Publications Repository - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Ein maßgebliches medizinisches Problem unserer Gesellschaft sind Krebs- und Tumor-erkrankungen. Aus diesem Grund sind die verbesserte Diagnose und Früherkennung von Krebserkrankungen sowie die Entwicklung neuer und effizienterer Therapiemöglichkeiten ein wichtiger Aspekt der gegenwärtigen medizinischen Forschung.
Die zielgerichtete α-Partikel Therapie (TAT, engl. Targeted Alpha-particle Therapy) ist eine spezielle Form der nuklearmedizinischen Behandlung von Krebserkrankungen und ordnet sich im Feld der Radionuklidtherapie ein. Die TAT hebt sich gegenüber anderen Radionuklidtherapien, wie der Behandlung mit β--oder Auger-Elektronen-Emittern, dadurch hervor, dass sie Chemo- und Strahlungsresistenzen überwinden kann, eine hohe biologische Wirksamkeit zeigt, und dabei gesundes Gewebe vergleichsmäßig wenig belastet.
Bei der TAT werden α-emittierende Radionuklide, hauptsächlich Radiometalle, mittels eines Radiopharmakons zielgerichtet an oder in die Krebszellen transportiert, welche dort hochenergetische α-Partikel emittieren, die zum Absterben des entarteten Gewebes führen. Um ein Radiopharmakon auf Basis eines Radiometalls herzustellen, werden die entsprechenden Radionuklide mittels eines Chelators stabil gebunden, welcher wiederum mit einem Vektormolekül verknüpft ist. Vektormoleküle können dabei monoklonale Antikörper oder niedermolekulare Verbindungen sein, welche spezifische Eigenschaften der Krebszelle adressieren und damit das selektive Binden an diese ermöglichen.
Nur wenige α-Emitter erfüllen die Voraussetzungen, um in der TAT eingesetzt werden zu können. Aus der Reihe der schweren Erdalkalimetalle stammen die beiden α-Emitter Radium 223 und Radium-224, welche großes Potential für eine solche radiopharmazeutische Anwendung besitzen. Zusätzlich kann der γ Emitter Barium 131, dessen Element das nächst leichtere Homologe des Radiums ist, zum Therapie-Monitoring eingesetzt werden. Aufgrund der chemischen Ähnlichkeit der Elemente Barium und Radium können beide mittels des gleichen Chelators gebunden und deren Radionuklide im Rahmen eines kombinierten diagnostischen und therapeutischen – eines so genannten theranostischen – Ansatzes in der Onkologie genutzt werden. Da von Radium keine stabilen Isotope existieren, dient Barium auch als ein nicht-radioaktives Surrogat, um Chelatoren initial bezüglich ihrer Komplex-bildungseigenschaften zu untersuchen.
Ziel dieser Arbeit war es, das Potential ausgewählter Radionuklide aus der Gruppe der schweren Erdalkalimetalle für die radiopharmazeutische Anwendung zu erschließen, und dafür die Möglichkeit ihrer stabilen Bindung in einem Radiopharmakon mittels eines geeigneten Chelators zu untersuchen. Der Fokus lag dabei auf Barium 131 und Radium 224. Als potentielle Chelatoren wurden die beiden Substanzklassen der Calix[4]aren-krone-6-Derivate und der Cavitanden untersucht.
Bei diesen Verbindungen handelt es sich um Makrozyklen, welche aus vier aromatischen Einheiten aufgebaut sind. Ihre Anordnung formt eine Kavität, welche auf die Ionengrößen von Barium und Radium zugeschnitten ist. Die beiden Grundstrukturen verfügen jeweils über acht Sauerstoffatome, die für die Koordination an Ba²⁺- beziehungsweise Ra²⁺-Ionen, ideale Donoratome darstellen.
Um die Interaktion der Liganden mit (nicht-radioaktiven) Bariumionen untersuchen zu können, wurden analytische Verfahren auf der Basis von NMR- und UV/Vis-Spektroskopie etabliert. Bei diesen Untersuchungen wurde für die Cavitanden trotzt weitreichender Optimierungsversuche keine Einlagerung von Bariumionen festgestellt.
Für die Calix[4]krone-6-basierten Derivate wurden die entsprechenden 1:1 Metallion-Ligand-Chelate mit Bariumionen hergestellt und nachgewiesen. Die Stabilität der Chelate wurde mit einer Titrationsmethode auf Basis von NMR- und UV/Vis Detektion bestimmt. Aufgrund der geringen Wasserlöslichkeit der gewählten Verbindungen wurden die initialen Versuche im Lösungsmittel Acetonitril durchgeführt. In nachfolgenden Optimierungsschritten wurden Calix[4]krone-6-basierte Chelatoren hergestellt, welche in Hinblick auf das HSAB-Konzept noch besser auf schwere Erdalkalimetalle abgestimmt waren. Zusätzlich wurden diese Chelatoren über funktionelle Gruppen mit einem Vektormolekül verknüpft, welches die Wasserlöslichkeit erhöhte.
Für nachfolgende Radiomarkierungsversuche wurden Dünnschichtchromatographie-Systeme etabliert, welche die Untersuchung von [¹³¹Ba]Ba²⁺- und [²²⁴Ra]Ra²⁺-Chelaten im wässrigen Medium sowie unter kompetitiven Bedingungen ermöglichten. Es konnten jedoch für alle Calix[4]krone-6-Derivate unter wässrigen Bedingungen keine Chelate nachgewiesen werden. Anschließende Untersuchungen legten nahe, dass das Radiometall kinetisch nicht ausreichend stabil in den Calix[4]krone-6-Derivate gebunden ist