Development of radiosynthesis methods for 18F-labelled radiopharmaceuticals : General considerations and production of a dopamine transporter radioligand

Positron emission tomography (PET) is a molecular imaging technique that utilises radiopharmaceuticals (radiotracers) labelled with a positron-emitting radionuclide, such as fluorine-18 (18F). Development of a new radiotracer requires an appropriate radiosynthesis method: the most common of which with 18F is nucleophilic substitution with [18F]fluoride ion. The success of the labelling reaction is dependent on various factors such as the reactivity of [18F]fluoride, the structure of the target compound in addition to the chosen solvent. The overall radiosynthesis procedure must be optimised in terms of radiochemical yield and quality of the final product. Therefore, both quantitative and qualitative radioanalytical methods are essential in developing radiosynthesis methods. Furthermore, biological properties of the tracer candidate need to be evaluated by various pre-clinical studies in animal models. In this work, the feasibility of various nucleophilic 18F-fluorination strategies were studied and a labelling method for a novel radiotracer, N-3-[18F]fluoropropyl-2beta-carbomethoxy-3beta-4-fluorophenyl)nortropane ([18F]beta-CFT-FP), was optimised. The effect of solvent was studied by labelling a series of model compounds, 4-(R1-methyl)benzyl R2-benzoates. 18F-Fluorination reactions were carried out both in polar aprotic and protic solvents (tertiary alcohols). Assessment of the 18F-fluorinated products was studied by mass spectrometry (MS) in addition to conventional radiochromatographic methods, using radiosynthesis of 4-[18F]fluoro-N-[2-[1-(2-methoxyphenyl)-1-piperazinyl]ethyl-N-2-pyridinyl-benzamide (p-[18F]MPPF) as a model reaction. Labelling of [18F]beta-CFT-FP was studied using two 18F-fluoroalkylation reagents, [18F]fluoropropyl bromide and [18F]fluoropropyl tosylate, as well as by direct 18F-fluorination of sulfonate ester precursor. Subsequently, the suitability of [18F]beta-CFT-FP for imaging dopamine transporter (DAT) was evaluated by determining its biodistribution in rats. The results showed that protic solvents can be useful co-solvents in aliphatic 18F-fluorinations, especially in the labelling of sulfonate esters. Aromatic 18F-fluorination was not promoted in tert-alcohols. Sensitivity of the ion trap MS was sufficient for the qualitative analysis of the 18F-labelled products; p-[18F]MPPF was identified from the isolated product fraction with a mass-to-charge (m/z) ratio of 435 (i.e. protonated molecule [M+H]+). [18F]beta-CFT-FP was produced most efficiently via [18F]fluoropropyl tosylate, leading to sufficient radiochemical yield and specific radioactivity for PET studies. The ex vivo studies in rats showed fast kinetics as well as the specific uptake of [18F]beta-CFT-FP to the DAT rich brain regions. Thus, it was concluded that [18F]beta-CFT-FP has potential as a radiotracer for imaging DAT by PET.

Positroniemissiotomografia (PET) on kuvantamismenetelmä, jossa hyödynnetään lyhytikäisillä positronisäteilijöillä, kuten fluori-18:lla, leimattuja radioaktiivisia yhdisteitä, ns. radiolääkeaineita. PET:n ja 18F-leimattujen radiolääkeaineiden tärkeitä sovellutuskohteita on mm. neurologiassa, esimerkkinä dopamiinin kuljetusproteiinien (DAT) diagnostinen kuvantaminen: DAT:n toiminnan on osoitettu muuttuneen monissa neurologisissa ja psykiatrisissa sairauksissa kuten Parkinsonin taudissa. Uusien, spesifisten radiolääkeaineiden tuottaminen edellyttää sopivan radioleimausmenetelmän kehittämistä ja leimattujen yhdisteiden biologisten ominaisuuksien määrittämistä eläinmalleissa. Tyypillinen leimausreaktio 18F:lla perustuu nukleofiiliseen substituutioon [18F]fluoridilla. Leimausreaktion onnistumiseen voidaan vaikuttaa monilla tekijöillä, joita ovat mm. [18F]fluoridin reaktiivisuus, kohdemolekyylin rakenne sekä valittu liuotin. Tavoitteena on tuottaa puhdas lopputuote mahdollisimman hyvällä radioaktiivisella saannolla ja riittävän korkealla spesifisellä radioaktiivisuudella, näin ollen myös asianmukaiset analyysimenetelmät ovat ensisijaisen tärkeitä valmistusmenetelmän kehityksessä. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli tutkia erilaisia nukleofiilisiä 18F-fluorausmenetelmiä ja optimoida valmistusmenetelmä uudelle DAT -merkkiaineelle, N-3-[18F]fluoripropyyli)-2beta-karbometoksi-3beta-4-fluorifenyyli)nortropaanille ([18F]beta-CFT-FP). Liuottimen ja lähtöaineen rakenteen vaikutusta leimausreaktion onnistumiseen tutkittiin radioleimaamalla erilaisia malliyhdisteitä, 4-(R1-metyyli)bentsyyli R2-bentsoaatteja, sekä yleisesti käytetyissä aproottisissa että uusissa proottisissa liuottimissa. Tulokset osoittivat, että tertiääriset alkoholit soveltuvat alifaattisten yhdisteiden, erityisesti sulfonaattiesterien leimaukseen, mutta aromaattisissa 18F-fluorausreaktioissa ne eivät toimineet. Serotoniinireseptori 5HT1A -ligandin, 4-[18F]fluori-N-[2-[1-(2-metoksifenyyli)-1-piperatsinyyli]etyyli-N-2-pyridinyyli-bentsamidi (p-[18F]MPPF), valmistuksessa käytettiin leimautuneiden tuotteiden analysointiin perinteisten kromatografisten menetelmien rinnalla massaspektrometriaa (MS). Ioniloukku-MS:n todettiin olevan riittävän herkkä menetelmä leimatun lopputuotteen tunnistamiseen reaktioseoksesta. [18F]beta-CFT-FP:n radioleimausta tutkittiin käyttäen kahta, 18F-fluoroalkylointiin pohjautuvaa menetelmää sekä suoraa yksivaiheista leimausmenetelmää, joista [18F]fluoripropyyli tosylaatti leimausreagenssina osoittautui toimivimmaksi: optimoitu leimausmenetelmä mahdollistaa [18F]beta-CFT-FP:n valmistamisen potilastutkimuksiin. Lisäksi [18F]beta-CFT-FP -merkkiaineen biologisia ominaisuuksia tutkittiin rotilla ex vivo. Tulokset osoittivat, että yhdiste kulkeutuu nopeasti ja spesifisesti aivoalueille, joissa DAT-proteiineja on runsaasti. Johtopäätöksenä todetaan, että [18F]beta-CFT-FP soveltuu DAT:n kuvantamiseen PET:lla.