Desenvolvimento de Agentes de Contraste Fluorados para Imagiologia de 19F MRI e PET

Abstract

The early detection of various pathologies may contribute to combating them. To this end, the development of contrast agents for application on the most different imaging techniques is essential.The work presented in this dissertation is centered on the development of potential contrast agents and their preliminary evaluation for application in Fluorine Magnetic Resonance Imaging (19F MRI) and Positron Emission Tomography (PET).In Chapter 1 a literature review is presented, directed to the different topics covered throughout this dissertation, focusing on the methods for porphyrins synthesis and contrast agents for 19F MRI and PET, highlighting the macrocycle tetrapyrrole based contrast agents. Chapter 2 presents the synthesis of fluorinated meso-arylporphyrins, which where synthesized through small modifications of the nitrobenzene method, aiming more sustainable reaction methodologies (conventional heating and microwave irradiation (MW)). Among these, the use of MW irradiation proved to be the most efficient, allowing the reduction of reaction time (from 3 hours to 30 minutes). As all porphyrins and their metal complexes were fully characterized using different spectroscopic techniques, 19F NMR studies proceeded, to assess the effect of the presence of the manganese atom on fluorine relaxation times. Thus, the study began by acquiring the corresponding 19F NMR spectra, where it as observed that the manganese complex of 5,10,15,20-tetra(2-fluorophenyl) porphyrin (TPP-o-F) presented a broadening of the fluorine signal, while for the manganese complex of 5,10,15,20-tetra(4-trifluoromethylphenyl) porphyrin (TPP-p-CF3), this effect was not observed. Furthermore, the distances between the paramagnetic atom and the fluorine atoms present in the substituent groups of the synthesized porphyrins were calculated, observing that for porphyrin TPP-o-F, the distance obtained was 5.7 Å and for the porphyrin TPP-p-CF3 was 9.8 Å. Subsequently, to evaluate the real effect that manganese exerts on the relaxation time of F, the respective relaxation times (free base porphyrins and corresponding metal complexes) were determined, and a reduction in the longitudinal (T1) and transversal (T2) relaxation time were observed. It should be noted that, in the case of TPP-o-F porphyrin, it was not possible to determine T1 and T2, since the effect of the metal was quite pronounced. This chapter also presents the photophysical characterization of the synthesized porphyrins and the calculation of the partition coefficient for di-iodide of manganese (III) 5,15-bis(4-(trifluoromethyl)phenyl)-10,20-bis(1,3-dimethylimidazol-2-yl)porphyrin acetate. Chapter 3 present the synthesis of di-iodide 5,15-bis(4-(trifluoromethyl)phenyl)-10,20-bis(1,3-dimethylimidazol-2-yl)porphyrin. The cold synthesis process was optimized in order to simulate the process of radiolabeling with carbon-11. Before the radiolabeling studies, the cytotoxicity and partition coefficient of di-iodide 5,15-bis(4-(trifluoromethyl)phenyl)-10,20-bis(1,3-dimethylimidazol-2-yl)porphyrin was determined. This chapter also presents the optimization studies for the HPLC separation of the compounds, as well as studies of the radiolabeling reaction with carbon-11, where a mixture of di and mono-radiolabelled porphyrins was obtained, with a conversion of 20% each, after 10 minutes of reaction. The radiolabeling reaction was also carried out, by reducing the reaction time to 1 minute, observing the obtaining of 33% of the mono-radiolabelled porphyrin and only a residual amount of di-labeled product. These radiolabeling results proved to be quite promising. In Chapter 4, the final conclusions and open future perspectives are described. Finally, in Chapter 5, the experimental procedures for the synthesis of porphyrins and their manganese complexes, their characterization and all the techniques used throughout this dissertation are described.

A deteção cada vez mais precoce de diversas patologias poderá contribuir para o combate das mesmas. Para tal, o desenvolvimento de agentes de contraste para aplicação nas mais variadas técnicas de imagem é fundamental. O trabalho desenvolvido nesta dissertação centrou-se no desenvolvimento de potenciais agentes de contraste e a sua avaliação preliminar para aplicação em Imagiologia por Ressonância Magnética de Flúor (19F MRI) e Tomografia por Emissão de Positrões (PET).No Capítulo 1 apresenta-se uma revisão da literatura direcionada para as diferentes temáticas abordadas ao longo desta dissertação, focando os métodos de síntese de porfirinas e os agentes de contraste para 19F MRI e PET, com destaque nos agentes de contraste do tipo macrociclo tetrapirrólico. No Capítulo 2 apresenta-se a síntese de meso-arilporfirinas fluoradas, sendo estas sintetizadas através de pequenas alterações do método do nitrobenzeno tendo como objetivo tornar as reações mais sustentáveis. Neste capítulo, é também descrita a síntese dos respetivos complexos metálicos, com manganês, utilizando diferentes fontes de aquecimento (aquecimento convencional e irradiação micro-ondas (MW)). De entre estas, a utilização de irradiação MW demonstrou ser a mais eficiente, permitindo a redução do tempo de reação (de 3 horas para 30 minutos). Tendo todas as porfirinas e respetivos complexos metálicos totalmente caracterizados através de diversas técnicas espetroscópicas, iniciaram-se os estudos de 19F RMN, de forma a avaliar o efeito que a presença do átomo de manganês exerce nos tempos de relaxação do flúor. Assim, iniciou-se o estudo adquirindo os respetivos espetros de 19F RMN onde se observou que para o complexo de manganês da porfirina 5,10,15,20-tetra(2-fluorofenil) (TPP-o-F) ocorria um alargamento do sinal de flúor enquanto para o complexo de manganês da porfirina 5,10,15,20-tetra(4-trifluorometilfenil) (TPP-p-CF3) não se observou esse efeito. Seguidamente, calcularam-se as distâncias entre o átomo paramagnético e os átomos de flúor presentes nos grupos substituintes das porfirinas sintetizadas observando-se que para a porfirina TPP-o-F, a distância obtida foi de 5,7 Å e para a porfirina TPP-p-CF3 foi de 9,8 Å. Posteriormente, e para avaliar o efeito real que o manganês exerce no tempo de relaxação de F, determinaram-se os respetivos tempos de relaxação (porfirinas de base livre e correspondentes complexos metálicos) observando-se uma redução do tempo de relaxação longitudinal (T1) e transversal (T2). De salientar que, para o caso da porfirina TPP-o-F não foi possível determinar o T1 e o T2 uma vez que o efeito do metal foi elevado. Neste capítulo, é ainda apresentada a caraterização fotofísica das porfirinas sintetizadas e também o cálculo do coeficiente de partição para di-iodeto de [acetato de 5,15-bis (4-(trifluorometil)fenil)-10,20-bis(1,3-dimetilimidazol-2-il)porfirinato de manganês (III). No Capítulo 3 apresenta-se a síntese de di-iodeto de [5,15-bis(4-(trifluorometil)fenil)-10,20-bis(1,3-dimetilimidazol-2-il)porfirina], tendo-se otimizado o processo de síntese a frio de modo a simular o processo de radiomarcação com carbono-11. Antes dos estudos de radiomarcação foi também determinada a citotoxicidade e o coeficiente de partição da porfirina di-iodeto de [5,15-bis(4-(trifluorometil)fenil)-10,20-bis(1,3-dimetilimidazol-2-il)porfirina]. Neste capítulo são ainda apresentados os estudos de otimização da separação dos compostos em estudo por HPLC assim como os estudos da reação de radiomarcação com carbono-11, onde se conseguiu obter uma mistura das porfirinas di e mono-radiomarcadas, com uma conversão de 20% cada, após 10 minutos de reação. Efetuou-se também a reação de radiomarcação, reduzindo o tempo para 1 minuto, observando-se a obtenção de 33% da porfirina mono-radiomarcado e apenas uma quantidade residual de produto di-marcado. Estes resultados de radiomarcação revelaram-se bastante promissores.No Capítulo 4 são descritas as conclusões finais e abertas perspetivas futuras. Por fim, no Capítulo 5 são descritos os procedimentos experimentais de síntese das porfirinas e respetivos complexos de manganês, a caracterização dos mesmos e ainda todas as técnicas utilizadas ao longo desta dissertação.