La physique et la chimie au service de la médecine :

La tomographie par émission de positons

Dr Thierry BILLARD !(thierry.billard@univ-lyon1.fr)!

ICBMS - UMR CNRS 5246 (Université de Lyon)!CERMEP - imagerie du vivant (Hôpital neurologique)!

Lyon (France)

Lyon 2014

Lyon 2014Tomographie par émission de positons (TEP)

Imagerie métabolique, moléculaire at fonctionnelle ↪radioligands se fixant sur des récepteurs, protéines, … Imagerie médicale peu invasive.

Maladie d’Alzheimer

Volontaire sein

Lyon 2014Principe de la TEP

Annihilation

Positron

Electron

Annihilation

180°

γ(511 keV)

γ(511 keV)

β+

Noyaux déficitaires en neutrons se stabilisent par émission de positons pour obtenir le ratio p/n optimal.

Z Z-1β+

+ +Neutrino Positron

Lyon 2014Principe de la TEP

Annihilation

Positron

Electron

Annihilation

180°

γ(511 keV)

γ(511 keV)

β+

Couronne de

détection

Bloc détecteur

Lyon 2014Radiosotopes

18F 11C15O 13N T : 109 min. 2 min. 20 min. 10 min.

Isotopes standards émetteurs β+ :

Synthèses rapides (< 3 T)

! Décroissance radioactive

18F 11C15O 13N ⌚️ : 5 h 5 min. 50 min. 25 min.

18F 11C

918F→ 8

18O+ 10β+ + 0

0ν

815O→ 7

15N + 10β+ + 0

0ν

611C→ 5

11B+ 10β+ + 0

0ν

713N→ 6

13C+ 10β+ + 0

0ν

�

Lyon 2014Production des radioisotopes

818 O + 1

1p → 918 F + 0

1n

714 N + 1

1p → 611C + 2

4α

Rn =mvnqB

f = q Bπm

ωc =q Bm

(pulsation cyclotron)

vn =2 q Um

n + 12

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

Lyon 2014Au coeur du cyclotron

Lyon 2014Pour avoir des images ... il faut un traceur !

Radioligand 5-HT6

Lyon 2014Récepteurs 5-HT6

Alzheimers Res. Ther. 2013, 5, 15 / Drug Discov. Today 2006, 11, 283 / Curr. Drug Targets: CNS Neurol. Disord. 2004, 3, 59

( )C. Gerard et al.rBrain Research 746 1997 207–219´ 209

and frozen in isopentane at y308C. Coronal and sagittal� .sections thickness: 10 mm were cut at y208C and

thaw-mounted onto gelatin-coated glass slides. Immunoau-toradiographic experiments were performed as described in

w xdetail elsewhere 11,14,24 . In brief, sections were preincu-

� .bated in PBS supplemented with 3% wrv bovine serum� . � .albumin BSA and 1% vrv goat serum for 30 min, then

incubated for 12 h at 48C with preimmune serum, crudeantiserum at 1r8000 dilution or purified antiserum at1r3200. Subsequent steps consisted of an extensive wash-

� .Fig. 1. A: schematic representation of the amino acid sequence of the rat 5-HT receptor. The synthetic peptide 1 dark circles corresponding to the6Leu398–Val415 sequence in the putative intracellular C terminal tail was coupled to keyhole limpet hemocyanin and injected to rabbits. Peptide 2,

237 260 � .corresponding to the Leu –Ser sequence within the putative third intracellular loop, was used in control ELISA tests see Fig. 2 . B: alignment of theC-terminal region of 5-HT receptors. Residues which are conserved in the rat 5-HT receptor and other G protein-coupled 5-HT receptors are in gray6boxes. The peptide 1 used for raising antibodies is in a dark box. TM7, transmembrane domain 7.

Brain Res. 1997, 746, 207

troubles psychotiques, troubles affectifs, anxiété, épilepsie régulation de la prise alimentaire role dans les déficits cognitifs et mnésiques ( ➠ maladie d’Alzheimer)

R Ô L E

Lyon 2014Vers un ligand TEP des récepteurs 5-HT6

Lyon 2014Pharmacophore

Curr. Top. Med. Chem. 2006, 6, 2005 / J. Chem. Inf. Model. 2008, 48, 197

�18F

�18F

N N

N

Groupe hydrophobe

Aromatique

Atome ionisable positivement

Accepteur liaison H

N N

N

N N

N

N N

N

Lyon 2014Molécules cibles

NN

NCH3

S

F

O O

4FQ1P

NN

NCH3

SO O F

2FQ1P

NN

NCH3

S

F

O

4FQ1PO

NN

NCH3

N S

F

O O

4FNQ1P

NN

NCH3

N SO O

F

2FNQ1P

NN

N

SO O

SOO

F

4FQNP

NN

N

SO O

SOO

F2FQNP

NN

NSO

OF

4FNQNP

N SO O

NN

NSO

O

F2FNQNP

N SO O

J. Med. Chem. 2014, 57, 3844.

Lyon 2014

NCl

NCl

INISAcOH80°C

87%

NCl

S

SHF

FN

Cl

SF

O O

NCH3

NN

F

o-F : 73%p-F : 94%

o-F : 78%p-F : 95%

2FQ1P : 42%4FQ1P : 69%

mCPBA(1,1 eq.)CH2Cl2

NCl

SO

F87% N

CH3

NN

SO

F

4FQ1PO : 24%NH3C NH

N

N

Cl

F

NH3C NH

N

N F

NCH3

N2FQ1P : 25%4FQ1P : 47%

o-F : 64%p-F : 81%

NH3C NH

CuI (2.5%),Cs2CO3

DMF, 100°C

MMPP(2.25 eq.)

CH2Cl2 / MeOH

Pd2dba3 (5%)DavePhos (10%)tBuONa (1.4 eq.)Toluene, 110°C

Pd2dba3 (5%)DavePhos (10%)tBuONa (1.4 eq.)Toluene, 110°C

Pd2dba3 (5%)XPhos(10%)

Cs2CO3 (1.4 eq.)Toluene, 110°C

Pd2dba3 (5%)XPhos (10%)

Cs2CO3(1.4 eq.)Toluene, 110°C

O OS

SO O

SO O

NCl N

Boc

NN

57% 77%NBoc NH

NN

NSO

O F

1) TFA, CH2Cl2

2) ArSO2Cl Et3N

2FQNP : 97%4FQNP : 96%

Pd2dba3 (5%)DavePhos (10%)tBuONa (1.4 eq.)Toluene, 110°C

SO O

SO O

SO O

SO2Na

CuI (10%)DMEDA (20%)DMSO, 110°C

ArSO2NHMe

N

N

Cl

N

N

NBoc

N42%

66%

1) TFA, CH2Cl2

NN

NSO

O

N

NBoc NH 2) ArSO2Cl Et3N

2FNQNP : 65%4FNQNP : 64%

F

SO O

SO OPd2dba3 (5%)

DavePhos (10%)tBuONa (1.4 eq.)Toluene, 110°C

SO O

Synthèses des molécules « froides »J. Med. Chem. 2014, 57, 3844.

Lyon 2014Binding 5-HT6

NN

NCH3

S

F

O O

NN

NCH3

SO O F

NN

NCH3

S

F

O

NN

NCH3

N S

F

O ON

N

NCH3

N SO O

F

NN

N

SO O

SOO

F

NN

N

SO O

SOO

F

NN

NSO

OF

N SO O

NN

NSO

O

F

N SO O

4FQ1P Ki = 0.26 nM

2FQ1P Ki = 0.10 nM

4FQNP Ki = 7.6 nM

2FQNP Ki = 30 nM

4FQ1PO Ki = 4.4 nM

4FNQ1P Ki = 27 nM

2FNQ1P Ki = 0.9 nM

4FNQNP Ki > 1 µM

2FNQNP Ki > 1 µM

J. Med. Chem. 2014, 57, 3844.

Lyon 2014Physico-chimie et sélectivité

NN

NCH3

S

F

O O

NN

NCH3

SO O F

NN

NCH3

S

F

O

4FQ1P Ki (5-HT6) = 0.26 nM Ki (5-HT2A) = 1.7 nM cLogD(pH=7.4) = 2.07-2.37 TPSA = 61.89 Å2 PSA(pH=7.4) = 53.51 Å2 LogBB = -0.27

2FQ1P Ki (5-HT6) = 0.10 nM Ki (5-HT2A) = 14 nM cLogD(pH=7.4) = 2.03-2.33 TPSA = 61.89 Å2 PSA(pH=7.4) = 53.51 Å2 LogBB = -0.11

4FQ1PO Ki (5-HT6) = 4.4 nM Ki (5-HT2A) = 54 nM cLogD(pH=7.4) = 2.00-2.41 TPSA = 55.65 Å2 PSA(pH=7.4) = 37.64 Å2 LogBB = -0.38

J. Med. Chem. 2014, 57, 3844.

2FNQ1P Ki (5-HT6) = 0.9 nM Ki (5-HT2A) > 1µM

cLogD(pH=7.4) = 1.86-2.39 TPSA = 65.13 Å2

PSA(pH=7.4) = 57.95 Å2 LogBB = 0.01

NN

NCH3

N SO O

F

Lyon 2014Vers le radiomarquage

NN

NCH3

N SO O

F�18F

Lyon 2014

F⊖ ➠Seulement substitution nucléophile ➠SNAr ⇒ EWG en ortho ou para ➠Haute activité spécifique

F⊖ ➠Seulement substitution nucléophile ➠SNAr ⇒ EWG en ortho ou para ➠Haute activité spécifique

Comment introduire le 18F ?

F2 ➠Grande réactivité ➠Régiosélectivité (fluorodémétallation) ➠Faible activité spécifique (ajout F2 froid)

�18F

Lyon 2014

N

N

NCH3

N

SO O

F

Precursor synthesis

18F⊖

�18F

N

N

NCH3

N

SO O

O2N

NOTf

1) NIS, AcOH, 80°C2) sulfonamide, CuI (1 eq.), Cs2CO3 (2.5 eq.), DMSO, 100°C3) MeI, Cs2CO3, DMF

Pd2dba3 (5%),Xphos(10%),

Cs2CO3 (1.4 eq.), THF, 80°C

NH3C NH N

N SO O

O2N

OTf

Rendement global : 13%

Lyon 2014Production du 18F

�18F

�18F

H

818 O + 1

1p → 918 F + 0

1n

Lyon 2014Radiomarquage

�18F

J. Med. Chem. 2014, 57, 3844 Eur. J. Nucl. Med. 2014, sous presse.

Lyon 2014Radiomarquage

N

N

NCH3

N

SO O

O2N

K18F, K[2,2,2]

DMSO, 150°C10 min.

N

N

NCH3

N

SO O

18F

[18F]2FNQ1P

Radiocemical yield (EOB) = 36%SA (EOS) = 100 GBq.µmol-1J. Med. Chem. 2014, 57, 3844

Eur. J. Nucl. Med. 2014, sous presse.

Lyon 2014Purification & Contrôle qualité

1.2 Ci [18F] → 696 pmol !1.96 mg de précurseur → 4.73 µmol

⇒ ≃6800 equiv. !!

Excès de précurseur[18F]2FNQ1P

Radioactivité

UV

Lyon 2014Vers les images …

Lyon 2014microTEP in vivo de cerveau de rat

Lyon 2014microTEP in vivo de cerveau de rat

Ciclosporine 50 mg.kg-1 i.v.

[18F]2FNQ1P ➠ substrat de la glycoprotéine-P (P-gp) (sur-exprimée dans l’endothélium du cerveau de rat)

sagittal sectioncoronal section

Eur. J. Nucl. Med. 2014, sous presse.

Lyon 2014Vers les « conditions  cliniques» … TEP in vivo

Lyon 2014TEP in vivo de cerveau de chat

Thalamus Striatum

Cortex

SUV$

0$

3$ Anterior Striatum

Control + Antagonist

�� Striatum �▲Cerebellum !�� contrôle �▲ + antagoniste (SB258585)

0,0#

0,5#

1,0#

1,5#

2,0#

2,5#

3,0#

3,5#

0# 10# 20# 30# 40# 50# 60# 70# 80#

SUV

Time (min.) Eur. J. Nucl. Med. 2014, sous presse.

Lyon 2014

0"

10"

20"

30"

40"

50"

60"

0" 10" 20" 30" 40" 50" 60" 70" 80" 90"

SUV$

Temps$(min.)$

TEP in vivo de cerveau de primate non-humain

+ 2FNQ1P (1.5 mg.kg-1) 30 min avant injection radiotraceur

}

▬ Cortex ▬ Striatum ▬ Cerebellum

Cingulate Cortex

Cortex

Striatum

Time (min.)

Eur. J. Nucl. Med. 2014, sous presse.

Lyon 2014Prochaine étape … ?

☞ Passage à l’homme

Lyon 2014Conclusion