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La physique et la chimie au service de la médecine :
La tomographie par émission de positons
Dr Thierry BILLARD !([email protected])!
ICBMS - UMR CNRS 5246 (Université de Lyon)!CERMEP - imagerie du vivant (Hôpital neurologique)!
Lyon (France)
Lyon 2014
Lyon 2014Tomographie par émission de positons (TEP)
Imagerie métabolique, moléculaire at fonctionnelle ↪radioligands se fixant sur des récepteurs, protéines, … Imagerie médicale peu invasive.
Maladie d’Alzheimer
Volontaire sein
Lyon 2014Principe de la TEP
Annihilation
Positron
Electron
Annihilation
180°
γ(511 keV)
γ(511 keV)
β+
Noyaux déficitaires en neutrons se stabilisent par émission de positons pour obtenir le ratio p/n optimal.
Z Z-1β+
+ +Neutrino Positron
Lyon 2014Principe de la TEP
Annihilation
Positron
Electron
Annihilation
180°
γ(511 keV)
γ(511 keV)
β+
Couronne de
détection
Bloc détecteur
Lyon 2014Radiosotopes
18F 11C15O 13N T : 109 min. 2 min. 20 min. 10 min.
Isotopes standards émetteurs β+ :
Synthèses rapides (< 3 T)
! Décroissance radioactive
18F 11C15O 13N ⌚️ : 5 h 5 min. 50 min. 25 min.
18F 11C
918F→ 8
18O+ 10β+ + 0
0ν
815O→ 7
15N + 10β+ + 0
0ν
611C→ 5
11B+ 10β+ + 0
0ν
713N→ 6
13C+ 10β+ + 0
0ν
�
Lyon 2014Production des radioisotopes
818 O + 1
1p → 918 F + 0
1n
714 N + 1
1p → 611C + 2
4α
Rn =mvnqB
f = q Bπm
ωc =q Bm
(pulsation cyclotron)
vn =2 q Um
n + 12
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
Lyon 2014Au coeur du cyclotron
Lyon 2014Pour avoir des images ... il faut un traceur !
Radioligand 5-HT6
Lyon 2014Récepteurs 5-HT6
Alzheimers Res. Ther. 2013, 5, 15 / Drug Discov. Today 2006, 11, 283 / Curr. Drug Targets: CNS Neurol. Disord. 2004, 3, 59
( )C. Gerard et al.rBrain Research 746 1997 207–219´ 209
and frozen in isopentane at y308C. Coronal and sagittal� .sections thickness: 10 mm were cut at y208C and
thaw-mounted onto gelatin-coated glass slides. Immunoau-toradiographic experiments were performed as described in
w xdetail elsewhere 11,14,24 . In brief, sections were preincu-
� .bated in PBS supplemented with 3% wrv bovine serum� . � .albumin BSA and 1% vrv goat serum for 30 min, then
incubated for 12 h at 48C with preimmune serum, crudeantiserum at 1r8000 dilution or purified antiserum at1r3200. Subsequent steps consisted of an extensive wash-
� .Fig. 1. A: schematic representation of the amino acid sequence of the rat 5-HT receptor. The synthetic peptide 1 dark circles corresponding to the6Leu398–Val415 sequence in the putative intracellular C terminal tail was coupled to keyhole limpet hemocyanin and injected to rabbits. Peptide 2,
237 260 � .corresponding to the Leu –Ser sequence within the putative third intracellular loop, was used in control ELISA tests see Fig. 2 . B: alignment of theC-terminal region of 5-HT receptors. Residues which are conserved in the rat 5-HT receptor and other G protein-coupled 5-HT receptors are in gray6boxes. The peptide 1 used for raising antibodies is in a dark box. TM7, transmembrane domain 7.
Brain Res. 1997, 746, 207
troubles psychotiques, troubles affectifs, anxiété, épilepsie régulation de la prise alimentaire role dans les déficits cognitifs et mnésiques ( ➠ maladie d’Alzheimer)
R Ô L E
Lyon 2014Vers un ligand TEP des récepteurs 5-HT6
Lyon 2014Pharmacophore
Curr. Top. Med. Chem. 2006, 6, 2005 / J. Chem. Inf. Model. 2008, 48, 197
�18F
�18F
N N
N
Groupe hydrophobe
Aromatique
Atome ionisable positivement
Accepteur liaison H
N N
N
N N
N
N N
N
Lyon 2014Molécules cibles
NN
NCH3
S
F
O O
4FQ1P
NN
NCH3
SO O F
2FQ1P
NN
NCH3
S
F
O
4FQ1PO
NN
NCH3
N S
F
O O
4FNQ1P
NN
NCH3
N SO O
F
2FNQ1P
NN
N
SO O
SOO
F
4FQNP
NN
N
SO O
SOO
F2FQNP
NN
NSO
OF
4FNQNP
N SO O
NN
NSO
O
F2FNQNP
N SO O
J. Med. Chem. 2014, 57, 3844.
Lyon 2014
NCl
NCl
INISAcOH80°C
87%
NCl
S
SHF
FN
Cl
SF
O O
NCH3
NN
F
o-F : 73%p-F : 94%
o-F : 78%p-F : 95%
2FQ1P : 42%4FQ1P : 69%
mCPBA(1,1 eq.)CH2Cl2
NCl
SO
F87% N
CH3
NN
SO
F
4FQ1PO : 24%NH3C NH
N
N
Cl
F
NH3C NH
N
N F
NCH3
N2FQ1P : 25%4FQ1P : 47%
o-F : 64%p-F : 81%
NH3C NH
CuI (2.5%),Cs2CO3
DMF, 100°C
MMPP(2.25 eq.)
CH2Cl2 / MeOH
Pd2dba3 (5%)DavePhos (10%)tBuONa (1.4 eq.)Toluene, 110°C
Pd2dba3 (5%)DavePhos (10%)tBuONa (1.4 eq.)Toluene, 110°C
Pd2dba3 (5%)XPhos(10%)
Cs2CO3 (1.4 eq.)Toluene, 110°C
Pd2dba3 (5%)XPhos (10%)
Cs2CO3(1.4 eq.)Toluene, 110°C
O OS
SO O
SO O
NCl N
Boc
NN
57% 77%NBoc NH
NN
NSO
O F
1) TFA, CH2Cl2
2) ArSO2Cl Et3N
2FQNP : 97%4FQNP : 96%
Pd2dba3 (5%)DavePhos (10%)tBuONa (1.4 eq.)Toluene, 110°C
SO O
SO O
SO O
SO2Na
CuI (10%)DMEDA (20%)DMSO, 110°C
ArSO2NHMe
N
N
Cl
N
N
NBoc
N42%
66%
1) TFA, CH2Cl2
NN
NSO
O
N
NBoc NH 2) ArSO2Cl Et3N
2FNQNP : 65%4FNQNP : 64%
F
SO O
SO OPd2dba3 (5%)
DavePhos (10%)tBuONa (1.4 eq.)Toluene, 110°C
SO O
Synthèses des molécules « froides »J. Med. Chem. 2014, 57, 3844.
Lyon 2014Binding 5-HT6
NN
NCH3
S
F
O O
NN
NCH3
SO O F
NN
NCH3
S
F
O
NN
NCH3
N S
F
O ON
N
NCH3
N SO O
F
NN
N
SO O
SOO
F
NN
N
SO O
SOO
F
NN
NSO
OF
N SO O
NN
NSO
O
F
N SO O
4FQ1P Ki = 0.26 nM
2FQ1P Ki = 0.10 nM
4FQNP Ki = 7.6 nM
2FQNP Ki = 30 nM
4FQ1PO Ki = 4.4 nM
4FNQ1P Ki = 27 nM
2FNQ1P Ki = 0.9 nM
4FNQNP Ki > 1 µM
2FNQNP Ki > 1 µM
J. Med. Chem. 2014, 57, 3844.
Lyon 2014Physico-chimie et sélectivité
NN
NCH3
S
F
O O
NN
NCH3
SO O F
NN
NCH3
S
F
O
4FQ1P Ki (5-HT6) = 0.26 nM Ki (5-HT2A) = 1.7 nM cLogD(pH=7.4) = 2.07-2.37 TPSA = 61.89 Å2 PSA(pH=7.4) = 53.51 Å2 LogBB = -0.27
2FQ1P Ki (5-HT6) = 0.10 nM Ki (5-HT2A) = 14 nM cLogD(pH=7.4) = 2.03-2.33 TPSA = 61.89 Å2 PSA(pH=7.4) = 53.51 Å2 LogBB = -0.11
4FQ1PO Ki (5-HT6) = 4.4 nM Ki (5-HT2A) = 54 nM cLogD(pH=7.4) = 2.00-2.41 TPSA = 55.65 Å2 PSA(pH=7.4) = 37.64 Å2 LogBB = -0.38
J. Med. Chem. 2014, 57, 3844.
2FNQ1P Ki (5-HT6) = 0.9 nM Ki (5-HT2A) > 1µM
cLogD(pH=7.4) = 1.86-2.39 TPSA = 65.13 Å2
PSA(pH=7.4) = 57.95 Å2 LogBB = 0.01
NN
NCH3
N SO O
F
Lyon 2014Vers le radiomarquage
NN
NCH3
N SO O
F�18F
Lyon 2014
F⊖ ➠Seulement substitution nucléophile ➠SNAr ⇒ EWG en ortho ou para ➠Haute activité spécifique
F⊖ ➠Seulement substitution nucléophile ➠SNAr ⇒ EWG en ortho ou para ➠Haute activité spécifique
Comment introduire le 18F ?
F2 ➠Grande réactivité ➠Régiosélectivité (fluorodémétallation) ➠Faible activité spécifique (ajout F2 froid)
�18F
Lyon 2014
N
N
NCH3
N
SO O
F
Precursor synthesis
18F⊖
�18F
N
N
NCH3
N
SO O
O2N
NOTf
1) NIS, AcOH, 80°C2) sulfonamide, CuI (1 eq.), Cs2CO3 (2.5 eq.), DMSO, 100°C3) MeI, Cs2CO3, DMF
Pd2dba3 (5%),Xphos(10%),
Cs2CO3 (1.4 eq.), THF, 80°C
NH3C NH N
N SO O
O2N
OTf
Rendement global : 13%
Lyon 2014Production du 18F
�18F
�18F
H
818 O + 1
1p → 918 F + 0
1n
Lyon 2014Radiomarquage
�18F
J. Med. Chem. 2014, 57, 3844 Eur. J. Nucl. Med. 2014, sous presse.
Lyon 2014Radiomarquage
N
N
NCH3
N
SO O
O2N
K18F, K[2,2,2]
DMSO, 150°C10 min.
N
N
NCH3
N
SO O
18F
[18F]2FNQ1P
Radiocemical yield (EOB) = 36%SA (EOS) = 100 GBq.µmol-1J. Med. Chem. 2014, 57, 3844
Eur. J. Nucl. Med. 2014, sous presse.
Lyon 2014Purification & Contrôle qualité
1.2 Ci [18F] → 696 pmol !1.96 mg de précurseur → 4.73 µmol
⇒ ≃6800 equiv. !!
Excès de précurseur[18F]2FNQ1P
Radioactivité
UV
Lyon 2014Vers les images …
Lyon 2014microTEP in vivo de cerveau de rat
Lyon 2014microTEP in vivo de cerveau de rat
Ciclosporine 50 mg.kg-1 i.v.
[18F]2FNQ1P ➠ substrat de la glycoprotéine-P (P-gp) (sur-exprimée dans l’endothélium du cerveau de rat)
sagittal sectioncoronal section
Eur. J. Nucl. Med. 2014, sous presse.
Lyon 2014Vers les « conditions cliniques» … TEP in vivo
Lyon 2014TEP in vivo de cerveau de chat
Thalamus Striatum
Cortex
SUV$
0$
3$ Anterior Striatum
Control + Antagonist
�� Striatum �▲Cerebellum !�� contrôle �▲ + antagoniste (SB258585)
0,0#
0,5#
1,0#
1,5#
2,0#
2,5#
3,0#
3,5#
0# 10# 20# 30# 40# 50# 60# 70# 80#
SUV
Time (min.) Eur. J. Nucl. Med. 2014, sous presse.
Lyon 2014
0"
10"
20"
30"
40"
50"
60"
0" 10" 20" 30" 40" 50" 60" 70" 80" 90"
SUV$
Temps$(min.)$
TEP in vivo de cerveau de primate non-humain
+ 2FNQ1P (1.5 mg.kg-1) 30 min avant injection radiotraceur
}
▬ Cortex ▬ Striatum ▬ Cerebellum
Cingulate Cortex
Cortex
Striatum
Time (min.)
Eur. J. Nucl. Med. 2014, sous presse.
Lyon 2014Prochaine étape … ?
☞ Passage à l’homme
Lyon 2014Conclusion