Sviluppi della Chimica dei Metalli di Transizione

Sviluppi della Chimica dei Metalli di
Transizione Radioemittenti per la
diagnosi e la terapia nella Medicina
Nucleare
Parma 20 Maggio 2004
Dr. Asti Mattia
Servizio di Medicina Nucleare
Arcispedale Santa Maria Nuova RE
LA MEDICINA NUCLEARE
•
CHE COS’E’: branca specialistica che si avvale dell’uso di
radionuclidi artificiali in forma non sigillata a scopo
diagnostico, terapeutico e di ricerca biomedica.
•
Da soli o legati a molecole vettrici i radionuclidi vengono
introdotti nell’organismo sotto forma di soluzioni,
sospensioni, aerosol; si comportano come traccianti
funzionali (permettendo studi diagnostici in “vivo”) oppure
si concentrano in tessuti patologici permettendone il
riconoscimento.
•
Le immagini medico-nucleari vengono ottenute tramite la
rilevazione di fotoni emessi dai radiofarmaci metabolizzati
dall’organismo e accumulati nei punti di interesse.
•
E’ quindi il paziente che emette raggi gamma: tale
emissione viene registrata da apposite apparecchiature i
tomografi SPECT e PET in grado poi di ricostruire la
corrispondente immagine.
LA TERAPIA RADIOMETABOLICA
•
CHE COS’E’: è la branca della Medicina Nucleare che si occupa
della cura dei tessuti tumorali .
•
Ancora una volta il ruolo terapeutico viene svolto dalle radiazioni
prodotte da radionuclidi che grazie a specifiche molecole
trasportatrici si accumulano selettivamente nelle zone di
interesse.
•
Grazie a questi radiofarmaci è possibile irradiare selettivamente
(a livello molecolare) solo i tessuti realmente interessati per
danneggiare le cellule malate.
•
I radionuclidi utilizzati per la terapia sono in genere degli
emettitori di elettroni (metalli di transizione) in quanto queste
particelle hanno una energia sufficiente per causare la morte
cellulare.
•
Se oltre ad emettere elettroni, questi radionuclidi emettono
anche positroni o raggi , diagnostica e terapia possono essere
combinate.
IL RADIOFARMACO
Un radiofarmaco è in genere formato da un atomo radioattivo e da una molecole
trasportatrice che è responsabile della sua farmacocinetica.
Se però ci focalizziamo nell’ambito della terapia, i radionuclidi maggiormente utilizzati
sono metalli, per questo motivo, la chimica preponderante è quella di coordinazione.
Un radiofarmaco per la terapia può essere pertanto formato dall’utilizzo di fino a 3
componenti .
•
Il radionuclide (metallo)
•
Il legante (a cui può essere associato un connettore)
•
La parte biologicamente attiva
A seconda del radiometallo e del legante si possono presentare diverse
tipologie di Radiofarmaci
• Se il legante è già una specie biologicamente attiva
(es. Tecneziati, marcatori di ipossia…)
• Legame diretto metallo – molecola bioattiva
• Tutte e tre le componenti con la
presenza di un connettore tra la
molecola bioattiva e il legante
MOLECOLE BIOLOGICAMENTE ATTIVE
La tendenza attuale è di utilizzare petdidi che grazie al loro basso peso molecolare e
la possibilità di legarsi a recettori specifici delle cellule hanno superato le applicazioni
degli anticorpi monoclonali in medicina nucleare.
In particolare la somatostatina ha dimostrato avere alta affinità per alcuni recettori
espressi sulla membrana di alcune cellule tumorali (ss1-sst5)
Somatostatin-14
Ala-Gly-Cys-Lys-Asn-Phe-Phe-Trp-Lys-Thr-Phe-Thr-Ser-Cys
Purtroppo la somatostatina ha dimostrato avere un tempo di emivita biologica molto
breve (16 min.) ed è stato quindi necessario sintetizzare degli analoghi contenenti i
residui AA dal 7 – 11 che sembrano essere quelli essenziali per il legame.
Questi derivati sono in genere sequenze di 8 amminoacidi (Octreotide) con un Nterminale D-Phe e un ammino alcohol Thr(ol) al C-terminale per proteggerlo dalla
degradazione ad opera delle proteasi.
Somatostatin-14
Ala-Gly-Cys-Lys-Asn-Phe-Phe-Trp-Lys-Thr-Phe-Thr-Ser-Cys
Octreotide
Lanreotide
D-Phe-Cys-Phe-D-Trp-Lys-Thr-Cys-Thr(ol)
b-D-NaI-Cys-Tyr-D-Trp-Lys-Val-Cys-Thr-NH2
Tyr3-octreotide (TOC)
D-Phe-Cys-Tyr-D-Trp-Lys-Thr-Cys-Thr(ol)
RC-160
D-Phe-Cys-Tyr-D-Trp-Lys-Val-Cys-Trp-NH2
Tyr3-octreotate (TATE)
D-Phe-Cys-Tyr-D-Trp-Lys-Thr-Cys-Thr
Mentre la somatostatina si lega a tutti e 5 i recettori con alta affinità gli analoghi
stabilizzati hanno diverse affinità per ognuno di essi.
Inoltre per esplicare la loro funzione questi derivati devono essere collegati ad un
legante per il radiometallo. In genere questo collegamento viene ottenuto formando un
legame peptidico tra l’ N-AA terminale e un gruppo carbossilico del legante
(connettore) .
Legante-------COOH
H2N-----peptide
Legante------C(O)-HN----Peptide
La affinità con i recettori non dipende solo dal derivato ma anche e notevolmente dal
radiometallo e dal legante stesso.
Le strategie con cui vengono collegate le varie parti (peptide-legante –metallo) o
(peptide-metallo) o (legante- metallo) verranno discusse in seguito.
I LEGANTI
Sono stati messi a punto una vasta serie di leganti ognuno presenta diverse affinità
con i radiometalli (alcuni sono specifici), alcuni hanno essi stessi una attività
biologica, alcuni hanno un utilizzo in campo specifico (ipossia).
Leganti Monodentati:
O
NH2
Idrazinonicotinammide e un legante
monodentato bifunzionale,
in combinazione con leganti ancillari
è in grado di formare complessi
stabili con il Tc.
H 2N
N
N
H
HYNIC
Leganti polidentati:
Oltre ai leganti tetradentati contenenti azoto e zolfo come atomi coordinati
N
N
SH
N
HS
N
NH2 HS
NH
N
H
NH2 H2N
Esistono due famiglie principali di leganti polidentati :
¾ La prima è quella dei leganti derivati dagli acidi Policarbossilici
¾ La seconda è quella dei leganti derivati dai composti tetrazamacrociclici
N
N
COOH COOH
N
COOH
DTPA
COOH
HOOC
N
N
N
N
COOH
COOH
HOOC
DOTA
COOH
La struttura del DTPA permette di avvolgere il radiometallo all’interno di una gabbia
generata dalla coordinazione degli atomi di ossigeno.
Ma prima della complessazione e necessaria la reazione di uno dei gruppi carbossilici
con un gruppo amminico della molecola biologicamente attiva.
Entrambe le molecole, avendo più di un sito reattivo devono essere protette nelle
posizioni desiderate.
COOH
O
O
N
N
N
O
DTPA Dianhydride
O
O
O
COOtBu
HOOC
Tetra-t-butyl-DTPA
N
BuOtOC
N
COOtBu
N
COOtBu
Nei leganti della seconda famiglia il radiometallo viene complessato da 4 atomi di
azoto e bloccato nella cavità del macrociclo.
La stabilità del complesso dipende fortemente dal raggio dello ione metallico per
questo motivo sono stati sintetizzati diversi macrocicli.
HOOC
DOTA
HOOC
N
N
HOOC
COOH
N
N
N
N
COOH
COOH
TETA
HOOC
N
N
COOH
Cyclam methylbenzoic acid
NH
N
NH
NH
COOH
Leganti per l’ipossia:
Molti tessuti tumorali presentano cellule ipossiche che sono almeno 3 volte più
resistenti alla terapia delle cellule tumorali normali. Mediante opportuni
radiofarmaci e possibile individuare queste zone e irradiarle selettivamente.
Questi leganti sono divisi in due categorie:
¾ Leganti derivati dai tiosemicarbazoni
¾ Leganti contenenti il gruppo azomicinico
NO2
H3C
N
NHCH3
CH3
N
N
SH
HS
ATMS
N
NHCH3
N
N (CH2)3
NH
N
N
NH
(CH2)3N
NO2
FC - 327
N
IL RADIONUCLIDE
Molti fattori influenzano la scelta del radionuclide per la terapia: tra questi ci sono
le proprietà fisiche (tipo di decadimento, energia delle particelle/fotoni emessi, T
½), la forma e la reattività chimica, la purezza e la disponibilità.
Radionuclide
64 Cu
90 Y
Half life
12.8 h
Type of Decay
+
EC
Particles Energies (Mev) Gamma Energies (KeV)
0.57 (40%)
0.65 (19%)
(41%)
64.8 h
-
2.3 (100%)
99m Tc
6 h
-
(87%)
(13%)
111 In
67.2 h
EC
177 Lu
6.7 d
188 Re
16.7 h
511
1346
140
142
100%
171
-
0.176 (7%)
0.384 (3%)
0.498 (90%)
110
210
-
1.96 (20%)
2.12 (80%)
155
RADIOFARMACI MARCATI
90Y 111In
177Lu
L’ 90Y è il radionuclide più comunemente usato nella moderna terapia basata sui
recettori della somatostatina. Mentre i suoi complessi con il DTPA non sono
sufficientemente stabili in vivo, quelli con i macrocicli ed in particolare il DOTA
formano molecole ottimali per la terapia.
Il DOTA viene preventivamente legato al peptide (TOC, TATE) via fase solida
facendo reagire DOTA (tBu)3 e il TOC(TATE) protetto.
BuOtC
N
N
COOH
+
BuOtC
N
N
COtBu
HN - Tyr3 – Octreotide ( TOC)
DOTATOC
HN - Tyr3 - Octreotate (TATE)
DOTATATE
Siccome l’ 90Y è un emettitore - puro, normalmente si associano i complessi di
90Y agli analoghi di 111In in modo da studiare la distribuzione del radiofarmaco
attraverso una scintigrafia
La marcatura avviene partendo dai cloruri dei radiometalli quando il legame
DOTA (legante) – TOC(peptide) è gia formato. Si utilizza un ambiente
tamponato a pH 5 scaldando a 90-100°C per ca.30min (resa 98-100 %)
HOOC
N
N
CONH - TOC
+
HOOC
N
N
90YCl
3
Acido gentisico (pH 5)
90 °C 2 h
COOH
HOOC
N
N
90
90Y
DOTATOC
HOOC
N
CONH - TOC
Y
N
COOH
Sebbene l’ 111In venga accoppiato all’ 90Y nella terapia e legato al DOTATOC,
presenta la maggiore stabilità e affinità ai recettori della somatostatina con
leganti tipo DTPA.
Il 177Lu presenta un notevole interesse in quanto è un emettitore beta/gamma
ed è stato dimostrato che l’affinità del complesso 177Lu DOTATATE con il
recettore sst2 aumenta di 6-7 volte rispetto a quella del analogo marcato 90Y.
90-Y
Half life
Emission
E max
Range
Chemical form
Main Emission
64 h (2.6 d)
pure - emitter
2.27 MeV
11 mm
90YCl
3
177-Lu
6.64 d
-, emitter
0.5 MeV
2 mm
177LuCl
3
160 e 120 KeV
Il problema con 177Lu è che i prodotti commerciali attualmente disponibili
presentano ancora una notevole quantità di impurezze che va ad influire sulla
marcatura.
RADIOFARMACI MARCATI
99mTc
188Re
Nonostante il 99mTc sia il nuclide maggiormente usato nella medicina nucleare
tradizionale, c’è molto interesse a livello di ricerca nella marcatura dei peptidi con
questo radiometallo.
Strategie di legame:
Metodo indiretto con complesso post-formato:
s
s
NH2
s
NH
s
s
Bifunctional
Chelating
Agent (BFC)
NH
s
Con questo metodo il legante per il Tecnezio maggiormente studiato è l’HYNIC in
grado di formare con leganti ancillari un Nitruro complesso molto stabile.
O
H
N
H2N
Peptide
N
N
H
H
O
N
H
O
N
Peptide
N
N
O
O
H
HO
N
O
N
O
O
O
COOH
Tc
Peptide
H
N
N
Tc
X
O
O
N
H
Metodo indiretto con complesso preformato:
s
s
NH2
s
NH
s
Metodo Diretto:
s
Hs
NH2
s
s
NH2
Hs
NH2
s
Legame Diretto con metodo del frammento metallico:
L
L
NH2
NH2
L
L
La formazione del frammento stabilizza i bassi numeri di ox. del Tecnezio, inoltre due
o tre posizioni di coordinazione sono occupati da leganti labili che possono essere
sostituiti da opportune molecole.
H2O
OC
+
OH2
Tc
CO
OH2
CO
R R
N
P
Cl
Tc
P
Cl
X R R CO
In particolare il frammento tricarbonilico presenta particolare affinità per il leganti
tri o bidentati con atomi di N legante. Ad esempio l’AA istidina.
O
N
CO
OC
Peptide
N
Tc
CO
N
O
O
Mentre il frammento nitrurico data la sua alta elettrofilicità si lega fortemente a
leganti bidentati contenenti atomi di zolfo e di Ossigeno/azoto
R R
N
P
S
Tc
P
O
CO
X R
R
NR
O
Il 188Re è stato recentemente portato all’attenzione della comunità di medicina
nucleare per le sue interessanti caratteristiche.
Half life
Emission
E max
Chemical form
Main Emission
99m-Tc
188-Re
6h
pure emitter
16.7 h
-, emitter
2.1 MeV
188ReO 4
155 KeV
99mTcO 4
142 Kev
Ma sebbene esistano molte somiglianze dal punto di vista chimico è impossibile
marcare con il Re i farmaci utilizzati con il Tc, con il metodo tradizionale in quanto
la riduzione del perennato è molto più difficile di quella del pertecnectato.
2 TcO42 ReO4-
+ 3 Sn2+
+ 3 Sn2+
2 TcO2+ (IV) + 3 SnO2
X
E’ stata provata perciò una nuova strategia per risolvere questo problema che si basa
sul principio della “espansione della sfera di coordinazione”.
O
O
Ossalate
Re
O
O
O
O
O
O
Re
HO
O
OH
O
L
Sn 2+
L
L
Re
Reduction
L
L
L
Questo metodo ha dato buoni risultati aumentando notevolmente la resa di marcatura
RADIOFARMACI MARCATI
64Cu
Il 64Cu ha dimostrato avere la maggiore stabilità nei complessi con il TETA e i
Cyclams ma sebbena la marcatura dei peptidi con questo radiometallo sia in via di
studio l’ interesse maggiore è nello sviluppo di farmaci marcatori di ipossia.
Esistono due metodi per creare radiofarmaci marcatori di ipossia.
Il primo si basa sulle proprietà ossidoriduttive del radiometallo con leganti
tiosemicarbazonici
CH3
H3C
N
NHCH3
N
N
Cu
S
N
S
Cu (ATMS)
NHCH3
2) Il secondo si basa sulla attività biologica del gruppo azomicinico.
NO2
N
NO2 - *
L
N
L
+ e-
N
NO
+ e-
L
N
N
L
Nitroreductase
Enzymes
L
N
L
+ 4e-
+ O2
NH2
O2-*
H2O2
N
L
N
L
OH-
Sono stati preparati ciclams particolari contenenti questo
gruppo e in seguito marcati con 64Cu.
Coovalent binding
to macromolecules
NO2
N
N
Cu
N
N (CH2)3
NO2
N
N
(CH2)3N
N
I primi studi su animali di questi
nuovi marcatori dell’ipossia sta
dando risultati incoraggianti.