Characterization of an 18F COX-2 PET ligand for in vivo brain imaging

用于体内脑成像的 18F COX-2 PET 配体的表征

基本信息

项目摘要

Alzheimer’s disease (AD) pathogenesis is associated with early neuroinflammation, which is considered to contribute to disease progression and severity. Therefore, understanding and regulating inflammatory pathways in the central nervous system (CNS) may contribute to prevention or delay of AD. Cyclooxygenase-2 (COX-2) is induced in response to inflammatory stimuli, and its inhibition underlies the therapeutic efficacy of many non- steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs). COX-2 expression is significantly elevated in brain in AD and this elevation correlates with the severity of brain amyloid plaque pathology. Hence, in vivo and non-invasive monitoring of COX-2 level in the brain can track COX-2 induction during the course of AD and also examine the clinical benefits of COX-2 inhibition in AD. A positron emission tomography (PET) ligand to quantify the level of functional COX-2 in the brain would allow direct measurement of neuroinflammation in AD, and thereby enable disease staging and therapy evaluation. However, there is no such PET ligand is currently available. In order to establish a clinically useful PET tracer for COX-2 imaging in AD brain, we propose to evaluate highly potent [18F]- labeled COX-2 inhibitors due to the advantages associated with the 110-minute half-life. [18F]-labeled tracers allow scanning for longer duration so as to enable equilibrium scanning and facilitate robust kinetic studies leading to accurate quantification of COX-2. Moreover, they can be transported from a synthesis hub to nearby PET centers that lack a cyclotron and aid cost-effective PET studies. We identified MTP, a high affinity COX-2 inhibitor (IC50 = 2.2 nM; Figure 2), possessing an aromatic site for introducing [18F]-label that is less susceptible for defluorination. MTP also has adequate lipophilicity (LogP = 2.7) to passively traverse the blood-brain barrier (BBB). We synthesized [18F]MTP and successfully demonstrated its specific binding in COX-2 positive BxPC-3 cell lines (Figure 3, 112). In vivo PET imaging was performed in mice, induced with lipopolysaccharide (LPS), and obtained a significantly higher binding in the brain compared to control mice, with no visible skeletal uptake (Figure 4, 150). Subsequent in vitro autoradiography of slide-mounted sections of the harvested brain, established specific binding of the tracer in LPS-induced neuroinflammation (Figures 5 & 6). In light of the above supporting evidence demonstrating BBB permeability, higher binding in neuroinflammation, and specific binding to COX-2, [18F]MTP will be further evaluated along with two backup ligands 2 & 3 (Figure 2), using additional PET imaging in mice models of neuroinflammation as well as AD neuropathology (Aims 1 & 2). The most qualified tracer identified will undergo test-retest dynamic PET quantitative evaluations with concomitant arterial blood sampling in male and female anesthetized monkeys to quantify binding as total distribution volume in various brain regions (Aim 3). We believe, the proposed experiments would lead to the selection of a successful [18F]- COX-2 PET tracer, characterized for the transition to clinical studies in AD for early diagnosis, monitoring therapeutic response, and aid development of new medications.
阿尔茨海默病 (AD) 的发病机制与早期神经炎症有关,而早期神经炎症被认为会导致疾病的进展和严重程度,因此,了解和调节中枢神经系统 (CNS) 中的炎症通路可能有助于预防或延缓 AD。 (COX-2) 是对炎症刺激作出反应而诱导的,其抑制作用是许多非甾体类抗炎药 (NSAID) 治疗效果的基础,在 AD 和 AD 患者的大脑中 COX-2 表达显着升高。这种升高与大脑淀粉样斑块病理的严重程度相关,因此,对大脑中 COX-2 水平的体内和非侵入性监测可以跟踪 AD 过程中 COX-2 的诱导,并检查 COX-2 的临床益处。正电子发射断层扫描 (PET) 配体可量化大脑中功能性 COX-2 的水平,从而可以直接测量 AD 中的神经炎症,从而实现疾病分期和治疗评估。目前是为了建立临床上有用的 AD 脑部 COX-2 成像 PET 示踪剂,我们建议评估高效的 [18F] 标记的 COX-2 抑制剂,因为其半衰期为 110 分钟。 18F]标记的示踪剂允许扫描更长的时间,以便实现平衡扫描并促进稳健的动力学研究,从而准确定量 COX-2。此外,它们可以从合成中心运输到附近缺乏 PET 中心。我们鉴定出 MTP,一种高亲和力 COX-2 抑制剂(IC50 = 2.2 nM;图 2),具有用于引入 [18F] 标记的芳香位点,该位点也不易受脱氟影响。具有足够的亲脂性(LogP = 2.7),可以被动穿过血脑屏障(BBB)。我们合成了[18F]MTP,并成功证明了其在体内的特异性结合。 COX-2 阳性 BxPC-3 细胞系(图 3, 112)在用脂多糖 (LPS) 诱导的小鼠中进行体内 PET 成像,与对照小鼠相比,在大脑中获得了显着更高的结合,且没有可见的骨骼。摄取(图 4, 150),对收获的大脑切片进行体外放射自显影,确定示踪剂在 LPS 诱导的神经炎症中的特异性结合。 (图 5 和 6)根据上述证据证明 BBB 通透性、神经炎症中较高的结合以及与 COX-2 的特异性结合,[18F]MTP 将与两个备用配体 2 和 3 一起进行进一步评估(图 2)。 ),在神经炎症和 AD 神经病理学小鼠模型中使用额外的 PET 成像(目标 1 和 2),确定的最合格的示踪剂将进行再测试动态 PET 定量。对雄性和雌性麻醉猴子同时进行动脉血采样评估,以量化各个大脑区域的总分布体积的结合(目标 3),我们相信,所提出的实验将导致成功选择 [18F]-COX-2 PET。示踪剂,其特点是过渡到 AD 临床研究以进行早期诊断、监测治疗反应并帮助开发新药物。

项目成果

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