Triazapolycarboxylate-based Ga(III) and Mn(II) chelates for medical imaging (PET, gamma-scintigraphy and MRI)

Abstract

This thesis focuses on the development of new metal chelates with potential application in medical imaging: magnetic resonance imaging (MRI), positron emission tomography (PET) and single-photon emission computed tomography (SPECT). Gd3+ is the most used paramagnetic ion in contrast agents. However, efforts have been made to develop alternative contrast agents. Thus, the interest in Mn2+, which was one of the first paramagnetic ions proposed for contrast agents, has increased. In this context, the main objective of this thesis was the development of alternative contrast agents for MRI. Three new Mn2+ chelates were designed, synthesized and characterized, based on the chelators NODAHep (1,4,7-triazacyclononane-1,4-diacetic acid-7- heptane), NODABA (1,4,7-triazacyclononane-1,4-diacetic acid-7-bensoic acid) and NODAHA (1,4,7-triazacyclononane-1,4-diacetic acid-7-hexanoic acid). These N3O2- type chelators allow one water molecule to remain in the coordination sphere of the metal ion. NODAHep bears a lipophilic pendant arm designed to endow the chelate with the capacity to form micelles in solution and to interact non-covalently with human serum proteins, which may enhance the relaxivity due to a long rotational correlation time. NODABA and NODAHA, both bifunctional chelators (BFCs), offer the possibility of coupling a targeting molecule through a carboxylic acid group. 1H NMRD (nuclear magnetic relaxation dispersion) and 17O NMR (nuclear magnetic resonance) studies were performed with the new Mn2+ chelates. The measured relaxivities are comparable to those of Gd3+ contrast agents with one water molecule in the metal coordination sphere. The protonation constants of the chelators and the thermodynamic stability constants of the Mn2+ and Zn2+ chelates were determined by pH potentiometric titrations. The kinetic stability of the micellar chelate [Mn(NODAHep)] was evaluated in the presence of Zn2+ and as a function of the pH. Its critical micelle concentration was determined by fluorescence and 1H NMRD, with similar results. Potential gallium radiopharmaceuticals were also envisaged in this thesis. Several gallium radioisotopes, especially 67Ga and 68Ga, are suitable for labelling imaging probes. 68Ga is the most promising one as it is generator-produced, supporting its use as a viable alternative to fluorine-18, so far the most used PET radioisotope. In this work several new N3O3-type chelators for Ga3+ were prepared and characterized. NODAAH [1,4,7- triazacyclononane-1,4-diacetic acid-7-(6-amino)hexanoic acid] and NOTAH [1,4,7- triazacyclononane-1,4,7-tri-(6-amino)hexanoic acid], both BFCs with free amine groups, were prepared. The introduction of adipic acid, Z-Asp-OH and H-Asp-OH moieties allowed the synthesis and characterization of three BFCs derived from NODAAH. The first two BFCs have an extra carboxylic acid group while the former has both an amine and a carboxylic acid group. The chemical nature of the pendant arms may influence the pharmacokinetic properties and the uptake of the imaging probes. Multinuclear NMR studies (1H, 13C and 71Ga) gave information about the structure and dynamics of the Ga3+ chelates in solution. From the NODAAH derivatives five peptide conjugates having a cyclic RGD peptide were synthesized and characterized. In vitro studies with the 68Ga-labeled conjugates in a U87MG cell line showed higher cell uptake values for [68Ga(NODAAHadicpic acid-cRGDfK)] after 90 min of incubation (4.67 ± 0.448% uptake/added activity).

O objetivo principal desta tese foi o desenvolvimento de novos complexos metálicos com potencial aplicação em imagem médica: imagem de ressonância magnética (MRI), tomografia de emissão de positrões (PET) e tomografia computadorizada de emissão de fotão único (SPECT). O ião Gd3+ continua a ser o ião paramagnético mais usado na preparação de agentes de contraste para MRI. No entanto, existe o interesse em desenvolver agentes de contraste alternativos. O ião paramagnético Mn2+, um dos primeiros iões investigados para agentes de contraste, tem vindo assim a ser apontado cada vez mais como a alternativa ao ião Gd3+. Neste contexto, foram preparados e caracterizados três novos complexos de Mn2+, sendo o ião coordenado pelos ligandos NODAHep (1,4,7- triazaciclononano-1,4-diácido acético-7-heptano); NODABA (1,4,7-triazaciclononano- 1,4-diácido acético-7-ácido benzóico) e NODAHA (1,4,7-triazaciclononano-1,4-diácido acético-7-ácido hexanóico). Estes agentes quelantes do tipo N3O2 permitem que uma molécula de água permaneça na esfera de coordenação do ião metálico. O ligando NODAHep possui na sua estrutura uma cadeia lipofílica, o que faz com que o complexo possa formar micelas em solução e interaja não covalentemente com proteínas do soro humano, levando ao aumento do tempo de correlação rotacional e, consequentemente, da relaxividade. O NODABA e o NODAHA são ligandos bifuncionais (LBFs) com um grupo carboxilato disponível para a conjugação com agentes vetorizadores. Os complexos de Mn2+ foram estudados por DRMN (dispersão de relaxação magnética nuclear) e RMN (ressonância magnética nuclear) de 17O. As relaxividades medidas mostraram ser comparáveis às dos complexos de Gd3+ com uma molécula de água na esfera de coordenação. Foram também realizados estudos de potenciometria de pH para determinar as constantes de protonação dos ligandos assim como as constantes de estabilidade termodinâmica dos complexos de Mn2+ e de Zn2+. A estabilidade cinética do complexo micelar [Mn(NODAHep)] foi avaliada, quer na presença de Zn2+ quer a diferentes valores de pH, e a sua concentração micelar critica foi determinada por dois métodos distintos, fluorescência e DRMN, com resultados semelhantes. Neste trabalho foram também desenvolvidos potenciais agentes radiofarmacêuticos baseados em gálio. O ião Ga3+ possui vários radioisótopos adequados para marcação de agentes de imagem, com destaque para 67Ga e 68Ga. Atualmente, o 68Ga é o mais promissor, uma vez que a sua produção em gerador o torna numa alternativa viável ao radioisótopo mais usado em PET, o 18F. Neste trabalho, a pesquisa de complexos de Ga3+ como alternativa aos agentes de imagem marcados com 18F resultou na preparação e caracterização de vários agentes quelantes do tipo N3O3. O NODAAH [1,4,7-triazaciclononano-1,4-diácido acético-7-ácido (6-amino)hexanóico] e o NOTAH [1,4,7-triazaciclononano-1,4,7-tri-ácido (6-amino)hexanóico] são ligandos bifuncionais que possuem, respetivamente, um ou três grupos amina disponíveis para conjugação com agentes vetorizadores. A introdução de derivados do ácido adípico e do ácido aspártico permitiu a síntese e caracterização de três LBFs derivados do NODAAH. Dois originaram LBFs com um grupo carboxilato disponível para a conjugação com agentes vetorizadores enquanto que um originou um ligando bifuncional com um grupo amina e um grupo carboxilato disponíveis para conjugação. A variação das propriedades químicas dos braços pendentes pode influenciar as propriedades farmacocinéticas e a captação dos agentes de imagem. Estudos multinucleares de RMN (1H, 13C e de 71Ga) permitiram obter informação sobre a estrutura e dinâmica dos complexos de Ga3+ em solução. A partir dos derivados do NODAAH foram preparados e caracterizados cinco bioconjugados com um péptido cíclico com a sequência RGD (cRGDfK). Estudos in vitro dos conjugados marcados com 68Ga, na linha celular U87MG, mostraram uma maior captação celular para o [68Ga(NODAAH-adicpic acid-cRGDfK)] após 90 min de incubação (4,67 ± 0,448% captação/atividade adicionada).