Sviluppo di nuovi modelli di radiofarmaci a base di metalli per imaging e terapia

This thesis is structured into four chapters addressing key aspects of the design, characterization, and application of metal chelators in nuclear medicine and radiopharmacy, with particular emphasis on thermodynamic stability, kinetic inertness, and structural dynamics. The research presented in Chapters 1 and 2 was conducted at Bracco Imaging SpA (Trieste), Chapter 3 originated from a three-month research stay at Seoul National University Hospital (South Korea), and Chapter 4 was initiated during a three-month stage at the University of Western Brittany (France) and subsequently continued at the University of Trieste. Chapter 1 focuses on TRASUTA, a new hexadentate spirobicyclic chelator derived from AAZTA, designed to assess whether conformational rigidity enhances the stability of complexes with biologically and diagnostically relevant metal ions (Ga³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, and Ca²⁺). Contrary to expectations, TRASUTA complexes exhibit lower thermodynamic stability and kinetic inertness compared to those formed with more flexible ligands, including AAZTA. Multinuclear variable-temperature NMR studies reveal pronounced conformational dynamics, with entropy-driven isomerization processes likely involving transient heptacoordinate intermediates stabilized by water coordination. These findings demonstrate that spirobicyclic rigidity alone does not guarantee improved complex stability and underline the importance of balancing rigidity and flexibility in ligand design. This work was published in Inorganic Chemistry (2024). Chapter 2 presents a detailed equilibrium, kinetic, and structural investigation of Pb(II) complexes with clinically relevant chelators (DOTA, DOTAM, DOTP, DTPA, and EDTA). A combination of potentiometric, spectroscopic, electrophoretic, and crystallographic techniques reveals significant differences in metal-binding strength, selectivity, and kinetic behavior. DOTA emerges as the most selective and kinetically inert ligand for Pb²⁺ under physiological conditions, whereas DOTP complexes exhibit poor inertness due to proton-assisted dissociation. Although all complexes display similar twisted square antiprismatic coordination geometries, ligand rigidity, hydration, and conformational dynamics are shown to critically influence kinetic stability. Overall, [Pb(DOTA)]²⁻ is identified as the most promising candidate for the development of ²¹²Pb/²¹²Bi-based radiopharmaceuticals for Targeted Alpha Therapy. Chapter 3 addresses diagnostic imaging through the development of a modular albumin-based platform for PET imaging using radiometals. Albumin was functionalized via click-chemistry with DBCO, the chelator NOTA, and the prostate cancer–targeting peptide glutamate-ureido-lysine (GUL). The degree of functionalization was found to be a key parameter controlling pharmacokinetics and biodistribution. Dynamic Light Scattering confirmed preservation of the native protein size, while radiolabeling with ⁶⁸Ga³⁺ and ⁶⁴Cu²⁺ was highly efficient (≥98%). Preliminary in vivo PET studies showed that lower GUL loading favors rapid renal clearance, whereas higher loading increases hepatic uptake, highlighting the importance of fine-tuning probe density for optimized imaging performance. Overall, this thesis provides insight into how ligand structure and dynamics govern metal complex stability and reactivity, contributing to the rational design of improved chelators and radiometal-based platforms for diagnostic and therapeutic applications in nuclear medicine.

Questo lavoro di tesi è articolato in quattro capitoli e affronta diversi aspetti della progettazione, caratterizzazione e applicazione di chelanti per ioni metallici in medicina nucleare e radiofarmacia, con particolare attenzione alla stabilità termodinamica, all’inerzia cinetica e alle proprietà strutturali dei complessi metallici. I Capitoli 1 e 2 sono stati svolti presso Bracco Imaging SpA (Trieste), il Capitolo 3 deriva da uno stage presso il Seoul National University Hospital (Corea del Sud), mentre il Capitolo 4 è stato avviato all’Università della Bretagna Occidentale di Brest (Francia) e successivamente proseguito all’Università di Trieste. Il primo capitolo riguarda lo studio di TRASUTA, un nuovo derivato spirobiciclico ed esadentato del chelante AAZTA, progettato per valutare l’effetto della rigidità conformazionale sulla stabilità dei complessi con ioni metallici di interesse biologico e diagnostico (Ga³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ e Ca²⁺). I risultati mostrano che, contrariamente alle aspettative, TRASUTA forma complessi meno stabili e meno inerti rispetto ad analoghi più flessibili, incluso AAZTA. Studi di NMR multinucleare a temperatura variabile evidenziano una marcata dinamicità conformazionale e processi di isomerizzazione entropicamente controllati, mediati da intermedi eptacoordinati. Questi dati dimostrano che la rigidità strutturale non garantisce necessariamente un miglioramento delle proprietà chimico-fisiche dei complessi, sottolineando l’importanza di un equilibrio tra rigidità e flessibilità nella progettazione dei leganti. Questo lavoro è stato pubblicato su Inorganic Chemistry (2024). Il secondo capitolo presenta uno studio sistematico dei complessi di Pb(II) con chelanti clinicamente rilevanti (DOTA, DOTAM, DOTP, DTPA ed EDTA), condotto mediante tecniche potenziometriche, spettroscopiche, elettroforetiche e cristallografiche. Tra i leganti analizzati, DOTA risulta il più selettivo e cineticamente inerte in condizioni fisiologiche, mentre DOTP mostra una bassa inerzia cinetica a causa di meccanismi di dissociazione acido-catalizzati. Nonostante geometrie di coordinazione simili, emerge il ruolo chiave della rigidità del legante, dell’idratazione e dei moti conformazionali nella stabilità dei complessi. [Pb(DOTA)]²⁻ si conferma il candidato più promettente per applicazioni terapeutiche basate sul sistema ²¹²Pb/²¹²Bi. Il terzo capitolo è dedicato allo sviluppo di una piattaforma modulare per imaging PET basata su albumina funzionalizzata e marcata con radiometalli. L’albumina viene modificata tramite click-chemistry con il chelante NOTA e il peptide targeting GUL, specifico per il cancro alla prostata. Il grado di funzionalizzazione si dimostra cruciale nel modulare farmacocinetica e biodistribuzione. La radiomarcatura con ⁶⁸Ga³⁺ e ⁶⁴Cu²⁺ risulta altamente efficiente, mentre studi preliminari in vivo evidenziano un impatto diretto del carico di GUL sull’escrezione renale e sull’accumulo epatico. Il quarto capitolo descrive la sintesi e lo studio di due nuovi chelanti macrociclici decadentati, bpycropa e phencropa, derivati dal macropa e contenenti unità aromatiche rigide. I complessi con Ba²⁺, Pb²⁺, La³⁺ e Bi³⁺ mostrano geometrie asimmetriche; quelli di phencropa presentano generalmente maggiore stabilità e inerzia rispetto a bpycropa. Tuttavia, studi di transchelazione indicano che l’inerzia cinetica rimane insufficiente per applicazioni con radiofarmaci α-emettitori a lunga emivita. Nel complesso, questa tesi evidenzia come struttura, rigidità e dinamica conformazionale dei leganti influenzino profondamente stabilità e reattività dei complessi metallici, fornendo indicazioni rilevanti per lo sviluppo di nuovi chelanti e sistemi vettoriali per applicazioni diagnostiche e terapeutiche in medicina nucleare.