Investigation of [18F]fluorodeoxyribose (FDR) as prosthetic group in PET imaging

In the last years, there has been a significant interest in the scientific community regarding the labelling of biological molecules (peptides, antibodies, etc.) by fluorine-18 to monitor the biodistribution in vivo using Positron Emission Tomography (PET). PET is a non-invasive and high sensitivity technique to look into disease such as tumours, Alzheimer and atherosclerosis. The isotope fluorine-18 is widely used for its relatively long half-life (t½ = 110 min) in comparison to other active nuclei such as 11C (20.4 min), 13N (10 min) and 15O (2.1 min), which allows to perform multi-step reactions. However, the half-life imposes time restrictions establishing limitations to the synthetic pathway to perform. In order to obtain reasonable radiochemical yields (RCY; the amount of radionuclide incorporated into the radiotracer in the desired form) indeed a complete radiosynthesis (including purification and formulation) should not take more than one to three half-lives of the employed radioisotope. Direct radiofluorination reactions, namely direct carbon-fluorine bond formations of peptides, proteins and other bio-macromolecules are not easily achievable because of the strong conditions required. Indirect radiofluorination represents a more effective method, which provides the radiolabelling of a prosthetic group that can be subsequently incorporated into bio-molecules by "click" reactions (Huisgen cycloaddition, formation of oximes, chemical thiol-maleimides, etc.). Recently the group of Professor Zanda (Institute of Medical Sciences, University of Aberdeen) has developed, with interesting results, a radiolabelled sugar derivative, the [18F]-5-fluoro-5-deoxyribose (FDR), a useful prosthetic group to mark bioactive molecules via oxime-bond formation. The purpose of this project is to develop a general synthetic strategy and optimise reaction and purification conditions to expand the use of such prosthetic group through formation of a different type of bond to label biologically active molecules other than peptides. Focusing on hypoxia as biological target of our work, we planned to synthetize a new potential radiotracer, involving the formation of a thiazolidine bond to radiolabel biological active molecules with prosthetic group [18F]FDR. Hypoxia is a state of very low oxygen levels characteristic of some areas of solid tumours. 2-Nitroimidazole moiety is the biomarker function which gives the bioactive molecule a high hypoxia selectivity.

Negli ultimi anni la comunità scientifica ha rivolto un notevole interesse per quanto riguarda il labelling delle molecole biologiche (peptidi, anticorpi, ecc) utilizzando il fluoro-18, per monitorare la biodistribuzione in vivo attraverso la Tomografia ad Emissione di Positroni (dall’inglese Positron Emission Tomography, PET). PET è una tecnica non invasiva ad alta sensibilità impiegata per osservare diversi tipi di malattie, come ad esempio tumori, Alzheimer e aterosclerosi. L'isotopo fluoro-18 è ampiamente utilizzato per la sua emivita relativamente lunga (t½ = 110 min) in confronto ad altri nuclei attivi come 11C (20,4 min), 13N (10 min) e 15O (2.1 min). Questa caratteristica permette di effettuare reazioni multi-step. Idealmente un radiosintesi completa (includendo purificazione e formulazione) non dovrebbe richiedere più di 1-3 emivite del radioisotopo in questione, al fine di ottenere rendimenti radiochimici ragionevoli (dall’inglese Radiochemical Yields, RCY), ovvero la quantità di radionuclide incorporato nel radiofarmaco nella forma desiderata. Questa limitazione temporale imposta dall’emivita dell’isotopo stabilisce delle restrizioni alla chimica che può essere eseguita. La radiofluorinazione diretta di peptidi, proteine e altre bio-macromolecole, attraverso la formazione diretta del legame carbonio-fluoro, è generalmente molto difficile. La radiofluorurazione indiretta è un metodo alternativo più facilmente realizzabile, che consiste nel radiolabelling di gruppi prostetici che possono essere incorporati successivamente in bio-molecole attraverso click reactions (cicloaddizioni di Huisgen, formazione di ossime, reazioni tiolo-maleimmidi, etc.). Recentemente il gruppo del professor Zanda (presso l'Istituto di Scienze Mediche, University of Aberdeen) ha messo a punto, con ottimi risultati, uno derivato di uno zucchero marcato con fluoro-18, il [18F]-5-fluoro-5-desossiribosio (FDR), un efficace gruppo prostetico per il labelling di molecole bioattive attraverso la formazione di legami ossima. Lo scopo di questo progetto è quello di sviluppare una procedura sintetica generale e di ottimizzare le condizioni di reazione e purificazione per espandere l'uso di tale gruppo prostetico tramite la formazione di un diverso tipo di legame, per marcare molecole biologicamente attive diverse dai peptidi. Concentrandosi sull’ ipossia come bersaglio biologico del nostro lavoro, abbiamo programmato di sintetizzare un nuovo potenziale radiotracer che coinvolga la formazione di un legame tiazolidinico per radiomarcare una molecola bioattiva tramite il gruppo prostetico [18F]FDR. L'ipossia è uno stato di livelli molto bassi di ossigeno che caratterizzano alcune aree di tumori solidi. Il 2-nitroimidazolo è il gruppo funzionale che conferisce alla molecola bioattiva un'elevata selettività verso le regioni caratterizzate da uno stato di ipossia.