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Cu-64-Labeled triphenylphosphonium and triphenylarsonium cations as highly tumor-selective imaging agents

State Key Laboratory of Elemento-Organic Chemistry, Nankai University, T’ien-ching-shih, Tianjin Shi, China
Journal of Medicinal Chemistry (Impact Factor: 5.48). 10/2007; 50(21):5057-69. DOI: 10.1021/jm0704088
Source: PubMed

ABSTRACT This report presents synthesis and evaluation of the 64Cu-labeled triphenylphosphonium (TPP) cations as new radiotracers for imaging tumors by positron emission tomography. Biodistribution properties of 64Cu-L1, 64Cu-L2, 64Cu-L3, and 99mTc-Sestamibi were evaluated in athymic nude mice bearing U87MG human glioma xenografts. The most striking difference is that 64Cu-L1, 64Cu-L2, and 64Cu-L3 have much lower heart uptake (<0.6% ID/g) than 99mTc-Sestamibi ( approximately 18% ID/g) at >30 min p.i. Their tumor/heart ratios increase steadily from approximately 1 at 5 min p.i. to approximately 5 at 120 min p.i. The tumor/heart ratio of 64Cu-L3 is approximately 40 times better than that of 99mTc-Sestamibi at 120 min postinjection. Results from in vitro assays show that 64Cu-L1 is able to localize in tumor mitochondria. The tumor is clearly visualized in the tumor-bearing mice administered with 64Cu-L1 as 30 min postinjection. The 64Cu-labeled TPP/TPA cations are very selective radiotracers that are able to provide the information of mitochondrial bioenergetic function in tumors by monitoring mitochondrial potential in a noninvasive fashion.

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    ABSTRACT: La plupart des traitements anticancéreux induisent l'apoptose des cellules tumorales in vitro comme in vivo. Les agents anticancéreux classiques agissent au niveau de cibles primitives, principalement localisées au niveau nucléaire, et activent consécutivement les différentes voies apoptotiques conduisant au stade ultime à la mort des cellules. Cependant, la résistance à l'induction de l'apoptose par les agents chimiothérapeutiques classiques reste un problème crucial. De nouvelles approches ont été développées pour dépasser la résistance à l'apoptose. Parmi elles, le ciblage de la mitochondrie apparaît comme une stratégie prometteuse pour tuer les cellules cancéreuses résistantes. Ainsi, de nouvelles molécules ciblant la mitochondrie ont été identifiées. Parmi celles-ci, notre laboratoire s'est intéressé aux Lamellarines, alcaloïdes pyrroliques hexacycliques d'origine marine. Outre leur effet inhibiteur des topoisomérases-I nucléaires, elles agissent également sur les mitochondries des cellules cancéreuses. Mon travail a consisté 1) à évaluer l'avantage des Lamellarines dans le traitement de lignées de cellules cancéreuses résistantes, défaillantes dans les voies apoptotiques (cas des carcinomes pulmonaires non à petites cellules, NSCLC) et 2) à décrypter les voies apoptotiques déclenchées par les Lamellarines. Ainsi, 1) sur les cellules NSCLC hautement résistantes à l'apoptose induite par les chimiothérapies classiques, nous avons évalué deux agents anticancéreux potentiels de la famille des Lamellarines. La Lamellarine-D (Lam-D) et son dérivé de synthèse PM031379 agissent directement sur la mitochondrie, induisant l'activation de Bax, la libération mitochondriale de cytochrome-c et d'AIF, et l'activation de la caspase-3. Cependant, seul le PM031379 induit la mort cellulaire qui s'accompagne de la translocation nucléaire d'AIF. De plus, cet effet létal nécessite la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) d'origine exclusivement mitochondriale. Ces résultats ont permis de comprendre les mécanismes permettant de restaurer l'apoptose des cellules chimiorésistantes. 2) La seconde partie de ce travail a consisté à caractériser les voies apoptotiques déclenchées par la Lam-D en évaluant précisément le rôle du noyau et des mitochondries dans son effet pro-apoptotique. La Lam-D exerce une remarquable cytotoxicité envers un large panel de tumeurs. A des concentrations de l'ordre du micromolaire, elle provoque l'apoptose nucléaire dans les cellules leucémiques sans blocage du cycle cellulaire. Les signaux transmis par la Lam-D initient l'apoptose via la voie apoptotique intrinsèque mitochondriale, activant Bax et réduisant les taux des protéines anti-apoptotiques Bcl-2 et cIAP2, en association avec l'activation des caspases-9 et -3. Nos résultats ont également permis d'évincer l'implication de la voie apoptotique extrinsèque dans la mort cellulaire induite par la Lam-D. Par ailleurs, la Lam-D engendre une réponse aux dommages à l'ADN générés par son effet inhibiteur de topoisomérase-I, résultant en la phosphorylation de l'histone H2AXγ, l'expression de la protéine de réparation Rad51 et de p53. Grâce à diverses lignées de cellules cancéreuses, nous avons également démontré que les mécanismes apoptotiques induits par la Lam-D sont indépendants du statut p53 des cellules tumorales. De plus, des cellules dépourvues de noyau (cytoplastes) subissent aussi l'apoptose induite par la Lam-D. L'ensemble de ces résultats démontre que la Lam-D ne nécessite pas la signalisation nucléaire pour promouvoir la mort des cellules cancéreuses et que la mitochondrie est la cible primordiale responsable de son effet pro-apoptotique. Ainsi, la Lamellarine-D et ses dérivés de synthèses, de part leur mécanisme d'action original ciblant directement les mitochondries, sont capables d'induire l'apoptose de cellules tumorales y compris résistantes aux chimiothérapies classiques (NSCLC, mélanomes).
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    ABSTRACT: A new macrocyclic chelator, 6,6',6''-(1,4,7-triazonane-1,4,7-triyl)tris(methylene)tris(5-hydroxy-2-(hydroxymethyl)-4H-pyran-4-one) (H3NOKA), was synthesized from the reaction of 1 equiv of 1,4,7-triazacyclononane (TACN) and 3 equiv of kojic acid (KA) in the presence of excess formaldehyde. The reaction of H 3NOKA with metal salt forms complexes M(NOKA) (M = Ga, In, and Fe) and Cu(HNOKA). H 3NOKA and its complexes, M(NOKA) (M = Ga, In, and Fe) and Cu(HNOKA), have been characterized by IR, UV/vis, ESI-MS, and elemental analysis. Structures of Ga(NOKA), Fe(NOKA), and Cu(HNOKA) were determined by X-ray crystallography. In the solid state, Ga(NOKA) and Fe(NOKA) are isostructural with the distorted octahedral geometry. In contrast, Cu(HNOKA) has the distorted square-pyramidal coordination geometry in which NOKA is pentadentate with three amine-N and two enolate-O atoms bonding to Cu(II) and one of three 3-hydroxy-4-pyrone chelating arms remaining free and protonated. The cyclic voltammogram of Fe(NOKA) exhibits a quasi-reversible redox wave at E(1/2) = -0.53 mV from the Fe(III)(NOKA)/Fe(II)(NOKA)(-) couple, whereas Cu(HNOKA) shows an irreversible one-electron reduction of Cu(II)(HNOKA)/Cu(I)(HNOKA)(-) at E(pc) = -0.87 V. These low redox potentials indicate that Fe(III) in Fe(NOKA) and Cu(II) in Cu(HNOKA) are preferentially stabilized by NOKA. The variable-temperature (1)H NMR spectral data show that Ga(NOKA) is more rigid than that of In(NOKA) in the solution. The results from this study suggest that the C-substituted NOKA derivatives might be useful as bifunctional chelators for (68)Ga-labeling of small biomolecules, while the corresponding N-substituted analogues are probably more suitable for preparation of the (64)Cu-based target-specific radiotracers.
    Inorganic Chemistry 05/2008; 47(7):2719-27. DOI:10.1021/ic7022506 · 4.79 Impact Factor
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    ABSTRACT: In this report, we present the synthesis and evaluation of six new 64Cu-labeled triphenylphosphonium (TPP) cations. Biodistribution studies were performed using the athymic nude mice bearing U87MG human glioma xenografts to explore the impact of TPP moieties, linkers, bifunctional chelators (BFCs), and molecular charge on biological properties of 64Cu radiotracers. On the basis of the results from this study, it is concluded that (1) mTPP (tris(4-methoxyphenyl)phosphonium) is a better mitochondrion-targeting molecule than TPP and 3mTPP (tris(2,4,6-trimethoxyphenyl)phosphonium); (2) DO3A (1,4,7,10-tetraazacyclododecane-4,7,10-triacetic acid) and DO2A (1,4,7,10-tetraazacyclododecane-4,7-diacetic acid) are suitable BFCs for the 64Cu-labeling of TPP cations; (3) NOTA-Bn ( S-2-(4-thioureidobenzyl)-1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triacetic acid) has a significant adverse effect on the radiotracer tumor uptake and tumor-to-background ratios; and (4) monoanionic BFCs should be avoided to ensure that 64Cu chelate has a neutral or negative charge. Considering the tumor uptake and tumor/liver ratios, 64Cu(DO2A-xy-TPP)+ is the best candidate for more extensive evaluations in different tumor-bearing animal models.
    Journal of Medicinal Chemistry 06/2008; 51(10):2971-84. DOI:10.1021/jm7015045 · 5.48 Impact Factor
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