Sporstoffer til billeddannelse af hjernen
PET-scanning kan kortlægge unormal nerveaktivitet ved alvorlige hjernesygdomme. Ved undersøgelsen benyttes radioaktivt mærkede sporstoffer. opholdstiden i hjernen er kort, så scanningen er uskadelig.
Af Kåre Søndergaard og Mikael Begtrup
Fra Lægemiddelforskning 2006
I dag findes der ingen kur, som kan helbrede en række alvorlige sygdomme i centralnervesystemet som Alzheimers syge, Parkinsons syge, Huntingtons sygdom og spasticitet. Derfor forskes der intenst i udvikling af bedre lægemidler til behandling af sygdommene.
Sygdomme i hjernen skyldes unormal funktion af de receptorer på hjernecellerne, der skal modtage og viderebringe nerveimpulser, og det samme gælder for psykotiske lidelser som skizofreni og depression. Der findes et stort antal receptortyper, og de enkelte hjernesygdomme menes at være relaterede til unormal signaloverførsel ved bestemte receptortyper. Disse receptorer befinder sig – alt efter type – forskellige steder i hjernen.
For at udvikle nye og bedre metoder til diagnostik og behandling, er det vigtigt at kunne se, hvor i hjernen, der er unormal receptoraktivitet. Et tydeligt billede af situationen ved hjælp af hjernescanninger vil gøre diagnosen mere præcis. Det vil hjælpe med til, at lægerne kan sætte ind med en målrettet behandling. Desuden har man mulighed for at følge behandlingsforløbet og se, om et lægemiddel når frem til de ramte områder og afhjælper situationen.
PET-scanning
PET-scanning (Positron Emissions Tomografi ) kan give et billede af hjernen og kortlægge placeringen af de forskellige receptorer og deres aktivitet. Ved scanningen tilføres en minimal mængde af et radioaktivt mærket sporstof til blodbanen og føres med blodet til hjernen.
Sporstoffet udsender stråling, og når hjernen undersøges, måler PET-scanneren den udsendte stråling i tre dimensioner. Ved hjælp af matematisk manipulation kan der herefter skabes et 3D-billede af, hvordan sporstoffet har fordelt sig.
PET-metoden er uhyre følsom, og man kan nøjes med nogle få nanogram sporstof for at generere et 3D-billede. Derfor modtager patienten kun en minimal strålingsdosis under scanningen. Desuden mærkes sporstoffet med isotoper som kulstof-11 og fluor-18, der henfalder hurtigt. Halveringstiderne er henholdsvis 20 og 110 minutter.
Isotoperne fremstilles i en cyklotron og indbygges i simple molekyler, som derpå indbygges i selve sporstoffet. På grund af den korte isotoplevetid har man i praksis kun en times tid til at kulstof-11-mærke og rense det stof, der skal indgives. Det stiller store krav til hastigheden af de kemiske reaktioner og den efterfølgende rensningsprocedure.
- PET-scanninger kan vise unormal nerveaktivitet ved hjernesygdomme og følge effekten af medicinsk behandling. Ved undersøgelsen benyttes radioaktivt mærkede sporstoffer, som målrettes til at binde til receptorer, der er involveret i forskellige sygdomme. Her ses et tredimensionalt PET-billede af en levende hjerne. Mængden af sporstof aftager med farverne sort > blå > blågrøn > grøn > gul > rød > hvid.
Målrettede sporstoffer
Ved PET-billeddannelsen er det en stor udfordring at få det mærkede stof til at sætte sig på netop den ønskede receptortype og helst kun den. Desuden skal bindingen bevares i et vist tidsrum, for ellers bliver signalet fra de bundne molekyler for svagt i forhold til signalet fra ubundne molekyler i blodet, og så får man ikke det præcise billede, man ønsker. For at opnå de bedst mulige bindingsforhold skal man ofte bruge nye molekylstrukturer, der er forskellige fra de egentlige lægemidler.
I samarbejde med Rigshospitalet har vi fremstillet og målt på en række PET-sporstoffer, der virker som agonister på dopamin-D2-receptoren. En agonist er et stof, der binder til en receptor og udløser dens virkning. D2-receptorerne spiller en vigtig rolle i sygdomme som Parkinsons syge og skizofreni. Derfor er det af stor betydning at studere disse receptorer i en levende hjerne for at opnå en større forståelse af sygdomsprocesserne med henblik på udvikling af nye lægemidler.
Test i cellekulturer
Til fremstilling af sporstofferne har vi udviklet en række af effektive og fleksible kemiske syntesetrin, der gør det muligt at fremstille slutprodukterne i relativt få trin ud fra kodein, som er et billigt startmateriale.
Ved syntesen fremstiller vi først målmolekylet uden radioaktiv mærkning for at afprøve dets aktivitet i cellekulturer. Her kontrolleres det, om stoffets binding til neuroreceptorerne er tilstrækkelig effektiv. Bindingen til andre beslægtede neuroreceptorer måles også. Sådanne konkurrerende bindinger til andre receptortyper må helst ikke forekomme, fordi det kan forplumre billedet af den bestemte receptortype, man vil undersøge.
Hvis et stof binder godt og selektivt til en bestemt receptortype, er der grønt lys for næste trin i processen. Her fremstilles et egnet forstadium til målmolekylet. Forstadiet skal kunne mærkes til en radioaktiv version af slutproduktet. Selve mærkningen foregår på Rigshospitalet.
Fremstilling af receptorspecifikke sporstoffer
De enkelte trin i skemaet illustrerer, hvad der i dag er muligt i laboratoriet. Det er karakteristisk for synteser med komplicerede molekylære strukturer, at adskillige af syntesetrinnene består af beskyttelse af grupper, som ikke må reagere, før det ønskes.
I synteserækken sker de egentlige ændringer ved tre af syntesetrinnene. Isotopmærkningen foretages som det sidste trin. Det gælder om at lave mindst mulig kemi efter mærkningen for ikke at tære på kulstof-11-isotopens korte halveringstid. Fra naturens side er den OH-gruppe, som ikke skal reagere, allerede beskyttet i form af en ethergruppe (OCH3). N-atomet beskyttes med en benzylgruppe (Bn) i stedet for den methylgruppe (Me), som kvælstofatomet er udstyret med i naturligt forekommende kodein.
Efter disse finjusteringer er der kun en OH-gruppe tilbage, som nu kan oxideres til en keton. Herefter kan morfinskelettet omlejres til aporfinskelettet, som indgår i slutproduktet. Derpå aktiveres den ene OH-gruppe ved omdannelse til en triflatgruppe (OTf), mens den anden beskyttes med en pivaloylgruppe (Piv). Aktiveringen muliggør sekvensens nøglereaktion, som er en palladiumkatalyseret ombytning af OTf-gruppen med en N-holdig gruppe. Denne kan derpå ombyttes med fluor (F), der indgår i slutproduktet.
Ombytningen af NH2-gruppen med fluor foregår i en ionisk væske, som er et nyt trick for at øge udbyttet. En ionisk væske er meget stabil og reagerer ikke med de andre stoffer. Desuden er ioniske væsker mere polære end de organiske opløsningsmidler, der ellers anvendes rutinemæssigt. Den ioniske væske kan derfor opløse det ioniske salt, der dannes som mellemstadie ved reaktionen. Da alt er opløst, forløber reaktionen jævnt under fuld kontrol og giver højt udbytte. Palladiumkatalyserede reaktioner har vundet enorm betydning i de senere år. Palladium er et metal af platinfamilien, men billigere. Tilsætning af små mængder palladium til en reaktionsblanding kan få ellers umulige reaktioner til at forløbe. Palladium katalyserer mange forskellige reaktioner. Dette gør syntesen meget fleksibel, fordi OTf-gruppen også kan ombyttes med mange andre grupper, når der tilsættes små mængder palladium.
Variationsmulighederne giver adgang til en række nye dopamin-D-agonister med interessante bindingsegenskaber. OTf-nøglestoffet kan derfor bruges til at lave mange vigtige forbindelser, hvorved eksempelvis affiniteten og selektiviteten ved binding til dopamin-D2-receptoren kan forbedres. Dette åbner for muligheden af at lave nye stoffer med forbedrede egenskaber som PET-sporstoffer.
Hurtigt væk fra hjernen
Vi har fremstillet og målt på en række af stoffer, og hjernescanninger har vist, at vores stoffer ikke opholder sig ret længe i den levende hjerne. Stofferne nedbrydes hurtigt og føres bort med blodstrømmen.
Desværre binder stofferne sig tilsyneladende ikke i helt så præcise områder, som vi havde håbet. Vi er derfor gået i gang med syntesen af nye forbedrede stoffer. Ud over dopamin-D2-receptoren fokuserer vi på 5-HT2A-receptoren, som spiller en afgørende rolle i depressionstilstande.
For at skabe en ide om, hvilken rumlig struktur stofferne skal have, er vi begyndt med at lave computermodeller af 5-HT2A-receptoren. Vores stoffer skal passe i receptoren som nøgle til en lås. Modelberegningerne giver os nogle retningslinier for, hvordan målmolekylerne skal være opbygget. Herefter er det kreativiteten og fantasien og gerne palladiumkatalyserede reaktioner, der skal bruges, når stofferne skal sættes sammen.
Undersøgelserne udføres inden for rammerne af Centret for Integreret Molekylær Billeddannelse af Hjernen (CIMBI). Centret blev etableret sidste år ved midler fra Lundbeckfonden.
