Stratégies innovantes pour le radiomarquage de macro-biomolécules au fluor-18 pour des applications en imagerie moléculaire in vivo

Development of novel strategies for the radiolabeling of biologics with fluorine-18 for in vivo molecular imaging applications

• Auteur / Autrice : Mélanie Roche
• Direction : Bertrand Kühnast
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 06/02/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Radiochimie et de Radiopharmacie (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Schulz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Kühnast, Emmanuelle Schulz, Sandrine Langle, Vincent Levacher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Langle, Vincent Levacher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traceurs radioactifs

Tomographie par émission

Fluor -- Composés organiques

Pyridine -- Dérivés

Chimie click

Macromolécules

Mots clés libres

Macromolécules

Chimie click

Pyridines

SNAP-Tag

Fluor‑18

TEP

Biologics

Click chemistry

Pyridines

SNAP-Tag

Fluorine-18

PET

Résumé

Le radiomarquage des macro-biomolécules au fluor-18 représente un défi majeur en radiochimie vu leur importance en imagerie moléculaire. Les macro-biomolécules et en particulier les peptides offrent une diversité moléculaire et un ciblage in vivo souvent plus spécifiques et sélectifs que les molécules de plus faibles poids moléculaires. Cependant, les conditions standards de radiomarquage au fluor-18 seraient destructrices pour de tels composés et ne peuvent être utilisées directement. Peu de méthodes directes de radiomarquage existent et présentent certains inconvénients (température encore élevée, activité molaire faible, méthodes peu versatiles…). C’est pourquoi, le radiomarquage par approche prosthétique en deux étapes reste une méthode de choix. Cette stratégie séquentielle implique tout d’abord la préparation d’une molécule radiofluorée, appelée groupe prosthétique, puis sa conjugaison à la macro-biomolécule dans des conditions chimiques biocompatibles. L’objectif de ce travail de thèse a consisté à développer de nouvelles méthodes générales de radiomarquage de macro-biomolécules visant in fine des applications de radiomarquage direct in vivo. Les enjeux principaux ont été la diminution du temps de marquage pour améliorer les procédés de radiosynthèse compte tenu de la demi-vie du fluor-18 (109,8 min), le besoin d’automatisation ainsi que la vitesse et la bioorthogonalité des réactions de conjugaison pour des applications en milieu complexe et dilué. Tout d’abord, l’étude de trois réactions de chimie click, CuAAC, SPAAC et SPSAC, de vitesse et de biocompatibilité croissantes a été considérée. Le développement de groupes prosthétiques spécifiques de chacune d’entre elles ainsi que leur conjugaison sur des composés modèles ont ensuite été étudiés. Par la suite, une étude méthodologique sur la radiofluoration de pyridines substituées a été initiée afin d’obtenir des entités radiomarquables dans des conditions suffisamment douces permettant la « pré-conjuguaison » à la macro-biomolécule avant l’étape de radiofluoration. Enfin, l’utilisation d’un étiquetage enzymatique, le SNAP-tag, a également été explorée et un substrat radiofluoré spécifique synthétisé. Ces différentes approches ont permis d’élargir le panel des méthodes permettant un radiomarquage efficace et biocompatible de macro-biomolécules.

Fluorine-18 radiolabeling of biologics is a challenge in radiochemistry due to their increasing interest in molecular imaging. Biologics, and particularly peptides, offer molecular diversity and often higher specific and selective in vivo targeting compared to low molecular weight molecules. However, fluorine-18-radiolabeling standard conditions could not be used directly because biologics would suffer from these drastic conditions. Only a few direct radiolabeling methods are available and present some drawbacks (high temperature, low molar activity, lack of versatility…). Therefore, a two-steps prosthetic radiolabeling approach remains the method of choice. This sequential strategy involves the preparation of a fluorine-18-labeled molecule, called prosthetic group, which is then conjugated with the macromolecule in biocompatible chemical conditions. The aim of this PhD work was to develop new general methods for the radiolabeling of biologics directed toward in vivo radiolabeling applications. Major issues were time and radiosynthesis processes with regard to the fluorine-18 half life, automatization as well as constant rate and bioorthogonality of conjugation reactions for applications in complex and diluted environment.The first part is devoted to the study of three click chemistry reactions, CuAAC, SPAAC and SPSAC leading to enhanced reaction rates and biocompatibility. Specific prosthetic groups were developed for each reaction and their conjugation was studied with model compounds. Furthermore, a methodological study involving the radiofluorination of substituted pyridines was initiated for the production of entities for mild radiolabeling conditions compatible with a “pre-conjugation” to the biologics before radiofluorination. Finally, an enzymatic labeling approach using the SNAP-tag self-labeling enzyme was explored and a specific radiofluorinated substrate was synthesized. These different approaches allowed an extent of the panel of methods for effective and biocompatible radiolabeling of biologics.