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Predictive in vitro methods in experimental nuclear medicine
Blood Brain Barrier Penetration
Chrysoula Vraka
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus d. Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Ernährungswissenschaften)
Betreuer*innen
Karl-Heinz Wagner ,
Markus Mitterhauser
DOI
10.25365/thesis.50182
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10959.64498.410469-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der Bedarf an Radiotracern für die zentrale Bildgebung mittels Positronen-Emission-
Tomographie steigt. Ein Grund dafür ist der zunehmende Anteil der älteren Bevölkerung mit
spezifischen neurologischen Erkrankungen, aber auch der Anstieg von neurologischen und
psychiatrischen Erkrankungen in jungen Jahren. Bis dato sind viele der Zusammenhänge und
Stoffwechselwege dieser Erkrankungen nicht gänzlich aufgeklärt. Somit wird eine erfolgreiche
medikamentöse Therapie erschwert. Die Entwicklung neuer PET-Tracer kann der Aufklärung
dienen und neue Therapieansätze aufzeigen. Daher steigt der Bedarf an PET-Tracern für die
zerebrale Anwendung. Die Entwicklung von Biomarkern ist zeit- und kostenintensiv, da es
noch in späteren Phasen der präklinischen Evaluierung eine hohe Anzahl an Kandidatentracern
ausgeschlossen wird. Ein Hauptgrund des Ausschlusses ist die mangelnde Aufnahme ins
zentrale Nervensystem (ZNS). Daher sind prädiktive in vitro Methoden mit hohem
Probendurchsatz, sogenannte „high-throughput Methoden“, von großem Interesse, die bereits
vor Tierversuchen zum Einsatz kommen können.
Ziel dieser Dissertation war es bedeutende physikochemischen Eigenschaften, nämlich die
Lipophilie (logP), Plasmaproteinbindung (PPB), den Membranverteilungskoeffizienten (K m )
und die Permeabilität (Pm) eines Moleküls, zu evaluieren und im Hinblick auf ihre Fähigkeit
die BHS Penetration vorherzusagen zu diskutieren. Zusätzlich lag ein weiterer Fokus auf den besagten physikochemischen Eigenschaften und der Entwicklung einer zellbasierten Methode
von Substanzen die Wechselwirkungen mit diversen Effluxtansportern aufweisen.
In Summe wurden für 191 Substanzen HPLC logP ow
pH7.4 Werte ermittelt. 121 dieser Substanzen
wurden im Hinblick auf ihre Eigenschaft passiv ins ZNS zu diffundieren sowie unter
Betrachtung von allgemein akzeptierten optimalen logP Bereichen und Grenzwerten diskutiert.
Für 112 Substanzen wurden HPLC logP ow
pH7.4 , PPB, K m und Pm Messergebnisse ermittelt und
die Substanzen nach Klassen eingeteilt: kommerziell erhältliche Standards von PET-Tracern,
die die BHS passiv überwinden, Pharmaka die keine Aufnahme oder Nebenwirkungen im ZNS
aufzeigen und Substanzen die Wechselwirkungen zu Effluxtransportern aufweisen. Somit
entstand eine umfassende Datenbank an experimentellen Werten. Zusätzlich wurden
ausgewählte Ergebnisse des HPLC logP ow
pH7.4 und der PPB mit Ergebnissen der klassischen
Shake-Flask und Ultrazentrifugation Methode verglichen.
Beim Vergleich der experimentellen logP Werte mit allgemein bekannten logP Bereichen und
Grenzwerten, die als optimal für eine BHS Penetration vorausgesetzt werden, zeigte sich eine
hohe und unterschiedliche Anzahl an falsch negativen Klassifikationen. Vergleicht man das
Gruppenmittel der einzelnen Parameter zeigen sich signifikante Unterschiede für den HPLC
logP ow
pH7.4 , allerdings bewegen sich die Einzelresultate in einem sehr weiten Bereich, sodass es
zu einer großen Bandbreite an Werten kommt, die sich überschneiden. Experimentelle Werte
haben durchaus einen Stellenwert in der Präklinik, allerdings ist es nicht möglich
Substanzklassen zu bestimmen oder eine BHS Penetration prädiktiv basierend auf einem
einzigen dieser Werte zu ermitteln.
Die neue zellbasierte Echtzeit-Methode ermöglichte es die die PET-Tracer [ 18 F]FE@SNAP und
[ 11 C]SNAP-7941 als hochpotente P-gp Substrate zu identifizieren.
Abstract
(Englisch)
The incidence of neurological diseases increases perpetually, on the one hand, due to the rising
incidence of psychiatric diseases in young people and on the other hand due to an increase in
the elderly population, resulting from the enhanced overall life expectancy coming along with
pathologies of the brain. However, the pathways of these disorders are unclear. These
circumstances impede the diagnosis and therapy of patients. The development of new cerebral
radiotracers for the positron emission tomography (PET) could be essential for the evaluation
of these diseases and may lead to new therapeutic treatments. Therefore, the demand of brain
PET tracers is expanding rapidly. However, their preclinical evaluation is costly and time-
consuming. Several radiotracers failed in later stages of drug development caused to poor BBB
penetration or interactions to efflux transporters, thus predictive DMPK (drug metabolism and
pharmacokinetics) assessments gain in value to determine the most promising radiotracers
before conducting animal experiments.
Hence, the aim of this thesis was the evaluation and discussion of the most crucial
physicochemical properties in PET tracer development namely the lipophilicity
(HPLClogP ow
pH7.4 ), plasma protein binding (PPB), the fluid membrane coefficient (K m ) and the
permeability (Pm) of a drug using high throughput methods. The influence on BBB penetration
of these drug properties shall be discussed in this thesis. Additional aims of this thesis were the
focus on drugs interacting with diverse efflux transporters concerning their physio chemical
properties and the development of an assay, which predict the interactions towards P-gp
(ABCB1 or MDR1 protein).
In total 191 compounds were experimentally tested using high throughput HPLC methods. 121
compounds were correlated regarding their properties to penetrate the BBB as well as to widely
accepted logP ranges and thresholds, which are supposed to be optimal for brain entry. For 113
compounds HPLClogP ow
pH7.4 , PPB, Pm and K m measurements were performed and the drugs
were split to three different groups: the most commonly used PET/SPECT tracers, drugs
showing no brain uptake or CNS side effects, and drugs interacting with efflux transporters. To
this end, a centralized and comprehensive database was complied. Moreover, selected results
of PPB and HPLC logP measurements were compared to traditional shake-flask and
ultrafiltration methods as well as to the calculated logP value. Additionally, a new in vitro
method predicting the interactions at the efflux transporter P-gp was developed and compared
to standard uptake assays. For all experimental values the comparison between the groups shows a broad overlapping
range of the single values. Accordingly, a classification into the CNS positive, CNS negative
or drugs with interactions to efflux transporter is virtually impossible. However, significant
differences were found for the HPLClogP ow
pH7.4 means between CNS positive and CNS
negative drugs as well as between the CNS negative drug group and the group interacting with
efflux transporters. These findings indicate that experimental values have an influence on
predicting BBB penetration. However, an interpretation or classification with a single
parameter as solely with the HPLClogP ow
pH7.4 is intricate. Therefore, the widely accepted
thresholds or ranges for the lipophilicity of a tracer illustrating optimal brain uptake are
inadequate, especially when different methods are used for determination of the lipophilicity.
The developed cell based real-time kinetic model could successfully identify the two PET
tracers, [18F]FE@SNAP and [11C]SNAP-7941, as high potent P-gp substrates.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Blood-Brain-Barrier Lipophilicity Plasma Protein Binding Permeability Chromatography PET-tracer LogP
Schlagwörter
(Deutsch)
Blut-Hirn-Schranke Lipophilie Plasmaproteinbindung Permeabilität Chromatographie PET-Tracer LogP
Autor*innen
Chrysoula Vraka
Haupttitel (Englisch)
Predictive in vitro methods in experimental nuclear medicine
Hauptuntertitel (Englisch)
Blood Brain Barrier Penetration
Paralleltitel (Deutsch)
Prädiktive in vitro Methoden in der Experimentellen Nuklearmedizin: Überwindung der Blut-Hirn-Schranken
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
196 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Bernd Neumaier ,
Frank Rösch
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.03 Methoden und Techniken in den Naturwissenschaften ,
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein: Sonstiges
AC Nummer
AC14551473
Utheses ID
44375
Studienkennzahl
UA | 796 | 610 | 474 |