Síntese e Bioconjugation dos reagentes Thiol-reativa para a criação de Site-seletivamente modificado Immunoconjugates

Summary

Neste protocolo, descreveremos a síntese de vagens, phenyoxadiazolyl metil sulfona-baseado reagente para a ligação local-seletivo de cargas para os tióis de biomoléculas, especialmente de anticorpos. Além disso, descreveremos a síntese e caracterização de um quelante bifuncional PODS-rolamento e sua conjugação com um anticorpo de modelo.

Abstract

Maleimide-rolamento bifuncionais sondas têm sido empregadas há décadas para a modificação de local-seletiva de tióis em biomoléculas, especialmente de anticorpos. Ainda conjugados com base em maleimide exibem limitada estabilidade in vivo, porque a ligação Tioéter de grufo pode sofrer uma reação retrô-Michael. Isso, claro, pode levar à liberação de carga radioativa ou sua troca com biomoléculas thiol-rolamento em circulação. Ambos estes processos podem produzir concentrações elevadas de atividade em órgãos saudáveis bem como diminuíram a concentrações de actividade em tecidos-alvo, resultando em menor contraste de imagem e inferiores relações terapêuticas. Em 2018, informamos a criação de um modular, estável e facilmente acessível phenyloxadiazolyl metil sulfona reagente — apelidado de ‘PODS’ — como uma plataforma para bioconjugations tiol-baseado. Temos claramente demonstrado que bioconjugations local-seletiva baseada em vagens reproducibly e robustamente criar radioimmunoconjugates homogênea, bem definidas, altamente immunoreactive e altamente estável. Além disso, experimentos pré-clínicos em modelos murino de câncer colorretal demonstraram que estes site-seletivamente rotulado radioimmunoconjugates exposição muito superior desempenho in vivo em comparação com radiolabeled anticorpos sintetizados através de baseada em maleimide conjugações. Neste protocolo, descreveremos a síntese de quatro etapas de vagens, a criação de uma variante de vagens-rolamento bifuncional do quelante onipresente DOTA (PODS-DOTA) e a conjugação de vagens-DOTA para o direcionamento de HER2-anticorpo Trastuzumabe.

Introduction

Radiofarmacêuticos químicos têm explorado a seletividade e especificidade dos anticorpos para biomarcadores da doença para ambos imagem nuclear e direcionados a radioterapia¹. Abordagem de longe o mais comum para o radioativos de anticorpos baseia-se a penhora indiscriminada de radiolabeled grupos prostético ou radiometal quelantes de aminoácidos — mais frequentemente lisinas — dentro da estrutura da imunoglobulina ( Figura 1A)². Enquanto esta estratégia é certamente eficaz, sua natureza aleatória, não-local-específica pode criar problemas. Especificamente, bioconjugation tradicionais abordagens produzem mal definidos e immunoconjugates heterogêneo composto por misturas de milhares de regioisomers diferentes, cada um com seu próprio conjunto de propriedades biológicas e farmacológicas³. Além disso, bioconjugation aleatório pode impedir a imunorreatividade dos anticorpos se a carga é acrescentada aos domínios de antígeno-ligando a imunoglobulina.

Ao longo dos anos, uma variedade de estratégias de bioconjugation site-specific e local-seletiva foram desenvolvidos a fim de abordar estes problemas^4,5. A mais comum dessas abordagens depende a ligadura de sondas de maleimide-rolamento aos grupos sulfidrila das cisteínas (figura 1B). Anticorpos IgG1 contêm naturalmente 4 pontes de dissulfeto inter cadeia, vínculos que podem ser seletivamente reduzidos para render capaz de sofrer reações de adição de Michael com maleimides para formar grufo Tioéter ligações grátis tióis. O uso de tióis e maleimides é, certamente, uma melhoria em relação a métodos tradicionais e uma grande variedade de synthons de maleimide-rolamento e quelantes bifuncionais estão atualmente disponíveis. No entanto, é importante notar que esta metodologia tem sérias limitações também. Immunoconjugates baseada em maleimide apresentam estabilidade limitada em vivo, pois a ligação Tioéter pode sofrer uma reação retrô-Michael (Figura 2),^{6,7,8,9, 10}. isto, claro, pode levar à liberação de carga radioativa ou sua troca com biomoléculas thiol-rolamento em circulação (por exemplo, glutationa ou albumina). Ambos estes processos podem aumentar as concentrações de atividade em órgãos saudáveis bem como diminuir as concentrações de actividade em tecidos-alvo, resultando em menor contraste de imagem e inferiores relações terapêuticas. Vários reagentes thiol-reactivos alternativos foram desenvolvidos na tentativa de contornar esses problemas, incluindo tosylates, bromo e iodo-acetyls e vinil sulfonas^{11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17}. no entanto, todas essas abordagens têm limitações que têm dificultado a sua aplicação generalizada.

Há cinco anos, o laboratório do falecido Carlos Barbas III no Scripps Research Institute foi pioneira no uso de sulfonas de metil phenyloxadiazolyl como reagentes para a formação seletiva de ligações altamente estáveis com tióis (Figura 1 e Figura 3) ^{18 , 19}. os autores empregou uma variante de sulfona-rolamento de metil phenyloxadiazolyl de fluoresceína para modificar diversos anticorpos projetados para conter resíduos de cisteína livre, em última análise, produzindo immunoconjugates com maior estabilidade do que o análogo construções criadas usando sondas baseadas em maleimide. Ao ver este trabalho promissor, ficamos um pouco surpresos que esta tecnologia só tinha sido usada raramente em radioquímica e não tinha ainda sido usada em tudo na síntese de quelantes bifuncionais ou radioimmunoconjugates^20,21 . Esta escassez de aplicativos, no entanto, logo começou a fazer mais sentido: várias tentativas de adquirir o reagente da Sigma-Aldrich resultaram no recebimento de misturas complexas de produtos de degradação com < 15% do composto desejado. Além disso, sintetizar o reagente relatado nos não era uma opção realista também, como a rota sintética publicada é um pouco complicada e requer equipamento sofisticado de química orgânica que mais radioquímica e imagem molecular laboratórios — incluindo a nossa — simplesmente não possuem.

Em resposta a esses obstáculos, nos propusemos a criar uma facilmente acessível e altamente estável phenyloxadiazolyl reagente de sulfona de metila que pode ser obtido através de uma rota sintética robusta e razoavelmente fáceis. No início deste ano, informamos a criação de um modular, estável e facilmente acessível phenyloxadiazolyl metil sulfona reagente — apelidado de ‘PODS’ — como uma plataforma para bioconjugations tiol-baseado (Figura 1 e Figura 3)²². A principal diferença entre cápsulas e o reagente relatado por Barbas, et al é que o antigo emprega um anel da anilina anexado para o agrupamento de sulfona de metil phenyloxadiazolyl, enquanto este último dispõe de um fenol na mesma posição (Figura 4). Essa mudança facilita uma rota sintética mais simples e acessível, bem como — se nossa experiência com o composto comercialmente disponível é emblemática — um reagente final mais estável. Neste trabalho, nós também sintetizado um par de vagens-rolamento bifuncionais quelantes — PODS-DFO e vagens-CHX-A ‘-DTPA — para facilitar a criação de ⁸⁹Zr – e ¹⁷⁷Lu-rotulados radioimmunoconjugates, respectivamente. Como vamos discutir, temos demonstrado que bioconjugations local-seletiva baseada em vagens reproducibly e robustamente criar radioimmunoconjugates homogênea, bem definidas, altamente immunoreactive e altamente estável. Além disso, experimentos pré-clínicos em modelos murino de câncer colorretal demonstraram que estes site-seletivamente rotulado radioimmunoconjugates exposição superior desempenho in vivo comparado ao radiolabeled anticorpos sintetizados através de baseado em maleimide conjugações.

O over-arching objetivo deste trabalho é facilitar a criação de immunoconjugates bem definidas, homogêneas, altamente estável e altamente immunoreactive para aplicações in vitro e in vivo. A abordagem sintética é bastante simples de ser realizada em quase qualquer laboratório, e o reagente de vagens do pai pode ser modificado com uma infinidade de diferentes quelantes, fluorophores ou cargas. No presente protocolo e o vídeo que acompanha, descreveremos a síntese simples, quatro etapas de vagens (Figura 5); a criação de uma variante de vagens-rolamento do DOTA, um quelante amplamente utilizado para a coordenação de ⁶⁴Cu, ⁶⁸Ga, ¹¹¹, em ¹⁷⁷Lu e ²²⁵Ac (Figura 6); e o bioconjugation de vagens-DOTA de um anticorpo de modelo, o Trastuzumabe HER2-direcionamento IgG1 (Figura 7).

Protocol

1. a síntese de 4-[5-(methylthio)-1,3,4-oxadiazol-2-yl]-aniline (1) Nota: Devido à luz-sensibilidade do composto, mantenha todas as reacções em vasos de folha-cobertas. Em um 10 mL redondo balão de fundo, dissolver 100 mg (0.517 mmol, 1 equivalente) de 5-(4-aminophenyl)-1,3,4-oxadiazole-2-thiol em 3 mL de metanol. Para esta solução, adicionar 360 μL de diisopropylethylamine (DIPEA; 2,07 mmol; 4 equivalentes; anidro) e uma barra de agitação magnética pequena. Cubr…

Representative Results

As quatro primeiras etapas deste protocolo — a síntese de vagens — ter sido projetado para ser robusto e confiável. A deprotonação e substituição de 5-(4-aminophenyl)-1,3,4-oxadiazole-2-thiol para formar o produto desejado Tioéter proporciona o Tioéter em > 99% de rendimento após apenas 45 minutos. Em seguida, a ligadura entre 1 e N-Boc-N’-succinyl-4,7,10-trioxa-1,13-tridecanediamine foi conseguida através de um peptídeo padrão procedimento de acoplamento,…

Discussion

Neste relatório, decidimos não incluir quaisquer protocolos para experimentação radioativos ou in vivo. Nossos motivos são simples. No que diz respeito ao primeiro, o radioativos de uma immunoconjugate baseada em vagens não difere em tudo isso de um immunoconjugate sintetizado usando outras estratégias bioconjugation, e esses procedimentos têm sido exaustivamente analisado em outro lugar² . No que diz respeito a último, as especificidades de pré-clínicos experimentos in vivo (i.e., mode…

Materials

5-(4-aminophenyl)-1,3,4-oxadiazole-2-thiol	Sigma-Aldrich	675024
1.5 mL LoBind Microcentrifugal Tube	Eppendorf	925000090
1.5 mL Microcentrifugal Tube	Fisherbrand	05-408-129
Acetonitrile	Fisher Scientific	A998-4
Amicon Ultra-2 Centrifugal Filter Unit	EMD Millipore	EN300000141G
Cyclohexane	Fisher Scientific	C556-4
Dichloromethane	Fisher Scientific	AC383780010
Diisopropylethylamine	MP Biomedicals, LLC	150915
Dimethylsulfoxide	Fisher Scientific	31-727-5100ML
Ethyl Acetate	Fisher Scientific	E145 4
Hydrochloric Acid	Fisher Scientific	A144-500
Iodomethane	Sigma-Aldrich	289566-100G
Magnesium Sulfate	Acros Organics	413485000
m-chloroperbenzoic acid	Sigma-Aldrich	273031
Methanol	Fisher Scientific	A412 1
NBoc-N′-succinyl-4,7,10-trioxa-1,13-tridecanediamine	Sigma-Aldrich	671401	Store at -80 °C
N-ethyl-N′- [3- (dimethylamino)propyl] carbodiimide hydrochloride	Sigma-Aldrich	3450
Phosphate Buffered Saline	Sigma-Aldrich	P5493	10× Concentration
p-SCN-Bn-DOTA	Macrocyclics	B-205	Store at -80 °C
Sephadex G-25 in PD-10 Desalting Columns	GE Healthcare	17085101
Sodium Carbonate	Sigma-Aldrich	S7795
Sodium Hydroxide	Fisher Scientific	S318-1
TCEP	ThermoFischer Scientific	20490
Triethylamine	Fisher Scientific	AC157911000
Trifluoroacetic Acid	Fisher Scientific	A116-50