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Development of tricyclic enzyme inhibitors as PET imaging agents for phosphodiesterase 2A

Subject Area Pharmacy
Nuclear Medicine, Radiotherapy, Radiobiology
Term from 2017 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 319235997
 
Final Report Year 2021

Final Report Abstract

Phosphodiesterase2A (PDE2A) gilt als biologisches Target in der Therapie von kognitiven Störungen, und ebenfalls in der bildgebenden Diagnostik mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) für die Quantifizierung der Enzymexpression sowie deren krankheitsbedingten Veränderungen. PDE2A-Inhibitoren mit tricyclischen aromatischen Kernstrukturen (3-5 N-Atome) erwiesen sich als vielversprechende Substanzklasse, sowohl für die Selektivitätsoptimierung, als auch, wie in unserem Projekt, zur Entwicklung neuer fluorhaltiger PET-Tracer für PDE2A. Zwei verschiedene tricyclische Leitstrukturen (LS A, ein Triazolopyridopyrazin und LS B, ein Pyrido- bzw. Benzoimidazotriazin) dienten als Ausgangspunkt für die von den beiden Kooperationspartnern durchgeführten Arbeiten. Unter Berücksichtigung der für die Projektplanung festgelegten Einzelvorhaben konnten folgende Ergebnisse erzielt werden: 1a.) Der in der Vorprojektphase aus der LS B entwickelte Inhibitor TA5 (PDE2A IC50 = 3,0 nM, IC50 PDE10A/PDE2A > 330) wurde einstufig aus einem O-Tosylat erfolgreich zu [18F]TA5 markiert (RCA: 44,8 ± 5,7% (n = 3), molare Aktivität von 47,0 ± 7,6 GBq/µmol (n = 3, EOS), radiochemische Reinheit ≥ 99%). 1b.) Die Untersuchung in-vivo (gesunde Maus) mit [18F]TA5 zeigte unerwartet eine rasche Metabolisierung (30 min, n. Inj., Gehirn: 7% intakt, 93% ein hochpolarer Radiometabolit). Die in-vitro Autoradiographie mit [18F]TA5 zeigte homogene, und nicht mit PDE2A Inhibitoren (TA1, TA5) zu verdrängende Verteilung (Ratte, Schwein). 1c.) Die Resultate lassen den Schluss zu, dass [18F]TA5 zu einer hohen unspezifischen Bindung neigt, bedingt durch eine relativ hohe Lipophile (clogD7.4 = 4,78), und die damit häufig einhergehende Plasmaproteinbindung. Die rasche Metabolisierung und der radioaktive hirngängige Metabolit sind Ausschlusskriterien für weitere Untersuchungen. 2.) Die von LS A abgeleiteten Inhibitoren mit Triazolopyridopyrazin-Struktur SRF1a, SRF2a, SRF3a wurden erfolgreich hergestellt und in vitro auf Inhibition von PDE2A und PDE10A getestet. Dabei wies SRF3a die höchste Aktivität gegenüber hPDE2A (IC50 = 1.99 nM), bei gleichzeitig hoher Selektivität (960) gegenüber hPDE10A (IC50 = 1910 nM) auf. Von dieser Verbindung wurden zwei Präkursoren, mit einem Boronsäurepinakolester (SRF163P) bzw. einer aromatischen Nitrogruppe (SRF245F) als Abgangsgruppe, für die Radiomarkierung mit F18 synthetisiert (s. Punkt 4 dieser Zusammenfassung). Zusätzlich konnten zwölf weitere Derivate hergestellt und bezüglich ihrer Struktur- Aktivitäts-Beziehung evaluiert werden. Eine Publikation der Ergebnisse ist vorgesehen. 3a.) Die rasche Metabolisierung von [18F]TA5 in-vivo war für uns Anlass, Strukturmerkmale unseres PDE10A Tracers [18F]AQ28A für eine Modifizierung der LS B zu übernehmen. Aus neun synthetisierten Derivaten mit einer Benzoimidazotriazin-Hybridstruktur zeigt BIT1 eine ähnlich gute Inhibition wie TA1 (PDE2A IC50 = 3,3 nM, IC50 PDE10A/PDE2A = 16), bei einer deutlich geringeren Selektivität. Als Markierungsvorläufer konnte ein 2-Nitropyridin hergestellt und in einer einstufigen Markierungsreaktion in DMSO (100°C, 5 min) erfolgreich zu [18F]BIT1 umgesetzt werden (RCA: 54,8 ± 2% (n = 3), molare Aktivität von 155–175 GBq/µmol (n = 3, EOS), radiochemische Reinheit ≥ 99%). 3b.) [18F]BIT1 zeigt in-vivo (gesunde Maus) im Vergleich zu [18F]TA5 die prognostizierte höhere metabolische Stabilität (30 min, n. Inj., Gehirn: 78% intakt, 22% zwei Radiometaboliten). Die in-vitro Autoradiographie mit [18F]BIT1 zeigt im Vergleich zu [18F]TA5 eine differenzierte Akkumulation. Durch Blockade mit PDE2A-Inhibitoren (TA1, BIT1) lassen sich Bindungsanteile sowohl in PDE2A-spezifischen als auch in Regionen mit geringer PDE2A Expression vermindern. Die dynamische Kleintier-PET-MRT (wbl. CD1 Mäuse, 5 min n. Inj.) zeigt zwar eine gute Aufnahme im Gehirn (SUV ≈ 0.7), aber im Ergebnis, ebenfalls wie in der Autoradiographie, den Hinweis auf hohe unspezifische Bindung von [18F]BIT1. 3c.) [18F]BIT1 wird wegen einer hohen unspezifischen Bindung als nicht geeignet für die molekulare Bildgebung von PDE2A im Gehirn eingestuft. Als ein Teilerfolg ist eine im Vergleich zu unseren vorherigen Tracern deutlich verbesserte metabolische Stabilität zu beobachten. 4a.) Für die Radiosynthese von [18F]SRF3a wurden zwei unterschiedliche Markierungsvorläufer in zeitlicher Reihenfolge getestet. Systematisch durchgeführte Versuche mit dem Bpin Präkursor SRF163P zeigten keinerlei Anzeichen, dass F18 in das Molekül eingebaut werden konnte. Unserer Vermutung nach ist dieses Resultat durch einen sterischen Effekt (ortho-Substitution) verursacht. 4b.) Mit dem Nitro-Präkursor SRF245F, einem Nitrobutyrophenon, konnten aufgrund der günstigen Aktivierung die F18-Markierung erfolgreich in CH3CN (110°C, 10 min) durchgeführt werden. Die anschließende Reduktion (NaBH4, nBuOH/CH3CN, RT, 5 min) lieferte [18F]SRF3a. Das Markierungsverfahren konnte später für anschließende Untersuchungen zur biologischen Bewertung dieses Tracers automatisiert werden. 4c.) Der Tracer [18F]SRF3a wird in noch laufenden Experimenten biologisch untersucht (u.a. Metabolismus, Autoradiographie, dynamische PET Untersuchungen in-vivo). Nach Abschluss der Arbeiten ist eine Veröffentlichung der Ergebnisse der Radiosynthesen und der biologischen Charakterisierung von [18F]SRF3a geplant.

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