Radiofarmaci e sistemi biologici

Per i radiofarmaci esistono molteplici vie di somministrazione, tra cui orale, endovenosa, intra-arteriosa, sottocutanea e inalatoria. I radiofarmaci PET vengono più frequentemente somministrati per via endovenosa, mentre procedure meno frequenti si basano sull’inalazione di gas radioattivi, come [¹¹C] CO, [¹¹C] CO₂, [¹⁵O] CO e [¹⁵O] O₂.

Il sangue è sia il veicolo che distribuisce il radiofarmaco in tutto il corpo, sia l’ambiente biochimico iniziale a cui è esposto il radiotracciante. Le caratteristiche molecolari/biochimiche del radiofarmaco determinano la sua permanenza nel sangue circolante così come il suo destino metabolico.

Le interazioni con le componenti del sangue (proteine e cellule) devono essere considerate anche per garantire che il radiofarmaco non venga degradato o trasformato. La fase vascolare è importante nell’analisi dei dati, poiché la distribuzione del tracciante (funzione di ingresso) è un parametro chiave.

La dimensione molecolare, la polarità e la presenza di meccanismi di permeazione attiva influenzano la capacità di un radiofarmaco di attraversare l’endotelio vascolare e diffondersi nello spazio interstiziale. Il [¹⁸F] FDG entra nel cervello attraverso un processo di diffusione facilitata mediato dal trasportatore del glucosio-1 (GLUT-1). Molti organi hanno endotelio altamente specializzato (come la barriera emato-encefalica); quindi, ogni tracciante deve soddisfare requisiti specifici che devono essere considerati a priori durante la progettazione della molecola.

I parametri classici comunemente utilizzati nella progettazione dei farmaci (LogP, LogS, PSA, ecc.) vengono considerati durante la fase di progettazione del tracciante come caratteristiche necessarie (anche se non sempre sufficienti).

Caratteristiche molecolari e test precoci per la loro valutazione

I traccianti PET generalmente subiscono specifiche interazioni molecolari per raggiungere un tessuto/organo bersaglio specifico.
Quando si quantifica la distribuzione della radioattività, è importante distinguere la forma chimica che porta il radionuclide. Le trasformazioni che possono verificarsi dal sangue all’escrezione finale devono essere conosciute. Questo è obbligatorio quando si utilizza un approccio di modellazione per stime quantitative della concentrazione regionale di una specie radiomarcata selezionata. Il campionamento del sangue e l’analisi radiochimica possono essere necessari per identificare i metaboliti derivati dal radiofarmaco originale.

D’altra parte, la biotrasformazione in vivo per sé può essere l’obbiettivo dell’indagine con un tracciante PET. Ad esempio, l’ischemia tissutale porta all’alterazione della capacità redox locale e del pH; alcuni tracciatori PET possono rispondere a queste alterazioni cambiando la loro natura chimica iniziale e causando così l’accumulo locale di radioattività. Il miocardio ipossico o i tumori ipossici sono i bersagli tipici per questo approccio di imaging. I traccianti che si accumulano nei tessuti ipossici si basano su elementi sensibili alla redox (come il rame nel ⁶⁷Cu-PTSM) o su gruppi molecolari sensibili alla redox (come la componente 2-nitroimidazolo del ¹⁸F-FMISO).
I traccianti la cui stabilità dipende dal pH, come ⁶⁸Ga-citrato o pHLIPs (peptidi di inserzione a pH basso), sono marcati sia con ¹⁸F che con ⁶⁸Ga. Tuttavia, il meccanismo di accumulo locale dei traccianti sensibili alla redox e al pH non è ancora completamente chiaro.

La maggior parte dei traccianti PET sono progettati per adattarsi ad una specifica tasca di legame di una molecola bersaglio o entrare in una via biochimica. Pertanto, la struttura molecolare e l’impatto della porzione di marcatura (radionuclide e gruppo prostetico se presente) devono essere attentamente valutati per progettare traccianti adatti.

Recettori e enzimi, bersaglio di diversi ligandi/tracciatori PET, costituiscono le applicazioni più tipiche per sfruttare la selettività e la specificità del meccanismo a chiave e serratura. Il ligando del recettore (o il substrato dell’enzima) si adatta a un sito di legame specifico e, facendo ciò, determina la risposta biochimica. Una vasta varietà di sistemi di recettori è stata valutata con tracciatori PET.

Radiotraccianti per sistemi neurotrasmettitoriali e recettoriali

I ligandi PET possono facilitare le fasi iniziali dello sviluppo di un composto farmaceutico per valutare la farmacocinetica negli esseri umani. La localizzazione di questi agenti radiomarcati dimostra il principio di funzionamento, risparmiando tempo nello sviluppo di nuovi farmaci.

L’alta radioattività specifica dei traccianti PET svolge un ruolo chiave in questa applicazione, poiché possono essere somministrati e tracciati anche a basse concentrazioni di ligandi nei loro siti di segnalazione. Nel caso specifico dei ligandi recettoriali, la reversibilità del legame e l’affinità del ligando PET con il bersaglio devono essere considerate, per garantire che il tracciante rifletta il vero comportamento del recettore nelle condizioni fisiologiche e nell’uso previsto (ad esempio, per la mappatura del numero totale di recettori, la mappatura della modulazione del recettore, ecc.).

Esistono due principali strategie per valutare un processo enzimatico: substrato suicida, per cui il tracciante interagisce con il sito di legame in modo irreversibile, e substrati “normali”, per cui il tracciante interagisce con l’enzima secondo il percorso previsto.
Un esempio del primo tipo di substrato è il [¹¹C]-l-deprenyl-D₂, utilizzato per investigare l’astrocitosi nelle malattie neurodegenerative. Questo ligando si lega selettivamente e irreversibilmente alla monoamino ossidasi-B (MAO-B) nel cervello e agisce come un inibitore suicida attraverso la formazione
di un legame covalente con la parte enzimatica, permettendo così una mappatura regionale dei siti di densità enzimatica.
Il [¹⁸F]FDG è un esempio paradigmatico del secondo tipo di interazione substrato/enzima. Il [¹⁸F]FDG è un substrato dell’enzima esochinasi che lo trasforma nel prodotto fosforilato, [¹⁸F]FDG-6-P. A sua volta, [¹⁸F]FDG-6-P, che non è adatto ad essere un substrato dell’enzima glucosio-6-fosfato isomerasi, rimane intrappolato nella cellula. Infatti, il tasso di fosforilazione e il rapporto trasporto/estrazione non sono gli stessi per [¹⁸F]FDG e glucosio, e devono essere utilizzati correttivi adeguati per misurare i tassi metabolici del glucosio locale utilizzando i dati derivati dalla PET sui tassi di estrazione del [¹⁸F]FDG.
A questo scopo, è stata calcolata una “lumped constant” (LC) da alcuni esperimenti confrontando [¹⁸F]FDG con [³H]glucosio o [¹⁴C]glucosio (biochimicamente identico al glucosio nativo).
In questo contesto, è importante considerare che il lumped constant può variare tra diversi tessuti, diverse regioni del cervello e anche all’interno dello stesso tessuto/organo durante le condizioni di malattia rispetto a quelle fisiologiche.
L’esempio del [¹⁸F]FDG come substrato intrappolato metabolicamente ha aperto la strada allo sviluppo di altri traccianti PET.

Un ulteriore obiettivo dei traccianti PET è la valutazione del trasporto molecolare e delle misurazioni del pool. L’omeostasi e la funzione cellulare si basano ampiamente su meccanismi che regolano il transito delle molecole attraverso le membrane e la loro concentrazione intracellulare.
Le proteine trasportatrici di soluti, i recettori legati ai canali ionici, i recettori legati alle proteine G e i recettori legati agli enzimi sono stati sfruttati per sviluppare traccianti PET per l’imaging molecolare. Ad esempio, molti sistemi di trasporto per gli aminoacidi (AA) sono potenziati nelle cellule neoplastiche. La [¹¹C]metil-L-metionina è stata utilizzata per l’immagine del trasporto aumentato di AA e del metabolismo delle proteine nei tumori cerebrali, superando così i limiti della PET con [¹⁸F]FDG dovuti all’elevato sfondo associato all’assorbimento fisiologicamente elevato di [¹⁸F]FDG nel cervello.

Lo sviluppo di AA marcanti con ¹⁸F, con tempi logistici e di scansione migliorati, ha notevolmente ampliato le applicazioni cliniche di questo approccio, mirando a diversi tumori tramite i sistemi di trasporto degli AA associati.

I trasportatori regolano anche l’efflusso di xenobiotici e sostanze tossiche dallo spazio intracellulare a quello extracellulare. La famiglia dei trasportatori ABC (dall’inglese ATP-binding cassette), ed in particolare la glicoproteina-P (PgP) nella sua isoforma I (MDR1/ABC1 o Multidrug Resistance Pump), può essere mirata con traccianti PET per la selezione dei pazienti per la chemioterapia e per l’adattamento del trattamento. I traccianti PET per i substrati di PgP (ad es. [¹¹C]daunorubicina) o gli inibitori di PgP (ad es. [¹¹C]verapamil) sono stati testati per valutare l’espressione e la quantificazione di MDR nei pazienti affetti da tumori maligni.

La proteina translocator a 18 kDa (TSPO) è minimamente espressa nelle cellule gliali normali e viene sovraespressa in risposta a lesioni cerebrali e infiammazione dovuta all’attivazione delle microglie; i substrati di TSPO sono stati marcati con radioisotopi per valutare la neuroinfiammazione così come alcuni tipi di tumori e infiammazione periferica.

Esempi dei traccianti che rappresentano il trasporto molecolare sono riassunti nella seguente tabella.

Oltre al trasporto attraverso le membrane, è anche importante studiare ciò che accade all’interno delle cellule, incluso l’attività di geni specifici. I geni segnalatori possono essere un substrato (trasformato in un prodotto che è intrappolato metabolicamente all’interno della cellula o che agisce come substrato suicida) di un enzima codificato dal gene segnalatore. In alternativa, un ligando radiomarcato che agisce come sonda segnalatore può essere utilizzato per legarsi al recettore codificato dal gene segnalatore. Il principale limite di questo approccio è l’immunogenicità associata all’uso del transgene terapeutico, in particolare quelli basati su fonti virali e non umane.

Fonte: Fondamenti di medicina nucleare. Tecniche e applicazioni.