68Ga-Markierungsstrategien für nanodimensionale und polymere Systeme für die Positronen-Emissions-Tomographie

Positrion Emission Tomography (PET) is a non-invasive imaging technique that depicts metabolic processes in the body. With PET it becomes possible to get detailed information about the pharmacokinetics of polymeric and nanodimensional drug delivery systems, in a very elegant way. Therefore, it is absolutely necessary to have a reliable and robust technique to introduce the radioactive nuclide. In the presented work the positron emitting 68Ga was attached to homopolymers, various inorganic nanoparticles and core-crosslinked polymermicelles via different strategies. One of the used techniques was stain promoted alkyne azide cacloaddiotion (SPAAC), for which the presence of a strained alkyne and an azide is required. The conditions for this reactions are very mild. To have suitable chelating agents for ligation via SPAAC, the chelators DOTA, NODA-GA and DATA were functionalized with either an azide or a strained cycloalkyne. The derivatized chelators were radiolabeled with 68Ga, 44Sc and 177Lu and showed excellent complexation of the respective metal ions. The azide-functionalized chelators showed very good stabilities after complexation of the metal ions, in contrast to the Dibenzylcyclooctyne (DBCO)-derivatized ones. The reason lies here in the lipophilic character of the DBCO, as well as in sterical hindrances. Polysarcosine homopolymers carrying either an azide or a DBCO as one of their terminal groups were radiolabeled via SPAAC with the chelators described above. The focus was to investigate the radiochemical yields after and before the clickreaction with the particular chelator has taken place. Those reactions are called “direct” and “indirect” radiolabeling. Due to the very mild conditions the indirect strategy is a good and elegant alternative to the direct one. NODA-GA-TEG-azide and DOTA-TEG-azide both showed very good results for the direct and the indirect radiolabeling strategy. Polymercoated tantalum- and ironoxide nanoparticles were attached to chelators via amide bonding. Therefor the NHS-ester or an in situ generated active ester of DOTA or NODA-GA was used. It was possible to increase the coupling yields if the polymer was coupled to the chelator before it was used for coating. Azide functionalized ironoxide nanoparticles were successfully coupled with [68Ga]Bicyclo[6.1.0]non-4-yne-DOTA in a SPAAC and investigated in a dynamical μPET-measurement, as well as in ex vivo biodistribution studies in healthy mice. The 130 nm sized particles accumulated in liver and spleen and showed good bloodretention. Micelles formed from PSar-PCys blockcopolymers were core-crosslinked with NODA-GA-liponamide. Radiolabeling with 68Ga followed. Firs in vivo studies were performed and the micelles displayed excellent bloodretention after 60 min.Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein nicht-invasives bildgebendes Verfahren, das Stoffwechselprozesse im Körper abbildet. Mithilfe von PET kann es auf elegante Weise gelingen, Informationen über die Pharmakokinetik von polymeren und nanopartikulären Wirkstofftransport-systemen zu erhalten. Dabei ist eine zuverlässige und robuste Einführung des radioaktiven Nuklids entscheidend für den Erfolg. In der vorliegenden Arbeit wurde der Positronemitter 68Ga über verschiedene Strategien an Homopolymere, diverse anorganische Nanopartikel, sowie kernvernetzte Mizellen aus Blockcopolymeren angebunden. Hierzu wurde u.A. die spannungsvermittelte Alkin-Azid Cycloaddition (SPAAC) verwendet, welche die Anwesenheit eines ringgespannten Alkins, sowie eines Azids erfordert und unter sehr milden Bedingungen stattfindet. Die für Radiometalle vielfach eingesetzten Chelatoren DOTA und NODA-GA, sowie DATA wurden so funktionalisiert, dass sie für diese Art der Ligation zugänglich wurden. Sie wurden in der Radiomarkierung mit 68Ga, sowie 44Sc und 177Lu evaluiert. Die Chelatoren zeigten eine hervorragende Koordination des jeweiligen Radiometalls, wobei lediglich die azidierten Derivate eine hohe Stabilität des gebildeten Komplexes aufwiesen. Die mit Dibenzylcyclooktin (DBCO) funktionalisierten Chelatoren zeigten deutlich schlechtere Komplexstabilitäten, was der lipophilen und sterisch anspruchsvollen DBCO-Funktion zugeschrieben wird. Polysarconsin-Homopolymere, welche entweder mit einem Azid oder DBCO endgruppenfunktionalisiert waren, wurden mittels SPAAC mit diesen Chelatoren radiomarkiert. Hierbei wurde untersucht, inwieweit die radiochemischen Ausbeuten beeinflusst werden, wenn die Radiomarkierung nach oder vor der Clickreaktion zwischen dem jeweiligen Chelator und dem Polymer stattfindet. Diese Reaktionen werden als direkte bzw. indirekte Radiomarkierung bezeichnet. Die indirekte Radiomarkierung stellt aufgrund der milderen Bedingungen eine äußerst effiziente und elegante Alternative zur direkten Radiomarkierung dar. NODA-GA-TEG-Azid und DOTA-TEG-Azid zeigten sehr gute Click- bzw. radiochemische Ausbeuten in der direkten, wie der indirekten Radiomarkierung. Polymergecoatete Tantaloxid- und Eisenoxidnanopartikel wurden über Amidbindung mit den NHS-Estern oder in situ erzeugten Aktivestern von DOTA und NODA-GA funktionalisiert. Dabei konnten die Resultate der Kopplungsreaktion gesteigert werden, indem das Polymer mit dem entsprechenden Chelator funktionalisiert wurde, bevor es zum Coating der Partikel eingesetzt wurde. Azid-funktionalisierte Eisenoxidnanopartikel konnten erfolgreich mit [68Ga]Bicyclo[6.1.0]non-4-in-DOTA in einer SPAAC radiomarkiert werden. Sie wurden in einer dynamischen μPET-Messung, sowie in ex vivo-Biodistributionsstudien mit gesunden Mäusen auf ihre Pharmakokinetik analysiert. Die etwa 130 nm großen Partikel zeigten dabei nach 60 min eine deutliche Anreicherung in Leber und Milz, sowie gute Blutretentionszeiten. Mizellen aus PSar-PCys-Blockcopolymeren, welche mit einem NODA-GA-Liponamid kernvernetzt waren, wurden mit 68Ga radiomarkiert und in ersten in vivo-Studien auf ihre Pharmakokinetik untersucht. Nach 60 min zeigten sie sehr gute Blutretentionszeiten

Radiolabeling of Nanoparticles and Polymers for PET Imaging

Nanomedicine has become an emerging field in imaging and therapy of malignancies. Nanodimensional drug delivery systems have already been used in the clinic, as carriers for sensitive chemotherapeutics or highly toxic substances. In addition, those nanodimensional structures are further able to carry and deliver radionuclides. In the development process, non-invasive imaging by means of positron emission tomography (PET) represents an ideal tool for investigations of pharmacological profiles and to find the optimal nanodimensional architecture of the aimed-at drug delivery system. Furthermore, in a personalized therapy approach, molecular imaging modalities are essential for patient screening/selection and monitoring. Hence, labeling methods for potential drug delivery systems are an indispensable need to provide the radiolabeled analog. In this review, we describe and discuss various approaches and methods for the labeling of potential drug delivery systems using positron emitters