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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)
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