Neue, radioaktiv markierte und Magnet-Resonanz-aktive Somatostatinanaloga zur besseren Diagnose und zielgerichteten radionuklidtherapie von neuroendokrinen Tumoren

In dieser Arbeit wurde das Somatostatin-Analogon Tyr3-Thr8-Octreotide (TATE) synthetisiert, modifiziert und mit biologischen Experimenten auf seine pharmakologischen Eigenschaften untersucht. Die Synthese des Peptids erfolgte an der Festphase mittels einer Standard-Fmoc-Strategie in relativ guten Ausbeuten und Reinheiten.
Die verschiedenen Modifikationen können in drei verschiedene Gruppen unterteilt werden: a.) Verwendung von verschiedenen Chelatoren, b.) Verwendung von Linker-Molekülen als Spacer zwischen Peptid und Chelator und c.) Kopplung von mehreren Chelatoren.
a.) Für klinische (diagnostische) Zwecke wird das registrierte Radiopharmakon DTPA-Octreotide (Octreoscan®) verwendet. Dieses SRIF-Analogon zeigt eine hohe Sensitivität in der Darstellung von neuroendokrinen Primärtumoren, metastasierenden endokrinen Pankreastumoren und Karzinoiden (1,2). Der Chelator DTPA eignet sich hervorragend zur Komplexierung von 111In, ist aber nicht geeignet zur Komplexierung von therapeutischen Radioisotopen wie 90Y und 177Lu. Als möglicher geeigneter Chelator wird darum das makrozyklische DOTA verwendet.
Alternativ zum diagnostischen Radioisotop 111In wird in der Nuklearmedizin häufig 99mTc verwendet. Dessen radiochemischen und physikalischen Eigenschaften sowie seine Verfügbarkeit und der Preis sind erheblich besser für das Generator-produzierte 99mTc. Als einzähniger Chelator zur Komplexierung von 99mTc wird HYNIC verwendet und an die Somatostatinanaloga gekoppelt. Eine Reihe von HYNIC-Derivaten, nämlich HYNIC-OC, HYNIC-TOC und HYNIC-TATE wurden miteinander und gegen alternative DOTA-Analoga in ihren pharmakologischen Eigenschaften verglichen. [99mTc/EDDA/Tricine/HYNIC]-TATE zeigte dabei die gleichen biologischen Eigenschaften wie das entsprechende DOTA-Derivat, aber mit den Vorzügen des Radioisotopes 99mTc. Inzwischen wurden auch schon erste Patientenstudien in verschiedenen Zentren durchgeführt (T. Schumacher, Freiburg, und L. Kabasakal, Türkei) zeigt einen Vergleich zweier 99mTc-markierter Analoga ([99mTc/EDDA/Tricine/HYNIC]-TOC und [99mTc/EDDA/Tricine/HYNIC]-TATE), der eindrücklich belegt, dass bei gleichem Tumoruptake die Aufnahme in die Leber signifikant reduziert werden konnte. Unter der Annahme, dass neuroendokrine Tumoren hauptsächlich in die Leber metastasieren, bietet das Radiopeptid [99mTc/EDDA/Tricine/HYNIC]-TATE zudem eine interessante diagnostische Option. Interessanterweise zeigten Forrer et al. (3) in ihren vergleichenden Studie mit [111In/90Y-DOTA]-TOC vs. [111In/90Y-DOTA]-TATE, dass die Pharmakokinetik der beiden Substanzen vergleichbar ist, [111In-DOTA]-TATE aber keine Vorteile in der Darstellung von neuroendokrinen Tumoren zeigt.
b.) In einem zweiten Teilprojekt ging es um die Verbesserung der biologischen Eigenschaften, namentlich der Verbesserung des Tumor-zu-Nieren-Verhältnisses. Wester et al. (4,5) zeigten mit ihren modifizierten Derivaten in vivo, dass Zuckermodifikationen die Substanzen hydrophiler machten und somit den Leberuptake reduzieren. In meiner Arbeit wurden verschiedene Aminosäuren (Asp, Thr) und Zuckeraminosäuren-Derivate als Linker zwischen Peptid und Chelator eingefügt. Anschliessende biologische und pharmakologische Versuche ergaben verbesserte Internalisierungsraten für die Derivate DOTA-Asp-TATE, DOTA-Thr-TATE und DOTA-Lys(Glucuronsäure)-TATE, für letzteres sogar eine der besten Bindungsaffinitäten zum sst2. Allerdings ergaben sich in der Bioverteilung keine signifikanten Verbesserungen des Tumor-zu-Nieren-Verhältnisses.
c.) Im dritten Projektteil ging es um die Erhöhung der spezifischen Aktivität. Durch die Kopplung mehrerer Chelatoren an dasselbe Peptid kann bei gleicher Menge Radioaktivität die Peptidmenge reduziert werden. Dies ist ein wichtiger Aspekt bei pharmakologisch aktiven Peptiden wie VIP, Bombesin und Substanz P. Weiter ist in der therapeutischen Applikation mit [90Y/111In-DOTA]-TOC (6,7) eine Grenze erreicht worden, wo der Überschuss an nicht-markierter Substanz möglicherweise eine partielle Sättigung der Tumorrezeptoren hervorruft und damit die Anreicherung negativ beeinflusst.
Als Linker für die Kopplung der Chelatoren an das Peptid wurden L-Lysin und das achirale Aminopropylglycin (Apg) verwendet. Weiter wurde ein Spacer (Sar5) eingeführt, um den Chelator vom Peptidteil zu separieren. Dieser Spacer zeigte sich in Kombination mit dem Apg Linker als sehr wirksam, da trotz grösserer Modifikationen die biologischen und pharmakologischen Funktionen nicht beeinträchtigt wurden.
In einem weiteren Schritt wurde die Anzahl Chelatoren erhöht; dabei wurden verschiedene Strukturen untersucht. Grundsätzlich zeigte sich, dass die baumartigen (dendritischen) Poly-DOTA-Derivate eine höhere Affinität zum Rezeptor und eine höhere Internalisierungsgeschwindigkeit als die kammartig linearen Derivate aufweisen. Im Vergleich zur Referenzsubstanz [In-DOTA]-TATE zeigte [In-DOTA]4-Apg3-Sar5-TATE eine vergleichbare Affinität zu sst2 und keinen signifikanten Unterschied bei der Internalisierungsgeschwindigkeit.
Diese Poly-DOTA-Derivate, im besonderen [In-DOTA]4-Apg3-Sar5-TATE, finden möglicherweise einen neuen „Anwendungsbereich“: den target-spezifischen MRI-Kontrastmitteln. Anstelle von Radiometallen wurde das paramagnetische GdIII verwendet; biologische und pharmakologische Untersuchungen ergaben keine signifikanten Unterschiede zu bisherigen Resultaten mit InIII und YIII. Damit hat man nun ein potentielles MRI-Kontrastmittel, das die Möglichkeit besitzt, mit hoher Affinität an Somatostatinrezeptoren zu binden und auch zu internalisieren. Erste Vorversuche in Lösung mit einem klinischen MRI-Scanner zeigten eine Signalverstärkung um den Faktor 10 im Vergleich zu herkömmlichen Kontrastmitteln wie [Gd-DOTA(H2O)]- (DOTAREM®). Allerdings haben Schätzungen ergeben, dass man mindestens eine Konzentration von 25 μM am Target erreichen muss, um ein gutes MRI-Signal zu erhalten (8). Davon ist die beste Substanz im Moment [Gd-DOTA]4-Apg3-Sar5-TATE aber noch mindestens um den Faktor 2 entfernt. Ausblick:
Das Somatostatinanalogon Tyr3-Thr8-Octreotide (TATE) eignet sich hervorragend als Modellpeptid. Ausgehend von dem bekannten Derivat DOTA-TATE wurden verschiedene Modifikationen synthetisiert. Die Einführung von Linker-Molekülen und Zuckeraminosäuren brachten noch nicht den erwünschten Effekt einer Verbesserung des Tumor-zu-Nieren-Verhältnisses. Diese Modifikationen müssen deshalb weiter studiert werden und der Einfluss von verschiedenen Linkern untersucht und verglichen werden. Das Hauptaugenmerk sollte dabei auf die Bioverteilung gelegt werden, da Bindungsaffinitäten und Internalisierungsraten nur ungenügend die Potenz solcher Substanzen aufzeigen können. Auch sollte der Uptake-Mechanismus der Somatostatinanaloga in die Nieren genauer untersucht werden. Man geht davon aus, dass die beiden Rezeptoren Megalin und Cubilin in den tubulären Zellen der Niere dabei eine entscheidende Rolle spielen (9). Eine solche Kenntnis würde helfen, den Tumoruptake zu reduzieren, und dadurch die Effizienz der Therapie deutlich erhöhen.
Bei der Entwicklung von Poly-DOTA-Derivaten wäre der nächste Schritt die Synthese an bioaktiven Peptiden wie z.B. Bombesin, Substanz P oder VIP. Bei diesen Peptiden ist eine „Signal- und Dosis-Erhöhung“ noch bedeutend wichtiger als bei Somatostatinanalogen. Weiter wäre zu prüfen, wie viele Chelatoren an ein Peptid gekoppelt werden können, ohne die biologische und pharmakologische Aktivität zu vermindern. Mier et al. (10) haben mit linearen Polylysinen 3, 6 und 9 DOTA-Chelatoren koppeln können. Über deren Bindungsaffinitäten und Internalisierungswerte ist allerdings noch nichts Genaueres bekannt. Vergleiche mit dem kammartig aufgebauten Derivat [In-DOTA]4-LinLys3-Sar5-TATE zeigen allerdings signifikant niedrigere Werte in der Affinität zum Rezeptor (sst2) und in der Internalisierungsgeschwindigkeit.
Ein weiteres interessantes Gebiet sind die target-spezifischen MRI-Kontrastmittel; nachdem die Relaxivitäten am klinischen MRI-Scanner vielversprechend aussehen, müssen nun in geeigneten in vitro- und in vivo-Experimenten die weiteren Möglichkeiten dieser Kontrastmittel evaluiert werden. Eine Kopplung der Substanz [Gd-DOTA]4-Apg3-Sar5-TATE an die Rezeptoren würde eine weiter verlangsamte Rotation und damit eine Erhöhung des Signals zur Folge haben, gleichzeitig müsste allerdings die Zahl der Chelatoren weiter erhöht werden, damit man eine bessere Relaxivität erreicht wird und man an ein „Tumor Targeting“ in vivo denken kann. Aime et al. (11,12) stellten schon einige Derivate mit multiplen Chelatoren vor. Diese Substanzen internalisieren auch in die entsprechenden Zellen, aber das MRI-Signal ist nicht der Konzentration in der Zelle entsprechend angestiegen, was mit einem langsameren Wasseraustausch in der Zelle zu tun hatte.