Pretargeted PET imaging of porous silicon nanoparticles and monoclonal antibodies : Development of 18F-fluoroglycosylated tetrazine tracer for the Iedda reaction in vivo

Show full item record

Title: Pretargeted PET imaging of porous silicon nanoparticles and monoclonal antibodies : Development of 18F-fluoroglycosylated tetrazine tracer for the Iedda reaction in vivo
Author: Keinänen, Outi
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Chemistry and Molecular Research
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2018-10-05
Language: en
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Positron emission tomography (PET) is a sensitive and quantitative molecular imaging method. Nowadays PET is widely used in the clinic, and increasingly in drug discovery and development. In pretargeted PET imaging, the targeting moiety, such as an antibody or a nanoparticle, is first let to localize and bind to its target and any excess is allowed to clear from the body before radiolabeling in vivo. The radiolabeling proceeds rapidly at the target site when the secondarily administered radiotracer selectively reacts with the firstly administered targeting moiety. The lag time between the two injections can be from a few hours to several days depending on the clearance rate of the targeting moiety. Pretargeting allows for the use of short-lived radionuclides in applications where traditionally their use has been hampered by the short physical half-life, for example in immunoimaging of monoclonal antibodies (mAb). The aim of pretargeting is to decrease the radiation burden of the subject and improve image contrast. In this work, a low-lipophilicity fluorine-18 labeled tetrazine tracer was developed and used for the pretargeting of mesoporous silicon nanoparticles (NP) and two mAbs, cetuximab and trastuzumab. The pretargeting was carried out utilizing a bioorthogonal reaction called the inverse electron-demand Diels-Alder cycloaddition (IEDDA). The surface of the NPs and mAbs was modified to have trans-cyclooctene (TCO) moieties that rapidly and selectively react with tetrazines upon encounter. The radiolabeling of the aminooxy-functionalized tetrazine was achieved through 18F-fluoroglycosylation via oxime formation. The radiosynthesis was further optimized to omit the HPLC purifications that have been typically necessary for 18F-fluoroglycosylation via oxime formation in order to produce high molar activity end products. In in vitro experiments, the stability of the developed tetrazine radiotracer was sufficient for its intended use in in vivo pretargeting, and it rapidly reacted with TCO in reaction kinetic measurements. The lipophilicity of the tracer was low (logD7.41 ≤ 0), and the tracer showed negligible cell uptake in in vitro cell studies. Therefore, fast clearance through urinary elimination was expected, and biodistribution studies corroborated this. However, the rapid renal clearance was accompanied by slower hepatobiliary elimination. In the pretargeting of TCO-NPs, the tracer successfully localized to the nanoparticles and clear correlation between the efficiency of the in vivo IEDDA reaction and the injected amount of tracer was observed. For both of the pretargeted mAbs, the tumor could be clearly visualized in the PET images, and the ex vivo biodistribution confirmed that the radioactivity accumulation at the tumor site was statistically significantly higher in the pretargeted experiments than in the controls for nonspecific uptake.Positroniemissiotomografia (PET) on hyvän resoluution omaava molekyylikuvantamismenetelmä, jonka avulla voidaan seurata leimatun lääkeaineen jakautumista ja eliminaatiota noninvasiivisesti. Esikohdennetussa PET-kuvantamisessa tutkimuksen alla oleva kantaja, esimerkiksi vasta-aine tai nanopartikkeli, radioleimataan vasta kun se on saavuttanut kohteensa in vivo. Esikohdennetussa PET-kuvantamisessa on yleensä kaksi vaihetta. Ensin annostellaan kantaja, joka hakeutuu kohdekudokseen. Seuraavaksi injisoidaan radioaktiivinen merkkiaine, joka reagoi selektiivisesti kantajan kanssa. Kantajan sijainti voidaan havaita merkkiaineen lähettämän säteilyn avulla. Esikohdennettu kuvantaminen mahdollistaa lyhytikäisten radionuklidien käytön sovelluksissa, joissa perinteisesti niiden lyhyt puoliintumisaika on sen estänyt. Esikohdennetun PET-kuvantamisen ansiosta kohteen säteilyannos laskee ja PET-kuvan kontrasti paranee. Tässä työssä kehitettiin fluori-18 leimattu tetratsiini, jota käytettiin merkkiaineena nanopartikkelien ja vasta-aineiden esikohdennetussa PET-kuvantamisessa. Esikohdennus toteutettiin IEDDA-reaktion (inverse electron-demand Diels-Alder cycloaddition) avulla. Nanopartikkelien ja vasta-aineiden pinnalle kiinnitettiin trans-syklo-okteeneita (TCO), jotka reagoivat nopeasti ja selektiivisesti tetratsiinien kanssa. Tetratsiini muokattiin sisältämään amino-oksi-rakenne, jotta radioleimaus voitiin suorittaa miedoissa reaktio-olosuhteissa 18F-fluoroglykosyloimalla. Radiosynteesin nopeuttamiseksi ja yksinkertaistamiseksi tässä työssä kehitettiin puhdistusmenetelmät korvaamaan nestekromatografiset menetelmät, jotka yleensä ovat tarpeen 18F-fluoroglykosyloinneissa. Kehitetty 18F-leimattu tetratsiini osoitti omaavansa hyvän stabiilisuuden fysiologisissa olosuhteissa in vitro, ja reagoi nopeasti TCO:n kanssa reaktiokinetiikkaa mitattaessa. Merkkiaineen lipofiilisyys oli myös matala eikä merkkiaine kertynyt soluihin solukokeissa, minkä takia merkkiaineen toivottu nopea eliminoituminen virtsan kautta oli nähtävissä myös in vivo -kokeissa. In vivo -kokeissa kuitenkin havaittiin myös eliminaatiota hepatobiliaarista reittiä. Esikohdennetuissa kokeissa kehitetty merkkiaine onnistuneesti paikansi nanopartikkelit, ja selvä korrelaatio in vivo IEDDA-reaktion saannon ja injisoidun merkkiaineen määrän välillä havaittiin. Vasta-aineiden esikohdennetussa PET-kuvantamisessa kasvain pystyttiin selvästi paikantamaan, ja ex vivo biodiistribuutio vahvisti, että radioaktiivisuuskertymä kasvaimissa oli tilastollisesti merkittävästi suurempi kuin kontrollikokeissa.
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
PRETARGE.pdf 2.051Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record