Synthesis of folate receptor 1 targeted dye-conjugated peptides for use in positron emission tomography imaging systems

Abstract

Nowadays, it is tried to find solutions for human beings to have a long and high-quality life, increase the number of studies in the field of health, and detect diseases that become difficult to treat with their progress. Cancer is one of the first causes of death statistics in official records in the world and Turkey. It is known that the diagnosis of cancer is difficult and takes time, and the number of cases continues to increase rapidly day by day. Because of the metabolism change in cancer cells, the cells continue to grow and divide instead of dying. Cancer factors; inherited mutations can be internal, such as hormones, or acquired environmental, such as carcinogens, radiation, infectious organisms, and lifestyle. By imaging the changes caused by cancer in cells, information about the stage of cancer can be obtained. Cancer researchers want to detect cells where cancers develop, identify biomarkers of cancers early, and create treatment plans for cancer. Proteins produced by tumor cells can be used as biomarkers to evaluate disease processes. Molecular imaging (MI) aims to combine patient and disease-specific molecular information and is an interdisciplinary area covering a wide range of sciences when is used in the diagnosis and treatment of diverse disease genres. For this purpose, targeted cell-specific chemical biomolecules are delivered to the organism by labeled radioactive isotopes. The imaging method to be utilized varies specifically according to the disease state. Positron emission tomography (PET), which has become more advanced with the integration of scanners such as computerized tomography (CT) used in the imaging of cancer, is one of the several imaging methods widely used in the diagnosis of cancer today. Since radioisotope imaging agents are required for imaging in PET devices, studies for their development are increasing day by day. Peptides are used as ligands/agents in imaging cancer imaging, thanks to their properties such as high selectivity and high affinity, ease of synthesis and chemical stability, quick removal from blood, and low immunogenicity/safety for cell surface proteins. Due to the metabolic rate of cancer cells, more folic acid is produced in these cells than in normal healthy body cells, and this uncontrolled increase has led to its use in cancer imaging studies. Peptide-based imaging agents are used for molecular imaging by binding to target cancer receptors such as Folate Receptor 1 (FOLR1) of tumor cells. Molecules that can bind to the FOLR1 receptor with high sensitivity and affinity were synthesized by the Solid Phase Peptide Synthesis (SPPS) method. The peptides KWGFR, KLWWN, KFLSW, KWIAG, KWSYW, KGWRN, and KSYFA were selected from the peptide library and successfully synthesized. Reversed-Phase High-Performance Liquid Chromatography (RP-HPLC) was used to purify the peptides and Liquid Chromatography-Mass Spectrometry (LC-MS) was utilized for peptide characterization. Finally, the imaging agent will be obtained by conjugating the peptide-based signaling agent labeled with the 68Ga isotope.

Günümüzde insanoğlunun uzun ve kaliteli bir yaşam sürmesi için çözümler bulunmaya, sağlık alanında yapılan çalışmaların sayısını artırmaya ve ilerlemesiyle tedavisi zorlaşan hastalıkları tespit etmeye çalışılmaktadır. Kanser, dünya genelinde ve Türkiye'de resmi kayıtlarda istatiksel ölüm nedeni olarak ilk sıralarda yer almaktadır. Üstelik son yıllardaki artan teknolojik gelişmelere rağmen kanser, bu sıralardaki yerini koruyor. Dolayısıyla kanser vakaları yaş, ırk, cinsiyet ve toplumdan bağımsız olarak hızla artmaya devam etmektedir. Kanser teşhisinin zor ve zaman aldığı ve vaka sayılarının her geçen gün hızla artmaya devam ettiği bilinmektedir. Kanser, düzenli fizyolojinin ve biyokimyanın bozulmasıyla, hastalıklı hücrelerdeki metabolizma değişikliği nedeniyle hücreler ölmek yerine büyümeye ve bölünmeye devam eder. Kanser faktörleri; Kalıtsal mutasyonlar hormonlar gibi içsel veya kanserojenler, radyasyon, bulaşıcı organizmalar ve yaşam tarzı gibi çevresel edinilmiş olabilir. Kanserin hücrelerde meydana getirdiği değişikliklerin görüntülenmesi ile kanserin evresi hakkında bilgi alınabilir. Başka bir deyişle, kişinin mevcut tıbbi durumunun olağan ölçüsüdür. Kanser araştırmacıları, kanserlerin geliştiği hücreleri tespit etmek, kanser biyobelirteçlerini erkenden belirlemek ve kanser için tedavi planları oluşturmak istemektedir. Tümör hücreleri tarafından üretilen proteinler, hastalık süreçlerini değerlendirmek için biyomarker olarak kullanılabilir. Biyobelirteçler tıbbi testleri hızlı ve kolay hale getirir ve genellikle biyomarker olarak folik asit kullanımı yaygındır. Kanserin ortaya çıkardığı bu olumsuz tabloyu değiştirmek için erken teşhis konması hem hastalığın önlenmesi hem de tedavi için erken müdahale edilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Kanserin görüntülenmesinde kullanılan birçok görüntüleme yöntemi bulunmaktadır. Moleküler görüntüleme (MI), hasta ve hastalığa özgü moleküler bilgileri birleştirmeyi amaçlar ve çeşitli hastalık türlerinin tanı ve tedavisinde kullanıldığında çok çeşitli bilimleri kapsayan disiplinler arası bir alandır. MI için, pozitron emisyon tomografisi (PET) ve tek foton emisyon bilgisayarlı tomografisi (SPECT) gibi radyonüklid tabanlı görüntüleme teknikleri son zamanlarda görüntülemede etkin bir şekilde kullanılmaktadır. Bunlar en hassas moleküler görüntüleme teknikleridir. γ-ışını emisyonları SPECT ve PET çalışmalarının temelini oluşturur ve radyofarmasötikler her iki yöntem için de bir kamera ile tespit edilebilir. Bu amaçla, hedeflenen hücreye özgü kimyasal biyomoleküller, etiketli radyoaktif izotoplar aracılığıyla organizmaya iletilir. Kullanılacak görüntüleme yöntemi spesifik olarak hastalık durumuna göre değişir. PET cihazlarda görüntüleme için radyoizotop görüntüleme ajanlarına ihtiyaç duyulduğundan bunların geliştirilmesine yönelik çalışmalar her geçen gün artmaktadır. Radyoizotoplar; doğada karbon, oksijen veya nitrojen gibi yapısal bileşikler üreten veya basitçe flor gibi yapısal kompozitlerle reaksiyona giren bileşenlerin izotoplarıdır. Bu, karbonhidratlar, amino asitler,hormonlar, vb. gibi PET görüntülemede çok çeşitli yapısal bileşiklerin kullanımını sağlar. Genellikle pozitron kaynakları olarak, SPECT görüntüleme için 99mTc, 123I ve 111In ve PET görüntüleme için 18F, 64Cu,11C ve 68Ga'dır. Radyonüklidler, şelatörler veya post-sentetik radyo-etiketleme grupları tarafından hedeflenen peptitler üzerinde etiketlenmelidir. Bu radyonüklidler glikoz, su, amonyak veya reseptörlere bağlanan moleküllere bağlanabilir. 18F'nin bir glikoz analoğu olan deoksiglukoza bağlanması, dokuların metabolik farklılıklarını izlemek için PET' sıklıkla kullanılır. PET görüntülemenin; hastanın radyasyona maruz kalması, diğer moleküler görüntüleme sistemlerine kıyasla daha zayıf çözünürlüğü ve anatomik gözlemlerle doğru bir bağlantısı olan moleküler olayları ayırt etmek için anatomik kriterlerin olmaması gibi sınırlamalara sahiptir. Bu gibi sorunların, PET'in bilgisayarlı tomografi (BT) veya manyetik rezonans görüntüleme (MRI) ile birleştirilmesiyle, PET'in düşük çözünürlüklü moleküler bilgisini BT'nin yüksek çözünürlüklü anatomik ayrıntılarıyla bütünleştirerek üstesinden gelinmiştir. Bir tümördeki moleküler bilginin anatomik veya fonksiyonel bilgiyle birleşimi, tümörü sınırlı olarak kavramak için daha büyük bir duyarlılık ve kesinlik sağlar. Bu nedenle, birkaç görüntüleme kategorisini bir araya getiren çok modlu görüntüleme geliştirilmiştir. Çok modlu görüntüleme, nükleer tıpta yaygın bir tekniktir. Bu görüntünün örnekleri arasında PET/MRI, PET/CT, SPECT/CT ve MRI/OI bulunur. Daha doğru görüntüler elde etmek için PET muayeneleri sıklıkla BT muayeneleri ile birleştirilir. Tümör hücrelerindeki veya tümör kütlesi içindeki hücrelerdeki spesifik reseptörlere bağlanabilen radyofarmasötikler oldukça sınırlıdır. PET/SPECT görüntülemedeki yeni trend peptitlerdir. PET görüntüleme ajanları olarak tümördeki aktif endotel hücrelerine bağlanan ve meningiomların görüntülenmesini sağlayan somatostatin reseptörüne bağlanan peptit ligandı (68Ga-DOTATOC) tercih edilmektedir. 68Ga-DOTA (1,4,7,10-Tetraazasiklododekan-1,4,7,10-tetraasetik asit) peptidlerin kullanımı gittikçe artmaktadır. Amino asitlerden oluşan organik madde olan peptitler, önemli yüzey reseptörlerine doğal ligandtırlar. Peptitlerin yüksek seçicilik ve yüksek afinite, sentez kolaylığı ve kimyasal stabilite, kandan hızlı uzaklaştırılma ve hücre yüzeyi proteinleri için düşük immünojenisite/güvenlik gibi özellikleri sayesinde kanser görüntülemenin görüntülenmesinde ligandlar/ajanlar olarak kullanılır. Kanser hücrelerinin metabolik hızı nedeniyle bu hücrelerde normal sağlıklı vücut hücrelerine göre daha fazla folik asit üretilir ve bu kontrolsüz artış nedeniyle kanser görüntüleme çalışmalarında kullanılırlar. Peptit bazlı görüntüleme ajanları, tümör hücrelerinin Folat Reseptörü 1 (FOLR1) gibi hedef kanser reseptörlerine bağlanarak moleküler görüntüleme için kullanılır. FOLR1 geni folat reseptörü adı verilen bir proteinin üretilmesinden sorumludur ve folik asidin hücreye girişinde bir kapı görevi görür. Bu çalışmada, FOLR1 reseptörüne yüksek duyarlılık ve afinite ile bağlanabilen moleküller Katı Faz Peptit Sentezi (SPPS) yöntemi ile sentezlendi. KWGFR, KLWWN, KFLSW, KWIAG, KWSYW, KGWRN ve KSYFA peptitleri, peptit kitaplığından seçildi ve başarıyla sentezlendi. Peptidleri saflaştırmak için Ters Fazlı Yüksek Performanslı Sıvı Kromatografisi (RP-HPLC) ve peptit karakterizasyon çalışmaları için Sıvı Kromatografi-Kütle Spektrometrisi (LC-MS) kullanıldı. Peptid çalışmaları yalnızca halihazırda onaylanmış tedavileri genişletmekle kalmaz, aynı zamanda bu konjugatlar potansiyel yeni teşhis ve terapötik fikirler gösterir. Gelecekte bu alanda yapılan bu tür çalışmaların artacağını göstermektedir. Son olarak bu çalışmanın devamında sentezlenen peptitler kullanılarak, PET cihazlarında kullanıma uygun 68Ga izotopu ile etiketlenmiş peptit bazlı sinyal ajanı, DOTA şelatları kullanılarak molekülün yüksek bağlanma aktivitesine sahip görüntüleme ajanı elde edilecektir.