Synthesis of probes for cancer molecular imaging

Abstract

The work presented in this thesis is focused on the of design, synthesis and structural modeling studies of phthalocyanines, to obtain new potential probes for cancer diagnosis by molecular imaging, using Positron Emission Tomography (PET) and Fluorescence Optical Imaging (FI) techniques. Furthermore, studies involving the synthesis of small molecules based on the indole and chalcone scaffolds, namely β-indolylketones were also carried out, with the purpose of developing new probes for the diagnosis of brain pathologies, using the PET technique. In Chapter 1 the state of the art literature is revised, focusing on the main subjects developed throughout the experimental work, namely on the synthetic methods and structural modulation of phthalocyanines. Furthermore, a literature review on the application of phthalocyanines in PET and FI is also presented, as well as on the application of chalcone and indole derivatives as probes for brain pathologies using PET technique. Chapter 2 describes the synthetic methodologies for symmetrical tetra-substituted phthalocyanines in peripheral positions and their metal complexes preparation, aiming at the preparation of potential probes labelled with copper-64 for cancer diagnosis using PET imaging. In a first subtopic, the studies involving the synthesis and structural modeling of phthalonitrile precursors were carried out, involving different substituents – galactose, choline and polyethylene glycol derivatives – whose further cyclotetramerization into phthalocyanines were intended to provide the desired biocompatibility and/or the specificity and selectivity for tumor cells. The second subtopic describes the synthetic methodology that led to the synthesis of the corresponding metal-free phthalocyanines, the precursors for the copper-64 labelling. This methodology was based on the preparation of the corresponding zinc(II) (or alternatively magnesium(II) complexes) from the cyclotetramerization reaction of the previously synthesized phthalonitriles, followed by demetallation with acidic conditions, which yielded the desired metal-free phthalocyanines in isolated yields of 79–85%. The third subtopic present the studies on the development of a synthetic methodology that allowed to obtain the non-radioactive copper(II) phthalocyanine complexes, with isolated product yields between 86–94%. This methodology was implemented for labelling processes with copper-64, developed at the Institute of Nuclear Sciences Applied to Health (ICNAS), yielding phthalocyanines labelled with copper-64 in moderate to high yields (37–98%) and high degree of radiochemical purity (>95%). Furthermore, in vitro stability studies of the radioactive phthalocyanine complexes in physiological conditions were carried out, and these studies showed the high stability of phthalocyanines complexed with copper-64. Biodistribution studies in BALB/c mice were performed with one selected phthalocyanine, the tetra-substituted one with choline groups and labelled with copper-64 (2.14e), which revealed a high accumulation in the spleen and liver and the hepatobiliary route as its main excretion pathway. Chapter 3 describes the optimization of microwave-assisted synthesis of a family of β-indolylketones and their subsequent radiolabelling with carbon-11 aiming at the preparation of new potential PET probes for brain imaging. The β-indolylketones and the corresponding methylated standard compounds were synthesized in 85–90% isolated yields. The lipophilic nature of standard compounds was studied and theoretical values of the octan-1-ol/water partition coefficient (ClogP) between 2.73 e 3.13 were obtained. The development and optimization of analytical and semi-preparative HPLC methods was performed, which allowed an efficient separation/purification of the β-indolylketone 1-(4-fluorophenyl)-3-(1H-indol-3-yl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1-one (3.2c) and the corresponding standard methylated β-indolylketone 1-(4-fluorophenyl)-3-(4-methoxyphenyl)-3-(1-methyl-1H-indol-3-yl)propan-1-one (3.3c). Then, the study involving the labelling of compound 3.2 via methylation reaction with [11C]iodomethane, in an automatic radiosynthesis module of the ICNAS was carried out, providing the compound 1-(4-fluorophenyl)-3-(4-methoxyphenyl)-3-(1-[11C]methyl-1H-indol-3-yl)propan-1-one (3.4c), analogous to non-radioactive standard 3.3, in >95% radiochemical purity and chemical purity of ≈90%. Preliminary biodistribution studies in BALB/c mice with several carbon-11 labelled β-indolylketones were performed, and the compound 3-(4-bromophenyl)-1-(4-methoxyphenyl)-3-(1-[11C]methyl-1H-indol-3-yl)propan-1-one (3.4b) was shown to display the highest brain uptake. In Chapter 4 optimization studies involving the synthesis and structural modeling of symmetrical phthalocyanines were described, aiming at the preparation of new fluorophores for potential application in cancer diagnosis using FI. In order to provide the suitable structural characteristics that could induce an optimal absorption in the infra-red region of the electromagnetic spectrum, phthalocyanines incorporating eight galactose units in non-peripheral positions were synthesized. The photophysical characterization of the metal-free, zinc(II) and magnesium(II) phthalocyanines was also carried out, which showed promising characteristics for further potential use as fluorophores in FI, such as selective fluorescence emission in the infra-red region (753–812 nm), large Stokes shifts (17–30 nm) and fluorescence quantum yields between 0.02 and 0.17. In Chapter 5, all experimental procedures and full characterization of all synthesized compounds are described.

O trabalho apresentado nesta tese centra-se nos estudos de design, síntese e modelação estrutural de ftalocianinas, com vista ao desenvolvimento de potenciais marcadores para diagnóstico de cancro por imagiologia molecular, usando as técnicas de Tomografia por Emissão de Positrões (PET) ou Imagiologia Ótica de Fluorescência (FI). Adicionalmente, procedeu-se a estudos envolvendo a síntese de pequenas moléculas tendo como estrutura base derivados indole e chalcona, nomeadamente as cetonas β-indolilo, com o objetivo de desenvolver marcadores para o diagnóstico de patologias a nível cerebral, usando a técnica de PET. No Capítulo 1 apresenta-se uma revisão da literatura sobre as principais temáticas desenvolvidas no decorrer do trabalho experimental, nomeadamente nos métodos de síntese de ftalocianinas. Neste capítulo apresenta-se também uma revisão da literatura da aplicação de ftalocianinas como marcadores em imagiologia por PET e FI, e ainda de derivados de chalconas e indole como marcadores de patologias cerebrais usando a técnica de PET. No Capítulo 2 são descritos os métodos utilizados para a síntese de ftalocianinas simétricas tetra-substituídas nas posições periféricas e seus complexos metálicos, com vista à posterior preparação de potenciais marcadores com cobre-64, para aplicação em diagnóstico de cancro usando imagiologia por PET. Num primeiro subtópico, procedeu-se aos estudos envolvendo a síntese e modelação estrutural dos precursores ftalonitrilo, contendo diferentes grupos substituintes – derivados da galactose, colina e polietileno glicol – com o objetivo de obter as correspondentes ftalocianinas com acrescida biocompatibilidade e/ou especificidade para as células tumorais. No segundo subtópico são abordadas as reações de ciclotetramerização que conduziram à síntese das correspondentes ftalocianinas de base livre, precursoras da reação de marcação com cobre-64. Esta metodologia baseou-se na preparação dos respetivos complexos de zinco(II) (ou alternativamente de magnésio(II)) a partir dos ftalonitrilos convenientemente substituídos, seguido de remoção do metal em meio ácido. Com esta metodologia, obtiveram-se as ftalocianinas de base livre pretendidas com rendimentos isolados de 79–85%. No terceiro subtópico apresentam-se os estudos do método de síntese que permitiu a obtenção dos complexos de cobre(II) de ftalocianinas não radioativos em rendimentos de produto isolado de 86–94%. A metodologia foi transposta para processos de marcação com cobre-64 desenvolvidos no Instituto de Ciências Nucleares Aplicadas à Saúde da Universidade de Coimbra (ICNAS), tendo-se obtido ftalocianinas marcadas com cobre-64 em rendimentos moderados a elevados (37–98%) e com elevado grau de pureza radioquímica (>95%). Adicionalmente, foram efetuados estudos in vitro de estabilidade dos complexos de ftalocianina radioativos em condições fisiológicas, tendo-se verificado a elevada estabilidade destes. Foram ainda efetuados estudos de biodistribuição em ratinhos BALB/c, realizados com uma das ftalocianinas selecionadas, a ftalocianina tetra-substituída com grupos colina marcada com cobre-64 (2.14e), que revelaram uma elevada acumulação no baço e fígado, tendo-se constatado que a principal via de excreção é a via hepatobiliar. No Capítulo 3 apresentam-se estudos de otimização da síntese de uma família de cetonas β-indolilo usando irradiação de micro-ondas e sua posterior marcação com carbono-11, com vista à obtenção de marcadores com potencial aplicação em imagiologia a nível cerebral por PET. As cetonas β-indolilo e os correspondentes compostos padrão metilados foram sintetizados com rendimentos entre 85 e 90%. O carácter lipofílico dos compostos padrão foi também estudado e foram obtidos coeficientes de partição octan-1-ol/água teóricos entre 2,73 e 3,13. Foram ainda otimizadas condições de separação/purificação, por HPLC analítico e semi-preparativo, para o composto 1-(4-fluorofenil)-3-(1H-indol-3-il)-3-(4-metoxifenil)propan-1-ona (3.2c) e do respetivo composto padrão 1-(4-fluorofenil)-3-(1-metil-1H-indol-3-il)-3-(4-metoxifenil)propan-1-ona (3.3c). Após esta otimização, procedeu-se então ao estudo de marcação do composto 3.2c com [11C]iodometano, via metilação, num módulo automático de radiosíntese do laboratório do ICNAS, obtendo-se o composto 1-(4-fluorofenil)-3-(1-[11C]metil-1H-indol-3-il)-3-(4-methoxifenil)propan-1-ona (3.4c), análogo do composto padrão não-radioativo 3.3c, com um grau de pureza radioquímica >95% e uma pureza química de ≈90%. Estudos preliminares de biodistribuição em ratinhos BALB/c com várias cetonas β-indolilo marcadas com carbono-11 foram efetuados, tendo-se observado que o composto 3-(4-bromofenil)-3-(1-[11C]metil-1H-indol-3-il)-1-(4-metoxifenil)propan-1-ona (3.4b) revelou uma maior captação cerebral. No Capítulo 4, descrevem-se os estudos de otimização da síntese e modelação estrutural de derivados simétricos de ftalocianinas e seus complexos metálicos, com vista à preparação de novos fluoróforos para potencial aplicação em diagnóstico de cancro por FI. Por forma a conferir a estas as características estruturais que permitissem absorver luz na região do infravermelho, ftalocianinas contendo oito unidades galactose nas posições não periféricas foram sintetizadas. Procedeu-se também à caracterização fotofísica dos complexos de base livre, zinco(II) e magnésio(II), que revelaram possuir características promissoras para aplicação como fluoróforos em FI, devido à seletiva emissão de fluorescência na região do infravermelho (753–812 nm), elevados desvios de Stokes (17–30 nm) e rendimentos quânticos de fluorescência entre 0.02 e 0.17. No Capítulo 5, apresentam-se os procedimentos experimentais e a completa caracterização química de todos os compostos sintetizados.