Nouveaux réactifs de chimie bio-orthogonale pour l’imagerie in vivo et la thérapie des cancers

The objective of the project was the study of the influence of a sulfo group on a radiofluorinated tetrazine, and of a PEG chain on a TCO vector, for applications by in vivo IEDDA reaction in imaging and theranostics. In a first part, the synthesis of original tetrazinesultones as precursors of sulfotetrazines, was explored according to three strategies: the functionalization of butanesultone with an appropriate halomethyltetrazine derivative, the Sonogashira coupling between a halotetrazine and propargyl butanesultone, and the Huisgen reaction between an azidotetrazine and propargyl butanesultone. The Huisgen reaction route has been proved to be the method of choice leading to a novel tetrazinesultone. The second part of the thesis was dedicated to the synthesis of a radiofluorinated sulfotetrazine based on the ring opening reaction with [18F]-fluoride from a sultone precursor. The radiosynthesis of [18F]-fluorosulfotetrazine was carried out according to the Huisgen route in 3 steps with an RCY of 63% manually, and 27-31% on the GE TRACERlab FX N Pro automaton, and a total synthesis time of 90 -95 mins. Log P (-1.3) and Log D (-1.7) values confirmed the hydrophilic properties of [18F]-fluorosulfotetrazine. Investigations by PET imaging revealed rapid elimination mainly via renal and urinary route, as well as a total stability. Sulfotetrazine analogs bearing a fluorescent or a chelating moiety have also been developed. In a third part, the peptide NeoBOMB1, an antagonistic ligand of the gastrin releasing peptide receptor (GRPR), was functionalized with polyethylene glycol chains of different lengths in the view of separating peptide from trans-cyclooctene (TCO). The obtained TCO-PEGn-NeoBOMB1 were labeled with indium-111 and lutetium-177 for theragnostic applications. The radioactive NeoBOMB1 were finally evaluated in a pre-targeting assay with a reference tetrazine ([111In] In-DOTA-PEG11-Tz) on cell membranes, and revealed an optimum for a PEG12 spacer.Les travaux de thèse ont porté sur l’étude de l’impact de la présence d’un groupe sulfo sur une tétrazine radiofluorée, et d’une chaine PEG sur un vecteur TCO, pour des applications par réaction IEDDA in vivo en imagerie et théranostiques afin d’en améliorer les performances. Dans une première partie, la synthèse de tétrazinesultones originales, envisagées comme précurseurs des sulfotétrazines, a été explorée selon trois stratégies : la fonctionnalisation de la butanesultone avec un dérivé halométhyltétrazinique approprié, le couplage de Sonogashira entre une halotétrazine et la butanesultone propargylique, et le couplage de Huisgen entre une azidotétrazine et la butanesultone propargylique. La voie par réaction de Huisgen s’est avérée la plus efficace. Elle a conduit à une tétrazinesultone inédite. La seconde partie de thèse a été dédiée à la synthèse d’une sulfotétrazine radiofluorée à partir d’un précurseur sultone par réaction d’ouverture du cycle avec le [18F]-fluorure. La radiosynthèse de la [18F]-fluorosulfotétrazine a été réalisée selon la voie Huisgen en 3 étapes avec un RCY de 63% manuellement, et de 27-31% sur l’automate GE TRACERlab FX N Pro et un temps total de synthèse de 90-95 min. Les valeurs de Log P (-1,3) et Log D (-1,7) ont confirmé les propriétés hydrophiles de la [18F]-fluorosulfotétrazine. Les investigations par imagerie TEP ont révélé une élimination rapide par voie rénale et urinaire majoritairement ainsi qu’une totale stabilité. Des analogues sulfotétrazines portant une entité fluorescente ou chélatante ont été également. D’autre part, le peptide NeoBOMB1, ligand antagoniste du récepteur du peptide libérant de la gastrine (GRPR), a été fonctionnalisé par différentes longueurs de chaine de polyéthylène glycol l’écartant du trans-cyclooctène (TCO). Ces TCO-PEGn-NeoBOMB1 ont été marqués par l’indium-111 ou le lutétium-177 dans l’objectif d’être utilisé dans des applications théranostiques. Ces NeoBOMB1 ont finalement été évalués dans un essai de pré-ciblage avec une tétrazine de référence ([111In]In-DOTA-PEG11-Tz) sur membranes cellulaires, et ont révélés un optimum pour un espaceur PEG12

New bio-orthogonal chemistry reagents for in vivo imaging and cancer therapy

Les travaux de thèse ont porté sur l’étude de l’impact de la présence d’un groupe sulfo sur une tétrazine radiofluorée, et d’une chaine PEG sur un vecteur TCO, pour des applications par réaction IEDDA in vivo en imagerie et théranostiques afin d’en améliorer les performances. Dans une première partie, la synthèse de tétrazinesultones originales, envisagées comme précurseurs des sulfotétrazines, a été explorée selon trois stratégies : la fonctionnalisation de la butanesultone avec un dérivé halométhyltétrazinique approprié, le couplage de Sonogashira entre une halotétrazine et la butanesultone propargylique, et le couplage de Huisgen entre une azidotétrazine et la butanesultone propargylique. La voie par réaction de Huisgen s’est avérée la plus efficace. Elle a conduit à une tétrazinesultone inédite. La seconde partie de thèse a été dédiée à la synthèse d’une sulfotétrazine radiofluorée à partir d’un précurseur sultone par réaction d’ouverture du cycle avec le [18F]-fluorure. La radiosynthèse de la [18F]-fluorosulfotétrazine a été réalisée selon la voie Huisgen en 3 étapes avec un RCY de 63% manuellement, et de 27-31% sur l’automate GE TRACERlab FX N Pro et un temps total de synthèse de 90-95 min. Les valeurs de Log P (-1,3) et Log D (-1,7) ont confirmé les propriétés hydrophiles de la [18F]-fluorosulfotétrazine. Les investigations par imagerie TEP ont révélé une élimination rapide par voie rénale et urinaire majoritairement ainsi qu’une totale stabilité. Des analogues sulfotétrazines portant une entité fluorescente ou chélatante ont été également. D’autre part, le peptide NeoBOMB1, ligand antagoniste du récepteur du peptide libérant de la gastrine (GRPR), a été fonctionnalisé par différentes longueurs de chaine de polyéthylène glycol l’écartant du trans-cyclooctène (TCO). Ces TCO-PEGn-NeoBOMB1 ont été marqués par l’indium-111 ou le lutétium-177 dans l’objectif d’être utilisé dans des applications théranostiques. Ces NeoBOMB1 ont finalement été évalués dans un essai de pré-ciblage avec une tétrazine de référence ([111In]In-DOTA-PEG11-Tz) sur membranes cellulaires, et ont révélés un optimum pour un espaceur PEG12.The objective of the project was the study of the influence of a sulfo group on a radiofluorinated tetrazine, and of a PEG chain on a TCO vector, for applications by in vivo IEDDA reaction in imaging and theranostics. In a first part, the synthesis of original tetrazinesultones as precursors of sulfotetrazines, was explored according to three strategies: the functionalization of butanesultone with an appropriate halomethyltetrazine derivative, the Sonogashira coupling between a halotetrazine and propargyl butanesultone, and the Huisgen reaction between an azidotetrazine and propargyl butanesultone. The Huisgen reaction route has been proved to be the method of choice leading to a novel tetrazinesultone. The second part of the thesis was dedicated to the synthesis of a radiofluorinated sulfotetrazine based on the ring opening reaction with [18F]-fluoride from a sultone precursor. The radiosynthesis of [18F]-fluorosulfotetrazine was carried out according to the Huisgen route in 3 steps with an RCY of 63% manually, and 27-31% on the GE TRACERlab FX N Pro automaton, and a total synthesis time of 90 -95 mins. Log P (-1.3) and Log D (-1.7) values confirmed the hydrophilic properties of [18F]-fluorosulfotetrazine. Investigations by PET imaging revealed rapid elimination mainly via renal and urinary route, as well as a total stability. Sulfotetrazine analogs bearing a fluorescent or a chelating moiety have also been developed. In a third part, the peptide NeoBOMB1, an antagonistic ligand of the gastrin releasing peptide receptor (GRPR), was functionalized with polyethylene glycol chains of different lengths in the view of separating peptide from trans-cyclooctene (TCO). The obtained TCO-PEGn-NeoBOMB1 were labeled with indium-111 and lutetium-177 for theragnostic applications. The radioactive NeoBOMB1 were finally evaluated in a pre-targeting assay with a reference tetrazine ([111In] In-DOTA-PEG11-Tz) on cell membranes, and revealed an optimum for a PEG12 spacer

Nouveaux réactifs de chimie bio-orthogonale pour l’imagerie in vivo et la thérapie des cancers

The objective of the project was the study of the influence of a sulfo group on a radiofluorinated tetrazine, and of a PEG chain on a TCO vector, for applications by in vivo IEDDA reaction in imaging and theranostics. In a first part, the synthesis of original tetrazinesultones as precursors of sulfotetrazines, was explored according to three strategies: the functionalization of butanesultone with an appropriate halomethyltetrazine derivative, the Sonogashira coupling between a halotetrazine and propargyl butanesultone, and the Huisgen reaction between an azidotetrazine and propargyl butanesultone. The Huisgen reaction route has been proved to be the method of choice leading to a novel tetrazinesultone. The second part of the thesis was dedicated to the synthesis of a radiofluorinated sulfotetrazine based on the ring opening reaction with [18F]-fluoride from a sultone precursor. The radiosynthesis of [18F]-fluorosulfotetrazine was carried out according to the Huisgen route in 3 steps with an RCY of 63% manually, and 27-31% on the GE TRACERlab FX N Pro automaton, and a total synthesis time of 90 -95 mins. Log P (-1.3) and Log D (-1.7) values confirmed the hydrophilic properties of [18F]-fluorosulfotetrazine. Investigations by PET imaging revealed rapid elimination mainly via renal and urinary route, as well as a total stability. Sulfotetrazine analogs bearing a fluorescent or a chelating moiety have also been developed. In a third part, the peptide NeoBOMB1, an antagonistic ligand of the gastrin releasing peptide receptor (GRPR), was functionalized with polyethylene glycol chains of different lengths in the view of separating peptide from trans-cyclooctene (TCO). The obtained TCO-PEGn-NeoBOMB1 were labeled with indium-111 and lutetium-177 for theragnostic applications. The radioactive NeoBOMB1 were finally evaluated in a pre-targeting assay with a reference tetrazine ([111In] In-DOTA-PEG11-Tz) on cell membranes, and revealed an optimum for a PEG12 spacer.Les travaux de thèse ont porté sur l’étude de l’impact de la présence d’un groupe sulfo sur une tétrazine radiofluorée, et d’une chaine PEG sur un vecteur TCO, pour des applications par réaction IEDDA in vivo en imagerie et théranostiques afin d’en améliorer les performances. Dans une première partie, la synthèse de tétrazinesultones originales, envisagées comme précurseurs des sulfotétrazines, a été explorée selon trois stratégies : la fonctionnalisation de la butanesultone avec un dérivé halométhyltétrazinique approprié, le couplage de Sonogashira entre une halotétrazine et la butanesultone propargylique, et le couplage de Huisgen entre une azidotétrazine et la butanesultone propargylique. La voie par réaction de Huisgen s’est avérée la plus efficace. Elle a conduit à une tétrazinesultone inédite. La seconde partie de thèse a été dédiée à la synthèse d’une sulfotétrazine radiofluorée à partir d’un précurseur sultone par réaction d’ouverture du cycle avec le [18F]-fluorure. La radiosynthèse de la [18F]-fluorosulfotétrazine a été réalisée selon la voie Huisgen en 3 étapes avec un RCY de 63% manuellement, et de 27-31% sur l’automate GE TRACERlab FX N Pro et un temps total de synthèse de 90-95 min. Les valeurs de Log P (-1,3) et Log D (-1,7) ont confirmé les propriétés hydrophiles de la [18F]-fluorosulfotétrazine. Les investigations par imagerie TEP ont révélé une élimination rapide par voie rénale et urinaire majoritairement ainsi qu’une totale stabilité. Des analogues sulfotétrazines portant une entité fluorescente ou chélatante ont été également. D’autre part, le peptide NeoBOMB1, ligand antagoniste du récepteur du peptide libérant de la gastrine (GRPR), a été fonctionnalisé par différentes longueurs de chaine de polyéthylène glycol l’écartant du trans-cyclooctène (TCO). Ces TCO-PEGn-NeoBOMB1 ont été marqués par l’indium-111 ou le lutétium-177 dans l’objectif d’être utilisé dans des applications théranostiques. Ces NeoBOMB1 ont finalement été évalués dans un essai de pré-ciblage avec une tétrazine de référence ([111In]In-DOTA-PEG11-Tz) sur membranes cellulaires, et ont révélés un optimum pour un espaceur PEG12

Synthesis, Fluorine-18 Radiolabeling, and In Vivo PET Imaging of a Hydrophilic Fluorosulfotetrazine

The development of 18F-fluorotetrazines, suitable for the radiolabeling of biologics such as proteins and antibodies by IEDDA ligation, represents a major challenge, especially for pre-targeting applications. The hydrophilicity of the tetrazine has clearly become a crucial parameter for the performance of in vivo chemistry. In this study, we present the design, the synthesis, the radiosynthesis, the physicochemical characterization, the in vitro and in vivo stability, as well as the pharmacokinetics and the biodistribution determined by PET imaging in healthy animals of an original hydrophilic 18F-fluorosulfotetrazine. This tetrazine was prepared and radiolabelled with fluorine-18 according to a three-step procedure, starting from propargylic butanesultone as the precursor. The propargylic sultone was converted into the corresponding propargylic fluorosulfonate by a ring-opening reaction with 18/19F-fluoride. Propargylic 18/19F-fluorosulfonate was then subject to a CuACC reaction with an azidotetrazine, followed by oxidation. The overall automated radiosynthesis afforded the 18F-fluorosulfotetrazine in 29–35% DCY, within 90–95 min. The experimental LogP and LogD7.4 values of −1.27 ± 0.02 and −1.70 ± 0.02, respectively, confirmed the hydrophilicity of the 18F-fluorosulfotetrazine. In vitro and in vivo studies displayed a total stability of the 18F-fluorosulfotetrazine without any traces of metabolization, the absence of non-specific retention in all organs, and the appropriate pharmacokinetics for pre-targeting applications