DOTA-based Ga(III) and Gd(III) chelates for medical imaging (PET, SPECT and MRI)

Abstract

The work developed aimed at the design, synthesis and characterization of new Gd(III) and Ga(III) chelates with potential application as imaging probes. The initial part of the work is focused on the synthesis of new DOTA-based bifunctional ligands. The chelator DOTA-AHA (1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1-[(6-amino)hexanoic]- 4,7,10-triacetic acid) was successfully synthesized and characterized. This ligand was the starting point for the development of three sets of molecular constructs, which include dimeric ligands, PEGylated chelators and c(RGDWK) peptide bioconjugates. The Gd(III) chelates of DOTA-AHA, dimeric ligands and DOTA-AHA PEGylated ligands were obtained. All Gd(III) chelates were studied by variable temperature 1H NMRD (nuclear magnetic relaxation dispersion) and 17O NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy in order to measure the relaxivity and the parameters that govern it. Gd(DOTA-AHA) and the binuclear chelates form weakly bound aggregates and even if the aggregates contain only 10 to 15% of the total amount of Gd(III) ions a marked increase in relaxivity between 30 and 100 MHz is observed. PEGylation did not show to be a very efficient process for relaxivity improvement. Despite the moderate water exchange rates of the PEGylated Gd(III) chelates and the high global rotational correlation times, these chelates present lower relaxivity values than the binuclear chelates. The distance between the two Gd(III) centers in the binuclear compounds has been determined by double electron-electron resonance (DEER) experiments and by molecular modelling studies giving comparable distances. 1H NMR spectra of paramagnetic lanthanide chelates of DOTA-A(PEG750)HA were recorded at different temperatures. The data obtained gave information on the structure and dynamics of the chelates in solution. In vitro studies with 67Ga-radiolabeled DOTA-AHA and DOTA-A(PEG750)HA showed that both chelates are extremely hydrophilic. The lack of biospecificity of 67Ga(DOTA-AHA) and [67Ga(DOTA-A(PEG750)HA)]- is revealed by their biodistribution profiles, which show that both radiolabeled chelates have significant uptake in major tissues.

O trabalho desenvolvido teve como objectivo o desenho, síntese e caracterização de novos quelatos de Gd(III) e Ga(III) com potencial aplicação como agentes de imagem. A parte inicial do trabalho focou-se na síntese de novos ligandos funcionais do tipo DOTA. O ligando DOTA-AHA (ácido 1,4,7,10-tetraazaciclododecano-1-[(6- amino)hexanóico]-4,7,10-triacético) foi sintetizado e caracterizado com sucesso. Este ligando foi o ponto de partida para o desenvolvimento de ligandos diméricos, ligandos PEGuilados e bioconjugados com o péptido c(RGDWK). Preparam-se os quelatos de Gd(III) do ligando DOTA-AHA, dos ligandos diméricos e dos ligandos PEGuilados. Todos os quelatos de Gd(III) foram estudados por DRMN (dispersão de relaxação magnética nuclear) e RMN (ressonância magnética nuclear) de 17O, de modo a obter os valores de relaxividade e os parâmetros que a afectam. O quelato Gd(DOTA-AHA) e os quelatos binucleares formam agregados fracamente ligados e apesar de os agregados só conterem 10 a 15% da quantidade total de iões Gd(III) verifica-se um aumento acentuado na relaxividade para frequências entre 30 e 100 MHz. A PEGuilação mostrou ser um processo pouco eficiente para melhorar a relaxividade. Apesar das constantes de troca de água dos respectivos complexos de Gd(III) se mostrarem consideráveis e dos seus elevados tempos de correlação rotacional globais, estes quelatos apresentam valores de relaxividade inferiores à dos quelatos binucleares. A distância entre os dois centros de Gd(III) nos compostos binucleares foi determinada por ressonância dupla electrão-electrão (RDEE) e por estudos de modelação molecular, tendo sido obtidos resultados comparáveis. Estudos de 1H RMN dos quelatos de DOTA-A(PEG750)HA com lantanídeos paramagnéticos foram efectuados a diferentes temperaturas. Os dados recolhidos forneceram informação sobre a estrutura e dinâmica destes quelatos em solução. Estudos in vitro com os ligandos DOTA-AHA e DOTA-A(PEG750)HA marcados com 67Ga mostraram que ambos os quelatos são extremamente hidrofílicos. A falta de bioespecificidade de 67Ga(DOTA-AHA) e [67Ga(DOTA-A(PEG750)HA)]- é evidenciada através dos perfis de biodistribuição destes radiocomplexos.