SINTESI DI NUOVI CHELANTI AZAMACROCICLICI RIGIDIFICATI IMPIEGABILI NELLA TERAPIA MIRATA CON ARGENTO-111

This thesis work was carried out within the ISOLPHARM-Ag project whose purpose is to produce carrier-free Ag-111-based radiopharmaceuticals that can be used in nuclear medicine. The project is coordinated at the national level by INFN-LNL (National Institute of Nuclear Physics - National Laboratories of Legnaro - PD) and sees the collaboration of the Departments of Chemical Sciences, Pharmaceutical Sciences, and Mechanical Engineering of the University of Padua. Among the radionuclides that can be produced by the ISOL facility, Ag-111 is one of the most promising for target radionuclide therapy in oncology, as it has favorable decay characteristics (emitter β─ with an average half-life of 7.45 days, energy average of 360 keV, low percentage of γ emission and an average in tissues, equal to 1.8 mm) which makes it suitable as a theranostic agent. For the fabrication of a clinically relevant radiopharmaceutical, it is also essential to select an appropriate bifunctional chelator. This is delegated on the one hand to stably coordinate the radionuclide of interest, and on the other to act as a binding point for the linker which in turn binds the directing molecule in charge of selectively transporting the radiopharmaceutical to the tumor site. The complex formed between the chelator and the radiometal must have high thermodynamic stability and kinetic inertia, to avoid side effects in healthy tissues due to a premature release of the metal in vivo. Since silver-111 is not yet implemented in current clinical practice, there are no bifunctional chelators available for it. A few years ago, the analytical chemistry research group of the Department of Chemical Sciences proposed and synthesized a derivative of cyclen tetraalkylated with 2-methylthio-ethyl, and then studied its interactions with Ag (I) both in "cold" (cold non-radioactive metal) and "hot" (with the radioactive metal) and although the complexes formed are very stable, in vivo the release of the radiometal was found within a few hours of its administration into the bloodstream. This thesis aimed to synthesize new cyclen and cyclam based chelators that could increase the stability (thermodynamic and/or kinetics) of the complex even in vivo. The proposed molecules are two: 4,10-bis (2- (methylthio) ethyl) -1,4,7,10-tetraazabicyclo [5.5.2] tetradecane (CB-DO2S) and 4,11-bis (2- ( methylthio) ethyl) -1,4,8,11-tetraazabicyclo [6.6.2] hexadecane (CB-TE2S). As for CB-TE2S, it was obtained with a yield of 48% through a two-step synthesis: there is a first activation of 2-chloro-ethyl-methyl sulfide to iodide and subsequent alkylation of CB-cyclam, made available commercially from Chematech. This compound was characterized by NMR spectroscopy (proton and carbon spectrum and two-dimensional HSQC and COZY spectra) and by mass analysis. As far as CB-DO2S is concerned, it has not yet been possible to find a synthetic way capable of leading to the desired product. Numerous synthetic routes have been proposed and tested, and some of them appear promising for the synthesis of the final compound by making a few changes concerning the procedures proposed so far.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto all’interno del progetto ISOLPHARM-Ag il cui scopo è produrre radiofarmaci a base di Ag-111 carrier free impiegabili in medicina nucleare. Il progetto è coordinato a livello nazionale da INFN-LNL (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Laboratori Nazionali di Legnaro – PD), e vede la collaborazione dei Dipartimenti di Scienze Chimiche, Scienze Farmaceutiche ed Ingegneria Meccanica dell’Università degli Studi di Padova. Tra i radionuclidi che potranno essere prodotti dalla facility ISOL, Ag-111 è uno dei più promettenti per la radionuclide target therapy in campo oncologico, poiché presenta delle favorevoli caratteristiche di decadimento (emettitore β─ con un’emivita media di 7.45 giorni, energia media di 360 keV, bassa percentuale di γ emissione ed una media penetrazione nei tessuti, pari a 1.8 mm) che lo rendono adatto come agente teranostico. Per la realizzazione di un radiofarmaco clinicamente rilevante è anche essenziale selezionare un appropriato chelante bifunzionale. Questo, infatti, è deputato da una parte a coordinare stabilmente il radionuclide di interesse, e dall’altra a fungere da punto di legame per il linker che a sua volta lega la molecola direzionante incaricata di trasportare selettivamente il radiofarmaco nel sito tumorale. Il complesso che si forma tra chelante e radiometallo deve presentare una elevata stabilità termodinamica e inerzia cinetica, in modo da evitare effetti collaterali in tessuti sani dovuti ad un rilascio prematuro del metallo in vivo. Poiché l’argento-111 non è ancora implementato nella corrente pratica clinica, non vi sono disponibili per esso chelanti bifunzionali. Pochi anni fa il gruppo di ricerca di chimica analitica del Dipartimento di Scienze Chimiche ha proposto e sintetizzato un derivato del cyclen tetraalchilato con 2-metiltio-etile, e poi ne ha studiato le interazioni con Ag(I) sia a “freddo” (col metallo non radioattivo) che a “caldo” (col metallo radioattivo), e sebbene i complessi formati siano molto stabili, in vivo si è riscontrato il rilascio del radiometallo entro poche ore dalla sua somministrazione nel circolo sanguigno. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di sintetizzare nuovi chelanti cyclen e cyclam based che potessero aumentare la stabilità (termodinamica e/o cinetica) del complesso anche in vivo. Le molecole proposte sono due: 4,10-bis(2-(metiltio)etil)-1,4,7,10-tetraazabiciclo[5.5.2]tetradecano (CB-DO2S) e 4,11-bis(2-(metiltio)etil)-1,4,8,11-tetraazabiciclo[6.6.2]esadecano (CB-TE2S). Per quanto riguarda il CB-TE2S, esso è stato ottenuto con una resa del 48% attraverso una sintesi a due passaggi: si ha una prima attivazione del 2-cloro-etilmetilsulfuro a ioduro e una successiva alchilazione del cb-cyclam, reso disponibile commercialmente dalla Chematech. Tale composto è stato caratterizzato tramite spettroscopia NMR (spettro del protone, del carbonio e spettri bidimensionali HSQC e COSY) e tramite analisi di massa. Per quanto riguarda invece il CB-DO2S non è ancora stato possibile trovare una via sintetica in grado di portare al prodotto desiderato. Sono state proposte e testate numerose vie sintetiche, ed alcune di esse sembrano promettenti per la sintesi del composto finale operando poche modifiche rispetto alle procedure finora proposte.