Eine der drei Säulen der Krebsbehandlung ist die Strahlentherapie. Einer der neuesten Ansätze hierbei ist die Bestrahlung mit Ionen, zurzeit insbesondere Protonen und Kohlenstoffionen. Diese Hochpräzisionstherapie erfordert ein hohes Maß an Kontrolle, da die applizierte Dosisverteilung sehr empfindlich von Dichteveränderungen im durchstrahlten Gewebe abhängt. Das bisher einzige klinisch eingesetzte Verfahren zur in vivo Überwachung der Dosisapplikation bei Ionenbestrahlungen ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Sie ermöglicht eine Verifikation der Teilchenreichweite sowie der Lage des Bestrahlungsfeldes. Die mit der PET-Methode gemessene Aktivitätsverteilung lässt sich jedoch nicht direkt mit der geplanten Dosisverteilung vergleichen. Daher ist eine Vorherberechnung der erwarteten Aktivitätsverteilung auf der Grundlage des Bestrahlungsplanes notwendig, welche dann mit der Messung verglichen wird und eine qualitative Beurteilung der Bestrahlung ermöglicht. Die Vorherberechnung der erwarteten Aktivitätsverteilung erfordert bislang die Kenntnis einer Vielzahl von Wirkungsquerschnitten. Nur für wenige dieser Wirkungsquerschnitte liegen jedoch Messdaten im benötigten Energiebereich und mit ausreichender Genauigkeit vor. Daher verwenden viele Monte-Carlo-Simulationen intrinsische Kernmodelle oder semi-empirische Modellierungen, die häufig eine unzureichende Genauigkeit aufweisen. In Fachkreisen ist bisher noch nicht geklärt, welches die optimale Ionensorte für die Tumortherapie ist. Insbesondere Lithiumionen weisen aufgrund ihrer physikalischen und radiobiologischen Eigenschaften ein großes Potenzial auf. Auch für Bestrahlungen mit diesen Ionen ist ein PET-Monitoring der Therapie erstrebenswert. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Anwendbarkeit der Reichweite-Verifikation mittels PET bei Bestrahlung mit Lithiumionen gezeigt. Des Weiteren wird ein Konzept zur Modellierung der Positronenemitter-Verteilung ohne Kenntnis der Wirkungsquerschnitte entwickelt. Diese Vorhersage beruht auf in Referenzmaterialien (Wasser, Graphit und Polyethylen) gemessenen tiefenabhängigen Positronenemitter-Yields, mit welchen durch geeignete Linearkombination die Verteilung der Positronenemitter in beliebigen Materialien bekannter Stöchiometrie vorausberechnet werden kann. Die Anwendbarkeit des Yield-Konzeptes wird gezeigt für Lithium- und Kohlenstoffbestrahlungen homogener Polymethylmethacrylat (PMMA) Targets sowie verschiedener inhomogener Targets.

Grade 2 gliomas are malignant brain tumours affecting otherwise healthy adults. Although the long-term prognosis is poor, many patients are well and may have a high quality of life for several years. There is, however, a large variability in the natural course of the disease which makes it essential to identify patients who might benefit from early surgery or radio-therapy. The aim of the present thesis was to define new and clinically useful prognostic markers that may assist in the initial treatment decision and in patient follow-up. A retrospective study of 189 patients with gliomas WHO grade 2 showed no advantage in survival of early tumour resection or radiotherapy, and confirmed that histological subtype and patient age are the most important predictors of survival (I). In 89 patients, the pre-treatment uptake of 11C-methionine (MET) measured with positron emission tomography (PET) was identified as a prognostic marker for survival (II). At the time of tumour progression, irradiated tumours demonstrated signs of a residual radiotherapeutic effect that correlated with the pre-treatment uptake of MET (III). Pre-treatment uptake of MET may, therefore, be important both in predicting the natural course of the disease and the response after treatment. Immunohistochemical staining of 40 tumour samples showed an inverse association between the number of tumour cells expressing platelet-derived growth factor alpha receptor (PDGFRa) and survival (IV). Also, a reduction was observed in the number of receptor-positive cells after malignant transformation, supporting the prognostic value of PDGFRa. Lumbar puncture was performed in eight patients with newly diagnosed low-grade gliomas to identify three important growth factors in tumour development. Neither PDGF nor vascular endothelial growth factor (VEGF) were detected in the cerebrospinal fluid (CSF), and fibroblast growth factor 2 (FGF-2) was measurable at extremely low concentrations in two of the patients (V). A proteome screening of the CSF, using two-dimensional gel electrophoresis and mass spectrometry, detected alpha 2-HS glycoprotein at significantly higher concentrations than in a control group (VI). This glycoprotein emerges as a novel substance in glioma research and may be of great interest because of its suggested involvement in the embryonic development of the neocortex.

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In the first part of this thesis, palladium(0)-catalyzed and -mediated carbonylations are discussed. Paper I describes a new method for the safe, efficient use of a solid carbon monoxide source in the synthesis of primary and secondary benzamides. In total, 35 benzamides were synthesized from aryl iodides (20 examples, 69-97% yield) and aryl bromides (15 examples, 32-93% yield). Reduction-prone groups were used successfully in the reactions. In paper II, the same protocol was adopted for the palladium(0)-catalyzed synthesis of N-cyanobenzamides from aryl iodides/bromides, carbon monoxide and cyanamide. In total, 22 N-cyanobenzamides were synthesized (42-88% yield). The radiosynthesis of [11C]N-cyanobenzamides is discussed in paper III. In total, 22 compounds were synthesized from various aryl halides in 28-79% decay corrected radiochemical yield. The protocol was then applied to the radiosynthesis of [11C]N-cyanobenzamide analogs of flufenamic acid and dazoxibene. In the second part of this thesis, compounds of interest in relation to amyloid diseases are discussed. Paper IV describes the solid-phase synthesis of BACE-1 enzyme inhibitors containing secondary and tertiary hydroxyl as the transition state isostere. In total, 22 inhibitors were synthesized. The most potent compound (IC50= 0.19 µM) was co-crystallized at the active site of the enzyme to reveal a new binding mode. In paper V, the evaluation of a potent BACE-1 inhibitor as a potential radiotracer for use in PET is described. The radiolabeled [11C]BSI-IV was obtained in 29±12% decay corrected radiochemical yield by a three-component palladium(0)-mediated aminocarbonylation. Its properties as a potential PET tracer were investigated in vitro by autoradiography and in vivo in rats using small animal PET-CT. A new class of amyloid-binding PET ligands is described in paper VI. Three polythiophenes were labeled with carbon-11 or fluorine-18 (26-43% decay-corrected radiochemical yield). The in vitro studies showed that these ligands bind specifically to amyloid deposits. In vivo PET showed low uptake in the organs of interest in healthy rats and a monkey. These results suggest the labeled thiophenes derivatives could be useful as PET tracers for the study of amyloid diseases.

Eight carriers of the A3243G mutation of mitochondrial DNA without stroke-like episodes were monitored for up to 7 years in clinical and metabolic studies, by magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET). None developed mitochondrial encephalopathy (MELAS), but 2 developed diabetes mellitus, 1 terminal kidney failure and 2 cardiomyopathy. One patient improved markedly under ubiquinone. Electroencephalography showed progressive slowing in 2 cases, but electrophysiological tests and MRI were otherwise noncontributary. PET showed widespread cortical and basal ganglion metabolic deficits in 6 cases. We conclude that internal medical complications are more common than MELAS in adult carriers of the mutation. PET findings, firstly reported in such patients, suggest that chronic subclinical encephalopathy is very frequent, and PET may play a role in monitoring in the future. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Introduction: The role of positron emission tomography (PET) with 2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose ([18F]FDG) is currently under evaluation in urologic oncology. The aim of the present study was to investigate the use of [18F]FDG positron emission tomography ([18F]FDG-PET) in the detection and treatment control of malignant germ cell tumors compared to computed tomography (CT). Materials and Methods: Thirty-two PET studies and CT scans were carried out in 23 patients with histologically proven germ cell tumors (10 seminomas, 12 non-seminomatous germ cell tumors (NSGCT), 1 unclassified serologic recurrent disease) Lugano stage I–III. The scans were done either after initial diagnosis (n = 21) and/or within 3–45 days after chemotherapy was completed (n = 11). PET and CT were validated either by histology (n = 7) or clinical follow-up of 6–11 months after the last PET study has been performed (n = 16). Sensitivity, specificity, accuracy, positive and negative predictive values were determined for PET and CT. Differences between PET and CT for parameters of diagnostic value were evaluated by =χ2 test. Results: Although not statistically significant, the sensitivity, accuracy and negative predictive value were higher for PET than for CT with respect to the detection of metastatic infradiaphragmatic and supradiaphragmatic lesions after initial diagnosis. The specificity and positive predictive value of PET and CT were comparable. After chemotherapy, PET was found to be significantly superior in specificity and accuracy compared to CT with respect to infradiaphragmatic lesions (p < 0.05). False-positive PET findings in supradiaphragmatic lesions after chemotherapy occurred in the case of inflammatory processes and resulted in a loss of specificity and accuracy compared to CT (p < 0.05). Conclusions: These preliminary results demonstrate [18F]FDG-PET to be a useful diagnostic tool for the initial staging and treatment control in patients with germ cell tumors. Possible advantages compared to CT, however, are as yet not clearly defined. The possibility of false-positive PET findings due to reactive supradiaphragmatic inflammatory processes early after chemotherapy have to be considered. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Orbitofrontal metabolic impairment is characteristic of the frontal variant of frontotemporal dementia (fv-FTD), as are early changes in emotional and social conduct. Two main types of behavioral disturbances have been distinguished in fv-FTD patients: apathetic and disinhibited manifestations. In this study, we searched for relationships between brain metabolism and presence of apathetic or disinhibited behavior. Metabolic activity and behavioral data were collected in 41 fv-FTD patients from European PET centers. A conjunction analysis of the PET data showed an expected impairment of metabolic activity in the anterior cingulate, ventromedial and orbital prefrontal cortex, the dorsolateral prefrontal cortex and the left anterior insula in fv-FTD subjects compared to matched controls. A correlation was observed between disinhibition scores on the Neuropsychiatric Inventory scale and a cluster of voxels located in the posterior orbitofrontal cortex (6, 28, –24). Comparison of brain activity between apathetic and nonapathetic fv-FTD patients from two centers also revealed a specific involvement of the posterior orbitofrontal cortex in apathetic subjects (4, 22, –22). The results confirm that the main cerebral metabolic impairment in fv-FTD patients affects areas specializing in emotional evaluation and demonstrate that decreased orbitofrontal activity is related to both disinhibited and apathetic syndromes in fv-FTD. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The rapid discovery of novel therapeutic agents, targeting the specific mechanism of cancer progression, invasion and angiogenesis, necessitates the development and validation of efficient techniques to assess the therapeutic efficacy of these drugs in vivo. Recently the development of dedicated PET scanners for the imaging of small animals, such as the microPET system (CTI Concorde R4), has allowed for the high-resolution functional and molecular imaging of murine and rodent models of disease. This study, investigates the ability of microPET imaging, using the 18F labelled 2-fluoro-2-deoxyglucose (FDG) PET tracer, to detect the therapeutic efficacy of novel targeted therapies in a rat model of glioma. This technique potentially allows for the rapid and high-throughput assessment of tumour response and evaluation of efficacy of such therapeutic agents in vivo at the pre-clinical stage and will, consequently, facilitate the translation of these novel drugs from the discovery to the clinical phases. / La découverte accélérée de nouvelles molécules thérapeutiques qui ciblent lesmécanismes de progression du cancer tels que l'invasion et l'angiogenèse, nécessite lamise au point et la validation de techniques efficaces qui permettent d'évaluer l'efficacitéthérapeutique de ces agents in vivo. Le développement récent des scanners detomographie à émission de positron (TEP) dédiés à l'imagerie de petits animaux(microPET, CT! Concorde R4), permet aujourd'hui d'obtenir une image fonctionnelle etmoléculaire de haute résolution des modèles rongeurs. Cette étude s'intéresse au potentieldu 18F-2-fluoro-2-deoxyglucose (FDG) en utilisant l'imagerie microPET dansl'évaluation de l'efficacité de nouveaux agents thérapeutiques dans un modèle de gliomechez le. rat. Cette technique pourrait éventuellement mener à une évaluation rapide et àgrande échelle de la réponse tumorale, ainsi que la mesure de l'efficacité d'agentsthérapeutiques in vivo au stade d'étude préclinique. Globalement, cette étude a pour butde faciliter la transition entre la découverte de nouvelles molécules thérapeutiques et leursapplications cliniques.

The dopamine D2 receptor exists in vitro in two states of agonist affinity: a high-affinity state mediating dopamine’s physiological effects, and a physiologically-inert low-affinity state. Our primary goal was to determine the in vivo relevance of this two-affinity-state model for the agonist PET radiotracer [11C]-(+)-PHNO, developed for measurement of the D2 high-affinity state. Our second goal was to characterize the regional D2 versus D3 pharmacology of [3H]-(+)-PHNO binding and assess its utility for measuring drug occupancy at both receptor subtypes. Using ex vivo dual-radiotracer experiments in conscious rats, we showed that, contrary to the two-affinity-state model, the binding of [11C]-(+)-PHNO and the antagonist [3H]-raclopride were indistinguishably inhibited by D2 partial agonist (aripiprazole), indirect agonist (amphetamine) and full agonist ((-)-NPA) pretreatment. Furthermore, ex vivo [11C]-(+)-PHNO binding was unaffected by treatments that increase in vitro high-affinity state density (chronic amphetamine, ethanol-withdrawal), whereas unilateral 6-OHDA lesion, which increases total D2 receptor expression, similarly increased the ex vivo binding of [11C]-(+)-PHNO and [3H]-raclopride. These results do not support the in vivo validity of the two-affinity-state model, suggesting instead a single receptor state for [11C]-(+)-PHNO and [3H]-raclopride in conscious rat. Importantly, we also demonstrated that the increased amphetamine-sensitivity of the agonist radiotracers [11C]-(+)-PHNO and [11C]-(-)-NPA, commonly seen in isoflurane-anaesthetized animals and cited as evidence for the two-affinity-state model, is due to the confounding effects of anaesthesia. Using in vitro and ex vivo autoradiography in rat and the D3 receptor-selective drug SB277011, we found that [3H]-(+)-PHNO binding in striatum and cerebellum lobes 9 and 10 was due exclusively to D2 and D3 receptor binding, respectively, but in other extra-striatal regions to a mix of the two receptor subtypes. Surprisingly, the D3 contribution to [3H]-(+)-PHNO binding was greater ex vivo than in vitro. Also surprising, several antipsychotic drugs, at doses producing 80% D2 occupancy, produced insignificant (olanzapine, risperidone, haloperidol) or small (clozapine, ~35%) D3 occupancy, despite similarly occupying both receptor subtypes in vitro. These data reveal a significant discrepancy between in vitro and ex vivo measures of dopamine receptor binding and suggest that the D3 occupancy is not necessary for the therapeutic effect of antispychotic drugs.

Im Kontext komplexer zellulärer Prozesse stellen Phosphopeptide essentielle bioaktive Verbindungen dar, die mit Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsreaktionen eng verbunden sind. Diese Prozesse sind in die Regulation nahezu jeder zellulären Funktion involviert und spielen damit ebenso im Falle von Erkrankungen eine tragende Rolle. Synthetische Phosphopeptide könnten in Form molekularer Sonden zur Charakterisierung dieser physiologisch fundamentalen Prozesse beitragen. Die radiopharmazeutische Forschung brachte in den letzten zwei Jahrzehnten zahlreiche radiomarkierte Peptide für das Peptidrezeportargeting im Rahmen der Tumordiagnose und -therapie hervor. Unter diesen regulatorischen Peptiden mit vorwiegend neuroendokrinem Ursprung sind bisher keine radiomarkierten Phosphopeptide für die Anwendung in der molekularen Bildgebung bekannt. Das Anliegen dieser Arbeit ist es, grundlegende Erkenntnisse zur Synthese und Markierung von Phosphopeptiden zu erlangen. Neben der Etablierung der Radiomarkierung von Phosphopeptiden mit dem kurzlebigen Positronenstrahler Fluor-18 und deren radiopharmakologischen Charakterisierung steht auch die Fluoreszenzmarkierung mit dem Fluorophor 5(6)-Carboxyfluorescein (CF) im Fokus. Phosphopeptidliganden der kürzlich identifizierten Polo-Box-Domäne (PBD) als Phosphopeptid-bindende Proteindomäne der Zellzykluskinase Plk1, die ebenso ein interessantes onkologisches Target darstellt, wurden für diese Arbeit als Model ausgewählt. Es stand ein Repertoire verschiedenster Methoden zur Verfügung, welche molekulare Bildgebung mittels Kleintier-PET, wie auch optische Bildgebung und die Radiomarkierung mittels klassischer und Mikrofluidik-Technik beinhalten. Im ersten Abschnitt der Promotion wurden kürzlich vorgestellte Plk1-PBD-gerichtete Phosphopeptide mit einer Ser-pThr-Kernsequenz ausgewählt und deren Darstellung mit der Fmoc-gestützten orthogonalen Festphasenpeptidsynthese (SPPS) vollzogen. Dabei erfolgt die Umsetzung nach dem Prinzip des Synthon-basierten Ansatzes, der den Einsatz des monobenzylierten Phosphothreonin-Bausteines involviert. Das Uronium-basierte Kupplungs- und Aktivierungsreagenz HBTU/HOBt/DIPEA, sowie das Abspaltreagenz TFA/Wasser/Thioanisol/EDT als eine modifizierte Variante des Reagenz K garantiert die zuverlässige Synthese von Phosphopeptiden unter Erhalt der Phosphatfunktion. Zur Charakterisierung der Peptide wurden HPLC und Massenspektrometrie als geeignete Methoden herangezogen. An die erfolgreiche Darstellung von Phosphopeptiden schloss sich im Weiteren die Ausarbeitung einer zuverlässigen Radiomarkierungsstrategie mit dem kurzlebigen Positronenstrahler Fluor-18 an. Das bifunktionelle, aminogruppenselektive Agenz N-Succinimidyl-4-[18F]fluorbenzoat ([18F]SFB) ist für eine indirekte und milde Markierung von Peptiden geeignet. Durch Optimierung der N-terminalen 18F-Fluorbenzoylierung des Phosphopeptides MQSpTPL 2 hinsichtlich der Verwendung eines 0,05 M Na2HPO4-Puffers (pH 9) als Reaktionsmedium bei geringer Peptidmenge (0,5 mg), sowie 40°C Reaktionstemperatur und 30 min Reaktionszeit kann das 18F-markierte Phosphopeptid [18F]FBz-MQSpTPL [18F]4 in guten radiochemischen Ausbeuten von 25-28%, mit entsprechender radiochemischer Reinheit >95% mittels HPLC-Reinigung und guter spezifischer Aktivität (20-40 GBq/µmol) hergestellt werden. Der Einsatz von Peptiden ist für die molekulare Bildgebung besonders attraktiv, jedoch oftmals durch ihre Instabilität in vivo, ausgelöst durch ubiquitär vorhandene endogene Peptidasen, limitiert. Beispielsweise besitzt ein N-terminal 18F-fluorbenzoyliertes Neurotensin(8-13) eine biologische Halbwertszeit von weniger als 5 min in vivo. Mit dem neuartigen 18F-markierten Phosphopeptid [18F]FBz-MQSpTPL [18F]4 wurde ein Peptid geschaffen, das in vitro und besonders in vivo außerordentlich hohe Stabilität von > 50% nach 60 min aufweist und damit wegweisende Eigenschaften für die Entwicklung neuer stabiler Radiopeptide für die molekulare Bildgebung aufzeigt. Da Phosphopeptiden aufgrund ihrer negativgeladenen Phosphatfunktionalität ein intrazellulärer Zugang verwehrt bleibt, wie auch in dieser Arbeit an den Tumorzelllinien HT-29 und FaDu nachgewiesen wurde, steht die Realisierung einer verbesserten intrazellulären Internalisierung von Phosphopeptiden im Blickfeld des zweiten Teils der Promotion. Der Versuch einer gezielten Zellaufnahme über rezeptorinternalisierende Peptide wurde mit dem Neuropeptidhormon Neurotensin(8-13) (NT(8-13)), welches über einen G-Protein-gekoppelten Mechanismus in die Zelle gelangt, beschritten. Jedoch zeigte ein Triazol-verbrücktes Konjugat 8 aus NT(8-13) als molekularer Transporter und dem Phosphopeptid MQSpTPL 2, welches auf Basis der Azid-Alkin-Click-Chemie synthetisiert wurde, anhand seiner niedrigen Bindungsaffinität (IC50 = 8,33 µM) kein Potential zu einer erfolgreichen Zellinternalisierung des Phosphopeptides. Vermittler eines rezeptorunabhängigen molekularen Zelltransportes stellen zellpenetrierende Peptide (CPP) dar. Versuche mit den derzeit kürzesten CPPs, den zellpenetrierenden Pentapeptiden (CPP5) oder auch Bax-Inhibitoren genannt, waren nicht erfolgreich. Zwei weitere, in dieser Arbeit verwendete, potente CPPs sind sC18, abgeleitet aus dem antimikrobiellen Peptid Cathelicidin, sowie hCT(18-32)-k7, einem verzweigten Calcitonin-Derivat. Mit den Phosphopeptid-CPP-konjugierten Verbindungen MQSpTPL-sC18 2-CPP1 und MQSpTPL-hCT(18-32)-k7 2-CPP2 wurden nicht-toxische Konstrukte geschaffen, die eine definierte Aufnahme in HeLa, MCF-7 und HT-29 Zellen aufweisen, wie nach Markierung mit dem Fluoreszenzfarbstoff 5(6)-Carboxfluorescein (CF) mittels optischer Bildgebung nachgewiesen werden konnte. Die Integration und Anwendung der Mikrofluidik-Technik im Rahmen der Darstellung der N-terminal 18F-fluorbenzoylierten Phosphopeptid-CPP-Konjugate [18F]FBz-MQSpTPL-sC18 [18F]2-CPP3 und [18F]FBz-MQSpTPL-hCT(18-32)-k7 [18F]2-CPP4 weist im Vergleich zur konventionellen Radiomarkierung entscheidende Vorteile auf. In Anwesenheit der für die [18F]SFB-Markierung reaktiven ε-NH2-Gruppen in den CPP-Fragmenten zeichnet sich im Rahmen der mikrofluiden Markierung entscheidende Selektivität für den N-Terminus der Peptide ab. Die radiochemischen Markierungsausbeuten betragen 21% für [18F]2-CPP3 und 26% für [18F]2-CPP4, im Vergleich zu 2-4% für [18F]2-CPP3 und [18F]2-CPP4 bei klassischer Markierung. In Zellaufnahmestudien wurde ebenfalls eine Internalisierung der 18F-markierten Konjugate in FaDu, HT-29 und MCF-7 Zellen bestätigt, die in allen drei Zelllinien vergleichbar ist und um 40% ID/mg Protein liegt. Wie auch das 18F-markierte Hexaphosphopeptid selbst in Wistar-Unilever-Ratten, zeigten die 18F-markierten Phosphopeptid-CPP-Konjugate in Kleintier-PET-Untersuchungen in Balb/C-Mäusen (Normaltiere) die für ein radiomarkiertes Peptid typische Bioverteilung. Hierbei ist eine renale Exkretion eingeschlossen. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, erstmals 18F-markierte Phosphopeptide mit zellpenetrierenden Eigenschaften für die molekulare Bildgebung zu entwickeln. Diese neuen zellpenetrierenden Phosphopeptide stehen für die Untersuchung intrazellulärer Prozesse, die auf Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungsprozessen basieren, zur Verfügung.