Development of efficiently conjugatable hybrid bimodal synthons with radionuclide and fluorescent dye applicable in combined PET/OI
Medical Physics, Biomedical Technology
Final Report Abstract
Ziel der Arbeiten war es, einen Syntheseweg zu entwickeln, der es erlaubt, hybride bimodale Synthone zu erhalten, die aus einem Fluoreszenzfarbstoff, einem Chelatbildner zur Radiomarkierung und einer effizient konjugierbaren funktionellen Gruppe bestehen und die sich effizient und stabil radiomarkieren lassen, ohne sich zu zersetzen. Dabei sollte eine Art Baukastensystem entwickelt werden, durch welches sich der Aufbau der Synthone problemlos auch an die Verwendung anderer Chelatbildner oder Fluoreszenzfarbstoffe anpassen lässt. Es sollte eine Palette von Verbindungen, deren Fluoreszenz das gesamte sichtbare Spektrum vom blauen in den nahinfraroten Wellenlängenbereich abdeckt, hergestellt werden. Die Verbindungen konnten nach Testung verschiedener Ansätze und Optimierung der Synthesestrategie erhalten werden und konnten nach Stabilisierung zersetzungsfrei mit den Positronen-Emittern 68Ga und 64Cu radiomarkiert werden und zeigten in nachfolgenden Evaluierungen eine hohe Stabilität. Die Synthone zeigten dabei wie zu erwarten war hinsichtlich ihrer Hydrophilie eine sehr starke Abhängigkeit vom eingesetzten Fluoreszenzfarbstoff, jedoch war in keinem Fall die Einführung hydrophiler Strukturelemente notwendig. Die photophysikalischen Eigenschaften der Verbindungen waren wie erwartet vergleichbar mit denen der unkonjugierten Farbstoffe. Im Folgenden wurden die hybriden bimodalen Synthone in ein peptidisches Modell-Biomolekül eingeführt, um ihre Anwendbarkeit in der Synthese von dual markierten bioaktiven Substanzen für eine kombinierte PET/OI Bildgebung zu zeigen. Die Biokonjugate konnten erhalten werden und zeigten somit die Tragfähigkeit des Ansatzes. Hinsichtlich ihrer chemischen Eigenschaften zeigten auch die Biokonjugate - ebenso wie die isolierten Synthone - eine starke Abhängigkeit vom eingesetzten Fluoreszenzfarbstoff. Auch die Rezeptorbindungseigenschaften der Biokonjugate wurden fast ausschließlich durch die Eigenschaften des Farbstoffes bestimmt und hingen dabei überraschenderweise nicht von der Komplexität, Konjugationsposition oder Größe der eingeführten Synthone bzw. Farbstoffmoleküle ab, sondern ausschließlich von ihrer Ladung. Dabei zeigte sich ein zu vernachlässigender Einfluss auf die Rezeptorbindungseigenschaften des peptidischen Carriers durch die Einführung der Synthone, sofern sie den Chelatbildner und positiv oder neutral geladene Fluoreszenzfarbstoffe beinhalteten, während die Einführung von Synthonen mit negativ geladenen Farbstoffen zu einer deutlichen Abnahme der Rezeptor-spezifischen Bindung (und damit der biologischen Aktivität der Biokonjugate) führte und zwar umso deutlicher, je höher die Zahl der negativen Ladungen war. Die photophysikalischen Eigenschaften der Verbindungen waren wie erwartet sehr vorteilhaft und teilweise sogar besser als die der isolierten Farbstoffe (da diese zu Aggregation neigen, die wiederum die Fluoreszenzausbeute mindert). Somit konnten wir das Projektziel der Entwicklung eines Baukastensystem zur Synthese von hybriden bimodalen Synthonen erreichen, welches die Synthese von Synthonen erlaubt, die sich hinsichtlich eingesetztem Chelatbildner und Fluoreszenzfarbstoff anpassen und sich effizient in Biomoleküle einführen lassen und mit Positronen-Emittern stabil markiert werden können. Außerdem konnten wir mit dieser Arbeit systematisch den Einfluss der Einführung hybrider bimodaler Synthone (und hierbei auch einzelner Strukturelemente dieser Verbindungen) in GRPR-spezifische Peptide untersuchen, was auch für andere Anwendung von Interesse ist. Die chemische Synthese der Zielverbindungen erwies sich als komplexer als erwartet, da sie nur auf einem der untersuchten Reaktionswege erhalten werden konnten und auch die Reihenfolge und Position der Einführung der einzelnen Strukturelemente von entscheidender Bedeutung für den Erfolg der Synthese war. Letztlich konnte jedoch eine erfolgreiche Synthesestrategie erarbeitet werden. Überraschend war, dass der sterische Anspruch der hybriden bimodalen Synthone keinen Einfluss auf die Bindungseigenschaften des peptidischen Carriers hatte, solange keine negativ geladenen Fluoreszenzfarbstoffe zum Einsatz kamen, sondern dass die Affinität zum Zielrezeptor für die allermeisten Verbindungen weitgehend unverändert blieb, selbst wenn raumgreifende Verbindungen zur Biomolekülmodifikation eingesetzt wurden.
Publications
- (2020) Hybrid Multimodal Imaging Synthons for Chemoselective and Efficient Biomolecule Modification with Chelator and Near-Infrared Fluorescent Cyanine Dye. Pharmaceuticals 13, 250
Hübner R, von Kiedrowski V, Benkert V, Wängler B, Schirrmacher R, Krämer R, Wängler C
(See online at https://doi.org/10.3390/ph13090250) - (2020) Probing Two PESIN-Indocyanine-Dye-Conjugates: Significance of the Used Fluorophore. Journal of Materials Chemistry B 8(6), 1302-1309
Hübner R, Benkert V, Cheng X, Wängler B, Krämer R, Wängler C
(See online at https://doi.org/10.1039/c9tb01794a) - (2020) Synthesis, characterization and optimization of in vitro properties of NIR-fluorescent cyclic a-MSH peptides for melanoma imaging. Journal of Materials Chemistry B
von Kiedrowski V, Hübner R, Kail D, Cheng X, Schirrmacher R, Wängler C, Wängler B
(See online at https://doi.org/10.1039/d0tb01798a) - (2020), Functional Hybrid Molecules for the Visualization of Cancer: Homodimeric PESIN-Dendroids Combined with Multimodal Molecular Imaging Probes for Positron Emission Tomography (PET) and Optical Imaging (OI): Suited for Tracking of GRPR-Positive Malignant Tissue. Chemistry – A European Journal
Hübner R, Wängler B, Wängler C
(See online at https://doi.org/10.1002/chem.202002386)
