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In dieser Arbeit wird über die Entwicklung von neuartigen PET-Tracern für die In-vivo-Bildgebung von Cystein-Cathepsinen, Lysyloxidasen und Transglutaminase 2 als tumorassoziierte Matrix-modifizierende Enzyme berichtet. Dies beinhaltet im Einzelnen die Identifikation von Leitverbindungen, die Synthese und biochemische Charakterisierung von Analoga, die Etablierung von Methoden für deren Radiomarkierung sowie radiopharmakologische Untersuchungen auf molekularer, zellulärer und organismischer Ebene. In Kapitel 1 dieser Habilitationsschrift wird zunächst auf die Bedeutung der extrazellulären Matrix für die Tumorprogression eingegangen, wobei auch der Entwicklungsstatus Matrix-gerichteter Bildgebungssonden gestreift wird. Da die Hemmung der genannten Enzyme über die bildgebende funktionelle Diagnostik von Tumoren hinaus großes Potential im Hinblick auf die Pharmakotherapie neoplastischer Erkrankungen aufweist, wurde am Schluss von Kapitel 1 ebenso die generelle Bedeutung der PET- und SPECT-Bildgebung für den Prozess der Arzneistoffentwicklung dargelegt, da eine weitere Motivation dieser Arbeit in der Entwicklung von Sonden zur bildgebungsgestützten Therapie lag. Im Kapitel 2 wird eine Übersicht über strukturelle und funktionelle Aspekte der aufgeführten Matrix-modifizierenden Enzyme unter besonderer Berücksichtigung ihrer jeweiligen Funktion im Tumorgeschehen gegeben. Daran anschließend wird in den Kapiteln 3 und 4 der Stand zur Entwicklung von Inhibitoren bzw. Bildgebungssonden für diese Enzyme im Überblick dargestellt. Die Ergebnisse der Arbeit werden im Kapitel 5 präsentiert, wobei die sich Gliederung dieses Kapitels an den publizierten Arbeiten orientiert, die in diese kumulative Habilitationsschrift Eingang gefunden haben. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um eine Kurzdarstellung der veröffentlichten Originalartikel, die durch weiterführende Aspekte ergänzt wurden, um den Bezug zwischen den einzelnen Arbeiten herzustellen. Kapitel 6 gibt eine kurze Gesamtzusammenfassung der Arbeit, an das Literaturverzeichnis in Kapitel 7 schließt sich mit Kapitel 8 die kumulative Zusammenstellung der zum Thema der Arbeit vom Autor veröffentlichten Zeitschriftenartikel an.:Vorbemerkungen und Zielstellung 1 1. Einführung 3 1.1. Bedeutung der extrazellulären Matrix für die Tumorprogression 3 1.2. Radiomarkierte Sonden zur Bildgebung der tumorassoziierten extrazellulären Matrix 14 1.3. Bedeutung der radiotracerbasierten Bildgebung in der Wirkstoffentwicklung 19 2. Strukturelle und biochemische Aspekte von Matrix-modifizierenden Enzymen: Cystein-Cathepsine, Lysyloxidasen und Transglutaminase 2 24 2.1. Cystein-Cathepsine 24 2.2. Funktionen von Cystein-Cathepsinen in der Tumorprogression 27 2.3. Lysyloxidasen 32 2.4. Funktionen von Lysyloxidasen in der Tumorprogression 36 2.5. Transglutaminase 2 42 2.6. Funktionen der Transglutaminase 2 in der Tumorprogression 46 3. Stand der Entwicklung von Inhibitoren der betrachteten Matrix-modifizierenden Enzyme 50 3.1. Inhibitoren von Cystein-Cathepsinen 50 3.2. Inhibitoren von Lysyloxidasen 61 3.3. Inhibitoren der Transglutaminase 2 64 4. Stand der Entwicklung von Bildgebungssonden für die betrachteten Matrix-modifizierenden Enzyme 70 4.1. Sonden für Cystein-Cathepsine 70 4.2. Sonden für Lysyloxidasen 74 4.3. Sonden für die Transglutaminase 2 76 5. Eigene Arbeiten zur Entwicklung von Radiotracern einschließlich der Identifikation, Synthese und Evaluierung geeigneter Liganden zur Bildgebung der vorgestellten Targetklassen 80 5.1. Entwicklung zu Cystein-Cathepsine 80 5.1.1. Auswahl der Leitverbindungen 80 5.1.2. Synthese und radiopharmakologische Charakterisierung eines 18F-markierten Azadipeptidnitrils 81 5.1.3. Synthese und radiopharmakologische Charakterisierung eines 11C-markierten Azadipeptidnitrils 87 5.1.4. Cyanohydrazide als potentielle chemoselektive Markierungsbausteine 91 5.1.5. Zusammenfassung und Ausblick 94 5.2. Lysyloxidasen 95 5.2.1. Auswahl der Leitverbindungen 95 5.2.2. Entwicklung einer Methode zur regioselektiven Markierung von Peptiden mit Fluor-18 97 5.2.3. Synthese und Konformationsanalyse eines N-Telopeptid-abgeleiteten Cyclopeptids 103 5.2.4. Radiopharmakologische Charakterisierung von N-Telopeptid-abgeleiteten Peptiden im Melanom-Xenograft-Mausmodell 109 5.2.5. Radiopharmakologische Charakterisierung eines N-Telopeptid-abgeleiteten Peptides in murinen Mammakarzinommodellen 114 5.2.6. Zusammenfassung und Ausblick 118 5.3. Transglutaminase 2 121 5.3.1. Auswahl der Leitverbindungen 121 5.3.2. Entwicklung von Assaymethoden und Synthese der dafür benötigten Substratverbindungen 123 5.3.3. Synthese und in-vitro-pharmakologische Charakterisierung von Nε-Acryloyllysinpiperaziden als irreversible Inhibitoren 137 5.3.4. 18F-Markierung und radiopharmakologische Charakterisierung eines Nε-Acryloyllysinpiperazids als aktivitätsbasierte Sonde 152 5.3.5. Zusammenfassung und Ausblick 167 6. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen / Summary and Conclusions 171 7. Literaturverzeichnis 177 8. Kumulative Zusammenstellung der publizierten Arbeiten 243 8.1. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung Cystein-Cathepsin-gerichteter Radiotracer und Cyanohydraziden als potentielle Markierungsbausteine 243 8.1.1. Übersichtsartikel: “Cysteine cathepsins: their role in tumor progression and recent trends in the development of imaging probes” 243 8.1.2. Originalartikel: “Synthesis and Radiopharmacological Characterisation of a Fluorine-18-Labelled Azadipeptide Nitrile as a Potential PET Tracer for in vivo Imaging of Cysteine Cathepsins” 280 8.1.3. Originalartikel: “Synthesis and Radiopharmacological Characterisation of an 11C‐labelled azadipeptide nitrile as potential PET tracer for imaging of cysteine cathepsins” 304 8.1.4. Originalartikel: “Synthesis and X-ray Crystal Structure of N’-Cyano-N,N’-dimethyl-4-nitrobenzohydrazide” 319 8.2. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung Lysyloxidase-gerichteter Radiotracer und zur selektiven 18F-Markierung Lysin-enthaltender Peptide 328 8.2.1. Originalartikel: “Site-selective radiolabeling of peptides by 18F-fluorobenzoylation with [18F]SFB in solution and on solid phase: a comparative study” 328 8.2.2. Originalartikel: “Synthesis, 18F-labelling and radiopharmacological characterisation of the C-terminal 30mer of Clostridium perfringens enterotoxin as a potential claudin-targeting peptide” 350 8.2.3. Originalartikel: “Cyclopeptides containing the DEKS motif as conformationally restricted collagen telopeptide analogues: synthesis and conformational analysis” 388 8.2.4. Originalartikel: “ Evaluation of Fluorine-18-Labeled α1(I)-N-Telopeptide Analogs as Substrate-Based Radiotracers for PET Imaging of Melanoma-Associated Lysyl Oxidase” 428 8.2.5. Originalartikel: “Targeting lysyl oxidase for molecular imaging in breast cancer” 453 8.3. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung von TGase 2-gerichteten Radiotracern sowie von Substratverbindungen und Assaymethoden für dieses Enzym 470 8.3.1. Übersichtsartikel: “Tissue transglutaminase: An emerging target for therapy and imaging” 470 8.3.2. Originalartikel: ”Synthesis and Kinetic Characterisation of Water‐Soluble Fluorogenic Acyl Donors for Transglutaminase 2“ 487 8.3.3. Originalartikel: “Solution-phase synthesis of the fluorogenic TGase 2 acyl donor Z-Glu(HMC)-Gly-OH and its use for inhibitor and amine substrate characterisation” 543 8.3.4. Originalartikel: “A fluorescence anisotropy-based assay for determining the activity of tissue transglutaminase” 562 8.3.5. Originalartikel: “Nε-Acryloyllysine Piperazides as Irreversible Inhibitors of Transglutaminase 2: Synthesis, Structure–Activity Relationships, and Pharmacokinetic Profiling” 589 / This work reports on the development of novel PET tracers for in vivo imaging of cysteine cathepsins, lysyl oxidases and transglutaminase 2 as tumour-associated matrix-modifying enzymes. Specifically, this includes the identification of lead compounds, the synthesis and biochemical characterisation of analogues, the establishment of methods for their radiolabelling, and radiopharmacological studies at the molecular, cellular and organismal levels. Chapter 1 of this habilitation thesis first discusses the importance of the extracellular matrix for tumour progression: In addition, the development status of matrix-directed imaging probes is reviewed. Since the inhibition of the aforementioned enzymes has great potential beyond the imaging functional diagnosis of tumours with regard to the pharmacotherapy of neoplastic diseases, the general importance of PET and SPECT imaging for the drug development process was also outlined at the end of chapter 1, since a further motivation of this thesis was provided by the potential use of probes for imaging-assisted therapy. In chapter 2, an overview of structural and functional aspects of the listed matrix-modifying enzymes is given with particular reference to their respective function in tumour processes. This is followed by an overview of the status of the development of inhibitors and imaging probes for these enzymes in chapters 3 and 4. The results of the work are presented in chapter 5, whereby the structure of this chapter is oriented towards the published work that has found its way into this cumulative habilitation thesis. This chapter is essentially a brief presentation of the original published articles, supplemented by further aspects to establish the relationship between the individual papers. Chapter 6 provides a brief overall summary of the thesis, and the bibliography in Chapter 7 is followed by Chapter 8, which provides a cumulative compilation of the journal articles published by the author on the topic of the thesis.:Vorbemerkungen und Zielstellung 1 1. Einführung 3 1.1. Bedeutung der extrazellulären Matrix für die Tumorprogression 3 1.2. Radiomarkierte Sonden zur Bildgebung der tumorassoziierten extrazellulären Matrix 14 1.3. Bedeutung der radiotracerbasierten Bildgebung in der Wirkstoffentwicklung 19 2. Strukturelle und biochemische Aspekte von Matrix-modifizierenden Enzymen: Cystein-Cathepsine, Lysyloxidasen und Transglutaminase 2 24 2.1. Cystein-Cathepsine 24 2.2. Funktionen von Cystein-Cathepsinen in der Tumorprogression 27 2.3. Lysyloxidasen 32 2.4. Funktionen von Lysyloxidasen in der Tumorprogression 36 2.5. Transglutaminase 2 42 2.6. Funktionen der Transglutaminase 2 in der Tumorprogression 46 3. Stand der Entwicklung von Inhibitoren der betrachteten Matrix-modifizierenden Enzyme 50 3.1. Inhibitoren von Cystein-Cathepsinen 50 3.2. Inhibitoren von Lysyloxidasen 61 3.3. Inhibitoren der Transglutaminase 2 64 4. Stand der Entwicklung von Bildgebungssonden für die betrachteten Matrix-modifizierenden Enzyme 70 4.1. Sonden für Cystein-Cathepsine 70 4.2. Sonden für Lysyloxidasen 74 4.3. Sonden für die Transglutaminase 2 76 5. Eigene Arbeiten zur Entwicklung von Radiotracern einschließlich der Identifikation, Synthese und Evaluierung geeigneter Liganden zur Bildgebung der vorgestellten Targetklassen 80 5.1. Entwicklung zu Cystein-Cathepsine 80 5.1.1. Auswahl der Leitverbindungen 80 5.1.2. Synthese und radiopharmakologische Charakterisierung eines 18F-markierten Azadipeptidnitrils 81 5.1.3. Synthese und radiopharmakologische Charakterisierung eines 11C-markierten Azadipeptidnitrils 87 5.1.4. Cyanohydrazide als potentielle chemoselektive Markierungsbausteine 91 5.1.5. Zusammenfassung und Ausblick 94 5.2. Lysyloxidasen 95 5.2.1. Auswahl der Leitverbindungen 95 5.2.2. Entwicklung einer Methode zur regioselektiven Markierung von Peptiden mit Fluor-18 97 5.2.3. Synthese und Konformationsanalyse eines N-Telopeptid-abgeleiteten Cyclopeptids 103 5.2.4. Radiopharmakologische Charakterisierung von N-Telopeptid-abgeleiteten Peptiden im Melanom-Xenograft-Mausmodell 109 5.2.5. Radiopharmakologische Charakterisierung eines N-Telopeptid-abgeleiteten Peptides in murinen Mammakarzinommodellen 114 5.2.6. Zusammenfassung und Ausblick 118 5.3. Transglutaminase 2 121 5.3.1. Auswahl der Leitverbindungen 121 5.3.2. Entwicklung von Assaymethoden und Synthese der dafür benötigten Substratverbindungen 123 5.3.3. Synthese und in-vitro-pharmakologische Charakterisierung von Nε-Acryloyllysinpiperaziden als irreversible Inhibitoren 137 5.3.4. 18F-Markierung und radiopharmakologische Charakterisierung eines Nε-Acryloyllysinpiperazids als aktivitätsbasierte Sonde 152 5.3.5. Zusammenfassung und Ausblick 167 6. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen / Summary and Conclusions 171 7. Literaturverzeichnis 177 8. Kumulative Zusammenstellung der publizierten Arbeiten 243 8.1. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung Cystein-Cathepsin-gerichteter Radiotracer und Cyanohydraziden als potentielle Markierungsbausteine 243 8.1.1. Übersichtsartikel: “Cysteine cathepsins: their role in tumor progression and recent trends in the development of imaging probes” 243 8.1.2. Originalartikel: “Synthesis and Radiopharmacological Characterisation of a Fluorine-18-Labelled Azadipeptide Nitrile as a Potential PET Tracer for in vivo Imaging of Cysteine Cathepsins” 280 8.1.3. Originalartikel: “Synthesis and Radiopharmacological Characterisation of an 11C‐labelled azadipeptide nitrile as potential PET tracer for imaging of cysteine cathepsins” 304 8.1.4. Originalartikel: “Synthesis and X-ray Crystal Structure of N’-Cyano-N,N’-dimethyl-4-nitrobenzohydrazide” 319 8.2. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung Lysyloxidase-gerichteter Radiotracer und zur selektiven 18F-Markierung Lysin-enthaltender Peptide 328 8.2.1. Originalartikel: “Site-selective radiolabeling of peptides by 18F-fluorobenzoylation with [18F]SFB in solution and on solid phase: a comparative study” 328 8.2.2. Originalartikel: “Synthesis, 18F-labelling and radiopharmacological characterisation of the C-terminal 30mer of Clostridium perfringens enterotoxin as a potential claudin-targeting peptide” 350 8.2.3. Originalartikel: “Cyclopeptides containing the DEKS motif as conformationally restricted collagen telopeptide analogues: synthesis and conformational analysis” 388 8.2.4. Originalartikel: “ Evaluation of Fluorine-18-Labeled α1(I)-N-Telopeptide Analogs as Substrate-Based Radiotracers for PET Imaging of Melanoma-Associated Lysyl Oxidase” 428 8.2.5. Originalartikel: “Targeting lysyl oxidase for molecular imaging in breast cancer” 453 8.3. Veröffentlichte Arbeiten zur Entwicklung von TGase 2-gerichteten Radiotracern sowie von Substratverbindungen und Assaymethoden für dieses Enzym 470 8.3.1. Übersichtsartikel: “Tissue transglutaminase: An emerging target for therapy and imaging” 470 8.3.2. Originalartikel: ”Synthesis and Kinetic Characterisation of Water‐Soluble Fluorogenic Acyl Donors for Transglutaminase 2“ 487 8.3.3. Originalartikel: “Solution-phase synthesis of the fluorogenic TGase 2 acyl donor Z-Glu(HMC)-Gly-OH and its use for inhibitor and amine substrate characterisation” 543 8.3.4. Originalartikel: “A fluorescence anisotropy-based assay for determining the activity of tissue transglutaminase” 562 8.3.5. Originalartikel: “Nε-Acryloyllysine Piperazides as Irreversible Inhibitors of Transglutaminase 2: Synthesis, Structure–Activity Relationships, and Pharmacokinetic Profiling” 589