68Ga-labelled phosphinate-chelator conjugated trimeric peptide ligands for positron emission tomography

• Applicant: Privatdozent Dr. Johannes Notni
• Subject Area: Pharmacy ; Nuclear Medicine, Radiotherapy, Radiobiology
• Term: from 2013 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 235789816

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Ziel des Projektes war die Synthese und präklinische Evaluation von Biokonjugaten auf der Basis des 68Ga-Chelators TRAP (1,4,7-Triazacydononan-tris[methylen(2-carboxyethyl)phosphinsäure]. Die Besonderheit dieses Gerüstbausteins besteht darin, dass drei - nicht für die Metallkomplexierung benötigte - Carboxylgruppen für die weitere Funktionalisierung mit bioaktiven Molekülen zur Verfügung stehen, was insbesondere die direkte Synthese trimerer Konjugate ermöglicht. Da sich derartige "Multimere" im Regelfall durch eine erhöhte Avidität bzw. Bindungsaffinität zur jeweiligen Zielstruktur auszeichnen, besteht die Aussicht, dass die entsprechenden radioaktiven Verbindungen höhere Anreicherungen im Zielgewebe aufweisen. In Verbindung mit dem Positronenemitter 68Ga ergibt sich damit die prinzipielle Möglichkeit, die Gewebsverteilung der Zielstruktur mittels Positronenemissionstomographie mit höherem Kontrast darzustellen. Zunächst wurde der synthetisch-methodische Aspekt der Funktionalisierung von TRAP mittels Kupfer(I)-katalysierter Alkin-Azid-Cycloaddition (CuAAC, "Click Chemistry") eingehend untersucht, weil die ursprünglich geplante, naheliegende Carboxylat-Funktionalisierung über Peptidbindungen sich vielfach als nicht praktikabel erwies. Da die nach der CuAAC notwendige Entfernung des durch TRAP komplexierten Kupfers bequem und einfach durch Kompetition bei mittelsaurem pH im Sinne einer Eintopfreaktion erfolgen kann, wurde diese Methode im Folgenden für die Synthese einer Vielzahl von TRAP-Konjugaten eingesetzt. Die hierfür benötigten alkin- und azidfunktionalisierten TRAP-Derivate wurden zuvor durch Kopplung entsprechender terminaler Azido- bzw. Alkinylamine hergestellt. Die bequeme CuAAC-Demetallierungs-Tandemreaktion wurde anschließend für die Synthese verschiedener TRAP-basierter Konjugate des an Glutamat-Carboxypeptidase II (prostataspezifisches Membranantigen, PSMA) bindenden Strukturmotivs Glutaminsäure-Urea-Lysin (EuK) angewendet. Im Vergleich zu EuK-Monomeren und -Dimeren zeigten die TRAP-Trimere tatsächlich erhöhte PSMA-Affinitäten, erwiesen sich jedoch im Tierversuch aufgrund ungeeigneter Pharmakokinetiken (zu rasche renale Auscheidung infolge ausgeprägter Hydrophilie) den derzeit klinisch erprobten PSMA-gerichteten Bildgebungsagentien und -endoradiotherapeutika unterlegen. Ein klinischer Transfer wurde daher nicht forciert. In Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis H. Kessler (Department Chemie, TU München) wurden weiterhin TRAP-Konjugate von Peptiden und Peptidomimetika untersucht, welche an die Integrinsubtypen a5ß1 und avß6 binden. Nach erfolgter Strukturoptimierung incl. präklinischer Charakterisierung wurden zwei neue 68Ga-PET-Radiotracer für diese Targets erhalten, 68Ga-Aquibeprin für a5ß1-Integrin sowie 68Ga-Avebehexin für avß6-Integrin. Im Zuge dessen wurde in präklinischen Untersuchungen an murinen Tumor-Xenografts sowie histopathologischen Studien erhärtet, dass a5ß1-Integrin ein hochselektiver Marker für neugebildete Blutgefäße und aktivierte Endothelzellen ist. Eine weitergehende Charakterisierung von 68Ga-Aquibeprin in Tiermmodellen (Ratte und Schwein) für Myokardinfarkt (MI) ergaben, dass a5ß1-Integrin-PET für die Quantifizierung der Neoangiogenese nach MI geeignet seind könnte. Die prinzipelle Eignung wurde in einer ersten Anwendung am Menschen (selektive PET-Bildgebung des geschädigten Myokards 2 Wochen nach MI) bestätigt und stellt die Grundlage einer geplanten klinischen Studie dar. In vergleichbarer Weise wurde 68Ga-Avebehexin für die Bildgebung von Patienten mit avß6-integrin-exprimierenden Plattenepithelkarzinomen angewendet. Obgleich diese ersten Tests zeigten, dass 68Ga-Avebehexin für die Bildgebung dieser Tumorentität grundsätzlich geeignet ist, wurden die Erwartungen hinsichtlich der Anreicherung im Target nicht erfüllt. Hieraus ergibt sich ein weiterer Entwicklungbedarf hin zu avß6-integrin-gerichteten Radiopharmaka, welche die klinischen Anforderungen erfüllen.

Publications

• Phosphinic acid functionalized polyazacycloalkane chelators for radi­odiagnostics and radiotherapeutics: unique characteristics and applications. ChemMedChem 2014, 9, 1107-1115 [+ Corrigendum: 2614-2614]
  J. Notni, J. Simecek, H.-J. Wester
  
• A shortcut to high-affinity Ga-68 and Cu-64 radiopharmaceuticals: one-pot click chemistry trimerisation on the TRAP platform. Dalton Trans. 2015, 44, 11137-11146
  Z. Baranyai, D. Reich, A. Vagner, M. Weineisen, I. Toth, H.-J. Wester, J. Notni
  
• A practical guide on synthesis of metal chelates for molecular imaging and therapy by means of click chemistry. Chem. Eur. J. 2016, 22, 11500-11508
  J. Notni, H.-J. Wester
  
• Complementary, Selective PET-Imaging of Integrin Subtypes a5ßi and avß3 Using Ga-68-Aquibeprin and Ga-68-Avebetrin. J. Nucl. Med. 2016, 57, 460-466
  J. Notni, K. Steiger, F. Hoffmann, D. Reich, T. G. Kapp, F. Rechenmacher, S. Neubauer, H. Kessler, H.-J. Wester
  
• Variation of Specific Activities of Ga-68-Aquibeprin and Ga-68-Avebetrin Enables Selective PET-Imaging of Different Expression Levels of Integrins a5ß1 and avß3. J. Nucl. Med. 2016, 57, 1618-1624
  J. Notni, K. Steiger, F. Hoffmann, D. Reich, M. Schwaiger, H. Kessler, H.-J. Wester
  
• Dendritic poly­chelator frameworks for multimeric bioconjugation. Chem. Commun. 2017, 53, 2586-2589
  D. Reich, A. Wurzer, M. Wirtz, V. Stiegler, P. Spatz, J. Pollmann, H.-J. Wester, J. Notni
  
• In-vivo PET Imaging of the Cancer Integrin avß6 Using 68Ga-Labeled Cyclic RGD Nonapep- tides. J. Nucl. Med. 2017, 58, 671-677. Ausgezeichnet mit dem Georg von Hevesy-Preis der DGN, 2017
  J. Notni, D. Reich, O. V. Maltsev, T. G. Kapp, K. Steiger, F. Hoffmann, I. Esposito, W. Weichert, H. Kessler, H.-J. Wester
  
• Perspective of avß6-Integrin Imaging for Clinical Management of Pancreatic Carcinoma and Its Precursor Lesions. Mol. Imaging 2017, 16, 1-3
  K. Steiger, A.-M. Schlitter, W. Weichert, I. Esposito, H.-J. Wester, J. Notni
  
• Theranostic Value of Multimers: Lessons Learned from Trimerization of Neurotensin Receptor Ligands and Other Targeting Vectors. Pharmaceuticals 2017, 10, 29
  S. Maschauer, J. Einsiedel, D. Reich, H. Hübner, P. Gmeiner, H.-J. Wester, O. Prante, J. Notni
  
• Equilibrium thermodynamics, formation and dissociation kinetics of trivalent iron and gallium complexes of triazacyclononane-triphosphinate (TRAP) chelators: Unraveling the foundations of highly selective Ga-68 labeling. Front. Chem. 2018, 6, 170
  A. Vagner, A. Forgacs, E. Brücher, I. Toth, A. Maiocchi, A. Wurzer, H.-J. Wester, J. Notni, Z. Baran­yai
  
• Molar Activity of Ga-68 Labeled PSMA Inhibitor Conjugates Determines PET Imaging Results. Mol. Pharmaceutics 2018, 15, 4296-4302
  A. Wurzer, J. Pollmann, A. Schmidt, D. Reich, H.-J. Wester, J. Notni
  
• N-methylation of isoDGR Peptides: Discovery of a Selec­tive a5ß1-Integrin Antagonist as Potent Tumor Imaging Agent. J. Med. Chem. 2018, 61, 2490-2099
  T. G. Kapp, F. S. Di Leva, J. Notni, A. F. B. Räder, M. Fottner, D. Reich, A. Wurzer, K. Steiger, E. Novellino, U. K. Marelli, H-J. Wester, L. Marinelli, H. Kessler