From defined polymer architectures to structure-property relationships in vivo

Makromolekulare Wirkstoffträgersysteme sind von starkem Interesse bezüglich der klinischen Anwendung chemotherapeutischer Agenzien. Um ihr klinisches Potential zu untersuchen ist es von besonderer Bedeutung das pharmakokinetische Profil in vivo zu bestimmen. Jede Veränderung der Polymerstruktur beeinflusst die Körperverteilung des entsprechenden Makromoleküls. Aufgrund dessen benötigt man detailliertes Wissen über Struktur-Eigenschaftsbeziehungen im lebenden Organismus, um das Nanocarrier System für zukünftige Anwendungen einzustellen. In dieser Beziehung stellt das präklinische Screening mittels radioaktiver Markierung und Positronen-Emissions-Tomographie eine nützliche Methode für schnelle sowie quantitative Beobachtung von Wirkstoffträgerkandidaten dar. Insbesondere poly(HPMA) und PEG sind im Arbeitsgebiet Polymer-basierter Therapeutika stark verbreitet und von ihnen abgeleitete Strukturen könnten neue Generationen in diesem Forschungsbereich bieten.rnDie vorliegende Arbeit beschreibt die erfolgreiche Synthese verschiedener HPMA und PEG basierter Polymer-Architekturen – Homopolymere, Statistische und Block copolymere – die mittels RAFT und Reaktivesterchemie durchgeführt wurde. Des Weiteren wurden die genannten Polymere mit Fluor-18 und Iod-131 radioaktiv markiert und mit Hilfe von microPET und ex vivo Biodistributionsstudien in tumortragenden Ratten biologisch evaluiert. Die Variation in Polymer-Architektur und darauffolgende Analyse in vivo resultierte in wichtige Schlussfolgerungen. Das hydrophile / lipophile Gleichgewicht hatte einen bedeutenden Einfluss auf das pharmakokinetische Profil, mit besten in vivo Eigenschaften (geringe Aufnahme in Leber und Milz sowie verlängerte Blutzirkulationszeit) für statistische HPMA-LMA copolymere mit steigendem hydrophoben Anteil. Außerdem zeigten Langzeitstudien mit Iod-131 eine verstärkte Retention von hochmolekularen, HPMA basierten statistischen Copolymeren im Tumorgewebe. Diese Beobachtung bestätigte den bekannten EPR-Effekt. Hinzukommend stellen Überstrukturbildung und damit Polymergröße Schlüsselfaktoren für effizientes Tumor-Targeting dar, da Polymerstrukturen über 200 nm in Durchmesser schnell vom MPS erkannt und vom Blutkreislauf eliminiert werden. Aufgrund dessen wurden die hier synthetisierten HPMA Block copolymere mit PEG Seitengruppen chemisch modifiziert, um eine Verminderung in Größe sowie eine Reduktion in Blutausscheidung zu induzieren. Dieser Ansatz führte zu einer erhöhten Tumoranreicherung im Walker 256 Karzinom Modell. Generell wird die Körperverteilung von HPMA und PEG basierten Polymeren stark durch die Polymer-Architektur sowie das Molekulargewicht beeinflusst. Außerdem hängt ihre Effizienz hinsichtlich Tumorbehandlung deutlich von den individuellen Charakteristika des einzelnen Tumors ab. Aufgrund dieser Beobachtungen betont die hier vorgestellte Dissertation die Notwendigkeit einer detaillierten Polymer-Charakterisierung, kombiniert mit präklinischem Screening, um polymere Wirkstoffträgersysteme für individualisierte Patienten-Therapie in der Zukunft maßzuschneidern.rn

Development and optimisation of novel 68 Ga-folates - towards early diagnosis of ovarian cancer

Der Folsäure-basierte Radiotracer Etarfolatide (99mTc-EC 20) hat in der Vergangenheit sehr vielversprechende Ergebnisse im Bereich der frühzeitigen Diagnostik von Ovarialkarzinomen gezeigt. Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (SPECT) erlaubt dabei eine Visualisierung der Krankheit in einem sehr frühen Stadium – ermöglicht wird dies durch Folsäure, welche als Target Vektor dient. Um das erfolgreiche Prinzip der Radiofolate auf die Positronen-Emissionstomographie (PET) zu übertragen, welche eine noch höhere räumliche Auflösung ermöglicht, wurden in den letzten fünf Jahren bereits 18F-folate entwickelt. Deren hepatobiliären Exkretionsmuster, verursacht durch die relativ hohe Lipophilie der Strukturen, entsprachen jedoch nicht den Anforderungen. Eine optimierte Bioverteilung der Tracer in vivo kann durch eine generelle Erhöhung der Polarität erfolgen. Die Kombination aus einem polaren 68Ga-Komplex mit Folsäure als Target Vektor stellte den Fokus dieses Projektes dar. Ziel war die Entwicklung eines Radiofolates mit der Tendenz einer raschen renalen Ausscheidung und verringerter hepatobiliärer Anreicherung. Dazu wurde Folsäure regiospezifisch über ihre y-Säure an verschiedene bifunktionelle Chelatoren (BFCs) gekoppelt. Vier verschiedene Reaktionstypen wurden gewählt und durchgeführt: Cu-katalysierte sowie Cu-freie Click Reaktion, Amindbindung und Thioharnstoff Bildung. Es wurden sechs verschiedene Derivate erhalten und mit 68Ga radiomarkiert.

Synthese und Evaluierung von (Radio)Liganden für den Free Fatty Acid Rezeptor 1

Der Free Fatty Acid Receptor 1 (FFAR1) ist ein G-Protein gekoppelter Rezeptor, welcher neben einer hohen Expression im Gehirn auch eine verstärkte Expressionsrate auf den β-Zellen des Pankreas aufweist. Diese Expressionsmuster machen ihn zu einem idealen Target für die Visualisierung der sogenannten β-Zell-Masse mittels molekularer bildgebender Verfahren wie der PET. Eine Entwicklung geeigneter Radiotracer für die β-Zell-Bildgebung würde sowohl für die Diagnostik als auch für die Therapie von Typ-1- und Typ-2-Diabetes ein wertvolles Hilfsmittel darstellen.rnAufbauend auf einem von Sasaki et al. publiziertem Agonisten mit einem vielversprechendem EC50-Wert von 5,7 nM wurden dieser Agonist und zwei weitere darauf basierende 19F-substituierte Moleküle als Referenzverbindungen synthetisiert (DZ 1-3). Für die 18F-Markierung der Moleküle DZ 2 und DZ 3 wurden die entsprechenden Markierungsvorläufer (MV 1-3) synthetisiert und anschließend die Reaktionsparameter hinsichtlich Temperatur, Lösungsmittel, Basensystem und Reaktionszeit für die nukleophile n.c.a. 18F-Fluorierung optimiert. Die abschließende Entschützung zum fertigen Radiotracer wurde mit NaOH-Lösung durchgeführt und die Tracer injektionsfertig in isotonischer NaCl-Lösung mit radiochemischen Ausbeuten von 26,9 % ([18F]DZ 2) und 39 % ([18F]DZ 3) erhalten.rnZusätzlich wurde ein Chelator zur 68Ga-Markierung an den Liganden gekoppelt (Verb. 46) und die Markierungsparameter optimiert. Nach erfolgter Markierung mit 95 % radiochemischer Ausbeute, wurde der Tracer abgetrennt und in vitro Stabilitätsstudien durchgeführt. Diese zeigten eine Stabilität von mehr als 90 % über 120 min in sowohl humanem Serum (37 °C) als auch isotonischer NaCl-Lösung.rnMit einem ebenfalls synthetisierten fluoreszenzmarkierten Derivat des Liganden (Verb. 43) wurden erste LSM-Bilder an sowohl Langerhansschen Inseln als auch FFAR1-tragenden RIN-M Zellen durchgeführt, welche einen vielversprechenden Uptake des neuen Liganden in die Zellen zeigen. Weitere Untersuchungen und biologische Evaluierungen stehen noch aus. Mit den Referenzsubstanzen wurden zusätzlich Vitalitätsstudien an Langerhansschen Inseln durchgeführt, um einen negativen toxischen Einfluss auszuschließen.rn

18 F-Click-Radiomarkierung polymerer Trägersysteme zur ex vivo- und in vivo-Evaluierung

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein leistungsstarkes, nicht-invasives, bildgebendes Verfahren in der Nuklearmedizin und hat darüber hinaus zunehmende Bedeutung in der Arzneistoffentwicklung. Zur Verbesserung des therapeutischen Index von niedermolekularen Pharmaka werden vermehrt Wirkstofftransportsysteme eingesetzt. Eine Klasse dieser Wirkstofftransportsysteme sind Liposomen. Die Weiterentwicklung der klassischen Liposomen sind sogenannte „Stealth“-Liposomen, die eine Polyethylenglykol (PEG)-Korona zur Herabsetzung der Erkennung und Ausscheidung tragen. Zur (Weiter-)Entwicklung und deren in vivo-Evaluierung bietet die PET die Möglichkeit, die Auswirkungen von strukturellen Anpassungen auf die pharmakokinetischen Eigenschaften solcher Transportsysteme zu untersuchen. Zur Evaluierung neuartiger, cholesterolverankerter, linear-hyperverzweigter Polyglycerole (Ch-PEG-hbPG) als sterisch stabilisierende Polymere in Liposomen wurden diese im Rahmen dieser Arbeit mit der prosthetischen Gruppe 18F-TEG-N3 über kupferkatalysierte Alkin-Azid Cycloaddition (CuAAC) in sehr hohen Ausbeuten radiomarkiert. Zum systematischen Vergleich des in vivo-Verhaltens wurde ebenfalls ein cholesterolbasiertes lineares PEG (Ch-PEG) mit CuAAC nahezu quantitativ radiomarkiert. Als drittes Element wurde die Direktmarkierung von Cholesterol mit [18F]F- entwickelt. Diese drei Verbindungen wurden zuerst separat als Einzelkomponenten und anschließend, in Liposomen formuliert, in Tierstudien an Mäusen hinsichtlich ihrer initialen Pharmakokinetik und Biodistribution untersucht. Dabei zeigte sich ein ähnliches Verhalten der neuartigen Ch-PEG-hbPG-Derivate zu den bekannten Ch-PEG, mit dem Vorteil der Multifunktionalität an den hyperverzweigten Strukturen. Die liposomalen Strukturen mit der neuartigen sterischen Stabilisierung wiesen eine erhöhte Blutzirkulationszeit und vorteilhafte Blut-zu-Leber- und Blut-zu-Lunge-Verhältnisse im Vergleich zu den linear stabilisierten Analoga auf.rnEine weitere Klasse von Wirkstofftransportsystemen sind polymere Trägersysteme wie pHPMA. Alkinfunktionalisierte Polymere konnten in zwei verschiedenen Größen (~12 und 60 kDa) mittels CuAAC in sehr hohen Ausbeuten mit der prosthetischen Gruppe 18F-TEG-N3 radiomarkiert werden. Bicyclononinderivate der gleichen Größen konnten ohne Kupferkatalyse über ringspannungsvermittelte Alkin-Azid-Cycloaddition (SPAAC) mikrowellengestützt markiert werden und stehen somit zur in vivo-Untersuchung hinsichtlich des Einflusses der Markierungsart zur Verfügung.

Glykopolymere für biomedizinsche Anwendungen : Synthese von mannosylierten N-(2-Hydroxyprpyl)methacrylamid Polymersystemen für die Adressierung von Zellen des Immunsystems

Das Ziel dieser Arbeit lag darin mannosylierte Polymersysteme hauptsächlich auf der Basis von N-(Hydroxy)propylmethacrylat zu synthetisieren, um gezielt Zellen des Immunsystems zu adressieren. Dazu wurden zunächst verschiedene Reaktivesterpolymere auf der Basis von Pentafluorophenylmethacrylat (PFPMA) unter Verwendung der RAFT-Polymerisation mit enger Molekulargewichtsverteilung und unterschiedlichen Anteilen an LMA (Laurylmethacrylat) hergestellt.rnUm eine genaue Aussage über den Aufbau eines statistischen PFPMA-LMA Copolymers treffen zu können, wurde die Copolymerisation von PFPMA und LMA mittels Echtzeit 1H-NMR Kinetikmessungen untersucht. Dies ermöglichte es, die Copolymerisationsparameter zu berechnen und genaue Aussagen über den Aufbau eines statistischen PFPMA-LMA Copolymers zu treffen. Die so erhaltenen Reaktivesterpolymere wurden dann in einer polymeranalogen Reaktion unter Erhalt des Polymerisationsgrades in die gewünschten HPMA-Polymere umgewandelt. Um die quantitative Umsetzung ohne auftretende Nebenreaktionen zu untersuchen, wurden verschiedene Reaktionsbedingungen gewählt und unterschiedliche Analysemethoden verwendet. Damit konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, über den Reaktivesteransatz qualitativ hochwertige amphiphile Polymersysteme herzustellen, die auf anderen Wegen schwer zu synthetisieren und charakterisieren sind. Ein weiterer Vorteil dieser Syntheseroute ist, dass gleichzeitig sowohl Marker für die Visualisierung der Polymere in vitro und in vivo, als auch Targetliganden für die Adressierung bestimmter Zellen eingeführt werden können. Dafür wurde hauptsächlich Mannose als einfache Zuckerstruktur angebunden, da bekannt ist, dass mannosylierte Polymersysteme von Zellen des Imunsystems aufgenommen werden. Zusätzlich konnten die mannosylierten Polymere mit hydrophobem Wirkstoff beladen werden, wobei die Stabilität von beladenen Mizellen anhand der Einlagerung eines hydrophoben radioaktiven Komplexes genauer untersucht werden konnte.rnAnschließende in vitro Experimente der mannosylierten Polymermizellen an dendritischen Zellen zeigten wie erwartet eine mannosespezifische und verstärkte Aufnahme. Für eine mögliche Untersuchung dieser Systeme in vivo mittels PET konnte gezeigt werden, dass es möglich ist HPMA Polymere radioaktiv zu markieren, wobei auch erste Markierungsversuche mit einem langlebigen Radionuklid für Langzeitbiodistributionsstudien durchgeführt werden konnte.rn

Cancer of the oral cavity and oropharynx

Tumours in the oral cavity and oropharynx differ in presentation and prognosis and the detection of spread of tumour from one subsite to another is essential for the T-staging. This article reviews the anatomy and describes the pattern of spread of different cancers arising in the oral cavity and oropharynx; the imaging findings on computerized tomography and magnetic resonance imaging are also described. Brief mention is made on the role of newer imaging modalities such as [(18)F]fluorodeoxyglucose-positron emission tomography/computed tomography, perfusion studies and diffusion-weighted magnetic resonance imaging.

[The role of PET imaging in patients with lymphoma]

Positron-Emission-Tomography (PET) has emerged as a diagnostic gold standard for most tumor entities during the last 20 years, especially for patients suffering from malignant lymphoma. The development and distribution of machines allowing for hybrid imaging, i.e. the simultaneous acquisition of PET and CT datasets, and the possibility to assess even small pathologic findings with fused PET/CT image visualization, once more significantly improved the diagnostic accuracy of PET. Based on an excellent sensitivity the metabolic imaging with PET or PET/CT allows for a reliable overall assessment of patients with malignant lymphoma before therapy, for the early identification of non-responders during therapy, and for the diagnosis of relapse after therapy.

Dual-modality PET/CT instrumentation-today and tomorrow

Positron emission tomography (PET) has proven to be a clinically valuable imaging modality, particularly for oncology staging and therapy follow-up. The introduction of combined PET/CT imaging has helped address challenging imaging situations when anatomical information on PET-only was inadequate for accurate lesion localization. After a decade of PET/CT these combined systems have matured technically. Today, whole-body oncology staging is available with PET/CT in 15 min, or less. This review details recent developments in combined PET/CT instrumentation and points to implications for major applications in clinical oncology.

Deposition, imaging, and clearance: what remains to be done?

Deposition and clearance studies are used during product development and in fundamental research. These studies mostly involve radionuclide imaging, but pharmacokinetic methods are also used to assess the amount of drug absorbed through the lungs, which is closely related to lung deposition. Radionuclide imaging may be two-dimensional (gamma scintigraphy or planar imaging), or three-dimensional (single photon emission computed tomography and positron emission tomography). In October 2009, a group of scientists met at the "Thousand Years of Pharmaceutical Aerosols" conference in Reykjavik, Iceland, to discuss future research in key areas of pulmonary drug delivery. This article reports the session on "Deposition, imaging and clearance." The objective was partly to review our current understanding, but more importantly to assess "what remains to be done?" A need to standardize methodology and provide a regulatory framework by which data from radionuclide imaging methods could be compared between centers and used in the drug approval process was recognized. There is also a requirement for novel radiolabeling methods that are more representative of production processes for dry powder inhalers and pressurized metered dose inhalers. A need was identified for studies to aid our understanding of the relationship between clinical effects and regional deposition patterns of inhaled drugs. A robust methodology to assess clearance from small conducting airways should be developed, as a potential biomarker for therapies in cystic fibrosis and other diseases. The mechanisms by which inhaled nanoparticles are removed from the lungs, and the factors on which their removal depends, require further investigation. Last, and by no means least, we need a better understanding of patient-related factors, including how to reduce the variability in pulmonary drug delivery, in order to improve the precision of deposition and clearance measurements.

Arterial spin-labeling MRI perfusion in tuberous sclerosis: correlation with PET

Neuroimaging using magnetic resonance imaging (MRI) is required for the investigation of surgically intractable epilepsy. In addition to the standard MRI techniques, perfusion sequences can be added to improve visualization of the underlying pathological changes. Also, as arterial spin-labeling (ASL) MRI perfusion does not require contrast administration, it may even be advantageous in these patients. We report here on three patients with epilepsy and tuberous sclerosis who underwent brain MRI with ASL and positron emission tomography (PET), both of which were found to correlate with each other and with electrophysiological data.

Interictal arterial spin-labeling MRI perfusion in intractable epilepsy

INTRODUCTION: Magnetic resonance imaging (MRI) is required for the investigation of surgically intractable epilepsy. In addition to the standard MRI techniques, perfusion sequences can be added to improve visualization of underlying pathological changes. Arterial spin-labeling (ASL) MRI perfusion does not require contrast administration and, for this reason, may have advantages in these patients. METHODS: We report here on 16 patients with epilepsy who underwent MRI of the brain with ASL and positron emission tomography (PET). RESULTS: Despite a slightly reduced resolution with ASL, we found a correlation between ASL, PET and electrophysiological data, with hypoperfusion on ASL that corresponded with hypoperfusion on interictal PET. CONCLUSION: Given the correlation between ASL and PET and electrophysiology, perfusion with ASL could become part of the standard work-up in patients with epilepsy.

Functional Imaging of Pheochromocytoma with Ga-DOTATOC and C-HED in a Genetically Defined Rat Model of Multiple Endocrine Neoplasia

Rats affected by the MENX multitumor syndrome develop pheochromocytoma (100%). Pheochromocytomas are uncommon tumors and animal models are scarce, hence the interest in MENX rats to identify and preclinically evaluate novel targeted therapies. A prerequisite for such studies is a sensitive and noninvasive detection of MENXassociated pheochromocytoma. We performed positron emission tomography (PET) to determine whether rat pheochromocytomas are detected by tracers used in clinical practice, such as 68Ga-DOTATOC (somatostatin analogue) or (11)C-Hydroxyephedrine (HED), a norepinephrine analogue. We analyzed four affected and three unaffected rats. The PET scan findings were correlated to histopathology and immunophenotype of the tumors, their proliferative index, and the expression of genes coding for somatostatin receptors or the norepinephrine transporter. We observed that mean 68Ga-DOTATOC standard uptake value (SUV) in adrenals of affected animals was 23.3 ± 3.9, significantly higher than in control rats (15.4 ± 7.9; P = .03). The increase in mean tumor-to-liver ratio of (11)C-HED in the MENX-affected animals (1.6 ± 0.5) compared to controls (0.7 ± 0.1) was even more significant (P = .0016). In a unique animal model, functional imaging depicting two pathways important in pheochromocytoma biology discriminated affected animals from controls, thus providing the basis for future preclinical work with MENX rats.

In vivo evaluation in cynomolgus monkey brain and metabolism of [¹⁸F]fluorodeprenyl: a new MAO-B pet radioligand

In this study, we evaluated the in vivo characteristics of a new monoamine oxidase type B (MAO-B) radioligand, [¹⁸F]fluorodeprenyl, by positron emission tomography (PET) in two cynomolgus monkeys. The brain uptake of [¹⁸F]fluorodeprenyl was more than 7% (600% SUV) of the total injected radioactivity and similar to that of [¹¹C]deprenyl, an established MAO-B radioligand. The highest uptake was observed in the striatum, one of the MAO-B-rich regions, with a peak at approximately 2-3 min after injection, followed by lower uptake in the thalamus and the cortex and lowest uptake in the cerebellum. Brain uptake of [¹⁸F]fluorodeprenyl was largely inhibited by preadministration of the MAO-B inhibitor, L-deprenyl, whereas clorgyline, a MAO Type A blocker, had no significant inhibitory effect, thus demonstrating selectivity for MAO-B. [¹⁸F]Fluorodeprenyl showed relatively slow metabolism with the presence of two radiometabolite peaks with similar retention time as the labeled metabolites of [¹¹C]deprenyl. These results suggest that [¹⁸F]fluorodeprenyl is a potential PET radioligand for visualization of MAO-B activity.

18F-fluorodeoxyglucose uptake of bone and soft tissue sarcomas in pediatric patients

A high (18)F-fluorodeoxyglucose (FDG) uptake by positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) imaging in sarcomas of adults has been reported. The current study aimed at defining the degree of (18)F-FDG uptake of pediatric sarcomas. This retrospective study included 29 patients (23 males, 6 females; mean age 14 ± 5 years) with soft tissue (n = 9) or bone (n = 20) sarcomas. Twenty-two patients (76%) underwent (18)F-FDG PET/CT and 7 (24%) had dedicated (18)F-FDG PET studies. Tumor (18)F-FDG uptake was quantified by standard uptake value (SUV)(max) and tumor-to-liver ratios (SUV ratios; tumor SUV(max)/liver SUV(mean)). Tumor SUV(max) and SUV ratios were correlated with tumor Ki-67 expression. SUV(max) ranged from 1.4 to 24 g/mL (median 2.5 g/mL) in soft tissue sarcomas and 1.6 to 20.4 g/mL (median 6.9 g/mL) in bone sarcomas (P = .03), and from 1.6 to 9.2 g/mL (median 3.9 g/mL) and 3.5 to 20.4 g/mL (median 12 g/mL) in Ewing sarcoma and osteosarcoma, respectively (P = .009). Tumor SUV ratios ranged from 0.8 to 8.7 (median 1.9) in soft tissue sarcomas and 1.4 to 8.9 (median 3.8) in bone sarcomas (P = .08). Ewing sarcoma had a significantly lower tumor SUV ratio than osteosarcoma (P = .01). Ki-67 expression correlated significantly with the (18)F-FDG uptake in bone but not in soft tissue sarcomas. All sarcomas were visualized by (18)F-FDG PET/CT imaging. A higher (18)F-FDG uptake was observed in osteosarcoma than in Ewing and soft tissue sarcomas. The results of this study suggest that the degree of tumor (18)F-FDG uptake is sufficient to allow for monitoring of therapeutic responses in pediatric sarcomas.

Comparison of C-11 methionine and C-11 choline for PET imaging of brain metastases: a prospective pilot study

The aim of the study was the comparison of C-11 methionine (MET) and C-11 choline (CHO) in the positron emission tomography (PET) imaging of brain metastases in correlation to the histopathology findings in stereotactic biopsy.