إعداد وتقييم<sup> 99m</sup> ح المسمى ثلاثي الشعب يخلب لما قبل استهداف عن طريق Bioorthogonal الكيمياء
Summary
Here, we describe a protocol for radiolabeling and in vivo testing of tridentate 99mTc(I) chelate-tetrazine derivatives for pre-targeting and bioorthogonal chemistry.
Abstract
Pre-targeting combined with bioorthogonal chemistry is emerging as an effective way to create new radiopharmaceuticals. Of the methods available, the inverse electron demand Diels-Alder (IEDDA) cycloaddition between a radiolabeled tetrazines and trans-cyclooctene (TCO) linked to a biomolecule has proven to be a highly effective bioorthogonal approach to imaging specific biological targets. Despite the fact that technetium-99m remains the most widely used isotope in diagnostic nuclear medicine, there is a scarcity of methods for preparing 99mTc-labeled tetrazines. Herein we report the preparation of a family of tridentate-chelate-tetrazine derivatives and their Tc(I) complexes. These hitherto unknown compounds were radiolabeled with 99mTc using a microwave-assisted method in 31% to 83% radiochemical yield. The products are stable in saline and PBS and react rapidly with TCO derivatives in vitro. Their in vivo pre-targeting abilities were demonstrated using a TCO-bisphosphonate (TCO-BP) derivative that localizes to regions of active bone metabolism or injury. In murine studies, the 99mTc-tetrazines showed high activity concentrations in knees and shoulder joints, which was not observed when experiments were performed in the absence of TCO-BP. The overall uptake in non-target organs and pharmacokinetics varied greatly depending on the nature of the linker and polarity of the chelate.
Introduction
يبقى 99m ح النظائر المشعة المهيمن المستخدمة في الطب النووي التشخيصي، مع أكثر من 50 مليون عملية التصوير التي أجريت في السنة في جميع أنحاء العالم 1، 2، 3. غالبية 99m كلاء ح المستخدمة سريريا هي نوع نضح المواد المشعة. هناك عدد محدود من المركبات المستهدفة بنشاط التي يتم فيها توجيه 99m ح ربط العلامات البيولوجية المحددة من خلال ربط لبناء الاستهداف. وغالبا ما تعوق إنشاء 99m المستهدفة المواد المشعة ح بتأثير 99m المجمعات TC-يجند على قدرة جزيء استهداف لربط العلامات البيولوجية من الفائدة، أو النظائر نصف الحياة ليست طويلة بما فيه الكفاية للاستخدام مع ارتفاع الجزيئات الحيوية الوزن الجزيئي مثل الأجسام المضادة. وهذه الأخيرة عادة ما يتطلب عدة أيام قبل أن يتم الحصول على الصور من أجل أن جزيء حيوي لمسح من غير المستهدفة TISS UES. يقدم قبل استهداف نهجا بديلا للتغلب على هذه التحديات.
قبل استهداف جنبا إلى جنب مع الكيمياء bioorthogonal وقد تبين أن يكون وسيلة فعالة لتطوير تحقيقات التصوير الجزيئي جديدة لكل مضان والإذاعة التصوير 4، 5، 6، 7، 8. ومعكوس الطلب الإلكترون ديلز-ألدر (IEDDA) التفاعل بين 1،2،4،5-tetrazine (TZ) ومشتقاتها -cyclooctene عبر (TCO)، كما هو موضح في الشكل رقم 1، وقد ثبت أن تكون فعالة بشكل خاص 6. رد فعل IEDDA مع هذه المكونات يمكن أن يحمل حركية سريعة في برنامج تلفزيوني (ك 2 ≈ 6000 م -1 ق -1) وانتقائية عالية، مما يجعلها مثالية للفي الجسم الحي قبل استهداف التطبيقات 9، 10.
e_content "> النهج الأكثر شيوعا ينطوي على إدارة ناقلات TCO المستمدة من الاستهداف وبعد فترة تأخير كافية، يدار من tetrazine رديولبلد. tetrazines رديولبلد على أساس 11 C، 18 F، 64 النحاس و 89 عنصر الزركون، و 111 في كان وذكرت 11، 12، 13، 14، 15. وفي المقابل، هناك واحد فقط تقرير ل99m ح المسمى TZ، الذي تم إعداده باستخدام نوع يجند HYNIC تتطلب استخدام المشترك بروابط لمنع بروتين ملزمة وتدهور في الجسم الحي 16. وكبديل لذلك، ونحن التقرير هنا توليف 99m ح (I) المسمى tetrazines باستخدام عائلة بروابط التي تشكل مجمعات ثلاثي الشعب مستقرة مع [99m ح (CO) 3] + الأساسية. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-pالعمر = "1">
الشكل 1: IEDDA رد فعل bioorthogonal بين tetrazine و-cyclooctene العابرة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
عائلة بروابط أعد تحتوي يخلب ثلاثي الشعب التي تختلف في الاستقطاب وطبيعة المجموعة رابط بين منطقة ملزم المعادن وTZ (الشكل 2). وكان الهدف هو تحديد 99m ح-Tetrazine بناء يمكن أن توطين نحو فعال وتتفاعل مع مواقع المسمى TCO في الجسم الحي واضحة بسرعة عندما لا تكون ملزمة، من أجل انتاج عالية المستهدفة لغير المستهدفة النسب. لاختبار بروابط، تم استخدام TCO المشتقة من البايفوسفونيت (TCO-BP) 17. لقد أظهرنا في وقت سابق ان TCO-BP يموضع إلى مناطق استقلاب العظام نشط ويمكن أن تتفاعل معtetrazines رديولبلد في الجسم الحي 18. وهو كاشف مناسب لاختبار tetrazines الجديدة، لأنها يمكن أن تكون على استعداد في خطوة واحدة والتجارب لا يمكن أن يؤديها في الفئران العادية التي يحدث فيها توطين في المقام الأول في المفاصل (الركبتين والكتفين).
Protocol
Representative Results
Discussion
تم إعداد مجموعة من يخلب ثلاثي الشعب المرتبطة tetrazine من أقطاب مختلفة، وجرى تقييم فائدة المجمعات 99m ح في رد فعل IEDDA مع مشتق TCO في الجسم الحي. تم وضع 99m ح سيلة فعالة وقابلة للتكرار وضع العلامات لمدة خمس tetrazine-يخلب، حيث كان تركيز يجند 10 -3 م وأعقب خطوة وصف?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work supported by research grant funding from the Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada, the Ontario Institute for Cancer Research (OICR, #P.SI.015.8), and the Canadian Cancer Society (CCS, #703857). The authors acknowledge the contributions of Dr. Denis Snider who provided assistance in preparing the manuscript.
Materials
| Argon gas | Alphagaz | — | — |
| Na2CO3 | EMD Millipore | 106395 | — |
| Na2B4O7.10H2O | Anachemia | S9640 | — |
| KNaC4H4O6.4H2O | Anachemia | 217255 | — |
| Technelite 99mTc generator | Lantheus medical imaging | — | Source of 99mTcO4- |
| 0.9% Saline | Lantheus medical imaging | — | To elute generator |
| 1 M HCl | Lab Chem | — | — |
| MeOH | Caledon | — | — |
| ACN | Caledon | — | HPLC grade |
| Millipore H2O | Thermo Fisher Scientific | Barnstead Nanopure | — |
| DCM | Caledon | — | — |
| TFA | Caledon | — | — |
| PBS | Thermo Fisher Scientific | 10010023 | pH 7.4 1X |
| BSA | Sigma Aldrich | A7906 | — |
| Tween80 | Sigma Aldrich | P8047 | — |
| Isoflurane | CDMV | 108737 | Supplier: Fresenius Kabi Animal Health |
| HPLC | Waters | 1525 Binary Pump, 2998 Photodiodde Array Detector, E-SAT/IN, Bioscan Flowcount PMT detector (item # 15590) | — |
| HPLC column for analysis and purification of compounds 2-4 | Phenomenex | 00G-4435-E0 | Gemini® 5 µm C18 110 Å, LC Column 250 x 4.6 mm, |
| HPLC column for analysis and purification of compounds 1 and 5 | Waters | 186003115 | XBridge BEH C18 Column, 130 Å, 5 µm, 4.6 mm X 100 mm |
| Microwave Reactor | Biotage | Initiator 8 | — |
| Biotage V10 Evaporator | Biotage | Serial # V1041 | — |
| Dose calibrator | Capintec, Inc. | CRC-25R | — |
| Gamma counter | Perkin Elmer | Wizard 1470 Automatic Gamma Counter | — |
| Animal room scale | Mettler Toledo | XP105 Delta Range | — |
| Microwave vials | Biotage | 355629 | 0.5-2 mL |
References
- Jurisson, S. S., Lydon, J. D. Potential Technetium Small Molecule Radiopharmaceuticals. Chem. Rev. 99 (9), 2205-2218 (1999).
- Kluba, C. A., Mindt, T. L. Click-to-chelate: Development of Technetium and Rhenium-Tricarbonyl Labeled Radiopharmaceuticals. Molecules. 18, 3206-3226 (2013).
- Amato, I. Nuclear Medicines Conundrum. Chem. Eng. News. 87 (36), 58-70 (2009).
- Hnatowich, D. J., Virzi, F., Rusckowski, M. Investigations of Avidin and Biotin for Imaging Applications. J. Nucl. Med. 28 (8), 1294-1302 (1987).
- Blackman, M. L., Royzen, M., Fox, J. M. Tetrazine Ligation: Fast Bioconjugation Based on Inverse-Electron-Demand Diels-Alder Reactivity. J. Am. Chem. Soc. 130 (41), 13518-13519 (2008).
- Devaraj, N. K., Weissleder, R., Hilderbrand, S. A. Tetrazine-Based Cycloadditions: Application to Pretargeted Live Cell Imaging. Bioconjugate Chem. 19 (12), 2297-2299 (2008).
- Rossin, R., et al. In Vivo Chemistry for Pretargeted Tumor Imaging in Live Mice. Angew. Chem., Int. Ed. 49 (19), 3375-3378 (2010).
- Zeglis, B. M., et al. Optimization of a Pretargeted Strategy for the PET Imaging of Colorectal Carcinoma via the Modulation of Radioligand Pharmacokinetics. Mol. Pharmaceutics. 12 (10), 3575-3587 (2015).
- Rossin, R., et al. Highly Reactive trans-Cyclooctene Tags with Improved Stability for Diels-Alder Chemistry in Living Systems. Bioconjugate Chem. 24 (7), 1210-1217 (2013).
- Rossin, R., Robillard, M. S. Pretargeted Imaging Using Bioorthogonal Chemistry in Mice. Curr. Opin. Chem. Biol. 21, 161-169 (2014).
- Denk, C., et al. Development of a 18F-Labeled Tetrazine with Favorable Pharmacokinetics for Bioorthogonal PET Imaging. Angew. Chem., Int. Ed. 53 (36), 9655-9659 (2014).
- Herth, M. M., Andersen, V. L., Lehel, S., Madsen, J., Knudsen, G. M., Kristensen, J. L. Development of a 11C-labeled Tetrazine for Rapid Tetrazine-Trans-Cyclooctene Ligation. Chem. Commun. 49 (36), 3805-3807 (2013).
- Li, Z., et al. Tetrazine-Trans-Cyclooctene Ligation for the Rapid Construction of 18F Labeled Probes. Chem. Commun. 46 (42), 8043 (2010).
- Nichols, B., Qin, Z., Yang, J., Vera, D. R., Devaraj, N. K. 68Ga Chelating Bioorthogonal Tetrazine Polymers for the Multistep Labeling of Cancer Biomarkers. Chem. Commun. 50 (40), 5215-5217 (2014).
- Zeglis, B. M., et al. A Pretargeted PET Imaging Strategy Based on Bioorthogonal Diels-Alder Click Chemistry. J. Nucl. Med. 54 (8), 1389-1396 (2013).
- García, M. F., et al. 99mTc-Bioorthogonal Click Chemistry Reagent for In Vivo Pretargeted Imaging. Bioorg. Med. Chem. 24 (6), 1209-1215 (2016).
- Russell, R. G. G. Bisphosphonates: The First 40 Years. Bone. 49 (1), 2-19 (2011).
- Yazdani, A., et al. A Bone-Seeking Trans-Cyclooctene for Pretargeting and Bioorthogonal Chemistry: A Proof of Concept Study Using 99mTc and 177Lu-Labeled Tetrazines. J. Med. Chem. , (2016).
- Alberto, R., et al. A Novel Organometallic Aqua Complex of Technetium for the Labeling of Biomolecules: Synthesis of [99mTc(OH2)3(CO)3]+ from [99mTcO4]- in Aqueous Solution and its Reaction with a Bifunctional Ligand. J. Am. Chem. Soc. 120 (31), 7987-7988 (1998).
- Alberto, R., Ortner, K., Wheatley, N., Schibli, R., Schubiger, A. P. Synthesis and properties of boranocarbonate: A convenient in situ CO source for the aqueous preparation of [99mTc(OH2)3(CO)3. J. Am. Chem. Soc. 123 (13), 3135-3136 (2001).
- Lu, G., et al. Synthesis and SAR of 99mTc/Re-labeled Small Molecule Prostate Specific Membrane Antigen Inhibitors with Novel Polar Chelates. Bioorg. Med. Chem. Lett. 23 (5), 1557-1563 (2013).
- Maresca, K. P., et al. Small Molecule Inhibitors of PSMA Incorporating Technetium-99m for Imaging Prostate Cancer: Effects of Chelate Design on Pharmacokinetics. Inorg. Chim. Acta. 389, 168-175 (2012).
- Bartholomä, M. D., et al. Insight into the Mode of Action of Re(CO)3 Thymidine Complexes. ChemMedChem. 5 (9), 1513-1529 (2010).
