Synthesis and Evaluation of Novel Radiotracers using Click Chemistry : Click chemistry를 이용한 새로운 방사성추적자의 합성 및 평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It is important to develop novel compounds possessing potent biological activities for medical uses. However, synthesis of these compounds is generally slow, costly, and hindered by complex synthesis pathways. In this context, synthesis of novel radiopharmaceuticals is also a difficult task. Click chemistry known as Cu(I)-catalyzed 1,3-cycloaddition between terminal alkynes and azides has been shown to be a simple, regioselective and high yielding reaction for synthesis of various triazole compounds. In this study, therefore, we developed 4-[18F]fluoro-1-butyne, a synthon for click chemistry with azides, and applied it to development of novel positron emission tomography (PET) radiotracers, such as glucose, fatty acid, and cRGD peptide analogs.
Radiolabeled glucose analogs are attractive probes for metabolic imaging. However, there are no suitable glucose radiotracers, except [18F]FDG. In this study, a 18F-labeled glucose analog, 4-[(2-[18F]fluoroethyl)-1-(β-D-glucopyranosyl)]-1H-1,2,3-triazole ([18F]1), was synthesized using click chemistry and evaluated in vitro. In terms of labeling, click chemistry was superior to conventional chemistry, due to a higher decay-corrected radiochemical yield (30% vs. 21%), higher specific activity (59.9 GBq/µmol vs. 23.5 GBq/µmol), and shorter synthesis time (75-80 min vs. 95-100 min). In vitro evaluation demonstrated that [18F]1 does not act as a hexokinase substrate and has low and non-specific uptake by SNU-C5 cells. These results suggest that click chemistry offers a rapid and efficient radiolabeling method which does not require the protection of functional groups, although a triazole moiety at C1 of [18F]1 is incompatible for hexokinase phosphorylation and facilitative diffusion via Glut-1.
Fatty acids are substrates for energy metabolism in myocardium. Therefore, radiolabeled fatty acid analogs are useful for evaluation of fatty acid metabolism in myocardium. In this study, we synthesized 17-[4-(2-[18F]fluoroethyl)-1H-1,2,3-triazol-1-yl]-6-thia-heptadecanoic acid ([18F]6) for the evaluation of fatty acid metabolism. Radiotracer [18F]6 was synthesized in 20-26% decay-corrected yields from 17-azido-6-thia-heptadecanoic acid and 4-[18F]fluoro-1-butyne using click chemistry. The tissue distribution of [18F]6 in mice showed high radioactivity accumulation in heart (3.28 % ID/g at 10 min and 3.01 %ID/g at 60 min post-injection), a prolonged myocardial elimination half-life (> 60 min), and a maximal heart to blood uptake ratio at 5 min post-injection (6.49). Pretreatment with etomoxir, a carnitine palmitoyl transferase (CPT) I inhibitor reduced myocardial radioactivity uptake at 30 min post-injection by 53%. Analyses of heart tissue samples showed that most of the radioactivity was present in tissue pellet (62-63%). These results suggest that [18F]6 undergoes metabolic trapping via β-oxidation in myocardium, and thus, suggest that it has potential use as a PET radiotracer for the evaluation of myocardial fatty acid metabolism.
The αvβ3 integrin is expressed on proliferating endothelial cells and tumor cells of various origin. We synthesized a 17-[4-(2-[18F]fluoroethyl)-1H-1,2,3-triazole-1-yl]-5-oxo-9,12,15-trioxa-6-azaheptadecano-E[c(RGDyK)]2 ([18F]22) for minitoring αvβ3 integrin expression on tumor cells. The precursor was synthesized by conjugating 17-azido-5-oxo-9,12,15-trioxa-6-azaheptadecanoyl-NHS ester with E[c(RGDyK)2]. Radiotracer [18F]22 was prepared from 17-azido-RGD dimer and 4-[18F]fluoro-1-butyne using click chemistry and purified by reverse phase HPLC. Decay-corrected radiochemical yield of [18F]22 was 12-16% and total synthesis time including HPLC purification was 70-75 min.

국문 초록 (Abstract)

의약품 개발을 위하여 생활성을 가지는 새로운 화합물을 개발하는 것은 매우 중요한 과제이다. 하지만 생활성 물질을 개발하는 것은 비용, 많은 시간, 그리고 복잡한 합성경로로 인한 많은 문제들을 포함하고 있다. 같은 맥락으로, 핵의학 진단을 목적으로 한 방사성의약품들은 동시에 병소에 특이적인 성질을 지녀야 하므로 새로운 방사성의약품의 개발은 매우 어려운 일이다. Click chemistry는 반응이 위치선택적이며 생성물의 수율이 높고 일반적으로 보호기의 관여가 없는 장점을 가지고 있어서 다양한 종류의 트리아졸 화합물을 합성할 수 있다. 이 연구에서는 아자이드 화합물과의 click chemistry를 위한 synthon으로4-[18F]fluoro-1-butyne을 개발하였으며, 이 방사성 알킨을 이용하여 새로운 방사성추적자들(글루코스, 지방산, RGD 펩타이드 유사체)을 합성하고 생물학적 유용성을 평가하였다.
방사성동위원소로 표지된 글루코스 유사체는 대사영상에 사용되는 방사성추적자이다. 이 연구에서는 click chemistry를 이용하여 4-[(2-[18F]fluoroethyl)-1-(β-D-glucopyranosyl)]-1H-1,2,3-triazole ([18F]1)를 합성하고 체외 평가를 수행하였다. 새로운 방사성추적자인 글루코스 유사체는 두 가지 방법으로 합성하였다. 토실레이트 전구물질을 사용하는 고전적인 표지방법과 click chemistry 방법을 이용하였다. 방사화학적 수율 및 비방사능 측면에서 후자의 방법이 우세하였으며 합성시간도 15분을 단축할 수 있었다. 이 결과는 [18F]1의 1번 탄소 위치에 트리아졸기가 치환되면 헥소키나제 인산화 및 Glut-1을 이용한 운반에 적합하지 않지만, click chemistry가 기능기의 보호가 필요하지 않은 빠르고 효율적인 표지방법이라는 것을 보여주었다.
지방산은 심근에서 에너지 대사를 위한 주요한 기질이다. 이 연구에서는 지방산 유사체로서 17-[4-(2-[18F]fluoroethyl)-1H-1,2,3-triazol-1-yl]-6-thia-heptadecanoic acid ([18F]6)를 합성하였으며 심근에서 지방산 대사를 위한 방사성추적자로서의 가능성을 평가하였다. [18F]6은 click chemistry를 사용하여 17-azido 6-thia-heptadecanoic acid와 4-[18F]fluoro-1-butyne로부터 20-26%의 수율로 합성되었다. 마우스의 체내분포 결과 심장에서 높은 섭취를 보였고(주사 후 1분에 3.70 %ID/g, 10분에 3.28 % ID/g), 심장에서의 방사능 배출 반감기는 60분 이상 이었으며, 심장 대 혈액 섭취비는 5분에서 6.49이었다. 카르니틴 팔미토일 트란스퍼라제(CPT) I 억제제인 에토목시어를 전처리한 마우스에서 심근의 방사능 섭취가 주사 후 30분에 53% 감소하였다. 또한 심장 조직의 분석은 대부분의 방사능이 조직 추출 후 남은 잔여물에 존재하였다(62-63%). 이 결과는 [18F]6이 심근에서 베타-산화를 통하여 대사적으로 포집되었음을 제시한다. 그러므로 [18F]6은 심근의 지방산 대사의 평가를 위한 PET 방사성추적자로서 가능성을 보였다.
αvβ3 인테그린은 종양으로부터 방출된 단백질이 혈관형성을 유도할 때 수용체 역할을 담당하는 단백질이다. Arg-Gly-Asp (RGD)를 포함하는 펩타이드는 이 수용체에 특이적으로 결합하는 화합물로 알려져 있다. 이 연구에서는 종양세포의 αvβ3 인테그린의 발현을 모니터링하기 위하여 click chemistry를 사용하여 17-azido-cRGD dimer와 4-[18F]fluoro-1-butyne로부터 17-[4-(2-[18F]fluoroethyl)-1H-1,2,3-triazole-1-yl]-5-oxo- 9,12,15-trioxa- 6-azahepta- decano-E[c(RGDyK)]2 ([18F]22)를 합성하였다. 18F-표지를 위한 전구물질은 E[c(RGDyK)2]에 17-azido-5-oxo-9,12,15-trioxa-6-azaheptadecanoyl-NHS ester를 접합하여 합성하였다. [18F]22의 방사화학적 수율은 12-16%이었으며 HPLC 정제를 포함한 총 합성시간은 70-75분이었다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 1
• 1. Introduction 3
• 2. Synthesis of a 18F-labeled glucose analog and in vitro evaluation 7
• 2.1. Introduction 7
• 2.2. Results 9
• 2.2.1. Synthesis of 4-fluoroethyl-1-β -D-glucopyranosyl-1,2,3-triazole 9
• 2.2.2. Synthesis of [18F]1 9
• 2.2.3. In vitro stability 11
• 2.2.4. Hexokinase assay 12
• 2.2.5. Uptake of [18F]1 by SNU-C5 cells 12
• 2.3. Discussion 13
• 2.4. Conclusion 15
• 3. Synthesis of a 18F-labeled 6-thiafatty acid analog for evaluation of fatty acid metabolism in mouse heart 16
• 3.1. Introduction 16
• 3.2. Results 19
• 3.2.1. Synthesis of 17-[4-(2-fluoroethyl)-1H-1,2,3-triazol-1-yl]-6-thia-heptadecanoic acid (6) 19
• 3.2.2. Synthesis of 17-azido-6-thia-heptadecanoic acid (14) 20
• 3.2.3. Synthesis of [18F]6 20
• 3.2.4. Tissue distribution 22
• 3.2.5. Metabolite analysis in mouse myocardium 23
• 3.2.6. microPET images 26
• 3.3. Discussion 27
• 3.4. Conclusion 31
• 4. Synthesis of a 18F-labeled PEGylated cRGD dimer as a potential tumor angiogenesis imaging agent 32
• 4.1. Introduction 32
• 4.2. Results 35
• 4.2.1. Synthesis of cold precursor (21) and PEGylated cRGD dimer (22) 35
• 4.2.2. Synthesis of a 18F-labeled PEGylated cRGD dimer 37
• 5. Conclusion 40
• 6. Experimental Section 41
• References 60
• 국문초록 69