Nicht geträgerte Radioarsenisotope: ihre Herstellung, Abtrennung und Markierung von Proteinen

Das Element Arsen besitzt eine Reihe von Isotopen, die in nahezu trägerfreier Form (nca) produziert werden können und deshalb in der Radiopharmazie für die Diagnose oder Endoradiotherapie Verwendung finden können. Bei der Positronenemissionstomographie (PET) gibt es eine gewisse Lücke bei der Versorgung mit langlebigen Positronenemittern, die zur Untersuchung von langsamen physiologischen Prozessen wie z.B. der Biodistribution und Anreicherung von Antikörpern in Tumorgewebe eingesetzt werden können. Die beiden Arsenisotope 72As (T1/2 = 26 h, 88 % beta+) und 74As (T1/2 = 17,8 d, 29 % beta+) vereinen eine lange physikalische Halbwertszeit mit einer hohen Positronenemissionsrate und sind daher geeignete Kandidaten. Da das Verhalten von radioaktivem Arsen und seine Verwendung in der molekularen Bildgebung international relativ wenig bearbeitet sind, wurde die Radiochemie des Arsens von der Isotopenproduktion an Kernreaktor und Zyklotron, über die Entwicklung von Abtrennungsmethoden für Germanium und Arsen, bis hin zur Entwicklung einer soliden Markierungschemie für Antikörper weiterentwickelt. Die in dieser Arbeit bearbeiteten Felder sind: 1. Die Isotopenproduktion der relevanten Arsenisotope (72/74/77As) wurde an Kernreaktor und Zyklotron durch Bestrahlung von GeO2- und Germaniummetalltargets durchgeführt. Pro 6 h Bestrahlung von 100 mg Germanium konnten ca. 2 MBq 77As am TRIGA Reaktor in Mainz hergestellt werden. Am Zyklotron des DKFZ in Heidelberg konnten unter optimierten Bedingungen bei der Bestrahlung von Germaniummetall (EP = 15 Mev, 20 µA, 200 µAh) ca. 4 GBq 72As und ca. 400 MBq 74As produziert werden. 2. Die Entwicklung neuer Abtrennungsmethoden für nca 72/74/77As von makroskopischen Mengen Germanium wurde vorangetrieben. Für die Aufarbeitung von GeO2- und Germaniummetalltargets kamen insgesamt 8 verschiedene Methoden wie Festphasenextraktion, Flüssig-Flüssig-Extraktion, Destillation, Anionenaustauschchromatographie zum Einsatz. Die erzielten Ausbeuten lagen dabei zwischen 31 und 56 %. Es wurden Abtrennungsfaktoren des Germaniums zwischen 1000 und 1•10E6 erreicht. Alle erfolgreichen Abtrennungsmethoden lieferten *As(III) in 500 µl PBS-Puffer bei pH 7. Diese Form des Radioarsens ist für die Markierung von SH-modifizierten Molekülen, wie z.B. Antikörpern geeignet. 3. Die Entwicklung von Methoden zur Bestimmung des Oxidationszustandes von nca *As in organischem, neutralem wässrigen, oder stark sauren Medium mittels Radio-DC und Anionenaustauschchromatographie wurde durchgeführt und führte zu einem besseren Verständnis der Redoxchemie des nca *As. 4. SH-modifizierte Antikörper wurden mit 72/74/77As(III) markiert. Dabei wurden zwei Methoden (Modifizierung mit SATA und TCEP) miteinander verglichen. Während das *As(III) bei Verwendung von TCEP in Ausbeuten > 90 % mit dem Antikörper reagierte, wurde für SATA-modifizierte Antikörper in Abhängigkeit von der verwendeten Abtrennungsmethode eine breite Spanne von 0 % bis > 90 % beobachtet. 5. Es wurden Phantommessungen mit 18F, 72As und 74As am µ-PET-Scanner durchgeführt, um erste Aussagen über die zu erwartende Auflösung der Arsenisotope zu erhalten. Die Auflösung von 74As ist mit 18F vergleichbar, während die von 72As erkennbar schlechter ist.

The element arsenic provides a range of isotopes, available in no carrier added form (nca) which might be suitable in radiopharmaceutical chemistry for diagnosis or endoradiotherapy. In positron emission tomography (PET) there is a lack of supply with longer living positron emitters, suitable for the investigation of slow physiological processes like biodistribution and enrichment of antibodies in tumor tissue. The two radioarsenic isotopes 72As (T1/2 = 26 h, 88 % beta+) and 74As (T1/2 = 17.8 d, 29 % beta+) combine a long physical half-life with high positron emission rate and are therefore promising candidates. The behavior of radioactive arsenic and its application in molecular imaging is not well investigated in international literature so far. Therefore the radiochemistry of arsenic was investigated from isotope production at nuclear reactor and cyclotron, over the development of new separation methods for arsenic from germanium to the setup of a stable labeling chemistry for antibodies. The fields that have been worked on are: 1. The isotope production of the relevant nca arsenic isotopes (*As) was carried out by irradiation of GeO2 and germanium metal targets at nuclear reactor and cyclotron. Per 6 h irradiation of 100 mg germanium, about 2 MBq 77As could be produced at the TRIGA reactor in Mainz. Under optimized conditions (EP = 15 Mev, 20 µA, 200 µAh) about 4 GBq 72As and about 400 MBq 74As could be produced by irradiation of germanium metal at the cyclotron of the DKFZ in Heidelberg. 2. The development of new separation methods for nca 72/74/77As from macroscopic amounts of germanium was promoted. For the work-up of GeO2 and germanium metal targets, eight different methods based on solid phase extraction, liquid liquid extraction, distillation and anion exchange chromatography have been applied. The yields of radio arsenic were in the range of 31 to 56 %. Separation factors from 1000 to 1•10E6 could be achieved. All successful separation methods provide *As(III) in 500 µl PBS-buffer at pH 7. This form of radio arsenic is suitable for the labeling of SH-modified molecules like e.g. monoclonal antibodies. 3. The development of methods for the determination of the oxidation state of nca *As in organic, neutral aqueous, or strong acidic media using radio-TLC and anion exchange chromatography lead to a better understanding of the redox chemistry of nca *As. 4. SH-modified antibodies were labeled with *As(III). Thereby two different methods (SH-modification with SATA and TCEP) have been compared. By use of TCEP the *As(III) lead to stable labeling yields of antibodies of > 90 %. In contrast, the labeling yields of SATA-modified antibodies showed a wide range from 0 to > 90 % yield depending on the separation method of arsenic from the target, applied before. 5. The measurement of phantoms filled with 18F, 72As and 74As was carried out at the µ-PET-scanner in Mainz to achieve first prediction about the achievable resolution of the two radio arsenic isotopes. While the resolution of 74As is comparable to 18F, 72As shows a worse resolution, due to its higher positron energy.