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Synthesis and biological evaluation of potential PET tracers for the muscarinic acetylcholine receptors
Marius Ozenil
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Chemie)
Betreuer*in
Wolfgang Wadsak
DOI
10.25365/thesis.73072
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29584.02887.285959-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Muskarinische Acetylcholinrezeptoren (mAChRs) sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die als fünf Subtypen (M1-M5) vorkommen. In Anbetracht ihrer grundlegenden Rolle im Nervensystem und ihrer Bedeutung bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen sind mAChRs ein interessantes Zielprotein für die molekulare Bildgebung. Derzeit verfügbare mAChR-PET-Tracer sind jedoch nur in begrenztem Umfang geeignet, insbesondere hinsichtlich ihrer Subtypen-Selektivität. In dieser Arbeit wurden 18 neue Derivate des natürlich vorkommenden Alkaloids Arecolin synthetisiert, chemisch charakterisiert und mit einem kompetitiven Radioliganden-Bindungsassay gegenüber allen mAChR-Subtypen untersucht. Arecaidindiphenylmethylester zeigten eine stark erhöhte mAChR M1-Affinität (von Ki = 20 µM zu Ki = 3 nM) im Vergleich zu Arecolin und eine vielversprechende Subtypen-Selektivität für mAChR M1 (bis zu 140-fach gegenüber M2). Durch radioaktive Markierung von N-Desmethyl-Vorläufersubstanzen mit [11C]CH3I konnten sechs Kohlenstoff-11-markierte Produkte in hoher radiochemischer Reinheit und guter Ausbeute hergestellt werden. Die metabolische Stabilität, Insensitivität gegenüber dem Off-Target-Protein Acetylcholinesterase und andere präklinische Parameter der Arecaidindiphenylmethylester deuteten auf einen erfolgreichen Tracer hin. Autoradiographie und ein direkter Radioliganden-Bindungsassay an lebenden Zellen zeigten jedoch eine inakzeptable unspezifische Bindung. Um die Lipophilie zu senken und gleichzeitig die mAChR-Affinität aufrechtzuerhalten, wurden Hydrobenzoinester des Arecaidins entwickelt. In-vitro-Experimente und molekulares Docking dieser Ester zeigten eine ausgeprägte Abhängigkeit der mAChR M1-Affinität von der Stereochemie. Die Kohlenstoff-11-Radiomarkierung des affinsten R,R-Isomers (Ki = 99 nM) ist noch nicht abgeschlossen und wird zeigen, ob die verringerte Lipophilie zu einer verringerten unspezifischen Bindung führt. Als sekundärer Befund dieser Arbeit wurde ein Strukturisomer des mAChR M1-Antagonisten Pirenzepin entdeckt, welches unwissentlich als Pirenzepin in den Handel gebracht wurde. Es wurde festgestellt, dass diese Isomer durch eine säurekatalysierte Umlagerung entsteht und eine enorm verringerte Affinität zu mAChR M1 aufweist. Darüber hinaus enthält diese Arbeit Forschungsergebnisse, welche die Synthese routinemäßig hergestellter PET-Tracer verbesserten.
Abstract
(Englisch)
Muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) are G protein-coupled receptors, which appear as five subtypes (M1-M5). Considering their fundamental role in the nervous system and their involvement in many neurodegenerative disorders, mAChRs are an interesting target for molecular imaging. However, currently available mAChR PET tracers are only suitable to a limited extent, especially with respect to their subtype selectivity. Within this work 18 novel derivatives of the naturally occurring alkaloid arecoline were synthesized, chemically characterized and evaluated with a competitive radioligand binding assay toward all mAChR subtypes. Diphenylmethyl esters of arecaidine showed a strongly increased mAChR M1 affinity (from Ki = 20 µM to Ki = 3 nM) compared to arecoline and a promising subtype selectivity for mAChR M1 (up to 140-fold over M2). Radiolabeling of N-desmethyl precursors with [11C]CH3I afforded six carbon-11 labeled products in high radiochemical purity and good yield. Metabolic stability, insensitivity toward the off-target acetylcholinesterase and other preclinical parameters of the diphenylmethyl esters of arecaidine pointed toward a successful tracer, but autoradiography and a direct radioligand binding assay on living cells revealed unacceptable nonspecific binding. Hydrobenzoin esters of arecaidine were designed in the quest to lower lipophilicity while maintaining mAChR affinity. In vitro experiments and molecular docking revealed a pronounced de-pendence of mAChR M1 affinity on stereochemistry. Carbon-11 radiolabeling of the most potent R,R-isomer (Ki = 99 nM) is ongoing and will elucidate if the lowered lipophilicity re-sults in reduced nonspecific binding. As a secondary finding of this thesis, a structural isomer of the mAChR M1 antagonist pirenzepine, which was unwittingly sold as pirenze-pine, was discovered. The isomer was found to originate from an acid-catalyzed rearrangement and showed a tremendously decreased affinity towards mAChR M1. Furthermore, this thesis contains research which results improved the synthesis of routinely produced PET tracers.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
radiochemistry PET tracer mAChR carbon-11
Schlagwörter
(Deutsch)
Radiochemie PET-Tracer mAChR Kohlenstoff-11
Autor*innen
Marius Ozenil
Haupttitel (Englisch)
Synthesis and biological evaluation of potential PET tracers for the muscarinic acetylcholine receptors
Paralleltitel (Deutsch)
Synthese und biologische Evaluierung von potentiellen PET-Tracern für die muskarinischen Acetylcholinrezeptoren
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
161 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Matthias Herth ,
Simon Ametamey
Klassifikation
35 Chemie > 35.15 Radiochemie
AC Nummer
AC16155145
Utheses ID
58351
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |