La surexpression de récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) dans certains cancers est mise à profit en médecine nucléaire pour développer des radioligands capables de diagnostiquer la présence de tumeurs. A titre d’exemple, des analogues de la somatostatine marqués à l’indium-111 (111In-OctreoScan) sont utilisés pour le diagnostic de tumeurs neuroendocrines. L’urotensine II (UII), qui présente des homologies structurales avec la somatostatine, est considérée comme le neuropeptide vasoactif le plus puissant découvert à ce jour. L’UII interagit avec un unique RCPG de très haute affinité appelé UT, classiquement couplé à la voie Gαq/PLC/IP3/Ca2+. L’UII exerce notamment des activités pro-mitotiques et chémoattractantes et une expression élevée de l'UT a été rapportée dans plusieurs types de tumeurs solides humaines provenant des poumons, de l'intestin, de la prostate ou du sein. Ces données suggèrent que l'UT pourrait être une cible prometteuse pour concevoir des analogues urotensinergiques radiomarqués à finalités diagnostiques voire thérapeutiques. Deux analogues urotensinergiques capables de lier des isotopes radioactifs (le DOTA-UII et le DOTA-urantide) ont été synthétisés et radiomarqués avec succès avec l’111In. L'incubation de l’111In-DOTA-UII dans du plasma humain a révélé que seulement 30% du radioligand étaient dégradés après 3 heures d’incubation. L'administration de concentrations croissantes de DOTA-UII et de DOTA-urantide sur des cellules HEK-293 exprimant l'UT induit une augmentation dose-dépendante de la concentration cytosolique de calcium, avec une puissance et une efficacité similaires à celles obtenues avec l'UII (EC50: 1,26 10-8 M et 2,09 10-8 M, UII et DOTA-UII, respectivement) et urantide (EC50: 1,82 10-8 M et 1,52 10-8 M, urantide et DOTA-urantide, respectivement). Alors que la fixation sur l’UT du DOTA-UII ou l’UII entraîne l'internalisation du complexe ligand-récepteur (ELISA et immunocytochimie) dans les cellules HEK-293 exprimant l'UT, l’urantide et le DOTA-urantide restent inactifs. L'injection intraveineuse de l’111In-DOTA-UII chez des souris C57BL/6 a révélé un léger signal principalement restreint dans les reins, indiquant une clairance rapide du peptide. Des résultats similaires ont été obtenus avec des souris dont le gène codant l’UT a été invalidé (mUTS2R-/-) ou des souris exprimant constitutivement la forme humaine de l’UT (mUTS2R-/- hUTS2R+/+). Enfin, l’111In-DOTA-UII a été injecté chez des souris Nudes porteuses de xénogreffes hétérotopiques de cellules humaines A549 (adénocarcinome pulmonaire) ou DLD-1 (adénocarcinome colorectal), exprimant fonctionnellement l’UT, comme nous l’avons préalablement vérifié par analyses western blot, par immunohistochimie et par des tests de migration/prolifération cellulaire. Dans les deux cas, l'imagerie TEMP/TDM n'a toutefois pas révélé de signal exploitable dans les tumeurs, suggérant que la clairance du radioligand est trop importante pour permettre l'accumulation du radiotraceur et la détection des tumeurs. L’ensemble de nos résultats démontre que la conjugaison de DOTA dans les analogues urotensinergiques n'altère pas l'activation de l'UT. Cependant, d'autres investigations sont nécessaires pour diminuer la clairance rénale et améliorer l'imagerie tumorale et ainsi permettre, à terme, de concevoir des radioligands urotensinergiques à finalités diagnostiques voire théranostiques. / Overexpression of G protein-coupled receptors (GPCRs) in tumor is widely used to develop GPCR-targeting radioligands for solid tumor imaging. For example, somatostatin analogue labeled with 111Indium (111In-OctreoScan) is used for the diagnosis of neuroendocrine tumors. The vasoactive neuropeptide urotensin II (UII), which shares structural analogies with somatostatin, interacts with a single high affinity GPCR named UT. High expression of UT has been reported in several types of human solid tumors from lung, gut, prostate or breast, suggesting that UT is a valuable target to design radiolabeled UII analogues for cancer diagnosis. Two urotensinergic analogues (DOTA-UII and DOTA-urantide) both containing the DOTA chelating group capable of complexing radioactive metal isotopes have been synthetized and radiolabeled with 111Indium. Incubation of 111In-DOTA-UII in human plasma revealed that only 30% of the radioligand was degraded after a 3h incubation period. Administration of graded concentrations of both DOTA-UII and DOTA-urantide in the vicinity of HEK293 cells expressing UT induced a dose-dependent increase in cytosolic calcium concentration, with similar potency and efficacy to that obtained with UII and urantide. These results demonstrated that conjugation of DOTA in urotensinergic analogues did not affect UT activation. DOTA-UII was also able to promote UT internalization in HEK293 cells expressing UT, while DOTA-urantide was ineffective. Intravenous injection of 111In-DOTA-UII in C57BL/6 mice revealed a slight signal mostly restricted in kidney, and similar results were obtained with knock-out mice or constitutively expressing human UT mice. Finally, 111In-DOTA-UII was injected into nude mice bearing heterotopic xenografts of human A549 cells (lung adenocarcinoma) or DLD-1 cells (colorectal adenocarcinoma) both expressing functional UT. In both cases, SPECT-CT imaging showed the absence of tumor uptake and significant renal and bladder uptakes, suggesting fast tracer clearance from the organism. However, further investigations will be necessary to decrease renal clearance and to improve tumor imaging.

Der Programmed Death-Ligand 1 (PD-L1) wird von verschiedenen Tumorentitäten überexprimiert und hemmt durch die Bindung an das auf T-Zellen vorkommende Programmed Cell Death Protein (PD-1) die Immunantwort. Immuncheckpoint-Inhibitoren sind in der Lage, diese Blockade aufzubrechen und die Immunantwort zu reaktivieren. Auf eine solche Monotherapie sprechen aber nur etwa 30 % der Patienten an, sodass klinischer Bedarf an nichtinvasiven, bildgebenden Diagnosemethoden besteht. Eine Möglichkeit stellen Radioliganden für die nichtinvasive Bildgebung mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (SPECT) dar, welche einen Therapieerfolg prognostizieren könnten. Die vorliegende Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Synthese einer neuen Klasse von PD-L1-adressierenden Radioliganden sowie deren biologischer Evaluierung in Zellen (in vitro) und in Kleintieren (in vivo). Nach der Identifikation von drei hochaffinen PD-L1-Inhibitoren in der Patentliteratur, wurden zunächst diese als Referenzverbindungen in einer neuen, konvergenten Synthesestrategie dargestellt. Diese ermöglichte nicht nur eine höhere Gesamtausbeute der Substanzen, sondern erlaubte auch dank des modularen Aufbaus den einfachen Zugang zu einer großen Substanzbibliothek an PD-L1-Radioliganden. Mithilfe einer Kokristallstruktur aus PD-L1 und einem Inhibitor wurden Modifikationen des Inhibitors für eine Transformation in einen Radioliganden geplant. Zur Erhöhung der Hydrophilie der Substanzen wurden löslichkeitsvermittelnde Gruppen (Sulfon-/Phosphonsäuren) in dem Molekülteil eingeführt, welcher in der „Solvent-Exposed-Region“ des Proteins lokalisiert ist. Funktionalisierung des Bindungsmotivs mit einem Alkin erlaubte die Einführung eines Linker-Chelator-Konstruktes mittels kupferkatalysierter Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) zur Komplexierung des Radiometalls. In der ersten Generation an PD-L1-Radioliganden wurden zwei Bindungsmotive und drei verschiedenen Linker erprobt, sodass nach Konjugation mit dem DOTA-Chelator sechs PD-L1-Radioliganden zur Verfügung standen. Nach erfolgreicher Radiomarkierung mit 64Cu, 68Ga und 177Lu erfolgten mit den 64Cu-markierten Radioliganden Bindungsaffinitätsbestimmungen in einem Sättigungsbindungsassay (Zugabe von 2,5 % BSA im Medium) an transduzierten PC3 PD-L1-Zellen. Dabei erwies sich [64Cu]Cu-62 mit Dimethylbiphenyl als Bindungsmotiv und Piperazinpropyl als Linker mit einem KD-Wert von 60 nM als der vielversprechendste Radiotracer, sodass dieses Bindungsmotiv als Grundlage für die folgenden Radioliganden dienen sollte. Nach bestätigter In-vitro-Stabilität der Radioliganden in verschiedenen Medien (PBS, Humanserum, gegenüber Lebermikrosomen), wurden für alle sechs Verbindungen aus der ersten Generation µPET-Aufnahmen in tumortragenden Mäusen durchgeführt. Die Aufnahmen zeigten eine geringe Akkumulation im PD-L1-positiven Tumor, eine hepatobiliäre Ausscheidung trotz niedriger log D7,4-Werten von –2,73 bis –3,50 und für kleine Moleküle ungewöhnlich lange Zirkulationszeiten. Diese konnten mit Gelelektrophorese und Größenausschlusschromatographie auf eine ausgeprägte Albuminbindung der Radioliganden zurückgeführt werden. In Echtzeit-Radioliganden-Bindungsversuchen mittels LigandTracer® konnten für die meisten Radioliganden einstellige, nanomolare KD-Werte erzielt werden. In Abwesenheit von Albumin zeigen diese Bindungsaffinitäten mit hoher Wahrscheinlichkeit die reine Bindung an PD-L1. Um die Tumoraufnahme zu erhöhen, wurden für die PD-L1-Radioliganden der zweiten Generation die funktionelle Gruppe am Pyridinring und das Halogen am zentralen Aromaten ausgetauscht. Trotz höherer KD-Werte in Sättigungsbindungsversuchen zeigten die µPET-Aufnahmen eine erhöhte Tumoraufnahme für das Brom- ([64Cu]Cu-115) und Iodderivat ([64Cu]Cu-116), vermutlich aufgrund höherer Bmax-Werte. Um eine Transchelatierung zu vermeiden, wurde für die PD-L1-Radioliganden der dritten Generation DOTA gegen NODA-GA als Chelator ausgetauscht. Außerdem wurde auf eine Verbesserung des pharmakokinetischen Profils abgezielt: Mittels Einführung von weiteren Sulfonsäuren und deren partiellen Austausch durch Phosphonsäuren sollte zum einen die Albuminbindung verringert und zum anderen die renale Ausscheidung begünstigt werden. Die sechs Radioliganden mit bis zu vier Sulfon-/Phosphonsäuren zeigten, abhängig von der Art und Anzahl der löslichkeitsvermittelnden Gruppe, stark unterschiedliche pharmakokinetische Profile. Dabei überzeugte der Radioligand [64Cu]Cu-148 mit einem KD-Wert von 94 nM im Sättigungsbindungsversuch und einem log D7,4-Wert von –3,80 insbesondere in der µPET-Bildgebung: Größtenteils renale Ausscheidung, moderate Tumoraufnahme (SUVmax = 3,5) und ausgeprägtes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis zum PD-L1-negativen Tumor. Die vierte Generation sollte das wünschenswerte pharmakokinetische Profil des Radioliganden [64Cu]Cu-148 mit den höheren Bmax-Werten der Radioliganden der zweiten Generation kombinieren. Die µPET-Aufnahmen zeigten für alle vier synthetisierten Radioliganden sehr geringe Tumoraufnahmen, dafür ein unerwartetes pharmakokinetisches Profil mit hoher Leberaufnahme – trotz niedriger log D7,4-Werte – und eine Akkumulation in Knochen/Knochenmark und Gelenken. Es wird vermutet, dass es trotz des räumlichen Abstandes der beiden Phosphonsäuren zu einer Ca2+-vermittelten Knochenanreicherung und/oder einer Bindung an anderen biologischen Strukturen wie Makrophagen kommt. Dank des modularen Aufbaus und der Einführung einer Alkin-Funktionalität wird über 18F-prosthetische Gruppen ein einfacher Zugang zu 18F-Radioliganden mittels CuAACReaktionen eröffnet, für welche bereits 19F-Referenzverbindungen und Markierungsvorläufer synthetisiert wurden. Nach weiteren Optimierungen des pharmakokinetischen Profils und damit kürzeren Zirkulationszeiten soll dies zukünftig den Zugang zu vielversprechenden 18F-Radiotracern ohne Chelator-Linker-Einheit ermöglichen.