Synthesis of 18F-labelled compounds as targets for application in per radiochemistry

Positron emission tomography (PET) is a highly sensitive molecular imaging technique which allows for the visualization and investigation of biochemical/pathological processes by detection of radioactive compounds, commonly administered to the subject (typically 10-10 g in humans) by intravenous injection. The radioactive compound (tracer) for PET research is labelled with a radioactive isotope, which emits a positively charged anti-matter particle, namely the positron (β+). The positron encounters an electron in the surrounding matter in the body and annihilates, thus producing two high energy (511 KeV) gamma ray photons (γ) that travel at 180° with respect to each other. These gamma rays are recorded with a special camera and elaborated, then a computer calculates the spatial distribution of the tracer within the patient’s body. A 2D or 3D image of the investigated region is the final result of the PET imaging experiment. Many millions of annihilation events are required for the construction of a PET image. PET images allows the quantitative measurement, although at relatively low resolution, of the real concentration of the tracer in the tissue. PET radiopharmaceuticals are commonly labelled with short-lived positron emitters, such as 11C (t½ = 20.4 min), 13N (t½ = 9.97 min), 15O (t½ = 2.04 min), 18F (t½ = 110 min), however some tracers labelled with longer-lived radionuclides, such as 68Ga (t1/2 = 68.1 min), 124I (t1/2 = 60 192 min), and 64Cu (t1/2 = 762 min) are available. 18F-Fluorine is the most used PET radionuclide because of its relatively long half-life (110 min) which allows the delivery of 18F-labelled PET radiopharmaceuticals to other PET centres, which are not equipped with a cyclotron. It is well known that several solid tumors are often associated to a deficiency in oxygen supply, resulting in the condition of hypoxia. This represents a very limiting factor during the treatment of cancer patients, as it decreases the efficacy of radiotherapy and chemotherapy. Thus, highly “tumor specific” radiotracers are essential for PET detection of those tissues characterized by a low O2 partial pressure. Radiolabelled 2-nitroimidazole compounds [Figure II] are a specific class of PET-tracers used for the detection of hypoxia. 2-Nitroimidazole derivatives are selectively trapped inside the hypoxic cells through a biochemical mechanism, which is related to the oxygen concentration. Under hypoxic conditions, the 2-nitroimidazole compound undergoes a reduction process, leading to a highly reactive intermediary, which covalently binds to intracellular macromolecules and accumulates within the hypoxic cell. Furthermore, the presence of a positron emitter radionuclide in the 2-nitroimidazole derivative structure allows the detection via PET imaging of the radiations produced during the annihilation event and, finally the construction of the image of tissue affected by hypoxia. 18F-Fluoroazomycinarabinofuranoside ([18F]FAZA) has demonstrated to be a suitable PET hypoxia marker, given its faster elimination from the body and low accumulation. Given the increasing importance and diffusion of [18F]FAZA as a PET hypoxia marker along with its high cost and low availability in PET centres, we aimed at achieving an efficient synthesis of the [18F]FAZA precursor and its subsequent labelling procedure, in order to have satisfactory radiochemical yields (RCYs) of the [18F]FAZA, to be finally used for pre-clinical and clinical PET hypoxia imaging experiments. This project involved the synthesis of the precursor of [18F]FAZA bearing a suitable leaving group on its structure, and the subsequent radiosynthesis of [18F]FAZA, to be then tested on hypoxic animal models, and later on human patients with cancer. The key step of this project was the radiolabelling procedure, which was performed under nucleophilic substitution conditions (SN2) by using non-carrier added (NCA) 18F-fluoride, produced by the nuclear reaction 18O(p,n)18F from 18O-enriched water ([18O]H2O), and the phase transfer reagent Kryptofix 222 (K222), which was crucial to improve the reactivity of 18F-fluoride ion, in a polar aprotic solvent. We achieved satisfactory radiochemical yields (RCYs) of [18F]FAZA and successfully accomplished a PET-hypoxia imaging experiment on hypoxic animal models. We have also developed a synthetic approach for the production of a new potential hypoxia PET-tracer and investigated several fluorinating conditions (nucleophilic substitution, SN2) to introduce 18F-fluorine atom into the precursor molecule. We have furthermore investigated the role of several alkylated N-methyl ortho-carbamoyl benzyl sulfoxides as chiral auxiliaries for the synthesis of α-chloro-, α-hydroxy- and α-acetamido derivatives, obtained by “non-oxidative Pummerer” reactions. The treatment of the aforementioned sulfoxides with different Pummerer promoters such as oxalyl chloride (COCl)2, trifluoroacetic anhydride (TFAA) and trifluoromethansulfonic anhydride (Tf2O), in the presence of sym-collidine (TMP) as the base, at different temperatures in DCM or MeCN, led us to suggest different reaction mechanisms by which the products took place. We assumed that this mechanisms could be exploited to synthesise new specific 18F-fluorinated products by using several 18F-fluoride sources.

La tomografia ad emissione di positroni (PET) è una tecnica diagnostica che consente di visualizzare ed investigare i normali processi biochimici che avvengono nell'organismo umano ed anche i meccanismi alla base di diverse patologie. La PET si basa fondamentalmente sulla rilevazione di raggi gamma emessi da un tracciante radioattivo, ovvero un farmaco marcato con un isotopo radioattivo. Il fluoro-18 rappresenta assieme al carbonio-11 l'isotopo radioattivo maggiormente impiegato nella procedure di sintesi del tracciante radioattivo. Il radionuclide va incontro a decadimento radioattivo, con conseguente emissione di un positrone. Quando il positrone incontra un elettrone si ha una collsione che produce due raggi gamma di 511 KeV che viaggiano a 180° l'uno rispetto all'altro. Durante un esperimento di PET imaging, il farmaco marcato viene somministrato ( di solito per via endoenosa)al paziente. Il radiofarmaco andrà quindi a localizzarsi nei tessuti bersaglio, dipendentemente dal suo meccanismo d'azione e dalle sue proprietà farmacocinetiche. Quindi il tessuto potrà essere visualizzato grazie all' iniziale rilevazione dei raggi gamma emessi tramite un PET-scanner, e successivamente verrà eleborata un'immagine 3D del tessuto, che consentirà di visualizzare l' area interessata dallo studio. I 2-nitroimidazoli rappresentano una specifica categoria di radiotraccianti per PET, i quali consentono di evidenziare i tessuti umani affetti da ipossia, una condizione in cui vi è uno scompenso di ossigeno. I 2-nitroimidazoli si accumulano selettivamente nei tessuti ipossici in base ad un meccanismo biochimico di riduzione del gruppo nitro, che porta alla formazione di intermedi reattivi che si legano covalentemente alla molecole intracellulari. L'ipossia è una condizione particolarmente registrata nei tumori, e può ridurre l'efficacia della terapia antitumorale in base a specifici meccanismi biochimici. I composti 2-nitroimidazolici marcati con isotopi radioattivi permettono di evidenziare e studiare zone tumorali ipossiche e quindi studiare una terapia antitumorale. Tra i composti 2-nitroimidazolici il 18F-FAZA è quello maggiormente impiegato, date le sue vantaggiose proprietà farmacocinetiche. Considerata la scarsa disponibilità di 18F-FAZA nei laboratori PET e gli alti costi di produzione, abbiamo iniziato un progetto rivolto alla sintesi riproducibile del 18F-FAZA e al suo utilizzo nella diagnosi della ipossia tramite PET in modelli animali e successivamente in pazienti affetti da tumore ipossico. Abbiamo raggiunto con successo la sintesi del suddetto radiotracciante e condotto un esperimento di imaging su modelli animali ipossici. In linea con questo progetto abbiamo anche sintetizzato con buone rese il precursore sintetico di un altro potenziale radiotracciante 2-nitroimidazolico per rilevare l’ipossia tramite la PET. Allo scopo di marcare il precursore con il radionuclide fluoro-18, diverse condizioni di fluorurazione sono state provate, ma senza successo. Attualmente nuove condizioni sono studiate. Parallelamente abbiamo studiato l’utilizzo di ortho N-metil carbamoil aril solfossidi come equivalenti sintetici di α-idrossi carbanioni, α-cloro carbanioni e α-acetamido carbanioni, per sintetizzare tramite condizioni di reazione di Pummerer non ossidative dei derivati sintetici ossidrilati, clorurati e acetamidati. Lo studio approfondito delle varie condizioni di reazione ha permesso di suggerire diversi meccanismi attraverso i quali i prodotti vengono formati. In particolare, la formazione dei prodotti può avvenire per sostituzione nucleofila bimolecolare (SN2) o per formazione di un intermedio carbocationico, che può essere poi attaccato da una specie nucleofila presente nell’ambiente di reazione. In base al promotore della reazione non ossidativa di Pummerer che veniva usato, e quindi in base alla specie nucleofila che veniva formata dopo l’attacco dell’ossigeno sulfinilico, si formavano prodotti di ossidrilazione, clorurazione e acetamidazione. Presumibilmente, le acetamidi si potevano formare mediante formazione di un intermedio carbocationico, che veniva poi attaccato dall’ acetonitrile, usato anche come solvente di reazione. Questo meccanismo potrebbe essere sfruttato per sintetizzare composti fluorurati che possano avere applicazione nel campo della PET.