Molecular imaging has revolutionized the practice of medicine and patient healthcare. The use of targeted imaging tools have enabled the non-invasive and selective interrogation of biological processes triggering pathology. This approach includes a variety of complementary techniques such as PET, MRI, and optical imaging. In particular, fluorescent probes allow for the synergistic evaluation of the drug, the target, and treatment response in real-time and excellent spatiotemporal resolution. Generally, three main components should be considered for the design of a fluorescent probe: (i) a recognition element (ligand or pharmacophore) that tolerates further chemical functionalization while preserving its affinity and selectivity towards the protein-target, (ii) an appropriate reporter unit (fluorophore), and (iii) a linker that combines these two functionalities. Each of these constituents poses unique challenges for the successful design of a molecular probe as their selection will strongly depend on the imaging technique the probe will be applied to (Chapter 1.). The presented thesis displays a case in which the design, synthesis, and pharmacological characterization of highly specific imaging probes led to the labeling of two relevant drug targets. In both projects, a modular synthesis strategy enabled the assembly of ligand and fluorophore units tailored for specific optical imaging applications. The first part of this thesis described the development of fluorescent ligands to trace the cannabinoid type 2 receptor (CB2R) (Chapter 2.). This receptor is known to be strongly up-regulated in pathological conditions correlated with the onset of inflammation and, thus, represents an important protein-target for both therapeutic and diagnostic purposes. Exploiting a preclinical CB2R agonist drug as recognition element, investigations on suitable linker length, composition, and placement were conducted. Of particular interest was to avoid detrimental interactions of the linker-reporter construct with the CB2R, while providing a linker trajectory that reaches the extracellular space, i.e., outside the receptor binding pocket. This strategy resulted in the generation of a robust platform where binding affinity and selectivity were largely independent of fluorophore attachment. The second part of this thesis aimed at the synthesis of imaging ligands containing multiple targeting moieties, i.e., multivalent for applications in the early detection of pancreatic cancer (PDAC) (Chapter 3.). Here, probe design was based on the fourfold derivatization of the cyclen scaffold to develop a “clickable” platform encompassing three terminal maleimides and one alkyne. This cyclen-based platform enabled the one-pot assembly of PDAC-targeted agents which were labeled with two different cyanine fluorophores. These fluorescent compounds displayed high specificity for the detection of PDAC in cell-based assays in comparison to their respective non-targeted controls.
Molekulare Bildgebung hat die klinische Praxis der Patientenversorgung grundlegend verändert. Der Einsatz zielgerichteter Reportermoleküle hat es ermöglicht, biologische Prozesse als Auslöser von Krankheiten nichtinvasiv und selektiv zu untersuchen. Diese Methodologie vereint eine Reihe komplementärer Verfahren einschließlich PET, MRI und optischer Bildgebung. Insbesondere Fluoreszente Sonden ermöglichen die synergistische Bewertung von Medikamenten, Targets, und Therapieansprache in Echtzeit mit ausgezeichneter räumlicher und zeitlicher Auflösung. Im Allgemeinen müssen drei grundlegende Komponenten für das Design einer fluoreszenten Sonde berücksichtigt werden: (i) ein Erkennungselement (Ligand oder Pharmakophor), welches chemische Funktionalisierungen unter Erhaltung seiner Affinität und Selektivität zum Protein-Target toleriert, (ii) eine geeignete Reportereinheit (Fluorophor), und (iii) ein Linker, welcher beide Funktionalitäten verbindet. Jedes dieser Bestandteile stellt spezifische Anforderungen an das erfolgreiche Design einer molekularen Sonde und hängt stark vom Bilgebungsverfahren ab, für das die Sonde eingesetzt werden soll (Kapitel 1). Die vorliegende Arbeit behandelt das Design, die Synthese und die pharmakologische Charakterisierung hochspezifischer bildgebender Sonden, welche weiterführend zur Untersuchung von zwei pharmakologisch relevanten Targets eingesetzt wurden. In beiden Projekten ermöglichte eine modulare Synthesestrategie die Verknüpfung spezifischer Liganden mit Reportereinheiten, welche jeweils auf spezielle Anwendungen optischer Bildgebung zugeschnitten sind. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die Entwicklung fluoreszenter Sonden für die Untersuchung des Cannabinoid Typ 2 Rezeptors (CB2R) (Kapitel 2). Die starke Hochregulierung dieses Rezeptors wird mit pathologischen Zuständen assoziiert, die hauptsächlich von Entzündungsprozessen ausgelöst werden. CB2R stellt daher ein wichtiges Protein-Target für sowohl therapeutische als auch diagnostische Ansätze dar. Ausgehend von einem präklinischen CB2R Agonisten als Erkennungselement wurden geeignete strukturelle Verknüpfungspunkte für einen Linker sowie der Einfluss von Linkeraufbau und –Länge untersucht. Von besonderer Bedeutung war es dabei, eine Linkertrajektorie zu finden, die aus der Bindungstasche des Proteins in die umgebende Matrix reicht und gleichzeitig abträgliche Interaktionen zwischen Linker-Reporter Konstrukt und Rezeptor zu vermeiden. Diese Strategie resultierte in einer robusten synthetischen Plattform, bei der Bindungsaffinität und –Selektivität überwiegend unbeeinflusst von der Art des angebrachten Farbstoffs sind. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Synthese fluoreszenter Sonden zur Früherkennung von Bauchspeicheldrüsenkrebs (PDAC), die multivalent mit Targeting-Einheiten versehen sind (Kapitel 3). Das Sondendesign basiert auf einem vierfach derivatisiertem Cyclengerüst zur Entwicklung einer „klickbaren“ Plattform, die aus drei terminalen Maleimid-Funktionalitäten und einem Alkin besteht. Diese cyclenbasierte Plattform ermöglichte die Eintopfsynthese von PDAC zielgerichteten Sonden, welche jeweils mit zwei verschiedenen Cyaninfarbstoffen markiert wurden. Die Sonden wiesen hohe Selektivitäten für die Detektion von PDAC in zellbasierten Assays im Vergleich zu ihren nicht-zielgerichteten Kontrollen auf.
