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Dr. M. Asti I RADIOFARMACI PET Servizio di Medicina Nucleare Azienda Ospedaliera di Reggio Emilia Arcispedale Santa Maria Nuova

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Dr. M. Asti

I RADIOFARMACIPET

Servizio di Medicina Nucleare Azienda Ospedaliera di Reggio EmiliaArcispedale Santa Maria Nuova

Il Radiofarmaco PET

I radiofarmaci PET sono in genere piccole molecole con una attivitàbiologica in cui un atomo (o un gruppo di atomi) è stato sostituito artificialmente con un nuclide radioattivo.

Radionuclide

Molecola Vettore

Il Radiofarmaco PET (Il Radionuclide)

Un nucleo radioattivo può decadere (trasformarsi) emettendo varie particelle e fotoni.

Tipo di decadimento Particelle emesse radiazioni emesse

Decadimento nuclei di elio fotoni

Decadimento - elettroni, neutrini fotoni

Decadimento + positroni, neutrini fotoni

Cattura elettronica fotoni x

Ma il radionuclide per essere rilevato dal tomografo PET solo se tra le sue emissioni sono presente anche particelle di antimateria dette: positroni.

Il Radiofarmaco PET: Il Radionuclide

Perché ?

Le particelle + (positroni) sono destinati, dopo aver perso la loro energia in collisioni, ad essere annichiliti incontrando un elettrone. Nel processo si liberano simultaneamente, in direzioni opposte, due fotoni con una energia di 511 KeV.

Il Radiofarmaco PET: Il Radionuclide

Alcuni di questi atomi emettitori di positroni possono essere ottenuti grazie ad acceleratori circolari per uso medicale: i ciclotroni.

Alcuni radionuclidi prodotti dal ciclotrone

Nuclide tempo di dimezzamento % decadimento +

18 F ca.110 min. 96.9

11 C ca.20 min. 99.8

13 N ca. 10 min. 100

15 O ca. 2 min. 99.9

Il Radiofarmaco PET: Il Radionuclide

Quale scegliere ?!

Criteri di scelta:

Biochimici: deve essere possibile sostituire l’atomo radioattivo con un atomo comune della molecole biologiche senza variarne sensibilmente il comportamento metabolico (o comunque sfruttando la variazione per aumentare l’accumulo del tracciante nella zona di interesse)

Fisici: Tempo di emivita fisico compatibile con l’emivita biologico della molecola vettore e con il tempo necessario alla marcatura (unione del radionuclide con la molecola stessa)

Per questi motivi il radionuclide maggiormente prodotto e studiato per questi radiofarmaci è il fluoro-18.

Il Radiofarmaco PET: La Molecola Vettore

Quali scegliamo ?!?

Molecole il cui metabolismo èsovraespresso nelle cellule neoplastiche (traccianti metabolici)

Molecole che si vanno a legare selettivamente a particolari recettori espressi solo dalle cellule tumorali (traccianti recettoriali)

Molecole marcatori specifici di alcuni fenomeni cellulari

Esistono una quantità infinita di molecole con attività biologica:

Sintesi del DNA

Metabolismo glucidico

Metabolismo lipidico

Metabolismo degli AA

Espressione di recettori

Il Radiofarmaco PET: La sintesi

Radionuclide 18F

Molecola Vettore

La sintesi è una serie di reazioni chimiche che da un precursore della molecola vettore più il radionuclide ci porta alla formulazione del radiofarmaco.

Il Radiofarmaco PET: La sintesi

Il precursore è una molecola simile alla molecola finale ma con alcune parti costruite in modo da accogliere il radionuclide e altre invece protette.

Il precursore

Il radionuclide stesso in uscita dal ciclotrone non è nella forma ottimale per legarsi alla molecola

Il radionuclide 18F non chimicamente attivato

Il Radiofarmaco PET: La sintesiLe reazioni chimiche se utilizziamo il radionuclide 18F sono essenzialmente tre:

Attivazione del radionuclide:

Marcatura (sostituzione nucleofila):

1)

2)

Deprotezione del precursore (idrolisi):

Il Radiofarmaco PET: La sintesi

3)

Il Radiofarmaco !!

Il Radiofarmaco PET: La sintesi

A causa della notevole radioattività in gioco ed anche per avere una maggiore riproducibilità, questa serie di reazioni viene effettuata automaticamente da dei moduli di sintesi. L’operatore può guidare la sintesi attraverso il computer.

[18F]-FDG Il Radiofarmaco Principe

Il radiofarmaco più utilizzato in Medicina Nucleare PET (95% degli esami) è il[18F]-FDG (Fluorodesossiglucosio).

Il [18F]-FDG è un analogo del glucosio a cui è stato sostituito un gruppo ossidrile (- OH) con il fluoro radioattivo.

OCH2OH

OH

F

OHHO

FDG: FluoroDesossiGlucosio

Il fluorodesossiglucosio è un tracciante del metabolismo glucidico.

Cosa sono i glucidi

OH

H

OC

CH2OH

H

OHH

OHH OH

HO

CH2OH

OH

OHHOOH

O

OHOH

OH CH2OH

=

OH

D - glucosio D - glucopiranosio

OH

H

OC

CH2OH

H

HOH

OHH OH

HO

CH2OH

OHOHOHHO

O

OH

OHOH

CH2OH

=

OH

D - mannosio D - mannopiranosio

Il Metabolismo dei glucidi

I glucidi vengono metabolizzati dalle cellule (cioè convertiti in energia) attraverso una serie di reazioni chimiche cicliche.

La Glicolisi

Il ciclo di Krebs

La catena di trasporto degli elettroni

Queste reazioni avvengono all’interno di ogni cellula del nostro corpo ma in alcuni tessuti (o per ragioni fisiologiche o a causa di malattia) la richiesta di energia è molto maggiore.

Cervello Cuore Tessuti Neoplastici

In queste cellule il fabbisogno e consumo di zuccheri risulta maggiorato rispetto alla normalità

L’ FDG segue il metabolismo dei glucidi, inizia la glicolisi ma non è riconosciuto dal secondo enzima del ciclo e rimane bloccato nelle cellule. In particolare le cellule neoplastiche hanno una intensa attività glicolitica e quindi accumulano maggiori quantità di farmaco.

Il Metabolismo dei glucidi: Glucosio e FDG a confronto

Glucosio FDG

FDG-6PGlu-6P

Esochinasi

XXMembranaCellulare

Isomerasi

Fru-6P

XContinuail ciclo

Rimane nellaCellula

La sintesi di [18F]-FDG

OCH2OAc

OAcOTfOAcAcO

O CCH3

O

OAc =

OO S CF3

O

OTf =

18F-

Attivazione e Marcatura

OCH2OAc

OAcOAcAcO

F18F-TAG

OH-

Deprotezione

OCH2OH

OH

F

OHHO

18F-FDG (radiofarmaco)

TAMTf (precursore)

Altri Radiofarmaci PET

Sebbene l’ FDG abbia fornito in questi anni ottime risposte diagnostiche, esistono altri radiofarmaci che possono evidenziare processi diversi dal metabolismo dei glucidi o che possono fornire indicazioni preziose in quelle zone dove l’esame PET con FDG risulta di difficile interpretazione a causa di un accumulo fisiologico del tracciante.

[18F]-FLT[18F]-MISO

N

NOCH2OH

F18

O

O CH3

H

N

N

NO2

F18

OH

O

COO-

NH3+F18

[18F]F-ETCOO-

NH3+

F18

OH

OH

[18F]-DOPA

[18F]-FLT e Proliferazione cellulare

Un altro parametro che caratterizza le cellule tumorali è la loro rapida e incontrollata proliferazione. Il radiofarmaco [18F]-FLT è simile al nucleoside desossi timidina a cui un atomo di fluoro-18 è stato sostituito ad un gruppo ossidrile (- OH).

N

NOCH2OH

F18

O

O CH3

H

[18F]-FLT

Cosa sono i nucleosidi

O

O

ON N

O

O

O

O

ON N

N

O

Deossi Timidina (T) Deossi Citidina (C)

O

O

ON

N

N

N

N

Deossi Adenosina (A)

O

O

ON

N

N

N

O

N

Deossi Guanidina (G)

I nucleosidi sono i mattoni che stanno alla base della costruzione del DNA

Metabolismo dei Nucleotidi: Timidina e [18F]-FLT a confronto

I nucleosidi vengono fosforilati da specifici enzimi per formare la doppia elica del DNA. Le cellule in rapida proliferazione manifestano una maggiore espressione di questi enzimi è quindi un maggior utilizzo dei nucleosidi.

Timidina (T)

Timidina chinasi

TMP

FLT FLTMP

Ulteriore fosforilazione E sintesi del DNA

X X

Sebbene venga forforilata dall’enzima TK1 l’ FLT non viene incorporata nel DNA ma si accumula all’interno della cellula.

La sintesi di [18F]-FLT

N

NO

O

O CH3

O

OMe

OMe

O

S OO

NO2

bocN

NO

O

O CH3

O

OMe

OMe

F18

boc

N

NOCH2OH

F18

O

O CH3

H

18F-

Attivazione e Marcatura

H+

Deprotezione

[18F]-FLT (radiofarmaco)

(precursore)

C

CH3

O CO

CH3

CH3boc =

oMe = O CH3

[18F]-MISO e Ipossia Cellulare

In molti tessuti tumorali sono presenti zone ipossiche che hanno dimostrato avere una resistenza alla radioterapia tre volte superiore a quella delle cellule normalmente ossigenate.Per questo motivo è vitale individuare queste cellule al fine di progettare un trattamento modulato nelle varie zone della neoplasia.

Il [18F]-MISO è un radiofarmaco che si accumula selettivamente nelle cellule carenti di ossigeno.

N

N

NO2

F18

OH

[18F]-MISO

Il comportamento metabolico del gruppo Azomicinico

NN

NO2

LL NN

NO2 - *

LL

NNL

L

NO

NNL

L

NH2

+ e-

NitroreductaseEnzymes

+ e-

+ 4e-

Coovalent binding

to macromolecules

+ O2

O2-*

H2O2 OH-

Risulta perciò possibile evidenziare le cellule ipossiche all’interno della massa neoplastica attraverso l’accumulo di [18F]-MISO

La sintesi di [18F]-MISO

NN

NO2

OTHP

OTsNN

NO2

OTHP

F18

NN

NO2

OH

F18

OTs = O S

O

OCH3

THP =O

18F-

Attivazione e Marcatura

H+

Deprotezione

[18F]-MISO (radiofarmaco)

(precursore)

[18F]-DOPA e [18F]F-ET : Tumori cerebrali

Nel cervello il processo glicolitico è fisiologicamente elevato, risulta perciò molto difficile con il radiofarmaco [18F]-FDG, evidenziare eventuali zone neoplastiche.

Il [18F]-DOPA è un molecola molto simile a quella sintetizzata dal nostro organismo (L- DOPA) con l’aggiunta di un atomo di fluoro radioattivo.

COO-

NH3+

F18

OH

OH[18F]-DOPA

L- DOPA è una molecola intermedia nel processo metabolico di produzione dell’adrenalina.

Il [18F]F-ET è molto simile ad uno dei 20 amminoacidi fondamentali la Tirosina(Tyr) . Anche la Tirosina è implicata nel processo metabolico per la sintesi dell’adrenalina perciò è comprensibile come i due radiofarmaci [18F]-DOPA e [18F]F-ET possano avere un comportamento paragonabile.

[18F]-DOPA e [18F]F-ET : Tumori cerebrali

O

COO-

NH3+F18

[18F]F-ET

Entrambi questi radiofarmaci seguono il metabolismo degli AA anche se l’ [18F]-DOPA funziona anche come marcatore recettoriale perché il suo analogo fisiologico L-DOPA è anche un neurotrasmettitore.

Il metabolismo dell’ Adrenalina

Il nostro organismo produce Adrenalina attraverso una serie di reazioni che partono dalla molecola di Tirosina.

L’ Adrenalina è un ormone che tra le altre cose aumenta la velocità di fosforilazione del glucosio, stimolando la cellula a produrre più energia.

Alcuni tumori evidenziano una attività maggiorata di uno degli enzimi che partecipano alla produzione di Adrenalina e perciò richiedono e accumulano nelle cellule una quantità maggiore di precursori metabolici (Tirosina e L-DOPA)

Sfruttando la somiglianza dei due radiofarmaci in esame con i precursori dell’Adrenalina e possibile visualizzare le cellule neoplastiche che mostrano elevata attività dell’enzima Amminoacido Aromatico Decarbossilasi (AAD).

Il metabolismo dell’ Adrenalina

OH

COO-

NH3+Tirosina (simile a [18F]F-ET)

OH

COO-

NH3+

OH

Tirosina idrossilasi

L-DOPA (simile a [18F]DOPA)

OH

OH NH3+

Ammino aromatico decarbossilasi

Dopammina

Il metabolismo dell’ Adrenalina

OH

OH NH3+

OH

OH

OH NH3+

OH

OH N

OH

CH3H

Dopammina (si accumula nei liposomi)

Tirosina -idrossilasi

Noradrenalina

N-metiltransferasi

Adrenalina

Sintesi di [18F]-DOPA: Qualche problema…

HN

Sn

OBoc

OBoc

CH3

CH3

CH3 O

OEt

O

HN

F18

OBoc

OBoc

O

OEt

O

COO-

NH3+

F18

OH

OH

[18F] F2

Marcatura

H+

Deprotezione

Cambia la forma chimica del radionuclide utilizzato ! Solo alcuni ciclotroni possono produrre il Fluoro-18 in forma di F2. Inoltre la reazione con F2 è molto violenta e difficilmente controllabile. [18F]-DOPA (radiofarmaco)

(precursore)C

CH3

O CO

CH3

CH3boc =

Sintesi di [18F]F-ET: più convenzionale…

O NHTsO

O

OO

O NHF18

O

O

COO-

NH3+F18

TFA

Deprotezione

18F-

Attivazione e Marcatura

(precursore)

[18F]F-ET (radiofarmaco)

OTs = O S

O

OCH3

Sebbene si abbiano meno dati sperimentali su questo radiofarmaco rispetto al [18F]DOPA i primi risultati e la sintesi relativamente piùfacile lo rendono un buon candidato per la diagnostica dei tumori cerebrali.

Conclusioni

La Tomografia ad emissione di positroni (PET) ha già ottenuto un ruolo fondamentale nella diagnostica della maggior parte delle neoplasie con [18F]-FDG.

La ricerca e lo sviluppo di nuovi radiotraccianti aprono nuovi e amplissimi orizzonti al futuro della Medicina Nucleare.

Grazie perl’Attenzione