Der Einsatz elektrochemischer Methoden für die Untersuchung superschwerer Elemente

Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Experimentaufbaus für die elektrochemische Abscheidung von Transactiniden mit anschließender Detektion. Zu diesem Zweck wurden Experimente mit den Homologen dieser Elemente durchgeführt. Die Elektrodeposition von Tracermengen an Fremdelektroden führt zu einer Elektrodenbedeckung von weniger als einer Monolage. Die erforderlichen Abscheidepotentiale sind häufig positiver, als nach der Nernst’schen Gleichung zu erwarten ist. Dieses Phänomen nennt man Unterpotentialabscheidung. In zahlreichen Versuchen mit Radiotracern wurde die Abscheideausbeute als Funktion des Elektrodenpotentials bestimmt, wobei abzuscheidendes Ion, Elektrodenmaterial und Elektrolyt variiert wurden. Es wurden kritische Potentiale, bei denen eine nennenswerte Abscheidung gerade begann, ermittelt sowie Potentiale für die Abscheidung von 50 % der in der Lösung befindlichen Atome. Diese Werte wurden mit theoretisch vorhergesagten Potentialen und Werten aus der Literatur verglichen. Die Abscheidung von Pb als Homologem von Element 114 funktionierte sehr gut an Elektroden aus Palladium oder palladinierten Nickelelektroden unter Verwendung von 0,1 M HCl als Elektrolyt. Zur Charakterisierung der Unterpotentialabscheidung wurde neben der Radiotracer-Methode auch die Cyclovoltammetrie eingesetzt. Hier findet die Abscheidung der ersten Monolage auf der Elektrode ebenfalls häufig bei positiveren Potentialen statt, als die der Hauptmenge. Die mit beiden Methoden ermittelten Werte wurden einander gegenübergestellt. Die Elektrodeposition von kurzlebigen Isotopen muss sehr schnell erfolgen. Es konnte gezeigt werden, dass eine hohe Temperatur und damit verbunden eine niedrige Viskosität des Elektrolyten die Abscheidung beschleunigt. Ebenfalls wichtig ist ein gutes Rühren der Lösung, um eine kleine Nernst’sche Diffusionsschichtdicke zu erzielen. Das Verhältnis von Elektrodenfläche zu Elektrolytvolumen muss möglichst groß sein. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde eine für schnelle Elektrolysen optimierte Elektrolysezelle entwickelt. Unter Einsatz dieser Zelle wurden die Abscheidegeschwindigkeiten für verschiedene Ionen- und Elektrodenkombinationen gemessen. Es wurden Experimente zur Kopplung von Gasjet und Elektrolysezelle durchgeführt, dabei wurde sowohl mit am Reaktor erzeugten Spaltprodukten, mit Pb-Isotopen aus einer emanierenden Quelle und mit am Beschleuniger erzeugten Isotopen gearbeitet. Mit den dort gewonnenen Erkenntnissen wurde ein Experimentaufbau für die kontinuierliche Abscheidung und Detektion von kurzlebigen Isotopen realisiert. Am Beschleuniger wurden u. a. kurzlebige Hg- und Pb-Isotope erzeugt und mit einem Gasjet aus der Targetkammer zum ALOHA-System transportiert. Dort wurden sie in einem quasi-kontinuierlichen Prozess in die wässrige Phase überführt und zu einer Elektrolyszelle transportiert. In dieser erfolgte die Elektrodeposition auf eine bandförmige Elektrode aus Nickel oder palladiniertem Nickel. Nach der Abscheidung wurde das Band zu einer Detektorphalanx gezogen, wo der -Zerfall der neutronenarmen Isotope registriert wurde. Es wurden charakteristische Größen wie die Abscheidegeschwindigkeit und die Gesamtausbeute der Elektrolyse ermittelt. Das System wurde im Dauerbetrieb getestet. Es konnte gezeigt werden, dass der gewählte Aufbau prinzipiell für die Abscheidung von kurzlebigen, am Beschleuniger erzeugten Isotopen geeignet ist. Damit ist eine wichtige Voraussetzung für den zukünftigen Einsatz der Methode zum Studium der chemischen Eigenschaften der superschweren Elemente geschaffen.

Synthesis and evaluation of 18-F-radiopharmaceuticals within the serotonergic receptor system for molecular imaging

Molecular imaging technologies as Positron Emission Tomography (PET) are playing a key role in drug discovery, development and delivery due to the possibility to quantify e.g. the binding potential in vivo, non-invasively and repetitively. In this context, it provides a significant advance in the understanding of many CNS disorders and conditions. The serotonergic receptor system is involved in a number of important physiological processes and diseases such as depression, schizophrenia, Alzheimer’s disease, sleep or sexual behaviour. Especially, the 5-HT2A and the 5-HT1A receptor subtypes are in the focus of fundamental and clinical research due to the fact that many psychotic drugs interact with these neuronal transmembrane receptors. This work describes the successful development, as well as in vitro and in vivo evaluation of 5-HT2A and 5-HT1A selective antagonistic PET-radiotracers. The major achievements obtained in this thesis are: 1. the development and in vitro evaluation of several 5-HT2A antagonistic compounds, namely MH.MZ (Ki = 9.0 nM), (R)-MH.MZ (Ki = 0.72 nM) and MA-1 (Ki = 3.0 nM). 2. the 18F-labeling procedure of these compounds and their optimization, whereby radiochemical yields > 35 % in high specific activities (> 15 GBq/µmol) could be observed. Synthesis time inclusive secondary synthon synthesis, the radioactive labeling procedure, separation and final formulation took no longer than 120 min and provided the tracer in high radiochemical purity. 3. the in vivo µPET evaluation of [18F]MH.MZ and (R)-[18F]MH.MZ resulting in promising imaging agents of the 5-HT2A receptor status; from which (R)-[18F]MH.MZ seems to be the most promising ligand. 4. the determination of the influence of P-gp on the brain biodistribution of [18F]MH.MZ showing a strong P-gp dependency but no regional alteration. 5. the four-step radiosynthesis and evaluation of [18F]MDL 100907 resulting in another high affine tracer, which is, however, limited due to its low radiochemical yield. 6. the development and evaluation of 3 novel possible 5-HT2A imaging agents combining structural elements of altanserin, MDL 100907 and SR 46349B demonstrating different binding modes of these compounds. 7. the development, the labeling and in vitro evaluation of the novel 5-HT1A antagonistic tracer [18F]AH1.MZ (Ki = 4.2 nM).

Synthese, Evaluierung und 18 F-Markierung von neuen Liganden zur Visualisierung der Strychnin-insensitiven Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors

Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn. Folglich spielen Glutamat-kontrollierte Rezeptorsysteme eine entscheidende Rolle in neurologischen Vorgängen, wie beispielsweise in Lern- und Gedächtnisprozessen. Gerade der NMDA-Rezeptor ist in eine Vielzahl solcher Vorgänge involviert und wird vor allem mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Chorea Huntington, Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson und zerebraler Ischämie in Verbindung gebracht. Folglich stellt die Visualisierung des NMDA-Rezeptorstatus eine Möglichkeit dar, den Verlauf solcher Prozesse zu untersuchen.rnDie Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine leistungsstarke Anwendung in der molekularen Bildgebung und erlaubt die in vivo-Visualisierung sowie Quantifizierung biochemischer Prozesse. Durch die Verwendung geeigneter Tracer können bestimmte pathologische und neurologische Abläufe beurteilt werden. rnZurzeit sind keine geeigneten PET-Tracer zur Untersuchung des NMDA-Rezeptors verfügbar. Bisher dargestellte PET-Liganden zeichneten sich durch nicht zufriedenstellende Affinitäten und Selektivitäten aus und führten meist auf Grund der hohen Lipophilie zu einem hohen Maß an unspezifischer Bindung. rnDie Strychnin-insensitive Glycinbindungsstelle des NMDA-Rezeptors stellt ein vielversprechendes Target dar, spezifische Liganden für diese Bindungsstelle zu synthetisieren. Hier zeichnen sich einige Verbindungsklassen durch exzellente Affinitäten und Selektivitäten sowie durch vielversprechende in vivo-Eigenschaften aus. rnAuf Grundlage dieser biologischen Daten wurden zwei Substanzen der 2-Indolcarbonsäure, nämlich die 4,6-Dichlor-3-(2-oxo-3-phenylimidazolidin-1-ylmethyl)-1H-indol-2-carbonsäure (MDJ-114) und die (E)-4,6-Dichlor-3-(2-phenylcarbamoylvinyl)-1H-indol-2-carbonsäure (GV150526), als Leitstruktur gewählt. Ferner wurde das 7-Chlor-4-hydroxy-3-(3-phenoxyphenyl)-1H-chinolin-2-on (L-701,324) aus der Substanzklasse der 4-Hydroxy-1H-chinolin-2-one als dritte Leitstruktur gewählt.rnFür diese Substanzen wurden 19F-markierte Analogverbindungen synthetisiert, um als inaktive Referenzverbindungen auf ihre Eignung überprüft zu werden. Hierzu wurde eine Fluorethoxygruppierung im terminalen Phenylring der entsprechenden Leitstruktur eingeführt. Durch Variation der Fluorethoxysubstitution in ortho-, meta- und para-Stellung, konnten die besten Affinitäten in einem kompetitiven Rezeptorbindungsassay durch Verdrängung von [3H]MDL-105,519 bestimmt werden. Als Maß für die Lipophilie wurden die entsprechenden log D-Werte über die HPLC-Methode bestimmt. Basierend auf den Ergebnissen der Evaluierung wurden zwei Derivate identifiziert, welche zur 18F-Markierung genutzt werden sollten (GV150526-Derivat 34: log D = 0,23 ± 0,03, IC50 = 0,20 ± 0,25 µM, Ki = 0,13 ± 0,16 µM; L701,324-Derivat 55: log D = - 0,25 ± 0,01, IC50 = 78 ± 37 µM, Ki = 51 ± 24 µM). Die 18F-Markierung erfolgte durch die Reaktion des entsprechenden Markierungsvorläufers mit dem Markierungssynthon 2-[18F]Fluorethyltosylat, welches durch die Umsetzung von Ethylenditosylat mit [18F]Fluorid hergestellt wurde. Die Radiosynthesen der beiden 18F-markierten Verbindungen [18F]34 (4,6-Dichlor-3-{2-[4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenylcarbamoyl]-vinyl}-1H-indol-2-carbonsäure) und [18F]55 (7-Chlor-3-{3-[4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenoxy]-phenyl}-4-hydroxy-1H-chinolin-2-on) wurden optimiert sowie semipräparative Abtrennverfahren entwickelt. Beide Tracer wurden auf ihre in vivo-Eignung im µPET-Experiment untersucht. Die Zeitaktivitätskurven lassen erkennen, dass beide Tracer entgegen der Erwartung nicht die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Für das GV150526-Derivat ([18F]34) wurden zusätzlich Autoradiographiestudien durchgeführt. Die erhaltenen Aufnahmen zeigten ein heterogenes Verteilungsmuster der Aktivitätsanreicherung. Ebenso wurde ein hohes Maß an unspezifischer Bindung beobachtet. Möglicherweise sind Cross-Affinitäten zu anderen Rezeptorsystemen oder der recht hohe lipophile Rest des Moleküls hierfür verantwortlich. Ein Grund für die unzureichende Hirngängigkeit der Radioliganden kann sich in der Carboxylatfunktion des GV150526-Derivats bzw. in der 4-Hydroxy-1H-chinolin-2-on-Einheit des L-701,324-Derivats wiederspiegeln. rnAuf Grundlage dieser Resultate können Versuche unternommen werden, für die Verbindungsklasse der 2-Indolcarbonsäuren entsprechende Ester als Prodrugs mit einer verbesserten Bioverfügbarkeit darzustellen. Ebenso können neue Strukturen als Grundlage für neue PET-Tracer untersucht werden.rnrn

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

Tetraamine-derived bifunctional chelators for technetium-99m labelling: synthesis, bioconjugation and evaluation as targeted SPECT imaging probes for GRP-receptor-positive tumours

Owing to its optimal nuclear properties, ready availability, low cost and favourable dosimetry, (99m)Tc continues to be the ideal radioisotope for medical-imaging applications. Bifunctional chelators based on a tetraamine framework exhibit facile complexation with Tc(V)O(2) to form monocationic species with high in vivo stability and significant hydrophilicity, which leads to favourable pharmacokinetics. The synthesis of a series of 1,4,8,11-tetraazaundecane derivatives (01-06) containing different functional groups at the 6-position for the conjugation of biomolecules and subsequent labelling with (99m)Tc is described herein. The chelator 01 was used as a starting material for the facile synthesis of chelators functionalised with OH (02), N(3) (04) and O-succinyl ester (05) groups. A straightforward and easy synthesis of carboxyl-functionalised tetraamine-based chelator 06 was achieved by using inexpensive and commercially available starting materials. Conjugation of 06 to a potent bombesin-antagonist peptide and subsequent labelling with (99m)Tc afforded the radiotracer (99m)Tc-N4-BB-ANT, with radiolabelling yields of >97% at a specific activity of 37 GBq micromol(-1). An IC(50) value of (3.7+/-1.3) nM was obtained, which confirmed the high affinity of the conjugate to the gastrin-releasing-peptide receptor (GRPr). Immunofluorescence and calcium mobilisation assays confirmed the strong antagonist properties of the conjugate. In vivo pharmacokinetic studies of (99m)Tc-N4-BB-ANT showed high and specific uptake in PC3 xenografts and in other GRPr-positive organs. The tumour uptake was (22.5+/-2.6)% injected activity per gram (% IA g(-1)) at 1 h post injection (p.i.). and increased to (29.9+/-4.0)% IA g(-1) at 4 h p.i. The SPECT/computed tomography (CT) images showed high tumour uptake, clear background and negligible radioactivity in the abdomen. The promising preclinical results of (99m)Tc-N4-BB-ANT warrant its potential candidature for clinical translation.

Distribution pattern of 68Ga-DOTATATE in disease-free patients

68Ga-DOTA-DPhe1,Tyr3-octreotate (68Ga-DOTATATE) is a somatostatin analogue that shows high affinity for somatostatin receptor subtype 2 (sst2) and has been used for imaging neuroendocrine tumours. However, normal uptake patterns and potential pitfalls have not been described with this high-sensitivity radiotracer. The aim of this study was therefore to outline the normal distribution pattern of 68Ga-DOTATATE in disease-free patients, to provide standardized uptake values (SUVs) of various organs and to compare our results with the current knowledge on sst2 receptor expression in vitro.

One-Step (18)F-Labeling of Carbohydrate-Conjugated Octreotate-Derivatives Containing a Silicon-Fluoride-Acceptor (SiFA): In Vitro and in Vivo Evaluation as Tumor Imaging Agents for Positron Emission Tomography (PET)

The synthesis, radiolabeling, and initial evaluation of new silicon-fluoride acceptor (SiFA) derivatized octreotate derivatives is reported. So far, the main drawback of the SiFA technology for the synthesis of PET-radiotracers is the high lipophilicity of the resulting radiopharmaceutical. Consequently, we synthesized new SiFA-octreotate analogues derivatized with Fmoc-NH-PEG-COOH, Fmoc-Asn(Ac?AcNH-?-Glc)-OH, and SiFA-aldehyde (SIFA-A). The substances could be labeled in high yields (38 ± 4%) and specific activities between 29 and 56 GBq/?mol in short synthesis times of less than 30 min (e.o.b.). The in vitro evaluation of the synthesized conjugates displayed a sst2 receptor affinity (IC?? = 3.3 ± 0.3 nM) comparable to that of somatostatin-28. As a measure of lipophilicity of the conjugates, the log P(ow) was determined and found to be 0.96 for SiFA-Asn(AcNH-?-Glc)-PEG-Tyr³-octreotate and 1.23 for SiFA-Asn(AcNH-?-Glc)-Tyr³-octreotate, which is considerably lower than for SiFA-Tyr³-octreotate (log P(ow) = 1.59). The initial in vivo evaluation of [¹?F]SiFA-Asn(AcNH-?-Glc)-PEG-Tyr³-octreotate revealed a significant uptake of radiotracer in the tumor tissue of AR42J tumor-bearing nude mice of 7.7% ID/g tissue weight. These results show that the high lipophilicity of the SiFA moiety can be compensated by applying hydrophilic moieties. Using this approach, a tumor-affine SiFA-containing peptide could successfully be used for receptor imaging for the first time in this proof of concept study.

Evolution of bombesin conjugates for targeted PET imaging of tumors

Bombesin receptors are under intense investigation as molecular targets since they are overexpressed in several prevalent solid tumors. We rationally designed and synthesized a series of modified bombesin (BN) peptide analogs to study the influence of charge and spacers at the N-terminus, as well as amino acid substitutions, on both receptor binding affinity and pharmacokinetics. This enabled development of a novel (64/67)Cu-labeled BN peptide for PET imaging and targeted radiotherapy of BN receptor-positive tumors. Our results show that N-terminally positively charged peptide ligands had significantly higher affinity to human gastrin releasing peptide receptor (GRPr) than negatively charged or uncharged ligands (IC(50): 3.2±0.5 vs 26.3±3.5 vs 41.5±2.5 nM). The replacement of Nle(14) by Met, and deletion of D-Tyr(6), further resulted in 8-fold higher affinity. Contrary to significant changes to human GRPr binding, modifications at the N-terminal and at the 6(th), 11(th), and 14(th) position of BN induced only slight influences on affinity to mouse GRPr. [Cu(II)]-CPTA-[βAla(11)] BN(7-14) ([Cu(II)]-BZH7) showed the highest internalization rate into PC-3 cells with relatively slow efflux because of its subnanomolar affinity to GRPr. Interestingly, [(64/67)Cu]-BZH7 also displayed similar affinities to the other 2 human BN receptor subtypes. In vivo studies showed that [(64/67)Cu]-BZH7 had a high accumulation in PC-3 xenografts and allowed for clear-cut visualization of the tumor in PET imaging. In addition, a CPTA-glycine derivative, forming a hippurane-type spacer, enhanced kidney clearance of the radiotracer. These data indicate that the species variation of BN receptor plays an important role in screening radiolabeled BN. As well, the positive charge from the metallated complex at the N-terminal significantly increases affinity to human GRPr. Application of these observations enabled the novel ligand [(64/67)Cu]-BZH7 to clearly visualize PC-3 tumors in vivo. This study provides a strong starting point for optimizing radiopeptides for targeting carcinomas that express any of the BN receptor subtypes.

[111In-DOTA]Somatostatin-14 analogs as potential pansomatostatin-like radiotracers - first results of a preclinical study

In this study, we report on the synthesis, radiolabeling, and biological evaluation of two new somatostatin-14 (SS14) analogs, modified with the universal chelator DOTA. We were interested to investigate if and to what extent such radiotracer prototypes may be useful for targeting sst1-5-expressing tumors in man but, most importantly, to outline potential drawbacks and benefits associated with their use.

Labeling the human skeleton with 41Ca to assess changes in bone calcium metabolism

Bone research is limited by the methods available for detecting changes in bone metabolism. While dual X-ray absorptiometry is rather insensitive, biochemical markers are subject to significant intra-individual variation. In the study presented here, we evaluated the isotopic labeling of bone using 41Ca, a long-lived radiotracer, as an alternative approach. After successful labeling of the skeleton, changes in the systematics of urinary 41Ca excretion are expected to directly reflect changes in bone Ca metabolism. A minute amount of 41Ca (100 nCi) was administered orally to 22 postmenopausal women. Kinetics of tracer excretion were assessed by monitoring changes in urinary 41Ca/40Ca isotope ratios up to 700 days post-dosing using accelerator mass spectrometry and resonance ionization mass spectrometry. Isotopic labeling of the skeleton was evaluated by two different approaches: (i) urinary 41Ca data were fitted to an established function consisting of an exponential term and a power law term for each individual; (ii) 41Ca data were analyzed by population pharmacokinetic (NONMEM) analysis to identify a compartmental model that describes urinary 41Ca tracer kinetics. A linear three-compartment model with a central compartment and two sequential peripheral compartments was found to best fit the 41Ca data. Fits based on the use of the combined exponential/power law function describing urinary tracer excretion showed substantially higher deviations between predicted and measured values than fits based on the compartmental modeling approach. By establishing the urinary 41Ca excretion pattern using data points up to day 500 and extrapolating these curves up to day 700, it was found that the calculated 41Ca/40Ca isotope ratios in urine were significantly lower than the observed 41Ca/40Ca isotope ratios for both techniques. Compartmental analysis can overcome this limitation. By identifying relative changes in transfer rates between compartments in response to an intervention, inaccuracies in the underlying model cancel out. Changes in tracer distribution between compartments were modeled based on identified kinetic parameters. While changes in bone formation and resorption can, in principle, be assessed by monitoring urinary 41Ca excretion over the first few weeks post-dosing, assessment of an intervention effect is more reliable approximately 150 days post-dosing when excreted tracer originates mainly from bone.

Functional properties of multiple isoforms of human divalent metal-ion transporter 1 (DMT1)

DMT1 (divalent metal-ion transporter 1) is a widely expressed metal-ion transporter that is vital for intestinal iron absorption and iron utilization by most cell types throughout the body, including erythroid precursors. Mutations in DMT1 cause severe microcytic anaemia in animal models. Four DMT1 isoforms that differ in their N- and C-termini arise from mRNA transcripts that vary both at their 5'-ends (starting in exon 1A or exon 1B) and at their 3'-ends giving rise to mRNAs containing (+) or lacking (-) the 3'-IRE (iron-responsive element) and resulting in altered C-terminal coding sequences. To determine whether these variations result in functional differences between isoforms, we explored the functional properties of each isoform using the voltage clamp and radiotracer assays in cRNA-injected Xenopus oocytes. 1A/IRE+-DMT1 mediated Fe2+-evoked currents that were saturable (K(0.5)(Fe) approximately 1-2 microM), temperature-dependent (Q10 approximately 2), H+-dependent (K(0.5)(H) approximately 1 muM) and voltage-dependent. 1A/IRE+-DMT1 exhibited the provisional substrate profile (ranked on currents) Cd2+, Co2+, Fe2+, Mn2+>Ni2+, V3+>>Pb2+. Zn2+ also evoked large currents; however, the zinc-evoked current was accounted for by H+ and Cl- conductances and was not associated with significant Zn2+ transport. 1B/IRE+-DMT1 exhibited the same substrate profile, Fe2+ affinity and dependence on the H+ electrochemical gradient. Each isoform mediated 55Fe2+ uptake and Fe2+-evoked currents at low extracellular pH. Whereas iron transport activity varied markedly between the four isoforms, the activity for each correlated with the density of anti-DMT1 immunostaining in the plasma membrane, and the turnover rate of the Fe2+ transport cycle did not differ between isoforms. Therefore all four isoforms of human DMT1 function as metal-ion transporters of equivalent efficiency. Our results reveal that the N- and C-terminal sequence variations among the DMT1 isoforms do not alter DMT1 functional properties. We therefore propose that these variations serve as tissue-specific signals or cues to direct DMT1 to the appropriate subcellular compartments (e.g. in erythroid cells) or the plasma membrane (e.g. in intestine).

Evaluation of 41calcium as a new approach to assess changes in bone metabolism: effect of a bisphosphonate intervention in postmenopausal women with low bone mass

A new technique was evaluated to identify changes in bone metabolism directly at high sensitivity through isotopic labeling of bone Ca. Six women with low BMD were labeled with 41Ca up to 700 days and treated for 6 mo with risedronate. Effect of treatment on bone could be identified using 41Ca after 4-8 wk in each individual. INTRODUCTION: Isotopic labeling of bone using 41Ca, a long-living radiotracer, has been proposed as an alternative approach for measuring changes in bone metabolism to overcome current limitations of available techniques. After isotopic labeling of bone, changes in urinary 41Ca excretion reflect changes in bone Ca balance. The aim of this study was to validate this new technique against established measures. Changes in bone Ca balance were induced by giving a bisphosphonate. MATERIALS AND METHODS: Six postmenopausal women with diagnosed osteopenia/osteoporosis received a single oral dose of 100 nCi 41Ca for skeleton labeling. Urinary 41Ca/40Ca isotope ratios were monitored by accelerator mass spectrometry up to 700 days after the labeling process. Subjects received 35 mg risedronate per week for 6 mo. Effect of treatment was monitored using the 41Ca signal in urine and parallel measurements of BMD by DXA and biochemical markers of bone metabolism in urine and blood. RESULTS: Positive response to treatment was confirmed by BMD measurements, which increased for spine by +3.0% (p = 0.01) but not for hip. Bone formation markers decreased by -36% for bone alkaline phosphatase (BALP; p = 0.002) and -59% for procollagen type I propeptides (PINP; p = 0.001). Urinary deoxypyridinoline (DPD) and pyridinoline (PYD) were reduced by -21% (p = 0.019) and -23% (p = 0.009), respectively, whereas serum and urinary carboxy-terminal teleopeptides (CTXs) were reduced by -60% (p = 0.001) and -57.0% (p = 0.001), respectively. Changes in urinary 41Ca excretion paralleled findings for conventional techniques. The urinary 41Ca/40Ca isotope ratio was shifted by -47 +/- 10% by the intervention. Population pharmacokinetic analysis (NONMEM) of the 41Ca data using a linear three-compartment model showed that bisphosphonate treatment reduced Ca transfer rates between the slowly exchanging compartment (bone) and the intermediate fast exchanging compartment by 56% (95% CI: 45-58%). CONCLUSIONS: Isotopic labeling of bone using 41Ca can facilitate human trials in bone research by shortening of intervention periods, lowering subject numbers, and having easier conduct of cross-over studies compared with conventional techniques.

Transport model of the human Na+-coupled L-ascorbic acid (vitamin C) transporter SVCT1

Vitamin C (L-ascorbic acid) is an essential micronutrient that serves as an antioxidant and as a cofactor in many enzymatic reactions. Intestinal absorption and renal reabsorption of the vitamin is mediated by the epithelial apical L-ascorbic acid cotransporter SVCT1 (SLC23A1). We explored the molecular mechanisms of SVCT1-mediated L-ascorbic acid transport using radiotracer and voltage-clamp techniques in RNA-injected Xenopus oocytes. L-ascorbic acid transport was saturable (K(0.5) approximately 70 microM), temperature dependent (Q(10) approximately 5), and energized by the Na(+) electrochemical potential gradient. We obtained a Na(+)-L-ascorbic acid coupling ratio of 2:1 from simultaneous measurement of currents and fluxes. L-ascorbic acid and Na(+) saturation kinetics as a function of cosubstrate concentrations revealed a simultaneous transport mechanism in which binding is ordered Na(+), L-ascorbic acid, Na(+). In the absence of L-ascorbic acid, SVCT1 mediated pre-steady-state currents that decayed with time constants 3-15 ms. Transients were described by single Boltzmann distributions. At 100 mM Na(+), maximal charge translocation (Q(max)) was approximately 25 nC, around a midpoint (V(0.5)) at -9 mV, and with apparent valence approximately -1. Q(max) was conserved upon progressive removal of Na(+), whereas V(0.5) shifted to more hyperpolarized potentials. Model simulation predicted that the pre-steady-state current predominantly results from an ion-well effect on binding of the first Na(+) partway within the membrane electric field. We present a transport model for SVCT1 that will provide a framework for investigating the impact of specific mutations and polymorphisms in SLC23A1 and help us better understand the contribution of SVCT1 to vitamin C metabolism in health and disease.

Comparison of 68Ga-DOTANOC and 68Ga-DOTATATE PET/CT within patients with gastroenteropancreatic neuroendocrine tumors

Somatostatin receptor PET tracers such as [68Ga-DOTA,1-Nal3]-octreotide (68Ga-DOTANOC) and [68Ga-DOTA,Tyr3]-octreotate (68Ga-DOTATATE) have shown promising results in patients with neuroendocrine tumors, with a higher lesion detection rate than is achieved with 18F-fluorodihydroxyphenyl-l-alanine PET, somatostatin receptor SPECT, CT, or MR imaging. 68Ga-DOTANOC has high affinity for somatostatin receptor subtypes 2, 3, and 5 (sst2,3,5). It has a wider receptor binding profile than 68Ga-DOTATATE, which is sst2-selective. The wider receptor binding profile might be advantageous for imaging because neuroendocrine tumors express different subtypes of somatostatin receptors. The goal of this study was to prospectively compare 68Ga-DOTANOC and 68Ga-DOTATATE PET/CT in the same patients with gastroenteropancreatic neuroendocrine tumors (GEP-NETs) and to evaluate the clinical impact of 68Ga-DOTANOC PET/CT. Methods: Eighteen patients with biopsy-proven GEP-NETs were evaluated with 68Ga-DOTANOC and 68Ga-DOTATATE using a randomized crossover design. Labeling of DOTANOC and DOTATATE with 68Ga was standardized using a fully automated synthesis device. PET/CT findings were compared with 3-phase CT scans and in some patients with MR imaging, 18F-FDG PET/CT, and histology. Uptake in organs and tumor lesions was quantified and compared by calculation of maximum standardized uptake values (SUVmax) using volume computer-assisted reading. Results: Histology revealed low-grade GEP-NETs (G1) in 4 patients, intermediate grade (G2) in 7, and high grade (G3) in 7. 68Ga-DOTANOC and 68Ga-DOTATATE were false-negative in only 1 of 18 patients. In total, 248 lesions were confirmed by cross-sectional and PET imaging. The lesion-based sensitivity of 68Ga-DOTANOC PET was 93.5%, compared with 85.5% for 68Ga-DOTATATE PET (P = 0.005). The better performance of 68Ga-DOTANOC PET is attributed mainly to the significantly higher detection rate of liver metastases rather than tumor differentiation grade. Multivariate analysis revealed significantly higher SUVmax in G1 tumors than in G3 tumors (P = 0.009). This finding was less pronounced with 68Ga-DOTANOC (P > 0.001). Altogether, 68Ga-DOTANOC changed treatment in 3 of 18 patients (17%). Conclusion: The sst2,3,5-specific radiotracer 68Ga-DOTANOC detected significantly more lesions than the sst2-specific radiotracer 68Ga-DOTATATE in our patients with GEP-NETs. The clinical relevance of this finding has to be proven in larger studies.