JoVE Logo

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

Here, we describe a protocol for radiolabeling and in vivo testing of tridentate 99mTc(I) chelate-tetrazine derivatives for pre-targeting and bioorthogonal chemistry.

Abstract

Pre-targeting combined with bioorthogonal chemistry is emerging as an effective way to create new radiopharmaceuticals. Of the methods available, the inverse electron demand Diels-Alder (IEDDA) cycloaddition between a radiolabeled tetrazines and trans-cyclooctene (TCO) linked to a biomolecule has proven to be a highly effective bioorthogonal approach to imaging specific biological targets. Despite the fact that technetium-99m remains the most widely used isotope in diagnostic nuclear medicine, there is a scarcity of methods for preparing 99mTc-labeled tetrazines. Herein we report the preparation of a family of tridentate-chelate-tetrazine derivatives and their Tc(I) complexes. These hitherto unknown compounds were radiolabeled with 99mTc using a microwave-assisted method in 31% to 83% radiochemical yield. The products are stable in saline and PBS and react rapidly with TCO derivatives in vitro. Their in vivo pre-targeting abilities were demonstrated using a TCO-bisphosphonate (TCO-BP) derivative that localizes to regions of active bone metabolism or injury. In murine studies, the 99mTc-tetrazines showed high activity concentrations in knees and shoulder joints, which was not observed when experiments were performed in the absence of TCO-BP. The overall uptake in non-target organs and pharmacokinetics varied greatly depending on the nature of the linker and polarity of the chelate.

Introduction

يبقى 99m ح النظائر المشعة المهيمن المستخدمة في الطب النووي التشخيصي، مع أكثر من 50 مليون عملية التصوير التي أجريت في السنة في جميع أنحاء العالم 3. غالبية 99m كلاء ح المستخدمة سريريا هي نوع نضح المواد المشعة. هناك عدد محدود من المركبات المستهدفة بنشاط التي يتم فيها توجيه 99m ح ربط العلامات البيولوجية المحددة من خلال ربط لبناء الاستهداف. وغالبا ما تعوق إنشاء 99m المستهدفة المواد المشعة ح بتأثير 99m المجمعات TC-يجند على قدرة جزيء استهداف لربط العلامات البيولوجية من الفائدة، أو النظائر نصف الحياة ليست طويلة بما فيه الكفاية للاستخدام مع ارتفاع الجزيئات الحيوية الوزن الجزيئي مثل الأجسام المضادة. وهذه الأخيرة عادة ما يتطلب عدة أيام قبل أن يتم الحصول على الصور من أجل أن جزيء حيوي لمسح من غير المستهدفة TISS UES. يقدم قبل استهداف نهجا بديلا للتغلب على هذه التحديات.

قبل استهداف جنبا إلى جنب مع الكيمياء bioorthogonal وقد تبين أن يكون وسيلة فعالة لتطوير تحقيقات التصوير الجزيئي جديدة لكل مضان والإذاعة التصوير 8. ومعكوس الطلب الإلكترون ديلز-ألدر (IEDDA) التفاعل بين 1،2،4،5-tetrazine (TZ) ومشتقاتها -cyclooctene عبر (TCO)، كما هو موضح في الشكل رقم 1، وقد ثبت أن تكون فعالة بشكل خاص 6. رد فعل IEDDA مع هذه المكونات يمكن أن يحمل حركية سريعة في برنامج تلفزيوني (ك 2 ≈ 6000 م -1 ق -1) وانتقائية عالية، مما يجعلها مثالية للفي الجسم الحي قبل استهداف التطبيقات 10.

e_content "> النهج الأكثر شيوعا ينطوي على إدارة ناقلات TCO المستمدة من الاستهداف وبعد فترة تأخير كافية، يدار من tetrazine رديولبلد. tetrazines رديولبلد على أساس 111864 النحاس و 89 عنصر الزركون، و 111 في كان وذكرت 11، 12، 13، 14، 15. وفي المقابل، هناك واحد فقط تقرير ل99m ح المسمى TZ، الذي تم إعداده باستخدام نوع يجند HYNIC تتطلب استخدام المشترك بروابط لمنع بروتين ملزمة وتدهور في الجسم الحي 16. وكبديل لذلك، ونحن التقرير هنا توليف 99m ح (I) المسمى tetrazines باستخدام عائلة بروابط التي تشكل مجمعات ثلاثي الشعب مستقرة مع [99m ح (CO) 3] + الأساسية.

العمر = "1"> figure-introduction-2869
الشكل 1: IEDDA رد فعل bioorthogonal بين tetrazine و-cyclooctene العابرة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

عائلة بروابط أعد تحتوي يخلب ثلاثي الشعب التي تختلف في الاستقطاب وطبيعة المجموعة رابط بين منطقة ملزم المعادن وTZ (الشكل 2). وكان الهدف هو تحديد 99m ح-Tetrazine بناء يمكن أن توطين نحو فعال وتتفاعل مع مواقع المسمى TCO في الجسم الحي واضحة بسرعة عندما لا تكون ملزمة، من أجل انتاج عالية المستهدفة لغير المستهدفة النسب. لاختبار بروابط، تم استخدام TCO المشتقة من البايفوسفونيت (TCO-BP) 17. لقد أظهرنا في وقت سابق ان TCO-BP يموضع إلى مناطق استقلاب العظام نشط ويمكن أن تتفاعل معtetrazines رديولبلد في الجسم الحي 18. وهو كاشف مناسب لاختبار tetrazines الجديدة، لأنها يمكن أن تكون على استعداد في خطوة واحدة والتجارب لا يمكن أن يؤديها في الفئران العادية التي يحدث فيها توطين في المقام الأول في المفاصل (الركبتين والكتفين).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

تمت الموافقة على الدراسات الحيوانية البحوث مجلس الحيوان الأخلاق في جامعة ماكماستر وفقا للمجلس الكندي للرعاية الحيوان (CCAC) المبادئ التوجيهية.

1. Radiolabeling من الليجندات TZ-ثلاثي الشعب مع 99m ح

تنبيه: تتطلب الإجراءات التالية استخدام المركبات المشعة. وينبغي أن يتم العمل إلا في مختبر مرخص مع الالتزام بأنظمة السلامة والتخلص منها. يجب أن يتم تنفيذ ردود الفعل الميكروويف في الميكروويف مصممة خصيصا لتركيب الكيميائي.

  1. توليف [99m ح (CO) 3 (H 2 O) 3] + 19، 20
    1. في قارورة الميكروويف، والجمع بين 8 ملغ K 2 [BH 3 CO 2]، 15 ملغ نا 2 CO 20 ملغ نا 2 B 4 O 7 · 10H 2 O، و 25 ملغ KOCO [CH (OH)]2 COONa · 4H 2 O. تطهير القارورة لمدة 10 دقيقة مع غاز الأرجون.
    2. إضافة 4 مل من 99m TCO 4 - (~ 1100 من MBq، ~ 30 MCI) في المياه المالحة 0.9٪ إلى القارورة.
    3. حرارة التفاعل في الميكروويف لمدة 3.5 دقيقة في 110 درجة مئوية بعد 10 ثانية من التحريك لضمان خلط دقيق من الكواشف.
    4. ضبط درجة الحموضة من الحل إلى 3.5-4 باستخدام ~ 400 ميكرولتر من 1 M حمض الهيدروكلوريك. تحقق من استخدام ورقة الرقم الهيدروجيني.
  2. Radiolabeling من Tetrazine بروابط 1-5
    1. حل 2 ملغ من كل يجند (مركبات 1-5) في 250 ميكرولتر MeOH 21.
    2. إضافة 250 ميكرولتر من [99m ح (CO) 3 (H 2 O) 3] + (~ 74 من MBq، ~ 2 MCI) إلى كل حل.
    3. تسخين خليط التفاعل باستخدام الميكروويف لمدة 20 دقيقة عند 60 درجة مئوية.
      ملاحظة: هذه خطوة مماثلة لجميع tetrazines 5.
    4. بالنسبة لمركبات 2- 5، تتبخر المذيبات وإعادة dissolلقد المنتجات الناشئة في 1 مل 1: 1 ت / ت DCM: TFA.
    5. تسخين منتجات التفاعل المنحل (2-5) في 60 درجة مئوية في الميكروويف لمدة 6 دقائق (2-4) أو 10 دقيقة (5).
    6. بعد التبريد لدرجة حرارة الغرفة، تتبخر المذيب باستخدام المبخر (36 ° C، 8 مللي بار، 3 دقائق، 6000 دورة في الدقيقة) وحل مجمع المجففة في 1: 1 إيه سي: H 2 O أو 1: 1 MeOH: H 2 O، قبل تنقية HPLC.
    7. تنقية 99m ح المسمى المركبات (1-5)، بما في ذلك فصل المنتج المسمى من يجند tetrazine الخالي من الملصقات، وذلك باستخدام HPLC (C 18 عكس المرحلة). عادة، استخدام التدرج شطف من 30:70 إيه سي: H 2 O (على حد سواء مع 0.1٪ TFA) ل40:60 إيه سي: H 2 O أكثر من 20 دقيقة (18 دقيقة) وC 18 التحليلي عمود 4.6 × 100 مم. استخدام كل من الأشعة فوق البنفسجية (254 نانومتر) والكشف عن أشعة غاما.
      1. أخذ عينة صغيرة من كل منتج وصفت ومقارنة الوقت الاحتفاظ HPLC لأن من شارك في ينجECTED، غير المشعة، ومعيار إعادة المسمى (0.125 ملغ في 20٪ الميثانول-H 2 O). يتم التعرف على المعايير وصفت رد في تتبع الأشعة فوق البنفسجية HPLC، وسوف أزل في نفس الوقت على 99m مجمع المسمى ح-في تتبع γ-HPLC. ويظهر هذا التعاون حقن قمم في أوقات الاحتفاظ مماثلة، الأمر الذي يؤكد هوية 99m مجمع ح المسمى.
    8. تتبخر المذيب من الكسور HPLC باستخدام المبخر (36 ° C، 8 مللي بار، 3 دقائق، 6000 دورة في الدقيقة).
    9. صياغة مجمع تنقية بتركيز 7.4 كيلو بيكيريل / ميكرولتر في برنامج تلفزيوني، التي تحتوي على 0.5٪ BSA و 0.01٪ توين-80.
    10. لضمان مركبات المسمى مستقرة، إجراء دراسة في المختبر الاستقرار. احتضان مركب وضعت في 37 درجة مئوية لمدة 1 و 4 و 6 ساعات، حقن كمية صغيرة (3.7 من MBq) من الخليط على HPLC في كل نقطة من الوقت لتقييم الاستقرار.

2. الدراسات الحيوية التوزيع المستهدف قبل

    التحضير للحيوانات
    1. استخدام 7-9 الاسبوع القديمة، إناث الفئران BALB / ج (ن = 3)، إدارة TCO-BP وضعت في المياه المالحة (20 ملغ / كلغ) (5 ميكروغرام / ميكرولتر)، عن طريق حقن الوريد الذيل.
    2. ضع الماوس في جهاز ضبط النفس الجسدي، والتعرف على الأوردة الموجودة على السطوح الجانبية للذيل والقضاء مع مسحة الكحول. وفي حوالي 2 سم من نهاية الذيل، اضافة الى وجود إبرة عيار 30 في زاوية الضحلة، بالتوازي مع الوريد. خفض ببطء الغطاس لحقن، وإزالة الإبرة وتطبيق الاسفنج الشاش النظيف في موقع الحقن مع الضغط الخفيف حتى يتوقف النزيف.
    3. في 1 ساعة بعد الحقن من TCO-BP، إدارة ~ 0.74 من MBq (20 μCi) من 99m ح-tetrazine وضعت في 100 ميكرولتر من 0.5٪ BSA، 0.01٪ توين-80 في برنامج تلفزيوني، عن طريق حقن الوريد الذيل.
  1. الدراسات البيولوجية توزيع
    1. عند نقطة زمنية محددة (ر = 6 ساعات)، تخدير الفئران باستخدام 3٪ الأيزوفلورين و 2٪ خليط غاز الأكسجين. إظهار له قرصة الانسحاب على الماوس تخدير للتأكد من أنها تحت الطائرة من التخدير الجراحي.
    2. جمع الدم (1 مل) من خلال ثقب في القلب باستخدام حقنة قبل تعامل مع الهيبارين. مكان الماوس على ظهرها مع الأنف في مخروط الأنف لاستمرار التخدير وتحديد عملية الخنجري على الحيوان.
      1. اضافة الى وجود إبرة G 25، قليلا إلى اليسار من خط الوسط الحيوان في إطار عملية الخنجري، في زاوية 20 درجة. إدراج تماما الإبرة، وسحب ببطء مرة أخرى على المكبس لرؤية الدم في محور إبرة إذا كان ثقب القلب. قليلا تعدل الإبرة في حين الضغط على المكبس إذا لزم الأمر، لثقب القلب. ببطء سحب الدم إلى المحقنة.
    3. الموت ببطء الحيوانية خلع عنق الرحم، في حين تحت التخدير.
    4. وضع كل حيوان في كيس من البلاستيك واستخدام المعاير الجرعة (99m وضع ح) لقياس مستوى النشاط الجسم كله.
    5. جمع الأنسجة والسوائل التالية في مرحلة ما قبل تزنإد عد أنابيب: الدم والعظام (الركبة والكتف)، المرارة والكلى والكبد والمعدة (مع المحتويات)، الأمعاء الدقيقة (مع المحتويات)، الأمعاء الغليظة والمصران الأعور (مع المحتويات)، والغدة الدرقية والقصبة الهوائية، المثانة البولية مع البول ، والذيل.
    6. شطف الأنسجة المناسبة (باستثناء الدم والمرارة والمثانة البولية) في برنامج تلفزيوني لإزالة الدم وصمة عار الجافة قبل وضع الأنسجة في أنابيب العد المناسبة.
    7. وضع الذبيحة في كيس من البلاستيك وقياس المتبقي نشاط الجسم كله باستخدام تدريج الجرعة.
    8. وزن كل أنبوب يحتوي على عينة الأنسجة. طرح الوزن الأولي من أنبوب للحصول على كتلة من الأنسجة.
    9. استخدام جرعة تدريج (99m وضع ح) لقياس كمية من النشاط في عينة الاختبار (100 ميكرولتر) في وقت لحقن كل فأر.
      ملاحظة: هذه عينة اختبار تساوي حجم الحقن، مما يعطي العد النشاط في وقت الحقن.
    10. في وقت القياس الأنسجة، لliquot 5 ميكرولتر من عينة الاختبار المستخدمة سابقا. استخدام أشعة غاما مضادة متعددة للكشف عن (99m وضع ح) والاعتماد للحصول على العد في الدقيقة (CPM) لاختبار عينة 5 ميكرولتر.
    11. استخدام اثنين من القيم التي تم الحصول عليها في 2.2.9 و2.2.10 لحساب النشاط والعلاقة CPM باستخدام المعادلة 1 للحصول على عامل التحويل (CPM μCi -1).
      (1) figure-protocol-8602
    12. استخدام العداد جاما لقياس كمية الإشعاع في كل الأنسجة أو عينة السائل.
    13. استخدام المعادلة 1 لحساب كمية النشاط في كل الأنسجة أو السوائل في وقت قياس نسبة إلى مجموع حقن الجرعة. ثم يتم تطبيع هذه القيمة من حيث الوزن الجهاز وذكرت كنسبة مئوية حقن جرعة غرام الواحد (أي٪ ID / ز) من الأنسجة.
    14. اتبع الخطوات 2.1.2 إلى 2.2.13 لإجراء تجربة السيطرة السلبية باستخدام 99m ح المسمى بروابط tetrazine في أبسينم من TCO-BP. الفئران التضحية (ن = 3) في 0.5 و 1 و 4 و 6 ساعة بعد الحقن والحصول على الأنسجة أو السوائل كما هو موضح أعلاه.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

تم توليفها بروابط باستخدام الربط، والدوال chelators مختلفة عبر استراتيجية أمينة الاختزالية بسيطة (الشكل 2)، تليها اقتران المنتج إلى tetrazine المتاحة تجاريا 22، 23. تم تنفيذ Radiolabeling باستخدام نفس الأسلوب لجميع المركبات...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

تم إعداد مجموعة من يخلب ثلاثي الشعب المرتبطة tetrazine من أقطاب مختلفة، وجرى تقييم فائدة المجمعات 99m ح في رد فعل IEDDA مع مشتق TCO في الجسم الحي. تم وضع 99m ح سيلة فعالة وقابلة للتكرار وضع العلامات لمدة خمس tetrazine-يخلب، حيث كان تركيز يجند 10 -3 م وأعقب خطوة وصف?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

The authors declare they have no competing financial interests.

Acknowledgements

This work supported by research grant funding from the Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada, the Ontario Institute for Cancer Research (OICR, #P.SI.015.8), and the Canadian Cancer Society (CCS, #703857). The authors acknowledge the contributions of Dr. Denis Snider who provided assistance in preparing the manuscript.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Argon gasAlphagaz------
Na2CO3EMD Millipore106395---
Na2B4O7·10H2OAnachemiaS9640---
KNaC4H4O6·4H2OAnachemia217255---
Technelite 99mTc generatorLantheus medical imaging---Source of 99mTcO4-
0.9% SalineLantheus medical imaging---To elute generator
1 M HClLab Chem------
MeOHCaledon------
ACNCaledon---HPLC grade
Millipore H2OThermo Fisher ScientificBarnstead Nanopure---
DCMCaledon------
TFACaledon------
PBSThermo Fisher Scientific10010023pH 7.4 1x
BSASigma AldrichA7906---
Tween80Sigma AldrichP8047---
IsofluraneCDMV108737Supplier: Fresenius Kabi Animal Health
HPLCWaters1525 Binary Pump, 2998 Photodiodde Array Detector, E-SAT/IN, Bioscan Flowcount PMT detector (item # 15590)---
HPLC column for analysis and purification of compounds 2-4Phenomenex00G-4435-E0Gemini® 5 µm C18 110 Å, LC Column 250 x 4.6 mm
HPLC column for analysis and purification of compounds 1 and 5Waters 186003115XBridge BEH C18 Column, 130 Å, 5 µm, 4.6 mm x 100 mm
Microwave Reactor Biotage Initiator 8---
Biotage V10 EvaporatorBiotage Serial # V1041---
Dose calibratorCapintec, Inc. CRC-25R---
Gamma counterPerkin ElmerWizard 1470 Automatic Gamma Counter---
Animal room scale Mettler ToledoXP105 Delta Range---
Microwave vials Biotage 3556290.5-2 mL 

References

  1. Jurisson, S. S., Lydon, J. D. Potential Technetium Small Molecule Radiopharmaceuticals. Chem. Rev. 99 (9), 2205-2218 (1999).
  2. Kluba, C. A., Mindt, T. L. Click-to-chelate: Development of Technetium and Rhenium-Tricarbonyl Labeled Radiopharmaceuticals. Molecules. 18, 3206-3226 (2013).
  3. Amato, I. Nuclear Medicines Conundrum. Chem. Eng. News. 87 (36), 58-70 (2009).
  4. Hnatowich, D. J., Virzi, F., Rusckowski, M. Investigations of Avidin and Biotin for Imaging Applications. J. Nucl. Med. 28 (8), 1294-1302 (1987).
  5. Blackman, M. L., Royzen, M., Fox, J. M. Tetrazine Ligation: Fast Bioconjugation Based on Inverse-Electron-Demand Diels-Alder Reactivity. J. Am. Chem. Soc. 130 (41), 13518-13519 (2008).
  6. Devaraj, N. K., Weissleder, R., Hilderbrand, S. A. Tetrazine-Based Cycloadditions: Application to Pretargeted Live Cell Imaging. Bioconjugate Chem. 19 (12), 2297-2299 (2008).
  7. Rossin, R., et al. In Vivo Chemistry for Pretargeted Tumor Imaging in Live Mice. Angew. Chem., Int. Ed. 49 (19), 3375-3378 (2010).
  8. Zeglis, B. M., et al. Optimization of a Pretargeted Strategy for the PET Imaging of Colorectal Carcinoma via the Modulation of Radioligand Pharmacokinetics. Mol. Pharmaceutics. 12 (10), 3575-3587 (2015).
  9. Rossin, R., et al. Highly Reactive trans-Cyclooctene Tags with Improved Stability for Diels-Alder Chemistry in Living Systems. Bioconjugate Chem. 24 (7), 1210-1217 (2013).
  10. Rossin, R., Robillard, M. S. Pretargeted Imaging Using Bioorthogonal Chemistry in Mice. Curr. Opin. Chem. Biol. 21, 161-169 (2014).
  11. Denk, C., et al. Development of a 18F-Labeled Tetrazine with Favorable Pharmacokinetics for Bioorthogonal PET Imaging. Angew. Chem., Int. Ed. 53 (36), 9655-9659 (2014).
  12. Herth, M. M., Andersen, V. L., Lehel, S., Madsen, J., Knudsen, G. M., Kristensen, J. L. Development of a 11C-labeled Tetrazine for Rapid Tetrazine-Trans-Cyclooctene Ligation. Chem. Commun. 49 (36), 3805-3807 (2013).
  13. Li, Z., et al. Tetrazine-Trans-Cyclooctene Ligation for the Rapid Construction of 18F Labeled Probes. Chem. Commun. 46 (42), 8043(2010).
  14. Nichols, B., Qin, Z., Yang, J., Vera, D. R., Devaraj, N. K. 68Ga Chelating Bioorthogonal Tetrazine Polymers for the Multistep Labeling of Cancer Biomarkers. Chem. Commun. 50 (40), 5215-5217 (2014).
  15. Zeglis, B. M., et al. A Pretargeted PET Imaging Strategy Based on Bioorthogonal Diels-Alder Click Chemistry. J. Nucl. Med. 54 (8), 1389-1396 (2013).
  16. García, M. F., et al. 99mTc-Bioorthogonal Click Chemistry Reagent for In Vivo Pretargeted Imaging. Bioorg. Med. Chem. 24 (6), 1209-1215 (2016).
  17. Russell, R. G. G. Bisphosphonates: The First 40 Years. Bone. 49 (1), 2-19 (2011).
  18. Yazdani, A., et al. A Bone-Seeking Trans-Cyclooctene for Pretargeting and Bioorthogonal Chemistry: A Proof of Concept Study Using 99mTc and 177Lu-Labeled Tetrazines. J. Med. Chem. , (2016).
  19. Alberto, R., et al. A Novel Organometallic Aqua Complex of Technetium for the Labeling of Biomolecules: Synthesis of [99mTc(OH2)3(CO)3]+ from [99mTcO4]- in Aqueous Solution and its Reaction with a Bifunctional Ligand. J. Am. Chem. Soc. 120 (31), 7987-7988 (1998).
  20. Alberto, R., Ortner, K., Wheatley, N., Schibli, R., Schubiger, A. P. Synthesis and properties of boranocarbonate: A convenient in situ CO source for the aqueous preparation of [99mTc(OH2)3(CO)3. J. Am. Chem. Soc. 123 (13), 3135-3136 (2001).
  21. Lu, G., et al. Synthesis and SAR of 99mTc/Re-labeled Small Molecule Prostate Specific Membrane Antigen Inhibitors with Novel Polar Chelates. Bioorg. Med. Chem. Lett. 23 (5), 1557-1563 (2013).
  22. Maresca, K. P., et al. Small Molecule Inhibitors of PSMA Incorporating Technetium-99m for Imaging Prostate Cancer: Effects of Chelate Design on Pharmacokinetics. Inorg. Chim. Acta. 389, 168-175 (2012).
  23. Bartholomä, M. D., et al. Insight into the Mode of Action of Re(CO)3 Thymidine Complexes. ChemMedChem. 5 (9), 1513-1529 (2010).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

120 99m tetrazine cyclooctene bioorthogonal

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Research

Education

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved