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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine günstige Synthese neuartiger
bifunktioneller Chelatbildner-Vorstufen
zum Kuppeln an biologisch aktive Peptide zur Markierung mit radioaktiven
Metallen und die mit radioaktiven Metallen markierten Peptide, die
unter Benutzung dieser neuartigen Chelatbildner-Vorstufen hergestellt
werden können.
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DOTA
(1,4,7,10-Tetrakis(carboxymethyl)-1,4,7,10-tetraazacyclododecan) und seine Derivate
bilden eine wichtige Klasse von Chelatbildnern für biomedizinische Anwendungen,
da sie eine Vielfalt an zwei- und dreiwertigen Metallionen in sehr
stabiler Weise aufnehmen. Gd(DOTA)–1 ist
ein wichtiges Kontrastmittel in der MRI (bildgebende Kernspintomographie),
und DOTA wird in bifunktionellen Varianten in der Radioimmuntherapie
benutzt.
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Ein
neu entstehendes Gebiet ist die Benutzung von bioaktiven Peptiden,
die mit Chelatbildnern konjugiert sind, zur Markierung mit radioaktiven
Metallen in verschiedenen Gebieten der diagnostischen und therapeutischen
Nuklearonkologie. Zu ihrer günstigen
Synthese mit hohen Ausbeuten sind Chelatbildner-Vorstufen (Verbindungen, die bei Entschützung zu
Chelatbildnern werden) erforderlich, die mit den Festphasen- und
Lösungsphasen-Peptidsynthesevorgängen kompatibel
sind. Bis jetzt sind derartige Chelatbildner-Vorstufen nicht verfügbar gewesen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Klasse
von Chelatbildner-Vorstufen bereitzustellen, die mit Festphasen-
und Lösungsphasen-Peptidsyntheseverfahren
kompatibel sind, wobei die Chelatbildner-Vorstufen zum Kuppeln von
Chelatbildnern an biologisch aktive Effektormoleküle, wie
z.B. Peptide, benutzt werden können.
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Erfindungsgemäß sind bifunktionelle,
makrocyclische Synthone (Chelatbildner-Vorstufen) bereitgestellt,
die auf DOTA, TRITA, TETA oder Strukturen basieren, die nicht 4,
sondern 5 oder 6 N-Atome umfassen, wobei die Synthone zur Markierung
mit radioaktiven Metallen, die harte Lewis-Säuren sind, unterschiedlich
geschützt
und mit Festphasen-Peptidsyntheseverfahren kompatibel sind.
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Demgemäß betrifft
die Erfindung makrocyclische Polyazaverbindungen zur Markierung
mit radioaktiven Metallen, die ein Nn-System
umfassen, wobei n für
4, 5 oder 6 steht, mit verschiedenen Ringgrößen, und wobei wenigstens eines
der N-Atome für
das Kuppeln an eine Aminofunktion in einem biologisch aktiven Effektormolekül mit einer
freien Carboxylatgruppe substituiert ist, während alle N-Atome eine geschützte Seitenkette
tragen. Nach dem Ankuppeln des biologisch aktiven Effektormoleküls können die
geschützten
Seitenketten entschützt
werden, um die chelatierenden Funktionen zur Markierung freizugeben.
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Besondere
Verbindungen der Erfindung weisen die folgende allgemeine Formel
auf:
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Ein
Beispiel für
eine derartige Verbindung ist 1-(1-Carboxy-3-carbo-tert-butoxypropyl)-4,7,10-(carbo-tert- butoxymethyl)-1,4,7,10-tetraazacyclododecan
(DOTAGA(tBu)4).
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Verbindungen
der Erfindung werden wie folgt hergestellt: Ausgehend von einer
passenden Aminosäure
wird das α-Bromderivat
dieser synthetisiert. Dieses Derivat ist orthogonal geschützt (tBu,
Bzl). Dieses Alkylierungsmittel wird mit Cyclen, Cyclam usw. zur
Reaktion gebracht, um ein 1:1-Addukt zu bilden, gefolgt von der
tris-Alkylierung mit Bromessigsäure-tert-butylester und katalytischer
Hydrierung mit H2/Pd.
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Das
Synthon ist monoreaktiv, trägt
eine freie Carboxylatgruppe zum Kuppeln an das N-terminale Ende des
Peptids und kann an ein beliebiges Biomolekül angekuppelt werden, welches
dann nach Entschützung
mit einer Vielzahl von radioaktiven Metallen, die dem Fachmann bekannt
sind, markiert werden kann.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere Chelatbildner zur radioaktiven Markierung
von biologisch aktiven Molekülen,
wobei die Chelatbildner die folgende allgemeine Formel aufweisen:
worin
die beiden Y-Gruppen
entweder trans, wie gezeigt, oder cis angeordnet sein können,
A
für ein
Effektormolekül,
wie z.B. ein Peptid, insbesondere Octreotid, CCK, Substanz P, Gastrin,
ein Protein, insbesondere ein Antikörper oder Enzym, Zucker oder
radiosensibilisierende Mittel wie Doxorubicin steht,
R für Wasserstoff,
ein C
1-C
3-Alkyl
oder einen Alkohol steht,
X für einen Spacer, insbesondere
(CH
2)
n-X', steht, wobei n
für 1 bis
10 steht und X' für COOH,
NH
2, SH, OH oder O-Halogen steht, wobei
es sich bei dem Halogen insbesondere um Br, I oder Cl handelt,
oder
X für ein
Molekül
mit der Formel
steht,
Y
für COO
–,
CH
2CONH
2, CH
2CH
2OH steht.
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Prinzipiell
betrifft die Erfindung jede mögliche
Kombination der oben ausgewiesenen Substituenten, gleichgültig, ob
sie hierin ausdrücklich
in einer bestimmten Kombination beschrieben sind oder nicht.
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Anstelle
eines N4-Systems kann die Verbindung ein
N5- oder
ein N6-System umfassen und kann für verschiedene.
natürlich
vorkommende und nicht natürlich
vorkommende Aminosäuren,
wie z.B. geschütztes Cystein
usw., benutzt werden. Die Liste der natürlich vorkommenden und nicht
natürlich
vorkommenden Aminosäuren
ist dem Fachmann bekannt.
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Eine
der neuen auf DOTA basierten, bifunktionellen Chelatbildner-Vorstufen
ist 1-(1-Carboxy-3-carbo-tert-butoxypropyl)-4,7,10-(carbo-tert-butoxymethyl)-1,4,7,10-tetraazacyclododecan
(DOTAGA(tBu)4(6d)), die hier als eine Modellverbindung
dient. Es sollte beachtet werden, daß andere Verbindungen der Erfindung in
einer analogen Weise hergestellt werden können. Die Erfindung ist nicht
auf die Verbindung 6d allein eingeschränkt.
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Andere
Ausführungsformen
der Erfindung sind in der Tabelle 3 aufgeführt.
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Die
5-Schritt-Synthese von 6d ist in den Beispielen beschrieben. Sie
weist eine Gesamtausbeute von etwa 20 % auf. Das Kuppeln von 6d
an ein biologisch aktives Peptid an der Festphase unter Benutzung
eines CCK-B-Analogen
(Cholecystokinin-Analogen) ist als Beispiel gegeben.
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Hierin
sind die Syntheseschritte in Richtung auf bifunktionelle, orthogonal
geschützte
Chelatbildner-Vorstufen
zum Kuppeln an den N-Terminus von biologisch aktiven Peptiden oder
an andere nützliche
Aminofunktionen in biomedizinischen Anwendungen beschrieben. Der
von DOTA abgeleitete Chelatbildner sollte für ein stabiles und effizientes
Binden von Metallionen außer
dem makrocyclischen Tetraazacyclododecanring 4 unversehrte Carbonsäurefunktionen
und eine Funktion zum Kuppeln von Biomolekülen bereitstellen.
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Die
Strategie schließt
die Synthese eines orthogonal geschützten Bromalkyldicarbonsäurediesters
zur Monoalkylierung von Cyclen(1,4,7,10-tetraazacyclododecan) ein. Die Synthese
der Verbindung 6 (n = 1, 2) ist ein 5-Schritt-Verfahren, das von
dem handelsüblichen
Asparagin- (1b) oder Glutaminsäure-4-(5)-benzylester (1d)
(Schema 1) ausgeht, wobei ein Verfahren benutzt wird, das dem von
Holmberg (Chemische Berichte 1927, 60, 2.197 bis 2.205) analog ist,
gefolgt von der tert-Butylierung unter Benutzung von tert-Butyltrichloracetimidat
(TBTA) als Reagens (Armstrong, A. et al., Tetrahedron Lett. 1988,
29, 2.483 bis 2.486).
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Die
Monoalkylierung von Cyclen, der entscheidende Schritt, zeigte in
Abhängigkeit
von dem benutzten Bromalkyldicarbonsäurediester (3a bis d) sehr
unterschiedliche Ausbeuten (Tabelle 1).
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Tabelle 1
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Ausbeuten
bei der Monoalkylierung von Cyclen mit verschiedenen Bromdicarbonsäureestern
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Schema 1:
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Synthese
von α-Brombernsteinsäure-1-tert-butylester-4-benzylester (3b)
und α-Bromglutarsäure-1-tert-butylester-5-benzylester
(3d).
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Bei
früheren
Untersuchungen (Andre et al., Chem. Eur. J. 1999, 5, 2.977 bis 2.982)
war die Strategie, Metalle als Schutzgruppen zu benutzen. Bei diesen
Arbeiten wurde versucht, Bernsteinsäure-di-tert-butylester (3c)
einzuführen,
und für
die Monoalkylierung mit dem Eliminierungsprodukt Fumarsäure-di-tert-butylester
als dem Hauptprodukt wurden Ausbeuten von weniger als 5 festgestellt.
Interessanterweise ergab der entsprechende Diphenylmethyldiester
(3a) hohe Monoalkylierungsausbeuten und vernachlässigbare Eliminierung. Mit dem
homologen 2-Bromglutarsäure-1-tert-butyl-5-benzylester
(3d) wurde kein Eliminierungsprodukt festgestellt, offensichtlich
weil kein konjugiertes pi-System gebildet werden konnte.
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Die
verbliebenen Stickstoffatome wurden unter Benutzung von drei Äquivalenten
Bromessigsäure-tert-butylester
in CHCl3/K2CO3 alkyliert.
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Die
Entschützung
der Benzylestergruppe wurde mit H2/Pd/C
durchgeführt.
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Die
Gesamtausbeute an 1-(1-Carboxy-3-carbo-tert-butoxypropyl)-4,7,10-(carbo-tert-butoxymethyl)-1,4,7,10-tetraazacyclododecan
(DOTAGA(tBu)4) (6d) über 5 Schritte hinweg betrug
etwa 20 % und diejenige an 1-(1-Carboxy-2-carbo-tert-butoxyethyl)-4,7,10-(carbo-tert-butoxymethyl)-1,4,7,10-tetraazacyclododecan
(DOTASA(tBu)4) (6b) betrug nur etwa 2 %.
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Die
günstige
Benutzung von 6d ist anhand ihres Kuppelns an das CCK-B-Analoge D-Asp-Tyr-Nle-Gly-Trp-Nle-Asp-Phe-NH2 (7),
gebunden an Rink-Amidharz, unter Benutzung von HATU (O-(7-Azabenzotriazol-1-yl)-N,N,N',N'-tetramethyluroniumhexafluorphosphat)
als Kupplungsmittel als Beispiel dargestellt. Nach der Entschützung (18
h, RT, TFA : Phenol : Thioanisol : Wasser 85 : 5 : 5 : 5) wurde
DOTAGA-7 in hoher Ausbeute erhalten und zeigte im Vergleich zu anderen
radioaktiv markierten CCK-B-Analogen überlegene
Eigenschaften.
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Erfindungsgemäß wurde
somit festgestellt, daß der
neue Typ von Chelatbildner-Vorstufen allgemein und insbesondere
die Chelatbildner-Vorstufe 6d in dem Gebiet der Metalloradiopeptide,
anderer radioaktiv markierter Biomoleküle und zur Synthese von MRI-Kontrastmitteln auf
Basis von Gd3+ umfassenden Nutzen aufweisen.
DOTAGA wird ermöglichen,
sowohl für diagnostische
(111In, 67/68Ga)
als auch für
innere radiotherapeutische Anwendungen (90Y, 177Lu) mit verschiedenen radioaktiven Metallen
zu markieren.
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Die
vorliegende Erfindung wird in den folgenden Beispielen weiter veranschaulicht.
Synthesewege zur Herstellung der Verbindungen der Erfindung sind
in den 1 bis 3 angegeben.
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BEISPIELE
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BEISPIEL 1
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Typische Verfahrensweise
für die
Reaktion von 1 zu 2
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Zu
einer Lösung
von 6 g (25,9 mmol) L-Glutaminsäure-5-benzylester (1d)
und 9,1 g (88,5 mmol) Natriumbromid in 45 ml wäßriger 1 N Bromwasserstoffsäure (46
mmol), gekühlt
auf 0 °C,
wurden portionsweise 3,175 g (46 mmol) Natriumnitrit gegeben. Nach
dem Rühren
für 2 h
bei 0 °C
wurden 2,25 ml konzentrierte Schwefelsäure zugegeben, gefolgt von
Diethylether.
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Die
Wasserphase wurde 3mal mit Diethylether extrahiert. Die vereinigten
organischen Phasen wurden 4mal mit Sole extrahiert, über Na2SO4 getrocknet und
eingeengt.
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Das
Rohprodukt wurde mittels Chromatographie gereinigt (Silikagel 60,
Hexan/EtOAc 3 : 1 bis 2 : 1) und als ein gelbes Öl in einer Ausbeute von 4,8
g (63 %) erhalten. 1H-NMR (300 MHz, CDCl3, SiMe4) : 10,1 (1H,
COOH; 7,3 (m, 5H, Ar); 5,15 (s, 2H, CH2-Ph);
4,4 (dd, 3J = 5,7, 1H, CHBr); 2,6 (t, 3J = 6,8, 2H, CH2-COOBzl);
2,5 – 2,2
(m, 2H, CHBr-CH2-CH2); 13C-NMR (75 MHz, CDCl3,
SiMe4): 174,5 (COOH); 171,9 (COOBzl); 135,5
(CH2C(Ar)); 128,6, 128,4, 128,3 C(Ar));
66,8 (O-CH2-Ar); 44,1 (HCBr) ; 31,4 (HCBr-CH2); 29,4 (CH2COOBzl;
EI-MS m/z (Intensität)
302, 300 (12, [M]+); 91 (100, [Bzl]+).
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BEISPIEL 2
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Typische Verfahrensweise
für die
Reaktion von 2 zu 3
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Zu
einer Lösung
von 4,8 g (15,9 mmol) 2d in 20 ml CHCl3 wurde
während
20 min tropfenweise eine Lösung
von 6,26 ml (34,1 mmol) TBTA (tert-Butyltrichloracetimidat) in 20
ml Cyclohexan gegeben. Während der
Zugabe bildete sich ein weißer
Niederschlag, der durch Zugabe von 3,5 ml DMA, gefolgt von 320 μl Bortrifluoridethyletherat
als Katalysator, aufgelöst
wurde. Die Reaktionsmischung wurde 3 Tage lang bei Raumtemperatur
(RT) gerührt.
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Die
Mischung wurde eingeengt und die verbliebene DMA-Phase 3mal mit 30 ml Hexan extrahiert.
Die Hexanphase wurde verdampft und der Rückstand über Silikagel 60 chromatographiert
(Hexan/EtOAc 20 : 1, später
9 : 1), was 3,5 g (61 %) einer farblosen Flüssikgeit lieferte.
1H-NMR (300 MHz, CDCl3,
SiMe4): 7,4 (m, 5H, Ar); 5,15 (s, 2H, CH2-Ph); 4,35 (dd, 1H, CHBr); 2,6 (td, 2H, CH2-COOBzl);
2,5 – 2,2
(m, 2H, CHBr-CH2-CH2);
1,5 (s, 9H, C(CH3)3), 13C-NMR (75 MHz, CDCl3,
SiMe4): 172,4 COOBzl); 168,7 (COOtBu); 136,1
(CH2C(Ar)); 129,0, 128,8, 128,7 (C(Ar));
83,1 (C(CH3)3);
67,0 (OCH2-Ar); 47,1 (HCBr); 32,0 (HCBr-CH2); 30,1 (CH2COOBzl);
28,1 (CCH3)3); EI-MS
m/z (Intensität):
302, 300 (18, [M-C4H9]+); 57 (100, [C4H9]+).
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BEISPIEL 3
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Allgemeine
Verfahrensweise zur Monoalkylierung von Cyclen
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Eine
Lösung
von 870 mg (2,44 mmol) α-Bromglutarsäure-1-tert-butylester-5-benzylester
(3d) in CHCl3 wurde während eines Zeitraumes von
1 h tropfenweise zu einer Lösung.
von 885 mg (4,9 mmol) Cyclen in 4 ml CHCl3 gegeben.
Die Mischung wurde bei Raumtemperatur 2 Tage lang gerührt und
zu einem braunen Öl eingeengt.
Das Rohprodukt wurde mittels Säulenchromatographie
gereinigt (Silikagel 60, Ethanol/NH3 95
: 5), Ausbeute 920 mg (83 %) eines farblosen Öls:
1H-NMR
(300 MHz, CDCl3, SiMe4):
7,35 (m, 5H, Ar); 5,1 (s, 2H, CH2-Ph); 3,25
(dd, 1H, CHBr); 2,9 – 2,5
(m, 18H, NCH2, CH2COOBzl);
2,2 – 1,85
(m, 2H, CHN-CH2-CH2);
1,45 (s, 9H, C(CH3)3); 13C-NMR (75 MHz, CDCl3, SiMe4) 173,1 (COOBzl); 171,5 (COOtBu); 135,8
(CH2C(Ar)); 128,5, 128,3, 128,2 (C(Ar));
81,4 (C(CH3)3);
66,2 (O-CH2-Ar); 63,5 (HCNCH2);
48,8, 48,0, 46,5, 45,6 (NCH2CH2N);
30,6 (CH2COOBzl); 28,2 (C(CH3)3); 24,5 (HCN-CH2);
EI-MS m/z: (Intensität):
449,3 (56, [M+H]+; 245,8 (100, [M+CH3CN+2H]++).
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BEISPIEL 4
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Synthese von 1-(1-Carbobenzyloxy-3-carbo-tert-butoxypropyl)-4,7,10-(carbo-tert-butoxymethyl)-1,4,7,10-tetraazacyclododecan
(5d)
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Eine
Suspension von 1,1 g (5,6 mmol) Bromessigsäure-tert-butylester, 1,02 g (2,27 mmol)
1-(1-Carbobenzyloxy-3-carbo-tert-butoxypropyl)-1,4,7,10-tetraazacyclododecan
(4d) und 2,63 g (19,1 mmol) trockenes Kaliumcarbonat in 10 ml trockenem
Acetonitril wurde 18 h lang bei RT gerührt und anschließend über Celite filtriert
und zur Trockne eingedampft.
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Das
Rohprodukt wurde mittels Säulenchromatographie
gereinigt (Silikagel 60, CH2Cl2/EtOH
9 : 1, gefolgt von EtOH/NH3 95 : 5), Ausbeute
1,3 g (73 %) eines gelben Öls
(5d). 1H-NMR (300 MHz, CDCl3,
SiMe4): 7,35 (m, 5H, Ar); 5,1 (s, 2H, CH2-Ph); 3,6 – 1,9 (m, 27H, CHN, NCH2, CH2COOBzl, CHNCH2-CH2, CH2COOC(CH3)3); 1,45 (s, 36H, C (CH3)3); 13C-NMR (75 MHz,
CDCl3, SiMe4): 174,6
(COOBzl); 172,9, 172,8, 172,6 (COOtBu); 135,6 (CH2C(Ar));
128,5, 128,3, 128,2 (C(Ar)); 82,4, 81,8, 81,8 (C(CH3)3); 66,3 (O-CH2-Ar); 55,8,
55,7, 55,4, 52,6, 52,3, 50,3, 48,5, 48,1, 47,1, 44,3 (13C, HCNCH2, NCH2CH2N, CH2COOtBu, CH2COOBzl); (NCHCH2CH2); 28,0, 28,0, 27,8, 27,6 (C(CH3)3); EI-MS m/z (Intensität): 813,6 (22, [M+Na]+); 791,6 (38, [M+H]+;
396,5 (100, [M+2H]---).
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BEISPIEL 5
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Synthese von DOTAGA(tBu)4 (6d)
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600
mg (0,76 mmol) 5d wurden in Methanol gelöst und 30 mg Pd/C, suspendiert
in 1 ml H2O, wurde zugegeben. Die Mischung
wurde 2 Tage lang hydriert, über
Celite filtriert und zur Trockne eingedampft. Das Rohprodukt wurde
auf Silikagel 60 chromatographiert (EtOH/NH3 95
: 5); 470 mg (84,6 %) eines weißen
Feststoffes (6d) wurden erhalten. 1H-NMR
(300 MHz, CDCl3, SiMe4):
6,5 (br, 1H, COOH); 3,6 – 2,0
(m, 27H, CHN, NCH2, CH2COOH,
CHN-CH2-CH2, CH2COOC(CH3)3); 1,45 (s, 36H, C(CH3)3); 13C-NMR (75 MHz), CDCl3, SiMe4): 175,2
(COOH); 175,0, 172,9, 172,8, 172,6 (COOtBu); 82,4, 82,1, 81,9 (C(CH3)3); 55,8, 60,1
(NCHCOOtBu); 55,9, 55,8, 55,6, 52,7, 52,6, 52,5, 48,6, 48,5, 48,2,
47,1, 44,3 (12C, NCH2CH2N,
CH2COOtBu, CH2COOH);
33,4 (NCHCH2CH2);
27,9, 27,8 (C(CH3)3);
EI-MS m/z (Intensität):
723,5 (27, [M+Na]+); 701,5 (68, [M+H]+); 351,4 (100, [M+2H]++).
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BEISPIEL 6
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Herstellung von DOTAGA-7
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Die
Verbindung 6d wurde unter Benutzung von HATU (O-(7-Azabenzotriazol-1-yl)-N,N,N',N'-tetramethyluroniumhexafluorphosphat)
als Kupplungsreagens an das CCK-8-Analoge D-Asp-Tyr-Nle-Gly-Trp-Nle-Asp-Phe-NH2
(7), gebunden an Rink-Amidharz, gekuppelt.
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Nach
der Entschützung
(18 h, RT, TFA : Phenol : Thioanisol : Wasser 85 : 5 : 5 : 5) wurde
DOTAGA-7 in hoher Ausbeute erhalten und zeigte im Vergleich zu anderen
radioaktiv markierten CCK-B-Analogen überlegene
Eigenschaften.
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Die
Daten des DOTAGA-CCK-B-Analogen (DOTAGA-7) waren wie folgt: Ausbeute:
12,7 mg, HPLC-Reinheit > 95
%, (+) EI-MS m/z (Intensität):
1.486,1 (48, [M+H]+); 743,7 (60, [M+2H]++); (-) EI-MS m/z (Intensität): 1.484,0
(28, [M+H]–);
741,8 (90, [M+2H]--).
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BEISPIEL 7
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Biologische
Eigenschaften
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Es
ist festgestellt worden, daß,
wenn die Chelatbildner-Vorstufen der Erfindung zum Herstellen von
biologisch aktiven Molekülen
benutzt werden, diese Moleküle
bessere biologische Eigenschaften als Moleküle aufweisen, die mit anderen
Chelatbildnern bzw. -Vorstufen hergestellt sind. Die Vorteile sind
z.B. eine bessere Markierungsausbeute entsprechend der folgenden
Tabelle 2:
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Außerdem ist
die Stabilität
größer. Die
Reaktion von 90Y-DOTATOC oder 90Y-DOTAGA
bei 37 °C
mit dem Chelatbildner DTPA führt
zu 90Y-DTPA. Die Halbwertszeit dieser Reaktion
beträgt
23 Stunden für
DOTATOC und 79 Stunden für
DOTAGA.
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Die
Tabelle 3 zeigt verschiedene biologische Eigenschaften der Verbindung
der Erfindung Y-DOTA3TOC und Y-DOTAta.13TOC. Das radioaktive Metall
ist nicht gezeigt.
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Biologische
Ergebnisse von mit Yttrium markierten Peptiden
Tabelle
3