Exploring new labelling strategies for boronated compounds: towards fast development and efficient assessment of BNCT drug candidates

Abstract

La terapia por captura de neutrones (BNCT o Boron Neutron Capture Therapy), fue descrita por primera vez por Locher en 1936 y es una modalidad terapéutica binaria para el tratamiento del cáncer que se basa en la captura de neutrones térmicos por medio de átomos de 10B, previamente acumulados en las células tumorales. La captura del neutrón térmico resulta en la formación de un núcleo de 11B, que fisiona para generar dos iones altamente energéticos: 4He2+ y 7Li3+. El daño y la posterior muerte celular se producen por la ionización que provocan estas partículas en su recorrido, antes de perder completamente su energía. El desarrollo histórico de la BNCT se ha centrado en el tratamiento de tumores cerebrales malignos, cuya extirpación resulta arriesgada y el tratamiento mediante técnicas como la radioterapia o la quimioterapia provocan daños importantes en el tejido sano circundante. Se estima que se requieren aproximadamente entre 10 y 30 ¿g de 10B por gramo de tumor para obtener resultados terapéuticos relevantes, aunque esta cantidad puede reducirse considerablemente si la acumulación se localiza cerca del núcleo celular. De lo expuesto anteriormente se deduce que resulta de elevada importancia el diseño de moléculas que posean un gran número de átomos de 10B en su estructura y que presenten elevada afinidad/especificidad por las células tumorales. Los heteroboranos poliédricos representan una estructura química altamente recurrida para su aplicación en la BNCT. Este hecho se debe, por un lado, a la alta acumulación de átomos de boro en una misma molécula y, por otro lado, a su elevada versatilidad química. Entre los heteroboranos poliédricos se encuentran los dicarba-closo-dodecaboranos (también llamados carbaboranos o carboranos, de fórmula empírica general C2B10H12), que presentan geometría prácticamente icosaédrica, de modo que cada átomo de carbono y/o boro están hexacoordinados. Existen en las formas isoméricas orto, meta y para, que difieren entre sí en la posición relativa de los átomos de carbono del clúster; sus características físico-químicas más relevantes son su elevada versatilidad y su elevada estabilidad térmica y fotoquímica en el rango UV-visible. Debido a estas características únicas, los carboranos se han utilizado históricamente para preparar catalizadores, polímeros, compuestos de coordinación y radiofármacos, aunque una de sus principales aplicaciones radica en la preparación de compuestos aptos para su utilización en la BNCT; durante las últimas décadas, muchos grupos de investigación han desarrollado nuevas estructuras incorporando heteroboranos poliédricos en general y carboranos en particular con potencial aplicación en la BNCT. Una de las estrategias más utilizadas consiste en incorporar una molécula de orto-carborano a diferentes carbohidratos, ya que estos últimos presentan no sólo baja toxicidad, sino que poseen cierta afinidad hacia determinados receptores específicos que se encuentran en la superficie tumoral y compensan la elevada hidrofobicidad inherente al clúster de carborano, que podría provocar unión inespecífica indeseada o acumulación en el hígado. Estrategias alternativas proponen la síntesis de aminoácidos, porfirinas, poliaminas, o nucleósidos (o derivados de éstos) que contienen carboranos como grupos sustituyentes, o de liposomas que contienen en su interior heteroboranos poliédricos que se liberan en los tumores aprovechando la vasculatura inmadura que se encuentra en las inmediaciones de los tumores que proliferan rápidamente. Estudios pre-clínicos efectuados sobre algunos de los compuestos anteriormente citados han demostrado claramente la eficacia terapéutica en muchos modelos tumorales (especialmente en tumores cerebrales), e incluso algunos ensayos clínicos han demostrado que la BNCT puede implementarse de forma segura a nivel clínico. Sin embargo, la eficacia terapéutica sólo está garantizada en el caso en que el fármaco se encuentre en el interior de las células tumorales y, a ser posible, cerca del núcleo. Es por lo tanto crucial disponer de una herramienta capaz de monitorizar el comportamiento fisiológico y farmacológico de los átomos de 10B (o del fármaco portador) dentro del paciente. Dicha herramienta debería permitir (idealmente) determinar de manera no invasiva la concentración de 10B en tejido, sangre y orina, así como la distribución espacial microscópica a nivel celular y sub-celular. En la actualidad, la comunidad científica dispone de varios métodos que permiten determinar la concentración de 10B en muestras, tanto a nivel macroscópico como microscópico. Uno de los más utilizados históricamente es la Espectroscopia de Rayos Gamma Prompt (PGRA) que permite medir el contenido medio de 10B en muestras macroscópicas. Otras técnicas comúnmente utilizadas (de forma aislada o en combinación con otras) son la Espectroscopia de Emisión por Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-EOS), Autorradiografía Alfa de Alta Resolución, Radiografía por Captura de Neutrones (NCR) y Espectroscopía Electrónica de Pérdidas de Energía (EELS). Todas las técnicas citadas anteriormente tienen en común que son invasivas (aunque no necesariamente destructivas) y que determinan directamente la cantidad de boro. Una alternativa a dichas técnicas consiste en determinar la concentración de fármaco portador de boro y no directamente la cantidad de 10B, y es en este escenario donde cobran importancia las técnicas de imagen molecular, en especial las técnicas nucleares de imagen, entre las que se encuentran la Tomografía por Emisión de Fotón Único (SPECT) y la Tomografía por Emisión de Positrones (PET). Ambas técnicas (PET y SPECT) permiten obtener imágenes tridimensionales in vivo y a tiempo real, que ofrecen información acerca de la distribución espacio-temporal de un radiotrazador administrado a un sujeto, siendo el radiotrazador cualquier especie química marcada con un radioisótopo emisor de fotones gamma (SPECT) o de positrones (PET). Durante los últimos años las técnicas nucleares se han postulado como una herramienta fundamental no sólo en el entorno diagnóstico, sino también para el estudio farmacocinético y farmacodinámico de nuevas entidades químicas. En el supuesto que se marcara isotópicamente un fármaco con potencial aplicación en la BNCT, las técnicas de imagen nuclear permitirían conocer, en cada momento y para cada parte del organismo, la concentración de fármaco una vez éste se hubiera administrado a un sujeto. A pesar del potencial teórico que presentan las técnicas de imagen nuclear, la principal dificultad en su aplicación radica en la necesidad de marcar radiactivamente todos y cada uno de los fármacos potencialmente activos. Este hecho, unido al corto período de semidesintegración de los isótopos más comúnmente empleados (que obliga a desarrollar procesos de marcaje rápidos, efectivos y automatizables) ha provocado que hasta la fecha tan sólo se haya marcado un candidato (L-para-boronofenilalanina, BPA) con Flúor-18 (isótopo emisor de positrones). Los ensayos realizados con este compuesto (en los que se combina la PET con técnicas de imagen anatómicas, concretamente Tomografía Computerizada o CT) permitieron determinar la farmacocinética, el metabolismo y la acumulación en tejido del radiotrazador (18F-BPA). La acumulación del radiotrazador en tumor determinada mediante las técnicas de imagen correspondía con la acumulación de fármaco (BPA) determinada mediante técnicas ex vivo. Es evidente, pues, que las técnicas de imagen nuclear, especialmente la PET (que a diferencia de la SPECT permite una cuantificación absoluta de la distribución espacio-temporal del radiotrazador) pueden desarrollar un papel fundamental en el salto hacia la aplicación clínica de la BNCT como modalidad terapéutica rutinaria en el entorno hospitalario. Para ello es imprescindible, sin embargo, diseñar estrategias para la incorporación de isótopos radiactivos (emisores de positrones o emisores gamma) a moléculas ricas en boro. Esta es precisamente la temática que se aborda en la presente tesis doctoral. En el capítulo 4 se presentan dos estrategias diferentes para la incorporación de isótopos radiactivos en carboranos funcionalizados. La primera estrategia se basa en la mono-[18F]fluoración del o-carborano mediante sustitución nucleofílica, utilizando el anión [18F]F- producido mediante irradiación de agua enriquecida en oxígeno-18 con protones acelerados, y una sal de arilyodonio del carborano. Una vez producido el marcaje, se plantea la funcionalización del carborano marcado radiactivamente mediante formación de la sal litiada y posterior reacción con aldehídos. La segunda estrategia se basa en la preparación de decaborano radio-yodado mediante intercambio isotópico, y subsiguiente reacción con acetilenos sustituidos en acetonitrilo (que actúa simultáneamente como base de Lewis y como disolvente) bajo calentamiento con microondas, rindiendo derivados del o-carborano funcionalizados con diferentes sustituyentes. Ambas estrategias poseen un elevado valor sintético ya que permiten la preparación de una amplia variedad de carboranos marcados radiactivamente. Fruto del trabajo expuesto en este capítulo han resultado dos publicaciones científicas en revistas internacionales:1- Gona KB, Gómez-Vallejo V, Padro D, Llop J; [18F]Fluorination of o-carborane via nucleophilic substitution: towards a versatile platform for the preparation of 18F-labelled BNCT drug candidates. Chemical Communications, 2013. 49(98): 11491-11493. 2- Gona KB, Lakshmi VPN Thota J, Baz Z, Gómez-Vallejo V, Llop J, Straightforward synthesis of radioiodinated Cc-substituted o-carboranes: towards a versatile platform to enable in vivo assessment of BNCT drug candidates. Dalton Transactions. 2015. 44: 9915-9920. Actualmente se está preparando una tercera publicación.En el capítulo 5 se presentan estrategias para el marcaje de derivados del anión cobalto-bis-dicarballuro (COSAN). Para ello, se utilizan reacciones de intercambio isotópico catalizadas por paladio utilizando dos isótopos radiactivos: 125I (emisor gamma de baja energía) y 124I (emisor de positrones). Los derivados marcados con 125I se utilizaron para determinar el patrón de biodistribución en roedores utilizando disección y contaje de órganos, mientras que los análogos marcados con 124I se utilizaron para determinar el patrón de biodistribución mediante PET-CT, utilizando para ello tanto animales sanos como diferentes modelos tumorales. Cabe destacar que este trabajo se realizó en estrecha colaboración con el grupo de investigación liderado por los Profesores Francesc Teixidor y Clara Viñas, del Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC). Dicho grupo de investigación llevó a cabo la síntesis de los precursores para el marcaje y participó activamente en el análisis de los resultados obtenidos y presentados en este capítulo. Fruto del trabajo realizado, ha resultado una publicación científica en una revista internacional: 3- Gona KB, Zaulet A, Gómez-Vallejo V, Teixidor F, Llop J, Viñas C; COSAN as a molecular imaging platform: synthesis and ¿in vivo¿ imaging. Chemical Communications. 2014. 50: 11415-11417. Actualmente se está preparando una segunda publicación.Los capítulos 6 y 7 de esta tesis doctoral se han focalizado en la preparación de análogos de carboranos marcados con Carbono-11. En el capítulo 6 se describe la preparación de dos análogos del 2-(4-aminofenil) benzotiazol en los que el anillo bencénico se sustituye por una unidad m-carborano. Posteriormente, se procede a la incorporación del isótopo radiactivo mediante metilación. Para ello, se genera en primera instancia el precursor radiactivo [11C]CH3I, que es transformado en [11C]CH3OTf para llevar a cabo la correspondiente reacción de metilación. Este trabajo resultó en la publicación de un artículo científico:4- Gona KB, Lakshmi VPN Thota J, Baz Z, Gómez-Vallejo V, Llop J, Synthesis and 11C-radiolabelling of 2-carboranyl benzothiazoles. Molecules. 2015. 20: 7495-7508.Por último, en el capítulo 7 se describe un método novedoso para la preparación de amidas en un solo paso, mediante carbonilación catalítica de 1-iodo-1,7-dicarba-closo-dodecaborano utilizando monóxido de carbono. Esta reacción, si bien no se ha ensayado en condiciones de radiactividad, sería fácilmente trasladable a la preparación de compuestos marcados con carbono-11, ya que el [11C]CO es un sintón ampliamente utilizado en el contexto de la radioquímica. Con el fin de proceder en un futuro a la preparación de amidas marcadas radiactivamente incorporando un clúster de carborano, en el contexto de esta tesis doctoral se ha puesto a punto un método para producir rutinariamente la especie radiactiva [11C]CO a partir de [11C]CO2 producido en el ciclotrón. Asimismo, se ha diseñado e implementado un módulo automático para la producción de esta especie radiactiva. Fruto del trabajo realizado, ha resultado una publicación científica:5- Gona KB, Gómez-Vallejo V, Llop J; Synthesis of m-carboranyl amides via palladium-catalyzed carbonylation. Tetrahedron Letters, 2013. 54(8): 941-944. A parte del trabajo descrito anteriormente (incluido en la presente tesis doctoral) cabe remarcar que durante la ejecución de la tesis doctoral he tenido la oportunidad de participar en diferentes proyectos científicos, que si bien no están reflejados en este manuscrito, han contribuido a obtener una formación integral y amplia en el área de la radioquímica y la imagen molecular. Fruto de mi implicación en estos proyectos, han resultado diferentes publicaciones científicas en las cuales estoy reflejado como coautor. 6- Soria FN, Pérez-Samartín A, Martin A, Gona KG, Llop J, Szczupak B, Chara JC, Matute C, Domercq M; Extrasynaptic glutamate release through cystine/glutamate antiporter contributes to ischemic damage. The Journal of Clinical Investigation. 2014. 124: 3645-3655. 7- Gómez-Vallejo V, Vázquez N, Gona KB, Puigivila M, González M, San Sebastián E, Martin A, Llop J, Synthesis and in vivo evaluation of 11C-labeled (1,7-dicarba-closo-dodecaboran-1-yl)-N-{[(2S)-1-ethylpirrolidin-2-yl]methyl}amide. Journal of labeled compounds and radiopharmaceuticals. 2014. 57: 209-214. DOI: 10.1002/jlcr.31598- Gómez-Vallejo V, Gaja V, Gona KB, Llop J; Nitrogen-13: Historical review and future perspectives; Journal of labeled compounds and radiopharmaceuticals. 2014. 57: 244-254.