F-18 Labelling Synthesis, Radioanalysis and Evaluation of A Dopamine Transporter and A Hypoxia Tracer

Positron emission tomography (PET) is an imaging technique in which radioactive positron-emitting tracers are used to study biochemical and physiological functions in humans and in animal experiments. The use of PET imaging has increased rapidly in recent years, as have special requirements in the fields of neurology and oncology for the development of syntheses for new, more specific and selective radiotracers. Synthesis development and automation are necessary when high amounts of radioactivity are needed for multiple PET studies. In addition, preclinical studies using experimental animal models are necessary for evaluating the suitability of new PET tracers for humans. For purification and analysing the labelled end-product, an effective radioanalytical method combined with an optimal radioactivity detection technique is of great importance. In this study, a fluorine-18 labelling synthesis method for two tracers was developed and optimized, and the usefulness of these tracers for possible prospective human studies was evaluated. N-(3-[18F]fluoropropyl)-2β-carbomethoxy-3β-(4-fluorophenyl)nortropane ([18F]β-CFT-FP) is a candidate PET tracer for the dopamine transporter (DAT), and 1H-1-(3-[18F]fluoro-2-hydroxypropyl)-2-nitroimidazole ([18F]FMISO) is a well-known hypoxia marker for hypoxic but viable cells in tumours. The methodological aim of this thesis was to evaluate the status of thin-layer chromatography (TLC) combined with proper radioactivity detection measurement systems as a radioanalytical method. Three different detection methods of radioactivity were compared: radioactivity scanning, film autoradiography, and digital photostimulated luminescence (PSL) autoradiography. The fluorine-18 labelling synthesis for [18F]β-CFT-FP was developed and carbon-11 labelled [11C]β-CFT-FP was used to study the specificity of β-CFT-FP for the DAT sites in human post-mortem brain slices. These in vitro studies showed that β-CFT-FP binds to the caudate-putamen, an area rich of DAT. The synthesis of fluorine-18 labelled [18F]FMISO was optimized, and the tracer was prepared using an automated system with good and reproducible yields. In preclinical studies, the action of the radiation sensitizer estramustine phosphate on the radiation treatment and uptake of [18F]FMISO was evaluated, with results of great importance for later human studies. The methodological part of this thesis showed that radioTLC is the method of choice when combined with an appropriate radioactivity detection technique. Digital PSL autoradiography proved to be the most appropriate when compared to the radioactivity scanning and film autoradiography methods. The very high sensitivity, good resolution, and wide dynamic range of digital PSL autoradiography are its advantages in detection of β-emitting radiolabelled substances.

Positroniemissiotomografia (PET) on kuvantamismenetelmä, jossa lyhytikäisellä positronisäteilijällä leimatun radioaktiivisen merkkiaineen avulla voidaan tutkia kudosten biokemiallisia ja fysiologisia tapahtumia ihmisissä ja koe-eläimissä. Spesifisten ja selektiivisten erityisesti onkologisten ja neurologisten merkkiaineiden leimausmenetelmien kehitystarve on viime vuosina lisääntynyt. Synteesimenetelmien kehitystyössä on säteilysuojelullisista syistä kiinnitettävä huomiota automaation kehittämiseen, koska moniin PET-tutkimuksiin tarvitaan korkeita aktiivisuusmääriä. Prekliiniset kokeet koe-eläinmalleilla ovat tarpeellisia, jotta voidaan paremmin arvioida uusien radioaktiivisten merkkiaineiden soveltuvuutta humaanitutkimuksiin. Tärkeän osan synteesin kehitystyössä muodostaa myös lopputuotteen erottaminen epäpuhtauksista ja lopputuotteen analysointi käyttäen tehokasta kromatografista menetelmää yhdistettynä herkkään ja optimaaliseen radioaktiivisuuden mittausmenetelmään. Tässä työssä kehitettiin ja optimoitiin leimausmenetelmät kahdelle yhdisteelle ja arvioitiin prekliinisten kokeiden perusteella niiden käyttökelpoisuutta humaanitutkimuksiin. Tutkimuksen kohteena olivat dopamiinitransportterimerkkiaine N-(3-[18F]fluoropropyyli)-2β-carbometoksi-3β-(4-fluorofenyyli)- nortropaani ([18F]β-CFT-FP) ja hypoksiamerkkiaine 1H-1-(3-[18F]fluoro-2-hydroksi- propyyli)-2-nitroimidazoli ([18F]FMISO), jonka on osoitettu kerääntyvän hypoksisiin mutta elossa oleviin soluihin. Työssä arvioitiin myös radio-ohutlevykromatografian (radioTLC) merkitystä radioanalyyttisenä menetelmänä ja verrattiin keskenään TLC-levyn radioaktiivisuuden eri määritysmenetelmiä: radioaktiivisuuden scanning-menetelmää, filmiautoradiografiaa ja digitaalista fotostimuloitua luminesenssi (PSL) autoradiografiaa. Väitöskirjatyössä kehitettiin synteesi [18F]β-CFT-FP-merkkiaineelle. Alustavasti osoitettiin myös että 11C-leimattu β-CFT-FP sitoutuu voimakkaasti in vitro post mortem -humaaniaivoleikkeiden tyvitumakkeiden alueelle, jossa dopamiinin kuljetusproteiinien tiheys on suuri. Lisäksi optimoitiin [18F]FMISO:n synteesimenetelmä ja sovellettiin sitä automaattiselle synteesilaitteistolle, jonka avulla [18F]FMISO:a valmistettiin suuria aktiivisuusmääriä toistettavasti ja hyvällä saannolla. Prekliinisissä kokeissa voitiin kokeellisessa tuumorihiirimallissa [18F]FMISO:n avulla osoittaa sädeherkistäjä estramustiini fosfaatin (EMP) vaikutus sädehoidon tehoon. Näitä tuloksia voidaan myöhemmin hyödyntää mahdollisissa potilastutkimuksissa. Väitöskirjatyön menetelmällisessä osassa osoitettiin, että TLC-menetelmä yhdistettynä ominaisuuksiltaan sopivaan radioaktiivisuuden mittausmenetelmään on hyvä valinta. Digitaalinen fotostimuloitu luminesenssi autoradiografia osoittautui parhaaksi radioaktiivisuuden mittausmenetelmäksi vertailussa, koska se on herkin, paras resoluutioltaan ja lisäksi sillä on laaja lineaarinen mittausalue.