Table Of Content68Ga-Markierungsstrategien
für nanodimensionale und polymere Systeme
für die Positronen-Emissions-Tomographie
Dissertation
zur Erlangung des Grades
„Doktor der Naturwissenschaften“
im Promotionsfach Chemie
Am Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz
vorgelegt von
Katharina Stockhofe
geboren in Duisburg
Mainz, im Oktober 2016
Zusammenfassung
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.
Abstract
Positron 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 cycloaddition (SPAAC), for which the
presence of a strained alkyne and an azide is required. The conditions for these 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 steric 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 idea 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 iron oxide nanoparticles were attached to chelators via amide bonding.
Therefore 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 iron oxide 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 blood retention.
Micelles formed from PSar-PCys blockcopolymers were core-crosslinked with NODA-GA-liponamide.
Radiolabeling with 68Ga followed. First in vivo-studies were performed and the micelles displayed
excellent blood retention after 60 min.
Description: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
