Pharmaceutical development of the ISOL technique for the production of radionuclides and their applications in targeted radionuclide therapy

Radiopharmaceuticals are the fundamental tool for nuclear medicine procedures, enabling imaging and therapy of cancer after administration of a radioligand. Imaging or therapy are performed with radionuclides that are bound to a ligand, which selectively accumulates into cancer tissues. The discovery of new radionuclides on one side and the optimization of ligands on the other are fundamental parts of the research in the radiopharmaceutical field. In the first part of this thesis work we aimed at the development of a new technique for the production of pure radionuclides. The study was born from the collaboration between the Department of Pharmaceutical and Pharmacological Sciences (DSF) of the University of Padua (UniPD) and the Legnaro National Laboratories (LNL) of the National Institute for Nuclear Physics (INFN), where the Selective Production of Exotic Species (SPES) project is under development. This project aims at the production of Radioactive Ion Beams (RIBs) by means of the Isotope Separation On-Line technique (ISOL), which can be exploited for radionuclides production. Thanks to mass separation, a feature of the ISOL technique, radionuclides can be produced at high purity because isotopic contaminants can be cleared away easily. Suitable secondary targets (chapter 2) were developed to allow ion beams collection, depending on the accelerated ions. To verify the suitability of the method for radionuclides production, tests with accelerated stable ion beams were carried out and are described in chapter 3. The SPES test bench was used for the elements ionization and acceleration. The beams were collected on the produced secondary targets and quantified. The tests were carried out for yttrium, iodine and copper, elements interesting for the production of 90Y, 125/127/131I and 64/67Cu. The ISOL method guarantees the purification of the radionuclides from the isotopic contaminants, but isobaric and pseudo-isobaric contaminants can be present in the beam and thus in the final solution. For this reason chemical purification methods have to be developed for radionuclides purification. In chapter 4 the synthesis of an inorganic material (sodium nonatitanate) and its use for strontium and yttrium purification is described. The second part of this thesis, chapters 5 and 6, was developed in collaboration with the group of PD Dr. Cristina Müller at the Center for Radiopharmaceutical Sciences (CRS) of Paul Scherrer Institute (PSI). Targeted radionuclide therapy (TRT) represents one of the most promising therapeutic strategies for cancer therapy ; it is based on the use of energetic particles (alpha, beta- or Auger electrons) selectively delivered in proximity of tumors thanks to specific biologic features. Small molecules are an attractive strategy for active targeted delivery because they are amenable for chemical synthesis and have some advantages if compared with high molecular weight vehicles, such as antibodies. A potential challenge of small molecular radiotherapeutics is their fast elimination from the body preventing sufficient accumulation of radioactivity in the malignancies due to glomerular filtration and fast renal clearance; high accumulation of radioactivity in the kidneys increases at the same time the risk of nephrotoxicity. For this reason, new strategies to allow a higher translation from preclinical to clinical phase of small molecule-based radiopharmaceuticals should be developed. In this thesis project two strategies to improve TRT with small molecules were developed. The first relies on the development of radioligands with a serum protein-binding domain. This strategy is based on the consideration that serum proteins have high molecular weight, and for this reason do not undergo glomerular filtration (filtration cut-off 30-50 kDa). In particular, three serum proteins-binding compounds were radiolabeled and characterized in vitro and in vivo (chapter 5). Another strategy to improve TRT efficacy while decreasing side effects is the use of combined-modality regimens. This approach is very popular in cancer therapy since targeting the cancer cell on diverse molecular path mechanisms makes the cell less prone to developing resistance to the therapy. At the same time, the use of multimodality therapies allows to decrease the dosage of single therapies, thus reducing side-effects. In the last chapter of this thesis (chapter 6) a preliminary study combining radionuclide therapy (177Lu-cm10) with two tyrosine kinases inhibitors is described, based on the assumptions of a possible synergistic effect of the two agents.

I radiofarmaci rappresentano uno strumento fondamentale per la medicina nucleare, rendendo possibile, grazie alla somministrazione di un radioligando, procedure diagnostiche e terapeutiche in ambito oncologico. I radiofarmaci sono costituiti da un radionuclide e da un ligando; quest’ultimo permette la localizzazione della radioattività solamente nei tessuti bersaglio. La ricerca in ambito radiofarmaceutico è dedicata sia alla scoperta di nuovi radionuclidi, sia all’ottimizzazione dei ligandi. Scopo della prima parte di questo lavoro di tesi è stato lo studio e lo sviluppo di una tecnica innovativa per la produzione di radionuclidi ad alta purezza per la medicina nucleare. Lo studio è nato dalla collaborazione presente tra il Dipartimento di Scienze del Farmaco (DSF) dell’Università di Padova (UniPD) e i Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Presso questi ultimi, infatti, è in fase di costruzione il progetto Selective Production of Exotic Species (SPES), che prevede la produzione di fasci di ioni radioattivi (RIBs), prodotti tramite la tecnologia Isotope Separation On Line (ISOL). La separazione in massa prevista dalla tecnica ISOL, la rende un’ottima via di produzione di radionuclidi, perché permette di eliminare tutti i contaminanti isotopici del radionuclide d’interesse. Per la deposizione dei fasci sono stati sviluppati e costruiti dei bersagli secondari; questi oggetti, posizionati alla fine della linea di fascio, sono utilizzati per depositare e recuperare gli ioni accelerati. La progettazione e realizzazione di tali bersagli è descritta nel capitolo 2. In seguito, con lo scopo di verificare la possibilità di utilizzare l’apparato sperimentale di SPES per la produzione di radionuclidi per la medicina nucleare, sono stati condotti dei test utilizzando fasci di ioni stabili degli elementi di interesse, in particolare sono stati studiati fasci di ittrio, iodio e rame, ai fini della produzione futura di 90Y, 125/127/131I e 64/67Cu. Il metodo ISOL consente grazie alla separazione in massa di purificare i radionuclidi dai contaminanti isotopici, ma contaminanti isobarici e pseudo-isobarici devono essere rimossi tramite altri metodi, in particolare tramite metodi chimici. Per questo motivo nel capitolo 4 vengono descritti la sintesi e l’uso di una resina inorganica a scambio ionico per la purificazione di ittrio e stronzio. La seconda parte di questa tesi è stata sviluppata in collaborazione con il Center for Radiopharmaceutcal Sciences (CRS) presso il Paul Scherrer Institute (PSI), Villigen (CH), in particolare nel gruppo della Dott.ssa PD Cristina Müller. La targeted radionuclide therapy (TRT) è un strategia terapeutica molto promettente in campo oncologico e si basa sull’uso radionuclidi che emottono particelle ad energia medio-alta (alfa, beta- o elettroni di Auger) che vengono selettivamente direzionati nel tessuto canceroso in seguito al riconoscimento di una particolare caratteristica della cellula tumorale. L’utilizzo di piccole molecole per il direzionamento dei radionuclidi rappresenta una strategia vantaggiosa rispetto all’uso di veicoli ad alto peso molecolare (come gli anticorpi monoclonali) ed inoltre possono essere prodotte tramite sintesi chimica. Tuttavia, nonostante il successo di alcune small molecules in clinica, molte volte questa tipologia di radiofarmaci va incontro ad una veloce eliminazione ematica a causa della loro filtrazione glomerulare. In questo modo l’acccumulo della radioattivià nel tumore è diminuito, mentre può esserci un accumulo indesiderato nei reni con aumentato rischio di nefrotossicità. In questa tesi vengono descritte due strategie per il miglioramento della TRT basata sull’uso di piccole molecole. La prima prevede la modifica della struttura chimica dei ligandi con un dominio di legame alle proteine plasmatiche. Questa strategia permette, infatti, di evitare la filtrazione glomerulare del radioligando. Questo, se dopo la somministrazione si lega in modo reversibile ad una proteina plasmatica, viene ad assumere un peso molecolare >30 kDa, valore del cut-off della filtrazione nel glomerulo ed aumenta per questo motivo la sua emivita plasmatica. Nel capitolo 5 vengono descritte la radiomarcatura e la caratterizzazione in vitro ed in vivo di tre radioligandi con affinità per le proteine plasmatiche. La seconda strategia è quella dello sviluppo di terapie combinate con altri agenti chemioterapeutici. Questo approccio è molto popolare in quanto permette da una parte di ridurre le dosi dei singoli agenti e ridurre così gli effetti collaterali, dall’altra di ridurre la resistenza alla terapia. Nel capitolo 6 della tesi, è descritto lo studio preliminare dell’associazione di un radioligando per la terapia (177Lu-cm10) con due inibitori tirosin chinasici.