Komplexy zlata v medicíně S–Au SAuP SAu Na thioglukóza (Solganol) 2,3,4,5-tetra-O-acetyl-1-1--D-S- thioglukozyl(triethylfosfin)zlatný komplex (Auranofin) 4-amino-2-merkapto- benzoová kyselina (Krysolgan) Na Au — S — SAu Na thiomalát sodnozlatný (Myochrisin) thiopropanol sulfonát (Allocrysine)

Au NC CN N Koordinace zlata [ NC — Au — CN ] – Au Cl PPh3 Ph3P Au S R

Cisplatin The story of the invention of the anticancer drug cisplatin is a story of chemistry hidden in the science of biology

Normal and elongated E. coli: (a) scanning electron microphoto-graph of normal E. coli (Gram-negative rods); scanning electron micro-photograph of E. coli grown in medium containing a few parts per million of cis-diamminedichloroplatinum(II) (same magnification in all pictures). The platinum drug has inhibited cell division, but not growth, leading to long filaments. The serendipitous result of this experiment was that it was not the electric fields that inhibited bacterial growth but rather a platinum containing complex that later came to be known as cisplatin.

Cisplatina Time sequence photographs of two mice with solid Sarcoma 180 tumors. The mouse at the top was an untreated negative control. She died on day 21 when the tumor weighed about 3g. The bottom mouse was in the group treated on day 8 with an intraperitoneal injection of cis-diamminedichloroplatinum(II). Her tumor was completely regressed six days after treatment, and she died of age-related causes almost 3 years later.

Cisplatina A group of researchers at Michigan State University subsequently found that cisplatin could also be used to inhibit the growth of cancer cells. For the past twenty years, cisplatin has proven to be highly effective for the treatment of various cancers, particularly testicular cancer.

Cisplatina October of 1996 - Tests revealed advanced testicular cancer that had spread to his lungs and his brain. He began an aggressive form of chemotherapy by the Platinol) In May of 1998 Lance celebrated his victory over cancer and his "official" return to U.S. cycling by winning the Sprint 56K Criterium 1999- he won Tour de France and his son Luke was born happy and healthy Oct 12th.

Komplexy platiny – trans efekt

Hydrolýza cisplatiny pKa = 6,3 pKa = 5,6 pKa = 7,3 + H2O – Cl– – H+

adukty DNA – cisplatina CYTOPLAZMA buněčná membrána pasivní difůze aktivované formy cisplatiny adukty DNA – cisplatina DNA nádorové buňky Pt + 2+ cisplatina ŽILNÍ KREV Aplikace cisplatiny do organismu

Komplexy platiny – Cisplatina Mechanisms of cisplatin uptake and efflux. In addition to passive diffusion, cisplatin is also actively imported by the copper transporter CTR1. Copper-transporting P-type adenosine triphosphate (ATP7B) has a role in cisplatin efflux. Wang, Lippard, Nature Reviews Drug Discovery, 2005

interakce cisplatiny s DNA cis-platina bifunkční monofunkční adukty  (ppm) 0,5 hod. 2,5 hod. 4,5 hod. 6,5 hod. 8,5 hod. 10,5 hod. 12,5 h. 195Pt NMR spektra interakce cisplatiny s DNA

Cisplatina cisplatina Pt strukturní vliv cisplatiny vázané na DNA

Cisplatina Navázání platiny na DNA

Pt Cisplatina Navázání platiny na guanidin v DNA

Pt O Komplexy platiny RTG struktura aduktu cisplatiny a d(pGpG)

Komplex cisplatiny a DNA Pt Komplex cisplatiny a DNA Komplexy platiny Platina Dusík Fosfor

Komplexy platiny – Cisplatina b d Pt 3' 5' A

Strukturní změny v DNA: Adukty DNA – cisplatina B-DNA 1,2 Intrastrand cross-link 1,2 Interstrand Jamieson and Lippard, Chem Rev, 99, 2467 (1999); Coste, et al, Nucleic Acids Res, 27, 1837 (1999).

Komplexy platiny – Cisplatina Intrastrand cross-link Interstrand cross-link Bending: 32 – 34° 45° Unwinding: 16 – 20° 79°

Komplexy platiny – Cisplatina Cisplatin-DNA adducts may cause various cellular responses: Wang, Lippard, Nature Reviews Drug Discovery, 2005

Komplexy platiny – Cisplatina Major mechanisms of resistance to cisplatin: Inactivation of cisplatin by glutathione, metallothionein or other sulfur-containing molecules Increased repair of cisplatin adducts Reduced cisplatin accumulation by changing the profile of uptake /efflux Increased cisplatin adducts tolerance and failure of apoptotic pathways

Metody molekulárního a buněčného zobrazování CT – computer tomography MR – magnetic resonance imaging SPECT – single photon emission computer tomography PET – positron emission tomography Optické metody

Kontrastní látky pro jednotlivé zobrazovací techniky CT – jodidové deriváty organických látek MR – komplexní sloučeniny Gd(III) SPECT – 99mTc PET – 11C, 18F, ( 15O, 13N ), 68Ga Optické metody – fluorescenční značky, organické látky, komplexy lanthanoidů Magnetická resonance + Komplexace radionuklidů Vyžaduje ligandy

MRI 2005 23 milions MR examinations in US ( 25 % ) In world near 100 milions examinations Contrast agents are used for more than 35 % Examinations

Principy NMR a MR NMR – variabilita frekvence – posice píků

Principy MR The figure was adopted from U. S. patent ‘832 of Dr. R. Damadian on 3D MRI scanner. The patent was filled on March 17, 1972 . P. C. Lauterbur, P. Mansfield ( Nobel Prize 2003 ) , R. Ernst (1991) Discrete Fourier Transormation  MR – intensita píků (protony mol. vody) + prostorové rozlišení – gradient mg. pole

Principy MR Kontrast v MR vzniká na základě odlišné koncentrace vody v různých typech tkání a z různého odlišného relaxačního času protonů vody. Proton longitudinal – podélný T1 magnetický relaxační čas Proton transversal – příčný T2 T1 – positivní kontrast, T2 – negativní kontrast

Kontrastní látky pro MR Proton longitudinal T1 – paramagnetické částice Proton transversal T2 – ferromagnetické částice Kontrastní látky jsou užívány v ca 40 % vyšetření Více než 95 % kontrastních látek je založeno na Gd ( III )

Kontrastní látky pro NMR diagnostiku BEZ kontrastní látky s extracelulárním Gd(III) s angiografickým Gd(III)

Ligandy pro aplikaci v medicíně H5dtpa H4dota H4teta H3do3a

Struktura komplexů [ Gd (dota)] – [ Gd (dtpa)] 2–

Používané kontrastní látky

Ligandy pro aplikaci v medicíně H5dtpa H4dota

Interakce molekul vody s komplexem gadolinia (III) Mss r Účinnost kontrastní látky se vyjadřuje pomocí relaxivity, r1 r1 = f ( M , R , Mss , T1, 2e )

Teoretický profil relaxivity při 20 MHz, 37 °C – log(R) – log(M) r1

Simulace relaxivity jako funkce protonové Larmorovy frequence (1H NMRD profile) T = 37 C, 298v = 40 ps, 2 = 1019 s2, RGdH = 3.1 Å. Šedá oblast označuje oblast magnetických polí používaných v klinické praxi.

Ligands for lanthanide complexes with q = 2 r1 = f ( q, M , R , MSS , T1. 2 e ) AAZTA DO3A S. Aime, University of Torino PCP2A HOPO S. Aime, University of Torino K.N. Raymond, University of California

Izomerie komplexu Gd(DOTA)–

Diastereoizomerie u komplexů typu H4dota čtvercové antiprisma (SA) izomer M úhel  = 45° zkřížené čtvercové antiprisma (TSA) izomer m úhel  = – 22,5° [Gd(dota)(H2O)]– v pevném stavu: izomer M v roztoku: 15 % m, 85 % M tM / ns = 243

Izomerie komplexu Gd(DOTA)– v roztoku

Estimated for [Gd(dota)(H2O)]– r1 = f ( q, M , R , MSS , T1, 2 e ) Abudance of TSA – isomer is about 20 %. Despite of the fact, its contribution to the overall exchange rate is 90 %. Estimated for [Gd(dota)(H2O)]– F. A. Dunand, S. Aime, A. E. Merbach, J. Am. Chem. Soc. 122 (2000) 1506 F. A. Dunand, R. S. Dickins, D. Parker, A. E. Merbach, Chem. Eur. J. 7 (2001) 5160

Ovlivnění R r1 = f ( q, M , R , MSS , T1, 2 e ) Zpomalení molekulárního pohybu „tumbling„ Immobilizace jednoduchých komplexů tvorbou agregátů

Syntéza konjugátů …

1H NMRD profil konjugátu Gd ( III ) DO3A-PBnN{CS} s ß-cyclodextrinem

Dual Probes

Cyclodextrine conjugates (b) (c) (d) Fluorescent photomicrographs of Langerhans islets labeled by G6.9F0.1C: a) visualization of the contrast agent (green) and karyons (blue); b) highlighting of the a-cells (yellow-orange); c) highlighting of the macrophages (yellow-orange); d) highlighting of the b-cells (pink). Islets were incubated with 1 mm G6.9F0.1C (per GdIII) for 24 h. A typical size of the LIs is 300 µm.

MRI

Targeting Gd

99mTc poločas 6 hodin, energie 140 keV Generátor 99Mo SPECT 99mTc poločas 6 hodin, energie 140 keV Generátor 99Mo Z generátoru je získáván TcO4– Nejde přímo zakomplexovat Redukce SnCl2 … Oxidační čísla IV, V Oxokation technecyl

Komplexace radionuklidů (I) Tc Tc Tc-PnAO překonání BBB, rychlé vymývání Tc Tc-ECD, zobrazování mozku

Komplexace radionuklidů (II) Tc + R N Tc + P O Tc-haxakis(2-methoxy-isobutyl Isonitril) myocardial perfusion agent Tc-tetrofosmin Lipophilic non-specific Heart uptake, retention

Některé ligandy a komplexy užité pro targeting Tc, Ga, In, Cu, Y, lanthanoidy jako 111In komplex

Izotopy pro PET

18F (110) min., 11C (20 min.) – cyclotron PET 18F (110) min., 11C (20 min.) – cyclotron Combination of PET and MRI, PET and CT

Izotopy používané pro PET

The two major 11C precursors used in synthesis are 11CO2 and 11CH4 Cyclotron-generated carbon-11 is mainly produced by the proton bombardment of nitrogen-14 The two major 11C precursors used in synthesis are 11CO2 and 11CH4 [11C] CH2O [11C] CH3OH [11C] CH3I [11C] CH3OTf [11C] CO [11C] CO2 [11C] CH4 [11C] CCl4 [karbonyl-11C] RCOCl [karbonyl-11C] RCOOMX [11C] HCN [11C] COCl2 [11C] RCH2 X [11C] RCH2OH

Příprava izotopů pro PET

Sloučeniny užívané pro PET methylace N –, O –, S – prekurzorů 11CH3I , 11CH3OTf PIB amyloid v Alzheimerově nemoci Raclopride – dopaminové receptory PMP aktivita acetylcholinesteráza (Alzh) Flumazalin – receptory benzodiazepinu

[18F] je připravován reakcí Nejvíce používaná látka je [18F] F2 – nebo méně reaktivní [18F] CH3COOF 1. [18F] CH3COOF H2O 2. HCl [18F] KF·K222 deprotekce NaOH [18F] je připravován reakcí 20Ne (d, α)18F nebo 18O( p, n)18F

které je sorbováno na matrici TiO2 nebo SnO2 68Ga pro PET 68Ga poločas 68 minut Generátor pro 68Ga Zdroj 68Ge (T1/2 = 271 d), které je sorbováno na matrici TiO2 nebo SnO2

Generátor pro 68Ga

Příklady ligandů pro Ga(III) H3nota H4dota H5dtpa

University of Mainz, Zentral Klinik Bad Berka PET/CT imaging of osteoblastic bone metastases with 68Ga-bisphosponates – First in human study (a) = coronal PET, (b) = sagittal PET/CT. For comparison (c) shows 18F-fluoride PET. University of Mainz, Zentral Klinik Bad Berka

Optické metody – Fluorescence Výhody – rozlišení, citlivost, malá množství látky (submikromolární koncentrace), jednoduchá instrumentace Nevýhody – malá propustnost tkání, posun do nečervené oblasti spektra, až NIR. Autofluorescence tkání. Možnost použití na vzdálenosti mm až centimetru. Vhodné excitační a emisní pásy.

Typy fluorescenčních látek Organické fluorofory – organické molekuly, např. fluorescein, rhodamin atd., nevýhoda – postupný rozklad látky po opakovaných excitacích Quantum dots – nanokrystalické částice, většinou polovodiče, netoxické, stálé. Lanthanoidy – Tb, Eu ( VIS), Er, Nd ( NIR), pásy úzké zakázané, nízké absorpční koeficienty, ionty toxické. Komplexy, v blízkosti iontu musí být organická anténa.

Optické vlastnosti některých látek Látka Excitační m. [nm] Emisní m. [nm] Pam-78 771 796 Pam800 778 799 Pam-Tc / Re-800 781 800 FAMRIS 490 – 500 515 – 525 OsteoSense680 680 700 OsteoSense750 750 780

energie -záření (MeV) Radionuklidy (I) Vybrané -zářiče s terapeutickým potenciálem: Radionuklid t½ (dny) max E (MeV) energie -záření (MeV) 32 P a 14,3 1,71 47 Sc b 3,4 0,60 0,159 ( 68 % ) 64 Cu b 0,5 0,57 0,511 ( 38 % ) 67 Cu b 2,6 0,184 0,092 ( 48 % ) ( 23 % ) 89 Sr a 50,5 1,46 90 Y c 2,7 2,27 105 Rh a 1,5 0,319 0,306 ( 19 % ) ( 5 % ) a Radionuklidy získavané v jaderných reaktorech b Radionuklidy získavané v urychlovačích nabitých částic c 90Y je generováno z rodičovského 90Sr, který se získává v reaktorech

energie -záření (MeV) Radionuklidy (II) Radionuklid t½ (dny) max E (MeV) energie -záření (MeV) 111 Ag b 7,5 1,05 0,342 ( 6 % ) 117m Sn a 13,6 0,13 0,158 ( 87 % ) 131 I a 8,0 0,81 0,364 ( 81 % ) 149 Pm a 2,2 1,07 0,286 ( 3 % ) 153 Sm a 1,9 0,80 0,103 ( 29 % ) 166 Ho a 1,1 1,60 0,810 ( 6,33 ) 177 Lu a 6,7 0,50 0,113 0,208 ( 6,4 % ) ( 11 % ) 186 Re a 3,8 0,137 ( 9 % ) 188 Re d 0,7 2,11 0,155 ( 15 % ) a Radionuklidy získavané v jaderných reaktorech b Radionuklidy získavané v urychlovačích nabitých částic d 188Re se získává ze systému 188W / 188Re

Některé ligandy a komplexy užité pro targeting (II) jako 67Ga nebo 111In komplex