Chapitre II : Tacn fonctionnalisés pour l'imagerie TEP
1.2 Radiopharmaceutiques
Un radiopharmaceutique est constitué d'un radionucléide, d'un ligand et d'une fonction de ciblage (Figure 20). Le radionucléide est un isotope instable d'un cation métallique qui permet l'émission de rayonnements. Celui-ci est stabilisé par complexation via un ligand, formant ainsi un chélate. Le choix du ligand utilisé influe sur les propriétés pharmacocinétiques (solubilité, stabilité, inertie...) du radiopharmaceutique final. Une fonction de ciblage, aussi appelée vecteur biologique, est greffée au chélate via un site d'ancrage.
Figure 20 : Composition d'un radiopharmaceutique
1.2.1 Radioisotope
L'utilisation de radionucléide en médecine impose que celui-ci soit facilement accessible, qu'il puisse être rapidement incorporé au radiopharmaceutique et qu'il possède un temps de demi-vie suffisamment long pour permettre de suivre le processus physiologique d'intérêt, mais suffisamment court pour limiter l'irradiation interne du patient.
Le temps de demi-vie dans le cas du 11C, du 13N, du 15O ou du 18F (t1/2 2 à 110 minutes) est plus court que dans le cas des métaux radioactifs comme le 64Cu, le 66Ga, le 68Ga, le 86Y ou le 89Zr (t1/2 1 à 78 heures) (Tableau 5).
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isotopes 11C 13N 15O 18F 68Ga 64Cu 66Ga 86Y 89Zr
t1/2 20,4 min 10,0 min 2,1 min 109,8 min 68,2 min 12,7 h 9,5 h 14,7 h 78,5 h
Tableau 5 : Temps de demi-vie de différents radioisotopes
Afin de limiter leur toxicité, les radionucléides ne sont jamais introduits libres dans l'organisme. Les isotopes comme le 18F, le 15O, le 13N et le 11C ont généralement été étudiés par incorporation dans de petites molécules. Un des radiopharmaceutiques couramment utilisé, le [18F]-fluoro-2-désoxyglucose (FDG), repose sur l'utilisation de 18F (Figure 21).
O OH HO HO OH F Figure 21 : [18F]-fluoro-2-désoxyglucose
L'incorporation du 18F (t1/2 = 109,8 minutes) est effectuée par liaison covalente sur le dérivé glucose. Le temps nécessaire à la radiosynthèse de cette molécule marquée est long en comparaison du temps de demi-vie relativement court du radioisotope considéré. Ce paramètre limite l’étude à des processus biologiques rapides, laissant les processus de longue durée, de l’ordre de l’heure ou du jour, difficiles à explorer.
Avec le développement récent de la production de radionucléides, l’enjeu porte actuellement sur l'utilisation de radioéléments de demi-vie plus longue afin d'explorer de nouveaux phénomènes biologiques. Des radioisotopes comme le zirconium (89Zr), l’yttrium (86Y), le gallium (68Ga, 66Ga) et le cuivre (64Cu) sont de bons candidats pour de telles applications. De plus, la complexation de métaux de façon non covalente permet de diminuer le temps de radiosynthèse et d’optimiser l'exploitation du radionucléide.
Le Cu2+ est connu pour former des complexes stables avec les polyazacycloalcanes. L'étude de systèmes basés sur la complexation de ce cation métallique pourrait à moyen terme permettre d'envisager des applications en théranostique, c'est-à-dire le couplage de la thérapie et du diagnostic. En effet, le 64Cu est étudié pour des applications en imagerie TEP et le 67Cu pour la RIT. Ces radionucléides possèdent respectivement des temps de demi-vie de 12,7 et 62 heures compatibles avec des applications médicales. L'accessibilité des radioisotopes s'est accrue avec l'apparition des cyclotrons. La présence du cyclotron Arronax à Nantes, nous donnant un accès privilégié au 64Cu, a conforté notre choix pour nos études sur ce radionucléide.
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51 La voie de production d'un radionucléide est notée AZE(x,y)A'Z'E', avec AZE, x, y et A'Z'E' représentant respectivement l'élément cible, la particule incidente, la particule émise et l'élément produit par la réaction. Le 64Cu est produit par un cyclotron via la réaction 64
Ni(p,n)64Cu, avec p représentant un proton et n un neutron. Le radioélément obtenu est purifié par chromatographie échangeuse d'anions. Le 67Cu peut être produit dans un cyclotron ou dans un accélérateur de haute énergie via diverses réactions nucléaires, dont l'élément cible est le 65Zn ou le 68Zn. Cependant, l'obtention de 67Cu pur reste délicate en raison de la pollution par le cuivre et le zinc présents dans l'environnement naturel. La présence de zinc impose que le chélate mis en jeu soit sélectif du cuivre par rapport au zinc.
1.2.2 Rôle du chélate
Un chélate doit posséder les caractéristiques suivantes :
* un site d'ancrage pour le greffage d'une biomolécule, cette fonction ne participe pas à la coordination du radionucléide mais est réservée au couplage avec un vecteur
* une bonne stabilité thermodynamique, c'est-à-dire une interaction forte entre le métal et le ligand pour assurer une complexation totale du radioélément
* une forte inertie cinétique du complexe ligand-radioisotope pour empêcher la dissociation du complexe et donc le relargage du radionucléide dans le milieu biologique
Cette dissociation peut être provoquée par différents phénomènes : - par transchélation en présence de chélatants compétiteurs
- par transmétallation en présence de cations métalliques compétiteurs - par démétallation lors d'une variation de pH
- par dissociation du complexe en milieu oxydant ou réducteur
Ces paramètres de stabilité et d'inertie sont spécifiques de chaque système métal-ligand étudié.
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52 1.2.3 Vecteur biologique
La présence d'un vecteur biologique a pour but de cibler une zone tumorale afin de limiter l'irradiation des tissus sains. Ce vecteur biologique peut être un anticorps, un peptide, un sucre, une vitamine, une protéine, une nanoparticule, une enzyme... Ce ciblage est réalisé par l'intermédiaire d'une reconnaissance entre la biomolécule greffée et la surface de la zone maligne.
Deux exemples de radiopharmaceutiques développés par M. W. Brechbiel pour l'imagerie TEP sont représentés Figure 22. Le premier (en haut) est composé d'un chélate macrocyclique do3a, permettant la complexation du 64Cu, et d'un peptide octréotide (OC) comme site de reconnaissance.59 L'octréotide est une biomolécule analogue de la somatostatine, intervenant dans l'inhibition de l'hormone de croissance SSTR (Somatostatin Receptor). Le second radiopharmaceutique (en bas) est constitué d'un chélate linéaire, le dtpa, qui permet la chélation du radioisotope 111In, et d'un peptide BBN(7-14)NH2.60 Le BBN(7-14)NH2 intervient dans la libération gastrine, qui est impliquée dans certains cancers.
Figure 22 : Exemples de radiopharmaceutiques H N N H H N N H H N N H H N N H NH2 O O O O O O O O S N HN NH O O N N N HO2C HO2C HO2C HO2C 111 In N H H N N H H N O O O S S N H O NH NH2 O NH O N H HO H N O HO HO O N N N N CO2H HO2C HO2C 64Cu
chélate biomolécule BBN(7-14)NH2 pour récepteur GRP
chélate macrocyclique biomolécule OC pour récepteur de somatostatine
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53 Ici, le greffage du peptide sur le chélate est réalisé par l'intermédiaire d'une fonction amide, issue du couplage peptidique entre l'acide carboxylique porté par le ligand et l'amine primaire portée par le peptide.