Positron emission tomography (PET) is a quantitative and non-invasive investigative tool, which permits the identification of pivotal biomarkers and their role in disease onset, transformation and progression. Quantitative detection of these disease biomarkers has qualified PET as a pioneering approach to rapid diagnosis. The tool is a powerful approach to patient diagnosis and investigation of inter- and intra- patient disease heterogeneity thereby supporting patient stratification and forging a truly personalised medicine approach. The sensitivity of PET is complemented by use of highly selective radiopharmaceuticals; this has fuelled the popularity of radiolabelled affinity peptides and proteins (APPs). Inspired by the high selectivity and affinity of biological protein-protein interactions, APP-based radiotracers are an increasingly popular class of radiotracer. Monoclonal antibodies (mAbs) are an important category of APP-based radiotracer; their prevalence in the field is attributed to their high target selectivity and affinity characteristics, which, will likely, uphold their popularity in the field. Yet, advancements in protein engineering has transformed the landscape of APP-based radiotracers, indicated by a preference for small radiolabelled APPs which exhibit rapid pharmacokinetics whilst retaining high target specificity and affinity. Their fast pharmacokinetics is matched by the half-life of 18F which has been defined as an ideal PET radionuclide. 18F APP radiolabelling hasn't yet met its full potential due to its inherent challenges; many approaches have been adopted, ranging from non-site specific radiolabelling with amine reactive prosthetic groups to site-specific methods including oxime bond formation. The radiochemistry of 18F APP radiolabelling is diverse and evolving; yet ideal goals are apparent including site-specificity, fast reaction kinetics, mild labelling conditions and applicability to automation. Automation is challenging for multi-step 18F APP radiolabelling methods, but is a key developmental step. Automation helps with conformance to good manufacturing practice (GMP) by enhancing process robustness, consistency and reliability. It also permits the radiosynthesis of clinically relevant radiotracer doses. The development of an automated generic platform, or a method that adopts a general approach, for APP radiolabelling with 18F would assist in [18F]APPs meeting their potential in PET and, importantly, aid their translation from bench-to-bedside.

Résumé : L’imagerie TEP est une modalité puissante qui permet de suivre d’infimes concentrations de traceurs marqués pour la détection de cancers et d’autres pathologies. Il y a actuellement un intérêt croissant pour le développement de peptides comme outils diagnostiques et de traitement en oncologie. Cet intérêt se justifie entre autres par le fait que les peptides sont tolérants à la présence de chélateurs bifonctionnels ou de groupements prosthétiques pour le marquage avec divers radiométaux (64Cu, T1/2 = 12,7 h, 68Ga, T1/2 = 68 min, etc.) ou le 18F (T1/2 = 109,8 min) sans perte de leur activité biologique. L’objectif des travaux rapportés dans ce document était de développer des outils moléculaires innovateurs et efficaces qui facilitent le marquage de peptides pour l’imagerie TEP. Il s’agit spécifiquement d’un chélateur bifonctionnel et d’une méthode de conjugaison rapide et sélective de groupe prosthétique. Sur un volet, un chélateur bifonctionnel analogue de la lysine avec des ligands méthylhydroxamates a été synthétisé en solution par double bisalkylation. Les résultats préliminaires indiquent une faible chélation avec le Cu(II), mais sont à poursuivre avec les 68Ga et 89Zr. Pour le second volet de radiomarquage au 18F, les procédures synthétiques ont été optimisées en deux étapes, soient le marquage du groupe prothétique et sa conjugaison au peptide. Tout d’abord, des conditions de marquage par une réaction de SNAr en présence de 18F- ont été développées pour donner le groupe prosthétique 18F-thioester nécessaire à la conjugaison. Par la suite, sa conjugaison au peptide par la réaction de ligation chémosélective, ce qui implique trois étapes 1) une transthioestérification favorisée entre les groupements thioester et thiol des segments de peptides; 2) un réarrangement irréversible de l’intermédiaire thioester en N-(oxyalkyl)amide, suivi; 3) du clivage de l’auxiliaire. Par les présents travaux, il a été prouvé que la nouvelle méthodologie en un seul pot réactionnel accélère la réaction et permet le marquage au 18F de peptides non protégés, limitant ainsi les réactions secondaires et le nombre d’étapes après le marquage des peptides. La conjugaison du groupe prothétique à un composé et un peptide modèle se produit en 26-55 min comparativement aux 48 h des conditions originales rapportées. La méthode proposée permet également le marquage de peptides non protégés. Dans le futur, le chélateur bifonctionnel et le groupe prothétique seront conjugués à différents dérivés peptidiques ciblant des récepteurs impliqués dans le cancer et des tests de compétition, de saturation, de biodistribution et d’imagerie µTEP seront effectués. / Abstract : PET is a powerful imaging modality that follows tiny labeled tracer concentrations for the detection of cancer and other pathologies. There currently is a growing interest for the development of peptides as diagnostic and treatment tools in oncology. This interest is justified by the fact that peptides are tolerant to the presence of bifunctionnal chelators or prosthetic groups for labeling with many radiometals (64Cu, T1/2 = 12,7 h, 68Ga, T1/2 = 68 min, etc.) or 18F (T1/2 = 109,8 min), without losing their biological activity. The objective of the work reported in this document was to develop innovative and efficient molecular tools that facilitate peptide labeling for PET imaging. Specifically, they are a bifunctionnal chelator and a fast and selective prosthetic group conjugation method. On the first aspect, a lysine analogue bifunctionnal chelator bearing methylhydroxamate ligands was synthesized in solution through a double bisalkylation. The preliminary results show a weak Cu(II) chelation, but they are to be pushed forward with 68Ga and 89Zr. On the second aspect of 18F radiolabeling, synthetic procedures were optimised for two steps, which are the prosthetic group’s labeling and its conjugation to the peptide. First, the labeling conditions for a SNAr reaction with 18F- were developed, to yield the necessary 18F-thioester prosthetic group. Then, its conjugation to the peptide by the chemical ligation reaction through its three steps 1) a favored transthioesterification between the thioester and thiol peptide segments; 2) an irreversible rearrangement of the thioester intermediate to a N-(oxyalkyl)amide, followed; 3) the auxiliary cleavage. By this work, it has been proven that the new one pot methodology accelerates the reaction and allows the 18F labeling of unprotected peptides, which limits secondary reactions and the number of post peptide labeling steps. The prosthetic group conjugation to both model compound and peptide takes place in 26-55 min, compared to the 48 h initially reported. The proposed method also allows the labeling of unprotected peptides. In the future, the bifunctionnal chelator and the prosthetic group will be conjugated to different peptide derivatives that target cancer implied receptors and competition, saturation, biodistribution and µPET imaging assays will be performed.

Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement de deux méthodes de modélisation des enzymes contenant des groupes prosthétiques de la famille des flavines.La première méthode, PredFace, permet de prédire la stéréochimie des produits d'une réaction catalysée par des enzymes contenant des groupes prosthétiques, en identifiant la face libre d'interaction avec les substrats. Le protocole mis en place pour cette méthode implique l'utilisation de huit complexes "sondes", obtenus par des opérations de symétrie à partir de l'état de transition de la réaction de transfert d'un atome d'hydrogène entre le nicotinamide et la lumiflavine. Ces complexes sont positionnés dans le site actif avec le groupe prosthétique comme référence et dans chaque cas l'énergie d'interaction protéine-ligand est évaluée par la fonction de score implémentée dans le logiciel de docking utilisé (AutoDock). L'énergie d'interaction la plus favorable permet d'identifier la face du groupe prosthétique accessible pour la réaction enzymatique dans le site actif. La méthode PredFace a été validée par l'analyse de l'ensemble des structures de la Protein Data Bank contenant des groupes prosthétiques de la famille des flavines (2170). Le protocole mis au point est très rapide (moins d'une minute), ce qui nous a permis de développer un site web afin de mettre cette méthode à la disposition de la communauté.La seconde méthode, ProsthDock, est une nouvelle méthode de docking basée sur le mécanisme d'une réaction enzymatique catalysée par un groupe prosthétique et guidée par la présence de ce groupe prosthétique dans le site actif de l'enzyme. Le développement de cette méthode a été motivé par le fait que les méthodes actuelles de docking, en présence de groupes prosthétiques, se révèlent incapables de produire des poses correctes pour des substrats, en accord avec les réactions enzymatiques. Afin de remédier à ce problème nous avons ajouté à la fonction de score classique un terme supplémentaire, qui rendra compte de l'interaction du ligand avec le groupe prosthétique. Dans un premier temps, nous avons construit un modèle simplifié du complexe NADH/FMN et calculé l'état de transition de la réaction de transfert d'hydrogène entre les deux partenaires. Des surfaces d'énergie potentielle pour cette réaction ont été calculées en variant la distance, l'angle et l'angle dièdre entre les deux réactifs. Un docking sous contrainte est ensuite réalisé et en fonction du positionnement de chaque pose de docking dans le site actif le terme supplémentaire de la fonction de score est calculé à partir des surfaces d'énergie potentielle, ce qui nous permet de modifier le classement des résultats de docking en favorisant les poses qui sont en accord avec la réaction enzymatique. / During this PhD thesis we developped two new molecular modeling methods applied to enzymes containing flavin-type prosthetic groups.The first method, PredFace, predicts the stereochemistry of products from a reaction catalyzed by enzymes containing prosthetic groups, by automatically identifying the solvent-exposed face of the prosthetic group. The protocol involves the use of eigth complexes as "probes", obtained by symmetry operations starting from the transition state of a hydrogen atom transfer reaction between nicotinamide and lumiflavin. These complexes are positioned in the binding site with the prosthetic group as reference and the energy of the protein-ligand interaction is evaluated by the scoring function implemented in the docking software (AutoDock). The most favorable interaction energy allows the identification of the prosthetic group face that is available for the enzymatic reaction in the binding site. The PredFace method has been validated by analyzing all the structures in the Protein Data Bank containing flavin-derived prosthetic groups (2170). This method is very fast (less than a minute), which allowed us to develop a web site open to the scientific community.The second method, ProsthDock, is a new mechanism-based molecular docking method guided by prosthetic groups present in the active sites of enzymes. The development of this method was motivated by the incapacity of the currently available docking methods to provide, in the presence of prosthetic groups, ligand conformations that are compatible with the enzymatic reactions. In this regard, we have added a new term to the classical scoring function, to take into account the interaction between ligand and prosthetic group. We have built a simplified model of the NADH/FMN complex and calculated the transition state of the hydrogen transfer reaction between the two partners. Potential energy surfaces have been calculated for this reaction by variating the angle, diedral angle and distance between the two reaction partners. A subsequent docking with constraints provides binding site conformations of the ligand for which the new term of the scoring function is calculated using the potential energy surfaces. This results in a new ranking of the docking poses, favoring those in agreement with the enzymatic reaction.

Les récepteurs de l'adrénomédulline sont fortement exprimés dans les capillaires alvéolaires humains et fournissent une cible moléculaire pour l'imagerie de la circulation et de l'embolie pulmonaire. Au cours des années précédentes, le dérivé DFH12 marqué au 99mTc (PulmoBind) a démontré son potentiel en tant qu'agent d'imagerie SPECT de l'hypertension pulmonaire dans des études cliniques de phase I et II. L’objectif principal de mon projet est de développer le nouvel analogue DFH17 pour l’imagerie TEP des récepteurs de l'adrénomédulline via la méthode de l’Al18F. Pour atteindre cet objectif, un système d’élution semi-automatique a été conçu pour produire l’Al18F concentré directement dans le vial de réaction. En utilisant des tests de complexation avec le chélateur NOTA, des conditions optimales ont été trouvées pour le radiomarquage du DFH17 avec l’Al18F. La combinaison du rapport Al/DFH17 1:3 dans l'éthanol 50% a permis de produire le [18F]AlF-DFH17 avec des puretés radiochimiques et chimiques élevées. Les études TEP avec le [18F]AlF-DFH17 ont démontré un rapport élevé poumon-bruit de fond ainsi qu’une grande stabilité in vivo chez le rat, le chien et le primate. Des captations différenciées dans les poumons des trois espèces ont aussi été détectées par imagerie TEP et leurs différences ont été associées à des variations de la composant RAMP2. Compte tenu de l’importante captation pulmonaire, de la stabilité in vivo et de la dosimétrie favorable, le nouveau dérivé [18F]AlF-DFH17 est un excellent candidat potentiel en tant que traceur TEP des récepteurs adrénomédulline humains. L’expression des récepteurs AT1 de l’angiotensine II est altérée dans plusieurs maladies cardiovasculaires et rénales, telles la défaillance cardiaque, rénale et l’hypertension ainsi que dans certains cancers. Auparavant, le dérivé [11C]méthyl-Candesartan a démontré un potentiel comme agent d'imagerie TEP de l'AT1R rénal mais une proportion élevée du signal TEP correspondait à une liaison non-spécifique d'un radiométabolite hydrophobe. Dans ce travail, l’objectif principal est de développer le nouveau dérivé [18F]fluorobenzyl-Candesartan en utilisant le 4[18F]fluoroiodobenzène ([18F]FIB) avec un profil métabolique et de biodistribution potentiellement meilleurs. Pour atteindre cet objectif, des paramètres réactionnels de fluorination tels que le solvant, la quantité de précurseur, le catalyseur et la température ont été optimisés permettant la radiosynthèse du [18F]FIB avec des rendements et pureté élevés. Ensuite, le couplage du [18F]FIB au dérivé alcyne-trityl-Candesartan a été évalué en utilisant la réaction de Sonogashira suivie d'une détritylation acide. Suite à l’étude de plusieurs conditions de couplage, le rendement de radioconversion a été légèrement augmenté en utilisant le catalyseur Pd(PPh3)4/CuI et K2CO3 comme base. Les meilleures conditions de fluorination et de couplage ont été automatisées pour le module de synthèse Synthra® RNPlus Research. La production du [18F]FB-Candesartan été atteinte avec de faibles rendements et activités molaires en raison de la formation d’impuretés ayant des structures et temps de rétention par HPLC similaires à ceux de notre traceur. Des études supplémentaires afin d'améliorer le rendement, la purification par HPLC et l'activité molaire se sont avérées infructueuses pour l’instant. D’autres expériences devront être effectuées à cette fin. En conclusion, l'utilisation de la réaction de Sonogashira pour produire le [18F]FB-Candersartan avec des rendements et des activités molaires élevées s'est avérée difficile. / Adrenomedullin receptors are highly expressed in human alveolar capillaries and provide a molecular target for imaging the integrity of pulmonary microcirculation. In previous years, the 99mTc-labeled DFH12 derivative (PulmoBind) demonstrated its potential as a SPECT imaging agent of pulmonary hypertension in phase I and II clinical trials. In this work, we aimed to develop a NOTA-derivatized adrenomedullin analog (DFH17), radiolabeled with aluminum fluoride ([18F]AlF), for PET imaging of pulmonary microcirculation. To achieve this goal, highly concentrated [18F](AlF)2+ was produced from purified 18F using a semi-automatic system. Using inexpensive complexation assays with NOTA, optimal conditions at each step of the process were determined facilitating the radiolabeling optimization of DFH17. Furthermore, combining the Al-to-DFH17 1:3 ratio in 50% ethanol as co-solvent, allowed [18F]AlF-DFH17 production in high radiochemical and chemical purities. PET/CT and biodistribution demonstrated high [18F]AlF-DFH17 lung-to-background ratio and in vivo stability in rats, dog and primate. Contrasted inter-species uptake in the lungs associated with variations of RAMP2 were also detected by PET imaging. Considering high lung uptake, in vivo stability and favorable dosimetry observed in the monkey, the novel AM derivative [18F]AlF-DFH17 exhibits an excellent potential as a PET tracer of human AM receptors. Alterations of the expression levels of AT1R has been linked to cardiac and renal diseases, such as cardiac and renal failures, hypertension and some type of cancers. Previously, [11C]methyl-Candesartan displayed potential for PET imaging of AT1Rs, but a high proportion of PET signal corresponded to non-specific binding from a 11C-labeled hydrophobic metabolite. In this work, the main objective was to develop the novel derivative [18F]fluorobenzyl-Candesartan, with potentially better metabolic profile and biodistribution, using 4-[18F]fluoroidobenzene ([18F]FIB) as prosthetic group. To pursue this goal, radiofluorination parameters such as solvent, amount of precursor, type of catalyst and temperature were optimized to reliably synthesize [18F]FIB in high yield and purity. Coupling of [18F]FIB to the alkyne-trityl-Candesartan was evaluated using the Sonogashira cross-coupling reaction followed by an acid deprotection. After studying several Pd-cross-coupling conditions, the radioconversion yield was slightly increased by means of a Pd(PPh3)4/CuI catalyst and K2CO3 as base in DMF. Therefore, the best reaction conditions for [18F]FIB fluorination and its coupling to alkyne-Candesartan followed by an acid hydrolysis, was fully automated for Synthra® RNPlus Research synthesis module. In general, the synthesis of [18F]FB-Candesartan was achieved in low yields and molar activities due to the formation of structurally-close by-product(s) with similar HPLC retention time. Additional studies to further improve the yield, HPLC purification and molar activity (MA) have been unsuccessful. Other experiments will need to be performed to this end. In conclusion, the use of Sonogashira cross-coupling reaction to produce [18F]FB-Candesartan in high yields and molar activities was found to be challenging.