Untersuchungen zur stabilen Bindung von kurzlebigen Alphaemittern für die Radionuklidtherapie

Die Progression von Tumorerkrankungen ist ein gesamtgesellschaftliches Problem und macht die fortwährende Forschungsarbeit in Bezug auf die Weiterentwicklung diagnostischer und therapeutischer Optionen unumgänglich. Für die Krebstherapie stehen neben den konventionellen Methoden wie der operativen Entfernung, Chemo- und Strahlentherapie auch spezialisierte Therapieformen zur Verfügung. Die radiopharmazeutischen Wissenschaften in Verbindung mit der Nuklearmedizin als klinische Disziplin widmen sich diesen hoch spezialisierten Ansätzen unter Verwendung von Radioaktivität. Je nach verwendetem Radionuklid ist die Bearbeitung von diagnostischen oder therapeutischen Fragestellungen möglich. Während für diagnostische Zwecke Gamma- und Positronenemitter eingesetzt werden, sind es für die Therapie vor allem Betaemitter, aber auch Alphaemitter, zum Beispiel Radium-223/224 und Actinium-225. Alphaemitter besitzen eine sehr hohe Zerfallsenergie (meist mehrere MeV), welche sie über eine vergleichsweise kurze Wegstrecke abgeben. Dadurch können sie, wenn stabil an Krebszellen gebunden, Tumorgewebe effizient zerstören und das umliegende Gewebe bestmöglich schonen. Alphaemitter sind in ihrer Anwendungsbreite aus verschiedenen Gründen bislang limitiert: Fehlt für Radium-223/224 ein geeignetes System zur stabilen Bindung, sind es für Actinium-225 die noch fehlenden anwendungsspezifischen Studien und die limitierte globale Verfügbarkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Methoden verfolgt, Alphaemitter stabil einzuschließen und damit für therapeutische Anwendungen verfügbar zu machen. Es sollten geeignete Nanopartikel als Träger für die Radionuklide Radium-223/224 und Actinium-225 hergestellt werden. Diese sollten anschließend funktionalisiert und damit spezifisch gegen ein bestimmtes Tumortarget gerichtet sein. Durch Ergänzung mit dem Gammastrahler Barium-131 sollte das Potential des theranostischen Radionuklidpaars (Diagnostik und Therapie mit dem gleichen Trägersystem) Barium-131 / Radium-224 evaluiert werden. Die grundsätzliche Verfügbarkeit beider Radionuklide im Labormaßstab war sicherzustellen. Zusätzlich sollten Untersuchungen zur Radiomarkierung (unter milden Bedingungen) von funktionalisierbaren Komplexbildnern mit Barium-131 und Actinium-225 durchgeführt und an einem Tumortarget exemplarisch evaluiert werden. Der Verfügbarkeit von Barium-131 und Radium-224 wurde im Labormaßstab sichergestellt. Bezüglich des Barium-131 wurde ein Zyklotron-basierter Herstellungsprozess etabliert und die entsprechenden Aufarbeitungs- und Reinigungsmethoden entwickelt. Es wurden reproduzierbar 190 MBq nach vierstündiger Bestrahlung eines CsCl-Targets bei (26,5-27,5) MeV erhalten. Hinsichtlich des Radium-224 wurde ein Thorium-228 / Radium-224-Generatorsystem erfolgreich entwickelt, welches die einfache und kontinuierliche Gewinnung von Radium-224 (ca. (5-10) MBq) in hoher Qualität ermöglichte, ohne größere Verluste des Mutternuklids in Kauf zu nehmen. Bariumsulfat-Nanopartikel wurden als stabiles Trägersystem für Ionen, vor allem die des Bariums, Radiums und Actiniums, synthetisiert. Nach der Auswahl des geeigneten Lösungsmittelgemisches und der Testung verschiedener Zusätze für die nachträgliche Funktionalisierung wurden Nanopartikel in verschiedenen Etappen hergestellt. Während die Nanopartikel der ersten Generation mit ca. 150 nm Kristallgröße noch relativ groß in Hinblick auf die In-vivo-Anwendung waren, konnte durch Optimierungen der Methode eine Verkleinerung auf ca. 10 nm erzielt werden. Diese Nanopartikel beinhalteten Alendronat-Einheiten, welche über die Aminofunktion weiter funktionalisiert wurden. Die Radiomarkierung der Nanopartikel mit Barium und Radiumisotopen, aber auch anderen klinisch interessanten Radionukliden wurde erfolgreich getestet. Die Untersuchung der Partikel in Hinsicht auf ihre biologischen Interaktionen zeigte allerdings unspezifische Wechselwirkungen mit Serumproteinen und auch keine spezifische Anreicherung an Tumorzelllinien nach entsprechender Funktionalisierung. Ein erstes In-vivo-Experiment an einer gesunden Maus wies, verursacht durch massive Anreicherung in Leber und Milz, ebenfalls das unspezifische Verhalten nach. Der vierte experimentelle Abschnitt behandelte die Entwicklung eines K2.2-basierten Komplexbildners für Actiniumionen, welcher die Radiomarkierung bei Raumtemperatur, im Gegensatz zum derzeit angewandten Chelator DOTA, ermöglicht. Es ist gelungen, funktionalisierbare Chelatoren herzustellen und die zwei Leitstrukturen 20 und 21, welche das PSMA-Bindungsmotiv (ein bzw. zwei Motive) tragen, wurden biologisch charakterisiert. Beide Konjugate (radiomarkiert mit Actinium-225) wurden auf zellulärer Ebene an PSMA-rezeptorpositiven Zellen hinsichtlich ihrer Bindungsaffinität und ihres Einflusses auf das klonogene Zellüberleben untersucht. Die radiomarkierte Verbindung 21 zeigte dabei gegenüber 20 sowohl eine höhere Affinität (9 nM vs. 38 nM) als auch ein stärkeres Schädigungspotential im Koloniebildungsversuch. Diese Tendenz wurde in Tierversuchen durch eine höhere prozentuale Tumoranreicherung (Mausmodell, LNCaPXenograft; 7% vs. 12%) bestätigt und liefert vergleichbare Daten mit dem aktuell in der Nuklearmedizin angewandten Konjugat Lutetium-177-PSMA-617. Die Verfügbarkeit der Radionuklide wurde sichergestellt. Sollten hier weitere Optimierungen hinsichtlich der Aktivitätsmenge nötig sein, müsste vor allem für Barium-131 ein neues Targetsystem entwickelt werden, um die Bestrahlung effizienter durchzuführen und die Ausbeuten zu erhöhen. Weiterhin wäre die Aufstockung des Strahlenschutzes notwendig. Bezüglich der Bariumsulfat-Nanopartikel müssten zukünftige Optimierung auf das Erreichen einer biologischen Inertie und das Verhindern unspezifischer Anreicherungen in vivo abzielen. Dies könnte insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Partikeloberfläche weiter funktionalisiert wird. So bieten Polyethylenglykol-Einheiten oder die Umhüllung in Mizellen die Möglichkeit, das Partikel-Ladungspotential abzuschirmen und unspezifische Proteinadsorptionen zu unterdrücken. Weiterhin wäre das Anbringen eines sehr großen Biomoleküls an die Partikel denkbar, welches das Verhalten der Partikel dann stärker beeinflusst als die eigene Charakteristik. Die Synthese eines funktionalisierbaren und bei Raumtemperatur radiomarkierbaren Actinium-Komplexbildners ist erfolgreich gewesen. Die Untersuchungen bezüglich der Actinium-225-Anwendungen können vor allem hinsichtlich der Bioverteilungseigenschaften der radiomarkierten Konjugate verbessert werden. So könnte das Anfügen Albumin-bindender Einheiten (z.B. Iodphenylbuttersäure) am Bindungsmotiv die Verweilzeit im Blutkreislauf erhöhen und damit auch zu einer größeren Gesamttumoraufnahme beitragen. Perspektivisch können die Komplexbildner verwendet werden, um größere, temperatursensible Biomakromoleküle (z.B. Antikörper) zu funktionalisieren und für therapeutische Ansätze mit Actinium-225 zugänglich zu machen

Untersuchungen zur stabilen Bindung von kurzlebigen Alphaemittern für die Radionuklidtherapie

Die Progression von Tumorerkrankungen ist ein gesamtgesellschaftliches Problem und macht die fortwährende Forschungsarbeit in Bezug auf die Weiterentwicklung diagnostischer und therapeutischer Optionen unumgänglich. Für die Krebstherapie stehen neben den konventionellen Methoden wie der operativen Entfernung, Chemo- und Strahlentherapie auch spezialisierte Therapieformen zur Verfügung. Die radiopharmazeutischen Wissenschaften in Verbindung mit der Nuklearmedizin als klinische Disziplin widmen sich diesen hoch spezialisierten Ansätzen unter Verwendung von Radioaktivität. Je nach verwendetem Radionuklid ist die Bearbeitung von diagnostischen oder therapeutischen Fragestellungen möglich. Während für diagnostische Zwecke Gamma- und Positronenemitter eingesetzt werden, sind es für die Therapie vor allem Betaemitter, aber auch Alphaemitter, zum Beispiel Radium-223/224 und Actinium-225. Alphaemitter besitzen eine sehr hohe Zerfallsenergie (meist mehrere MeV), welche sie über eine vergleichsweise kurze Wegstrecke abgeben. Dadurch können sie, wenn stabil an Krebszellen gebunden, Tumorgewebe effizient zerstören und das umliegende Gewebe bestmöglich schonen. Alphaemitter sind in ihrer Anwendungsbreite aus verschiedenen Gründen bislang limitiert: Fehlt für Radium-223/224 ein geeignetes System zur stabilen Bindung, sind es für Actinium-225 die noch fehlenden anwendungsspezifischen Studien und die limitierte globale Verfügbarkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Methoden verfolgt, Alphaemitter stabil einzuschließen und damit für therapeutische Anwendungen verfügbar zu machen. Es sollten geeignete Nanopartikel als Träger für die Radionuklide Radium-223/224 und Actinium-225 hergestellt werden. Diese sollten anschließend funktionalisiert und damit spezifisch gegen ein bestimmtes Tumortarget gerichtet sein. Durch Ergänzung mit dem Gammastrahler Barium-131 sollte das Potential des theranostischen Radionuklidpaars (Diagnostik und Therapie mit dem gleichen Trägersystem) Barium-131 / Radium-224 evaluiert werden. Die grundsätzliche Verfügbarkeit beider Radionuklide im Labormaßstab war sicherzustellen. Zusätzlich sollten Untersuchungen zur Radiomarkierung (unter milden Bedingungen) von funktionalisierbaren Komplexbildnern mit Barium-131 und Actinium-225 durchgeführt und an einem Tumortarget exemplarisch evaluiert werden. Der Verfügbarkeit von Barium-131 und Radium-224 wurde im Labormaßstab sichergestellt. Bezüglich des Barium-131 wurde ein Zyklotron-basierter Herstellungsprozess etabliert und die entsprechenden Aufarbeitungs- und Reinigungsmethoden entwickelt. Es wurden reproduzierbar 190 MBq nach vierstündiger Bestrahlung eines CsCl-Targets bei (26,5-27,5) MeV erhalten. Hinsichtlich des Radium-224 wurde ein Thorium-228 / Radium-224-Generatorsystem erfolgreich entwickelt, welches die einfache und kontinuierliche Gewinnung von Radium-224 (ca. (5-10) MBq) in hoher Qualität ermöglichte, ohne größere Verluste des Mutternuklids in Kauf zu nehmen. Bariumsulfat-Nanopartikel wurden als stabiles Trägersystem für Ionen, vor allem die des Bariums, Radiums und Actiniums, synthetisiert. Nach der Auswahl des geeigneten Lösungsmittelgemisches und der Testung verschiedener Zusätze für die nachträgliche Funktionalisierung wurden Nanopartikel in verschiedenen Etappen hergestellt. Während die Nanopartikel der ersten Generation mit ca. 150 nm Kristallgröße noch relativ groß in Hinblick auf die In-vivo-Anwendung waren, konnte durch Optimierungen der Methode eine Verkleinerung auf ca. 10 nm erzielt werden. Diese Nanopartikel beinhalteten Alendronat-Einheiten, welche über die Aminofunktion weiter funktionalisiert wurden. Die Radiomarkierung der Nanopartikel mit Barium und Radiumisotopen, aber auch anderen klinisch interessanten Radionukliden wurde erfolgreich getestet. Die Untersuchung der Partikel in Hinsicht auf ihre biologischen Interaktionen zeigte allerdings unspezifische Wechselwirkungen mit Serumproteinen und auch keine spezifische Anreicherung an Tumorzelllinien nach entsprechender Funktionalisierung. Ein erstes In-vivo-Experiment an einer gesunden Maus wies, verursacht durch massive Anreicherung in Leber und Milz, ebenfalls das unspezifische Verhalten nach. Der vierte experimentelle Abschnitt behandelte die Entwicklung eines K2.2-basierten Komplexbildners für Actiniumionen, welcher die Radiomarkierung bei Raumtemperatur, im Gegensatz zum derzeit angewandten Chelator DOTA, ermöglicht. Es ist gelungen, funktionalisierbare Chelatoren herzustellen und die zwei Leitstrukturen 20 und 21, welche das PSMA-Bindungsmotiv (ein bzw. zwei Motive) tragen, wurden biologisch charakterisiert. Beide Konjugate (radiomarkiert mit Actinium-225) wurden auf zellulärer Ebene an PSMA-rezeptorpositiven Zellen hinsichtlich ihrer Bindungsaffinität und ihres Einflusses auf das klonogene Zellüberleben untersucht. Die radiomarkierte Verbindung 21 zeigte dabei gegenüber 20 sowohl eine höhere Affinität (9 nM vs. 38 nM) als auch ein stärkeres Schädigungspotential im Koloniebildungsversuch. Diese Tendenz wurde in Tierversuchen durch eine höhere prozentuale Tumoranreicherung (Mausmodell, LNCaPXenograft; 7% vs. 12%) bestätigt und liefert vergleichbare Daten mit dem aktuell in der Nuklearmedizin angewandten Konjugat Lutetium-177-PSMA-617. Die Verfügbarkeit der Radionuklide wurde sichergestellt. Sollten hier weitere Optimierungen hinsichtlich der Aktivitätsmenge nötig sein, müsste vor allem für Barium-131 ein neues Targetsystem entwickelt werden, um die Bestrahlung effizienter durchzuführen und die Ausbeuten zu erhöhen. Weiterhin wäre die Aufstockung des Strahlenschutzes notwendig. Bezüglich der Bariumsulfat-Nanopartikel müssten zukünftige Optimierung auf das Erreichen einer biologischen Inertie und das Verhindern unspezifischer Anreicherungen in vivo abzielen. Dies könnte insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Partikeloberfläche weiter funktionalisiert wird. So bieten Polyethylenglykol-Einheiten oder die Umhüllung in Mizellen die Möglichkeit, das Partikel-Ladungspotential abzuschirmen und unspezifische Proteinadsorptionen zu unterdrücken. Weiterhin wäre das Anbringen eines sehr großen Biomoleküls an die Partikel denkbar, welches das Verhalten der Partikel dann stärker beeinflusst als die eigene Charakteristik. Die Synthese eines funktionalisierbaren und bei Raumtemperatur radiomarkierbaren Actinium-Komplexbildners ist erfolgreich gewesen. Die Untersuchungen bezüglich der Actinium-225-Anwendungen können vor allem hinsichtlich der Bioverteilungseigenschaften der radiomarkierten Konjugate verbessert werden. So könnte das Anfügen Albumin-bindender Einheiten (z.B. Iodphenylbuttersäure) am Bindungsmotiv die Verweilzeit im Blutkreislauf erhöhen und damit auch zu einer größeren Gesamttumoraufnahme beitragen. Perspektivisch können die Komplexbildner verwendet werden, um größere, temperatursensible Biomakromoleküle (z.B. Antikörper) zu funktionalisieren und für therapeutische Ansätze mit Actinium-225 zugänglich zu machen

Towards Targeted Alpha Therapy with Actinium-225: Chelators for Mild Condition Radiolabeling and Targeting PSMA—A Proof of Concept Study

Currently, targeted alpha therapy is one of the most investigated topics in radiopharmaceutical cancer management. Especially, the alpha emitter 225Ac has excellent nuclear properties and is gaining increasing popularity for the treatment of various tumor entities. We herein report on the synthesis of two universal 225Ac-chelators for mild condition radiolabeling and binding to conjugate molecules of pharmacological interest via the copper-mediated click chemistry. A convenient radiolabeling procedure was investigated as well as the complex stability proved for both chelators and two PSMA (prostate-specific membrane antigen)-targeting model radioconjugates. Studies regarding affinity and cell survival were performed on LNCaP cells followed by biodistribution studies, which were performed using LNCaP tumor-bearing mice. High efficiency radiolabeling for all conjugates was demonstrated. Cell binding studies revealed a fourfold lower cell affinity for the PSMA radioconjugate with one targeting motif compared to the radioconjugate owing two targeting motifs. Additionally, these differences were verified by in vitro cell survival evaluation and biodistribution studies, both showing a higher cell killing efficiency for the same dose, a higher tumor uptake (15%ID/g) and a rapid whole body clearance after 24 h. The synthesized chelators will overcome obstacles of lacking stability and worse labeling needs regarding 225Ac complexation using the DOTA (1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetrayl)tetraacetic acid) chelator. Moreover, the universal functionalization expands the coverage of these chelators in combination with any sensitive bio(macro)molecule, thus improving treatment of any addressable tumor target

Efficient Production of the PET Radionuclide 133La for Theranostic Purposes in Targeted Alpha Therapy Using the 134Ba(p,2n)133La Reaction

Targeted Alpha Therapy is a research field of highest interest in specialized radionuclide therapy. Over the last decades, several alpha-emitting radionuclides have entered and left research topics towards their clinical translation. Especially, 225Ac provides all necessary physical and chemical properties for a successful clinical application, which has already been shown by [225Ac]Ac-PSMA-617. While PSMA-617 carries the DOTA moiety as the complexing agent, the chelator macropa as a macrocyclic alternative provides even more beneficial properties regarding labeling and complex stability in vivo. Lanthanum-133 is an excellent positron-emitting diagnostic lanthanide to radiolabel macropa-functionalized therapeutics since 133La forms a perfectly matched theranostic pair of radionuclides with the therapeutic radionuclide 225Ac, which itself can optimally be complexed by macropa as well. 133La was thus produced by cyclotron-based proton irradiation of an enriched 134Ba target. The target (30 mg of [134Ba]BaCO3) was irradiated for 60 min at 22 MeV and 10–15 µA beam current. Irradiation side products in the raw target solution were identified and quantified: 135La (0.4%), 135mBa (0.03%), 133mBa (0.01%), and 133Ba (0.0004%). The subsequent workup and anion-exchange-based product purification process took approx. 30 min and led to a total amount of (1.2–1.8) GBq (decay-corrected to end of bombardment) of 133La, formulated as [133La]LaCl3. After the complete decay of 133La, a remainder of ca. 4 kBq of long-lived 133Ba per 100 MBq of 133La was detected and rated as uncritical regarding personal dose and waste management. Subsequent radiolabeling was successfully performed with previously published macropa-derived PSMA inhibitors at a micromolar range (quantitative labeling at 1 µM) and evaluated by radio-TLC and radio-HPLC analyses. The scale-up to radioactivity amounts that are needed for clinical application purposes would be easy to achieve by increasing target mass, beam current, and irradiation time to produce 133La of high radionuclide purity (>99.5%) regarding labeling properties and side products

Cyclotron-Based Production of ⁶⁷Cu for Radionuclide Theranostics via the ⁷⁰Zn(p,α)⁶⁷Cu Reaction

Theranostic matched pairs of radionuclides have aroused interest during the last couple of years, and in that sense, copper is one element that has a lot to offer, and although 61Cu and 64Cu are slowly being established as diagnostic radionuclides for PET, the availability of the therapeutic counterpart 67Cu plays a key role for further radiopharmaceutical development in the future. Until now, the 67Cu shortage has not been solved; however, different production routes are being explored. This project aims at the production of no-carrier-added 67Cu with high radionuclidic purity with a medical 30MeV compact cyclotron via the 70Zn(p,α)67Cu reaction. With this purpose, proton irradiation of electrodeposited 70Zn targets was performed followed by two-step radiochemical separation based on solid-phase extraction. Activities of up to 600MBq 67Cu at end of bombardment, with radionuclidic purities over 99.5% and apparent molar activities of up to 80MBq/nmol, were quantified

Calix[4]crowns with perfluoroalkylsulfonylcarboxamide functions: a complexation approach for heavy group 2 metal ions

Heavy alkaline earth metals offer radionuclides which are promising candidates for radiopharmaceutical applications like the γ-emitter barium-131 for diagnosis or the alpha-emitters radium-223/-224 – with similar chemical properties to barium – for targeted alpha-particle therapy. However, there is a lack of suitable chelation agents, especially for these metal ions. A series of calix[4]crown-6 derivatives with perfluoroalkylsulfonylcarboxamide functions (RF = CF3, C2F5, i-C3F7, n-C4F9) was synthesized to serve as cage-like chelators for Ba2+ and Ra2+ to determine the complexation behaviour. These functional ligands are deprotonated even at slightly acidic pH due to the intense electron-withdrawing effect of the sulfonamide groups. The obtained ligands were easily converted to the desired barium complexes as well as into calix-crown compounds containing two sodium ions. DFT calculations were used to discover the binding behaviour of the metal ions with the desired ligands and the influence of the different donor groups from the chelating moiety of the calixarenes with respect to different pH. Radiolabeling procedures with the radionuclides barium-133 and radium-224 as [133Ba]BaCl2 and [224Ra]Ra(NO3)2 were performed to determine association constant values between 4.1 and 8.2 for the appropriate M2+ complexes using a two-phase extraction procedure. A stability test using physiological Ca2+ solution showed a minor release of approx. 1–7% of the central ions (Ba2+ respectively Ra2+) from the complexes