Pharmazeutische Zeitung online

Möglichkeiten und Trends in Diagnostik und Therapie

04.08.2003
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Radiopharmazeutische Chemie

Möglichkeiten und Trends in Diagnostik und Therapie

von Bernd Johannsen, Dresden

Radiopharmaka werden in der nuklearmedizinischen Diagnostik und Therapie eingesetzt. Diagnostisches Ziel ist es, möglichst viele biochemische Prozesse ohne Eingriff in diese Abläufe bildgestützt zu analysieren. Der menschliche Körper soll somit biochemisch transparent werden. Trotz allem Fortschritt sind noch viele neue, spezifische, radioaktive Sondenmoleküle, so genannte Radiotracer, nötig.

Heutzutage ist „Molecular Imaging“ ein geflügeltes Wort. Es soll ausdrücken, dass molekulare Abnormalitäten im Krankheitsgeschehen mit nicht invasiver Bildgebung sondiert werden. Es handelt sich um eine In-vivo-Charakterisierung und -Messung biologischer und biochemischer Prozesse auf zellulärer und molekularer Ebene. Seit es szintigraphische Scanner und nachfolgend Gammakameras und PET-Kameras (PET: Positronen-Emissionstomographie) gibt, ist dies ausschließlich mit Radiotracern (Radiodiagnostika) machbar. Deren Verwendung ist charakteristisch für die nuklearmedizinische Diagnostik.

Auf biologischer Ebene betrachtet man im allgemeinen die Proteine, zum Beispiel Transporter, Rezeptoren, Enzyme und Immunreaktionen (1 – 3). Wie relevant ist dies im Post-Genom-Zeitalter?

Die Daten zeigen, dass das mit messenger-RNA-Profiling erhaltene Transkriptom zur Charakterisierung des Zellphänotyps nicht zuverlässig das Proteom repräsentiert, weil der mRNA-Gehalt ein schlechter Indikator für die Proteinebene ist. Beispielsweise hat die Charakterisierung von menschlichen Tumorgewebsschnitten kürzlich ergeben, dass das Pankreaskarzinom den Neurotensin-1-Rezeptor exprimiert (4). Auf der Genebene ist dieser aber auch im gesunden Gewebe und bei Entzündungen angelegt. Nur im Tumorfall wird der Rezeptor tatsächlich gebildet.

 

Das Genom ist die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle vorhandene gesamte Erbinformation, das Transkriptom die Gesamtheit aller daraus umgeschriebener RNAs. Das Proteom umfasst den Proteinbestand einer Zelle zum jeweiligen Zeitpunkt, ist also nicht konstant.

 

Für die Tumordiagnostik und möglichst für die auf gleichem Prinzip beruhende Radionuklidtherapie muss deshalb die Proteinebene herangezogen werden. Da das Zielmolekül – der Rezeptor – nur in extrem geringer Menge vorhanden ist, sind radioaktive Liganden prädestiniert oder überhaupt nur in der Lage, die notwendige Empfindlichkeit zu erreichen.

Während radioaktive Strahlung mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden kann, stellt die Spezifität bei den Radiotracer-Transportvorgängen, der molekularen Erkennung und der Anreicherung eine große Herausforderung bei der Entwicklung von Radiopharmaka dar. Im Folgenden werden verschiedene Entwicklungsansätze kurz vorgestellt.

Von der Pharmaforschung profitierend, geht man möglichst von bekannten Leitstrukturen und Zielmolekülen (Targets) aus. Allerdings müssen Radiopharmaka spezielle Kriterien hinsichtlich Pharmakokinetik, Target/Non-Targetverhältnis und oft auch des mit der kurzen Halbwertszeit der Radionuklide zusammenhängenden Zeitfensters erfüllen. Die Entwicklung von Radiotracer-Leitstrukturen und daraus abgeleiteten Radiodiagnostika und Radiotherapeutika ist daher keineswegs trivial.

 

Grundlagen und Grundbegriffe der Radiopharmazie wurden in der PZ 17 und PZ 18 vorgestellt.

 

Von der Radiochemie...

In der noch relativen kurzen Geschichte der Radiopharmazeutischen Chemie waren zunächst nuklearchemische und radiochemische Herausforderungen so dominant, dass der Zusatz „pharmazeutisch“ im Namen des Fachgebietes häufig weggelassen wurde.

In der Tat war und ist es eine große Aufgabe, die Targetchemie, Radionuklidproduktion und Markierungsmethoden zu entwickeln und zu beherrschen. Der Arbeitsstil ist teilweise geprägt durch das Arbeiten an Großgeräten wie Reaktoren und Beschleuniger und den Umgang mit großen Radioaktivitätsmengen. Dies ist beispielsweise der Fall bei der Spaltprodukt-Produktion, bei der kurzzeitig im Reaktor bestrahlte Uran-Brennelemente aufgearbeitet werden. Hierzu sind extrem sichere Abtrennungs- und Rückhalteverfahren erforderlich.

...zur Radiopharmazie

Reaktionsbedingungen, Bestrahlungsregime und gegebenenfalls die Wartezeit bis zur Anwendung bestimmen ganz wesentlich die Qualität und Tauglichkeit eines Radionuklids. Bei dessen Wahl spielt die physikalische Halbwertszeit (T1/2) eine entscheidende Rolle. Passend zur benötigten Untersuchungszeit und aus strahlenbiologischen Überlegungen heraus werden kurzlebige Radionuklide mit Halbwertszeiten im Bereich von wenigen Tagen bis Sekunden benutzt (Tabelle 1).

 

Tabelle 1: Zentrale Radionuklidproduktion versus In-Haus-Herstellung

Zentrale Produktion (Beispiele)Herstellung in Klinik oder Praxis (Beispiele) Reaktor, Beschleuniger (Zyklotron) Generator, medizinischer Zyklotron NuklidT1/2NuklidT1/2 Iod-131 8 d Technetium-99m 6 h Iod-123 13 h PET-Nuklide:   Molybdän-99
(99mTc-Generator) 66 h Fluor-18 110 min Thallium-201 73 h Kohlenstoff-11 20 min Indium-111 2,8 d Stickstoff-13 10 min Phosphor-32 14 d Sauerstoff-15 2 min Yttrium-90 64 h Gallium-68 68 min

 

Schon beim Iod-123 mit einer Halbwertszeit von 13 Stunden kommt man bei zentraler Herstellung und Distribution über größere Strecken in logistische Zwänge. Bei noch kürzerlebigen Radionukliden muss deren Erzeugung in die Klinik, an den Ort der Radiopharmakon-Anwendung verlegt werden.

Einfach und elegant ist der 99Mo/99mTc-Generator, über den ständig das 6h-Tochternuklid Technetium-99m verfügbar ist und mit Hilfe von Kits in 99mTc-Radiopharmaka überführt werden kann.

Im übrigen bleibt nur der Weg zur eigenen Herstellung, so bei den typischen Nukliden für die Positronen-Emissionstomographie (PET) mit Hilfe kleiner Zyklotrone (5). Die Grenze zwischen notwendiger In-Haus-Produktion und der Möglichkeit regionaler Versorgung durch radiopharmazeutische Zentren liegt bei dem wichtigsten PET-Radiopharmakon, der 2-(18F)Fluor-desoxyglucose (FDG), in einem Umkreis von etwa 200 km. In Deutschland stellen derzeit 18 Zentren FDG flächendeckend auch für PET-Einrichtungen ohne eigenes Zyklotron und eigene Produktion von Radiopharmaka zur Verfügung.

Die Herstellung von künstlichen Radionukliden ist nur der erste Schritt. Dieses wird dann entweder als Signalgeber in Diagnostika oder als Werkzeug in Radiotherapeutika eingeführt. Effiziente Markierungsmethoden für die Kohlenstoff-11-Chemie, für Radiohalogenierungen und für die koordinationschemische Einbindung von Radiometallen sind verfügbar und ermöglichen die Synthese vieler markierter Verbindungen (6).

Die unterschiedliche Natur der Radionuklide bedingt einen entsprechend unterschiedlichen Eingriff in ein Molekül. Verbesserte und neue Markierungsverfahren sind nach wie vor ein wichtiges Anliegen der Radiopharmazeutischen Chemie.

Neben neuen Syntheseansätzen in der Kohlenstoff-11-Chemie und Fortschritten bei der Radiohalogenierung forscht man nach neuen Varianten der Einführung von Radiometallen in Biomoleküle. Radiometalle erfordern eine Einbettung in thermodynamisch und kinetisch stabile Chelatbildner. Der Chelatbildner beeinflusst auch die pharmakokinetischen Eigenschaften des Tracers.

Zur stabilen Einbettung des Radiometalls und zum besseren Umgang mit dem damit verbundenen Verfremdungseffekt wurde die Technetium-Koordinationschemie in den vergangenen Jahrzehnten besonders stark entwickelt und erlebt gegenwärtig mit der Einführung weiterer Technetium-Bausteine eine neue Phase (7, 8). Derartige Bausteine mit unterschiedlicher Größe, Ladung und Polarität sind die Voraussetzung für eine anspruchsvolle Tracerentwicklung.

Einfacher erscheint die Einbettung harter dreiwertiger Metalle wie Indium (In), Gallium (Ga) oder Yttrium (Y), die in der Diagnostik und Therapie eine große Rolle spielen (In: Diagnostik und Therapie; Ga: nur Diagnostik; Y-86: Dosimetrie, in Verbindung mit Y-90: Therapie). Sie müssen besonders gut und stabil verpackt sein. In den letzten 10 bis 15 Jahren wurden mit zyklischen und offenkettigen Chelatbildnern wie DOTA-Varianten große Fortschritte erreicht (9, 10). Die Entwicklung ist aber keineswegs abgeschlossen. So sind die Auswirkungen struktureller Veränderungen auf das Bioverhalten des Gesamtmoleküls bislang wenig verstanden. Sie liegen noch weitgehend im Bereich der Empirie.

Der erreichte Stand der Radionukliderzeugung, insbesondere in der Klinik, und der Markierungschemie bietet eine großartige Basis für die Entwicklung neuer Radiopharmaka. Gleichwohl ist die weitere Erforschung des radiochemischen Handwerkzeugs auch in Zukunft notwendig und spannend.

Neuerungen bei den Kameras

Apparative Fortschritte bei den bildgebenden Verfahren betreffen Kameras sowohl für Single-Photon-Emitter (SPECT-Nuklide) wie Technetium-99m als auch Positronenstrahler (PET-Nuklide). Vielfache instrumentelle Verbesserungen trugen dazu bei, die aus der statistischen Unsicherheit der Bildrekonstruktion resultierenden physikalischen Limitationen immer mehr zu sprengen. Heutige Untersuchungsmöglichkeiten im Menschen und in Versuchstieren sind weit besser als noch vor wenigen Jahren erwartet. So haben spezielle Kameras neue Horizonte für experimentelle radiopharmakologische Forschung an transgenen Mäusen und Maus-Tumormodellen gebracht, und SPECT-Auflösungen von weniger als 2 mm sind inzwischen realistisch.

Die PET hat auf Grund der Strahlungscharakteristik der Positronenemitter prinzipielle große Vorteile. In der klinischen PET eröffnet das seit kurzem auf dem Markt verfügbare Kombigerät PET plus CT, das biochemische und anatomische Information liefert, neue Möglichkeiten. Für die Forschung wurden spezielle, auf kleine Versuchstiere adaptierte Kameras entwickelt (11).

Die Anforderungen an Kleintier-PET-Kameras sind beträchtlich, wenn man die 2000fache Größenreduktion vom Menschen zur Maus bedenkt. Ziel ist es, eine ähnliche Bildqualität in Mäusen, Ratten, Primaten und Menschen zu erreichen, um so endlich eine durchgängige Mess- und Interpretationsmöglichkeit zu haben. Dies ist in der Forschung von größter Wichtigkeit sowohl für die Radiotracerentwicklung als auch für die PET-Anwendung in der Arzneimittelforschung, die zunehmend an Bedeutung gewinnt.

„Smarte“ Radiotracer

Der Anspruch, den menschlichen Körper mit Hilfe von Radiotracern biochemisch transparent zu machen, bezieht sich auf biochemische und pathophysiologische Prozesse (Tabelle 2). Wegen immer neuer und anspruchsvollerer Fragen ist die weitere Entfaltung der Radiopharmazeutischen Chemie unabdingbar. Die Rede ist von intelligent ausgedachten Radiotracern („smarte“ Tracer).

Ein typischer Entwicklungsansatz verfolgt die Imitation biochemischer Substrate durch chemisch teils ganz andersartige radioaktive Moleküle. Ein anschauliches Beispiel liefert die Imitation von Iodid durch Pertechnetat (TcO4-) als Substrat des Natriumiodid-Symporters (Iodid-Pumpe) in der Schilddrüse. Obwohl die Spezifität des Transporters relativ hoch ist – immerhin muss bei den gegebenen Serumkonzentrationsunterschieden klar zwischen Iodid und Chlorid differenziert werden –, wird das körperfremde Pertechnetat-Ion ebenfalls akzeptiert. Dies hat zwei Vorteile: Das Radionuklid Tc-99m ist für diesen Zweck ideal, und außerdem wird die diagnostisch relevante Iodid-Pumpe „herausgefiltert“, da Pertechnetat nicht am weiteren Iodidstoffwechsel teilnehmen kann.

Dieses auf der Kenntnis von Targetmolekül, Spezifität der molekularen Erkennung und möglichst auch pharmazeutischen Leitstrukturen beruhende Grundprinzip soll mit Beispielen aus zwei Gebieten - Onkologie und Hirnforschung - untermauert werden.

Radiopharmaka für die Onkologie

Das PET-Diagnostikum 2-(18F)Fluor-2-desoxyglucose (FDG) ist eine relativ universelle metabolische Sonde. Das Zielmolekül ist der in vielen Tumoren überexprimierte Glucosetransporter (GLUT-1) und/oder die Hexokinase. Die Einführung des Fluor-18 in das Glucosemolekül stoppt die lange Reaktionskette der Glucoseumsetzung an der Stelle des Glucose-6-phosphats. Das FDG in der Zirkulation wird renal ausgeschieden. Es unterliegt keiner Rückresorption in der Niere. Das im Zielgewebe intrazellulär gebildete FDG-6-Phosphat kann nicht aus der Zelle heraustransportiert werden. Dadurch ergibt sich ein guter Bildkontrast.

Heute dominiert FDG die onkologische PET-Diagnostik und Therapiekontrolle. Dennoch wurden weitere onkologische Tracer entwickelt oder sind in Entwicklung, um andere metabolische Prozesse wie den Aminosäuretransport bei Hirntumoren, die Zellproliferation, Apoptose, Angiogenese oder Hypoxie zu erfassen (Kasten).

 

Beispiele nuklearmedizinisch zugänglicher In-vivo-Prozesse und Marker
  • Glykolyse
  • Aktiver Transport
  • Neurotransmission
  • Multidrug Resistance
  • Hypoxie
  • Apoptose
  • Angiogenese
  • Genexpression (Gentherapie-Monitoring)
  • Entzündungen, Infektionen
  • tumorassoziierte Antigene und Rezeptoren

 

Spezielle Beispiele betreffen die tumorassoziierte Rezeptorexpression oder das Monitoring der Genexpression humaner Tumorzellen bei der Suizidgentherapie mit dem Herpes-Simplex-Virus-Thymidinkinase-Gen (HSV-TK1) (12). Die virale Thymidinkinase ist im Vergleich zur humanen Kinase weniger spezifisch. Daher sensibilisiert transfektiertes HSV-TK-Gen über die Expression der viralen Kinase die Tumorzellen gegenüber systemischer Ganciclovir-Behandlung. Auf diese Weise und über den „Bystander-Effekt“ erreichbare Tumorzellen erleiden über DNA-Strangabbrüche den Zelltod. Die Expression der viralen Thymidinkinase kann mit einem markierten Substrat direkt oder über ein koexprimiertes Reportergenprodukt (Reportergen: leicht nachweisbares Gen) beurteilt werden. Die Tracerentwicklung ist hier bei weitem noch nicht abgeschlossen.

Sehr erfolgreich ist die Entwicklung von Radiopharmaka für die onkologische Diagnostik und Therapie, die auf Neuropeptiden und deren Rezeptoren basiert (13 - 15). Diverse neuroendokrine Tumoren mit schlechter Prognose sind über markierte Neuropeptide erfassbar. So werden gegenwärtig neben den intensiv beforschten Somatostatin-Derivaten weitere markierte Peptide wie Analoga des Bombesins, Gastrins/Cholecystokinins und Neurotensins entwickelt und präklinisch oder klinisch getestet. RGD-Peptide (Arg-Gly-Asp: R-G-D als Zelladhäsionssequenz) mit ihrem Bindungsvermögen an Rezeptoren neugeformter Blutgefäße sind eine weitere wichtige Peptidklasse.

Der Grundvorgang ist die spezifische Reaktion zwischen markiertem Peptid und membranständigem Rezeptor mit anschließender Internalisierung des Peptids. Damit wird Radioaktivität in der Tumorzelle angereichert.

Die Kriterien für ein gutes Peptid-basiertes Radiopharmakon sind teilweise schwer zu erfüllen. Einerseits müssen die äußerst kurzlebigen Peptide gegenüber Plasmapeptidasen stabilisiert werden, doch dies darf nicht auf Kosten einer hohen Bindungsaffinität und -selektivität gehen. Die an sich erwünschte Nierengängigkeit führt insbesondere bei Therapeutika zu einer hohen Strahlenbelastung und birgt die Gefahr einer Strahlennephritis; der Schwellenwert liegt bei 23 Gy (Energiedosis: 1 Gray (Gy) entspricht der Energieaufnahme von 1 Joule in 1 kg bestrahlter Materie; 1 Gy = 100 rad (alte Einheit)). Andererseits muss die applizierte Dosis noch höher als bisher sein, um wirklich kurative Effekte erzielen zu können. Im Bild der Odyssee: Segeln zwischen Skylla und Charybdis.

Außerdem lässt die Strukturoptimierung zur Vermeidung einer tubulären Reabsorption und Akkumulation von radioaktiven Metaboliten bislang zu wünschen übrig. Durch Co-Infusion der Aminosäuren Lysin und Arginin wird die Nierendosis bis zu 50 Prozent gesenkt. Auch die Ankopplung eines Zuckers oder eines anderen hydrophilen Restes an das Peptid verbessert die Pharmakokinetik (16).

Bei der Entwicklung von Somatostatin-Analoga führte eine Verkürzung und Stabilisierung des Moleküls zum Octreotid und weiteren Varianten, die über ankondensierte Chelatbildner mit diagnostischen und therapeutischen Radionukliden markiert werden können. Trotz der notwendigen Manipulationen lässt sich eine hohe Affinität und Subtypspezifität bei der Ankopplung des Chelatbildners und bei der Metallbindung bewahren. Obwohl vorherrschend, ist der Somatostatin-Rezeptorsubtyp sst2 nicht zwangsweise in den Tumoren vorhanden oder bleibt bei dessen Entwicklung nicht erhalten, so dass über einen Cocktail von subtypspezifischen Radiopharmaka oder ein nicht differenzierendes markiertes Peptid nachgedacht wird.

Immer stärker rückt auch die Wahl des therapeutischen Radionuklids in den Mittelpunkt. Das Ansprechen des Tumors hängt von seiner Größe ab, und daran muss das Radionuklid bezüglich der Reichweite seiner Elektronen angepasst werden. Wird daher ein bestimmtes Rezeptorligand-Analogon in Varianten mit unterschiedlichen Radionukliden eingesetzt, soll dies einen breiteren Tumorgrößenbereich ansprechen.

Das Nuklid Indium-111 sendet sekundär monoenergetische Elektronen aus. Wegen der geringen Reichweite dieser ansonsten sehr effektiven Strahlung muss die 111In-Verbindung in die DNA eingebaut werden, was bei den bisherigen Peptiden wohl nicht der Fall ist.

Anders liegen die Verhältnisse bei Betastrahlern. Die beim Beta-Zerfall entstehenden Elektronen haben ein kontinuierliches Energiespektrum, das Maximum liegt zwischen einem Drittel und der Hälfte der Maximalenergie. 67Cu (Kupfer-67) als Beispiel sendet b--Teilchen mit einer mittleren Energie von 141 KeV aus; dies bedingt eine mittlere Reichweite von 0,2 mm im Gewebe. Die maximale Reichweite ist 1,8 mm. Damit verfügt man über einen Emitter im niedrigen Energiebereich, zu dem auch 177Lu (Lutetium-177) gehört. Maximale Reichweiten betragen in diesen Fällen 1 bis 2 mm.

Bei einer Reichweite über mehrere Zelldurchmesser hinaus werden auch benachbarte Zellen bestrahlt („crossfire“), die keine Rezeptoren aufweisen oder vom Radiotherapeutikum nicht erreicht werden. An diesem anderen Ende der Skala benötigter Therapienuklide sind 90Y und das Generatornuklid 188Re (Rhenium-188) zu nennen, ihre b-Teilchen haben bis zu 10 mm maximale Reichweite im Gewebe.

Es gibt gute Gründe, die Radionuklidtherapie und -diagnostik so zu kombinieren, dass die Pharmakokinetik der eingesetzten Stoffe möglichst übereinstimmt, mit anderen Worten, diagnostisches und therapeutisches Radiopharmakon chemisch identisch oder sehr ähnlich sind.

MAB als Radionuklidträger

Die Nuklearmedizin hat sich in den letzten 20 Jahren intensiv mit monoklonalen Antikörpern (mABs) befasst (17 - 19). Deren Vorzüge als spezifische Tracer liegen auf der Hand. Dennoch steht der große Durchbruch noch aus.

Die Tumorantwort hängt unter anderem von der kumulativen Strahlendosis, der Penetration des Antikörpers und der Strahlenempfindlichkeit des Tumors ab. Bei nur 0,001 bis 0,01 Prozent Anreicherung der injizierten Dosis pro Gramm Tumorgewebe sind die therapeutisch notwendigen Dosen über 50 Gy kaum erreichbar. Begrenzt wird die Dosis auch durch die Strahlenbelastung der gesunden Organe, primär des Knochenmarks mit etwa 0,15 bis 0,20 Gy Grenzwert.

In den letzten Jahren haben die Antikörper zunehmend Interesse bei den klinischen Onkologen hervorgerufen, vor allem wegen ermutigender Ergebnisse bei der Behandlung von hämatopoietischen Neoplasmen, besonders beim Non-Hodgkin-Lymphom. Systemische Radioimmuntherapie ist eine logische Strategie bei multifokalen Prozessen. In einigen Fällen interferieren die mABs allein schon mit Prozessen, die für die Zelle lebensnotwendig sind; in anderen Fällen werden sie zusätzlich mit therapeutischen Radionukliden beladen. Monoklonale Antikörper gegen CD-20, CD-22 und CD-37 wurden entwickelt (CD: Cluster Designation, eine Einteilung aller bekannten Oberflächenantigene auf Zellen).

Im Februar 2002 hat die FDA mit Zevalin® das erste Radioimmuntherapieprodukt zugelassen. Zevalin® ist ein chelatierter monoklonaler Antikörper gegen CD-20-Antigen auf B-Lymphozytenoberflächen. Der Chelator bindet 111In oder 90Y sehr fest. Bei den Therapeutika ist die feste Bindung des Radionuklids besonders wichtig, auch im Hinblick auf die relativ lange biologische Halbwertszeit von intakten Antikörpern. Mit DOTA (1,4,7,10-Tetraazacyclododekan-1,4,7,10-tetraacetat) und DOTA-ähnlichen Chelaten ist dies inzwischen weitgehend gelungen.

Es gibt kühne Konzepte, die hochwirksamen Alphastrahler im Verbund mit internalisierenden Antikörpern einzusetzen (20 - 22). Faszinierend erscheint Actinium-225 - ein Mutternuklid mit 10 Tagen Halbwertszeit -, das nach Applikation sehr geringer Aktivität im Körper ein Feuerwerk von Alphastrahlung entfacht. Das noch ungelöste Problem liegt in der hohen Radiotoxizität der Tochternuklide, wenn diese nicht fest am Chelator gebunden bleiben, bevor sie das Ziel erreichen. Hier ist koordinationschemische Forschung gefragt, um eine extrem feste Bindung unter den besonderen nuklearchemischen, zum Beispiel radiolytischen Bedingungen zu erreichen.

Radiotracer in der Hirnforschung

Abgesehen von etablierten Perfusionstracern für SPECT und PET und dem metabolischen PET-Tracer FDG sind radiopharmazeutische Arbeiten in der Hirnforschung auf Sonden für die Neurotransmittersysteme gerichtet (23).

Schon Mitte der 80er Jahre wurde gezeigt, dass mit der Positronen-Emissionstomographie, also in vivo, die Verteilung von Dopaminrezeptoren im menschlichen Gehirn bestimmt werden kann. Eine hohe spezifische Aktivität des radioaktiven Rezeptorliganden, seine Hirnaufnahme, hohe Bindungskonstante und günstige Kinetik am Rezeptor erlauben die bildliche Darstellung und vor allem eine quantitative Auswertung trotz der geringen Rezeptorkonzentration, des Metabolismus und einer unspezifischer Bindung.

Mit einer relativ hohen Konzentration von 20 pMol/g sind die D2-Rezeptoren im Striatum gut darstellbar. Dagegen stellen extrastriatale Regionen mit nur 0,3 bis 4 pMol/g höhere Anforderungen an den Tracer; die quantitative Auswertung ist begrenzt. Dies gilt ebenso für die in geringer Konzentration vorkommenden Subtypen wie D3-, D4- und D5-Rezeptoren.

(11C)Methylspiperon hat eine hohe Affinität zum D2-Rezeptor, ohne völlig spezifisch zu sein. Bei Untersuchungen zur Rezeptorbesetzung wurde (11C)Racloprid eingesetzt, ein Liganden geringerer Affinität.

In Studien mit Neuroleptika wurde der Zusammenhang zwischen Besetzungsgrad und therapeutischer Wirkung sowie dem Einsetzen von Nebenwirkungen klar gezeigt. Danach soll ein Neuroleptikum 60 bis 80 Prozent der striatalen D2-Rezeptoren zur Wirkungsentfaltung besetzen, höhere Raten lösen vermehrt Nebenwirkungen aus. Eine Ausnahme ist das atypische Neuroleptikum Clozapin, das nur 20 bis 60 Prozent besetzt. Derartige Studien zur Festlegung der Dosierung gehören bei der Neuentwicklung von Neuroleptika heute in die Phase I der klinischen Prüfung.

Die Komplexität der wichtigsten Geisteskrankheiten mit ihren multiplen ätiologischen Faktoren und gestörten Regionen im Gehirn macht die Untersuchungen nicht nur schwierig, sondern fordert auch die radiopharmazeutischen Chemiker heraus. Die neuen Tracer müssen nicht nur die verschiedenen Targetmoleküle sicher erkennen und spezifisch daran binden; sie müssen auch je nach Fragestellung unterschiedliche thermodynamische und kinetische Bedingungen erfüllen.

Ursprünglich strebte man möglichst hoch affine Rezeptorliganden an. Dies kann bei hoher Rezeptordichte zu Blutflussabhängigkeiten und Nichterreichen des Gleichgewichts im gewünschten Zeitraum kommen. Dagegen sind hoch affine Tracer zur Bestimmung der Rezeptordichte in Gebieten mit relativ geringer Konzentration nützlich. Tracer mit etwas geringerer Affinität zum D2-Rezeptor dienen zur Bestimmung der Rezeptorbesetzung und auch zur Messung relativer Änderungen der synaptischen Dopaminkonzentration.

Das Spektrum an Methoden zur Beurteilung des dopaminergen Systems muss auch die Dopaminsynthese einschließen. Der erste Schritt, die Hydroxylierung von Tyrosin zu DOPA, wird bisher nicht erfasst, sondern die nachfolgende Decarboxylierung zu Dopamin. Dies ist leicht möglich, da F-18 markiertes DOPA die Blut-Hirn-Schranke passiert und sowohl intakt als auch als Metabolit im Striatum akkumuliert. Der Metabolismus und die breite Verteilung von aromatischer Aminosäuredecarboxylase im Gehirn erschwert allerdings die unmittelbare Zuordnung zur Dopaminsynthese.

Aus Aktivitäts-Zeit-Kurven im Striatum und Cerebellum weiß man, dass zunächst eine unspezifische Verteilung stattfindet und dann zunehmend ein Kontrast infolge der enzymatischen Decarboxylierung im Striatum entsteht.

Das Dopamin-System steht im Fokus bei Untersuchungen zu Drogenmissbrauch und -abhängigkeit (24). In diesem Zusammenhang, aber insbesondere wegen seiner Markerfunktion für Dopamin-Neuronen, ist der Dopamintransporter (DAT) von großem Interesse. PET-und SPECT-Radioliganden wurden entwickelt, vor einiger Zeit sogar auf Tc-99m Basis. Trotz intensiver Forschung ist es bisher nicht gelungen, andere Tc-99m-haltige ZNS-Rezeptorliganden zu entwickeln (25).

Es gilt, für andere Neurotransmittersysteme ein ebenso gutes Arsenal an Radiotracern zu entwickeln wie beim dopaminergen System. Bei den Arbeiten zu Liganden für den Serotonintransporter (SERT) haben die Forscher in jüngster Zeit beträchtliche Fortschritte erreicht. Es ist offensichtlich nicht so einfach, ideale Tracer zu entwickeln.

PET in der Wirkstoffentwicklung

Die Positronen-Emissionstomographie (PET) hält Einzug in die Arzneimittelforschung und -entwicklung (26 - 28). Die Nutzung von Radiotracern bei pharmakokinetischen und -dynamischen Fragen ist an sich nichts Neues. Wegen zunehmender Zwänge bei der kostenintensiven Pharmaforschung sowie Fortschritten bei der PET werden die Methoden gegenwärtig intensiver genutzt. Die Verfügbarkeit von Kleintier-PET-Kameras ist dabei ein wichtiger Gesichtspunkt.

Je nach Fragestellung muss der Wirkstoff ohne Verfremdung mit Kohlenstoff-11 (im Sonderfall mit Fluor-18) in geeigneter Molekülposition markiert oder der Einfluss des Wirkstoffs auf das Verhalten eines radioaktiven Biomarkers untersucht werden. Die Markierung ohne Änderung der Molekülstruktur erfordert im Allgemeinen eine zeitaufwendige radiopharmazeutische Entwicklung, was die Attraktivität der Methode einschränkt. PET kann aber umfassend über die Pharmakokinetik informieren.

PET gibt einen guten Einblick in die Arzneimittelwechselwirkungen mit dem lebenden Organismus, einschließlich Verteilungsmuster, Wirkungsart und Effekten auf funktionelle Endpunkte. Quantifizierbare Prozesse umfassen Glykolyse, Proteinsynthese, Sauerstoffverwertung, Zellproliferation, oxidativen Metabolismus, Neurotransmittermetabolismus und Perfusion. Deshalb richten sich die Erwartungen der Pharmaindustrie darauf, mit PET das Potenzial einer neuer Verbindung schneller beurteilen zu können.

Schlussfolgerung

Die Radiopharmakaforschung erfolgt vor dem Hintergrund rasanter Fortschritte in den Biowissenschaften, der Genomics und Postgenomics, der Biotechnologie, der sich ergänzenden und konkurrierenden bildgebenden Verfahren. Die Erforschung bestimmter molekularer Ebenen im Organismus mit Hilfe von Radiotracermethoden zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken ist nach wie vor aktuell und gewinnt weiter an Bedeutung.

 

Danksagung: Professor Dr. Wolfgang Wiegrebe, Institut für Pharmazie der Universität Regensburg danke ich sehr herzlich für die Anregung zu dieser Übersicht, die intensive Diskussion und Unterstützung.

 

Literatur

  1. Haberkorn, U., Altmann, A., Eisenhut, M., Functional genomics and proteomics - the role of nuclear medicine. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 29 (2002) 115 - 132. Review.
  2. Haberkorn, U., Altmann, A., Radionuclide imaging in the post-genomic era. J. Cell. Biochem. Suppl. 39 (2002) 1 - 10.
  3. Bischof Delaloye, A., Progress in the diagnosis and treatment of disease by nuclear medicine and molecular imaging: highlights of the European Association of Nuclear Medicine Congress, Naples 2001. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. 29 (2002) 139 - 159.
  4. Wang, L., et al., Neurotensin receptor-1 mRNA analysis in normal pancreas and pancreatic disease. Clin. Cancer Res. 6 (2000) 566 - 571.
  5. Meyer, G. J., et al., PET radiopharmaceuticals in Europe: current use and data relevant for the formulation of summaries of product characteristics (SPCs). Eur. J. Nucl. Med. 22 (1995)1420 - 1432.
  6. Welch, M. J., Redvanly, C. S. (eds.), Handbook of radiopharmaceuticals. Radiochemistry and application. John Wiley & Sons, Ltd. 2003.
  7. Johannsen, B., Spies, H., Chemistry of technetium(V) as relevant to nuclear medicine. Topics Curr. Chem. 176 (1996) 77 - 121.
  8. Schibli, R., Schubiger, P. A., Current use and future potential of organometallic radiopharmaceuticals. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 29 (2002) 1529 - 1542.
  9. Volkert, W. A., Hoffman, T. J., Therapeutic radiopharmaceuticals. Chem. Rev. 99 (1999) 2269 - 2292.
  10. Liu, S., Edwards, D. S., Bifunctional chelators for therapeutic lanthanide radiopharmaceuticals. Bioconjug. Chem. 12 (2001) 7 - 34. Review.
  11. Lewis, J. S., et al., Small animal imaging. current technology and perspectives for oncological imaging. Eur. J. Cancer 38 (2002) 2173 - 2188. Review.
  12. Haberkorn, U., Altmann, A., Imaging methods in gene therapy of cancer. Curr. Gene Ther. 1 (2001) 163 - 182. Review.
  13. Heppeler, A., et al., Receptor targeting for tumor localisation and therapy with radiopeptides. Curr. Med. Chem. 7 (2000) 971 - 994. Review.
  14. Breeman, W. A., et al., Somatostatin receptor-mediated imaging and therapy: basic science, current knowledge, limitations and future perspectives. Eur. J. Nucl. Med. 28 (2001) 1421 - 1429. Review.
  15. Langer, M., Beck-Sickinger, A. G., Peptides as carrier for tumor diagnosis and treatment. Curr. Med. Chem.-Anti-Cancer Agents 1 (2001) 71 - 93.
  16. Wester, H. J., et al., PET imaging of somatostatin receptors: design, synthesis and preclinical evaluation of a novel (18)F-labelled, carbohydrated analogue of octreotide. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. 30 (2003) 117 - 122.
  17. Goldenberg, D. M., Targeted therapy of cancer with radiolabeled antibodies. J. Nucl. Med. 43 (2002) 693 - 713. Review.
  18. Imam, S. K., Status of radioimmunotherapy in the new millennium. Cancer Biother. Radiopharm. 16 (2001) 237 - 256. Review.
  19. Behr, T. M., Quo vadis Radioimmun- und Radiopeptidtherapie? Nuklearmedizin 41 (2002) 230 - 232.
  20. Imam, S. K., Advancements in cancer therapy with alpha-emitters: a review. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 51 (2001) 271 - 278. Review.
  21. Kennel, S. J., et al., Vascular-targeted radioimmunotherapy with the alpha-particle emitter 211At. Radiat. Res. 157 (2002) 633 - 641.
  22. Kennel, S. J., et al., Actinium-225 conjugates of MAb CC49 and humanized delta CH2CC49. Cancer Biother. Radiopharm. 17 (2002) 219 - 231.
  23. Wenig, X., Ding, Y. S., Volkow, N. D., Imaging the functioning human brain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (1999) 11073 - 11074.
  24. Volkow, N. D., Fowler, J. S., Wang, G. J., Role of dopamine in drug reinforcement and addiction in humans: results from imaging studies. Behav. Pharmacol. 13 (2002) 355 - 366. Review.
  25. Johannsen, B., Pietzsch, H. J., Development of technetium-99m-based CNS receptor ligands: have there been any advances? Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. 29 (2002) 263 - 275. Review.
  26. Vaalburg, W., Hendrikse, N. H., de Vries, E. F., Drug development, radiolabelled drugs and PET. Ann. Med. 31 (1999) 432 - 437. Review.
  27. Aboagye, E. O., Price, P. M., Jones, T., In vivo pharmacokinetics and pharmacodynamics in drug development using positron-emission tomography. Drug Discov. Today 6 (2001) 293 - 302.
  28. Fowler, J. S., et al., PET and drug research and development. J. Nucl. Med. 40 (1999) 1154 - 1163. Review.

 

Der Autor

Bernd Johannsen studierte Chemie an der Technischen Universität Dresden und wurde auf proteinchemischem Gebiet promoviert. Nach der Habilitation 1981 auf radiopharmazeutischem Gebiet erhielt er 1984 die Lehrbefugnis für Radiochemie und Radiopharmakologie. Nach langjähriger wissenschaftlicher Tätigkeit wurde Professor Johannsen 1991 zum kommissarischen Leiter des Instituts für Bioanorganische und Radiopharmazeutische Chemie des Forschungszentrums Rossendorf berufen, dem er von 1993 bis 2003 als Direktor vorstand. Seit 1994 ist er Professor für Bioanorganische und Radiopharmazeutische Chemie an der TU Dresden und seit 1. März dieses Jahres wissenschaftlicher Direktor des gesamten Forschungszentrums Rossendorf. Johannsen ist Vorsitzender der Arbeitsgemeinschaft Radiochemie/Radiopharmazie der Deutschen Gesellschaft für Nuklearmedizin und Vorstandsmitglied dieser Gesellschaft.

 

Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. Bernd Johannsen
Forschungszentrum Rossendorf
Postfach 510119
01314 Dresden
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