequent PET-scan, consequently tracers with slow accumulation in target tissues are poorly useable.<br />Pretargeting with bioorthogonal ligations allow decoupling of tracer accumulation and half life by a two step process. In the first step a non-radioactive marker reagent is selectively accumulated in target tissue. In the next step a radiolabeled agent (PDR, pull down reagent) with favorable pharmacokinetics is linked to the marker reagent in vivo using a bioorthogonal reaction. For successful pretargeting selective marker accumulation, as well as membrane-permeability, PDR biodistribution and fast kinetics of the bioorthogonal ligation are crucial. Based on the well established bioorthogonal SPAACs (strain promoted aklyne-azide cycloadditions) model substances for the pretargeted PET imaging of hypoxia were developed. Substrates for the bioorthogonal ligation between 1,2,4,5-tetrazines und strained alkenes were synthesized, and ligation kinetics measured and compared using the stopped flow methology. Ligation of a small water miscible dialkyltetrazine with a water soluble dienophile was accelerated by two orders of magnitude in human blood plasma compared to 1,4-dioxane. Based on these results a fluorine-18 labeled dialkyltetrazine was developed as potential pull down reagent.