Radiometabolite and Plasma Protein Binding Analysis in Translational Positron Emission Tomography Imaging with [¹¹C]SMW139
Aarnio, Richard (2025-06-18)
Radiometabolite and Plasma Protein Binding Analysis in Translational Positron Emission Tomography Imaging with [¹¹C]SMW139
(18.06.2025)
Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-02-0224-8
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-02-0224-8
Tiivistelmä
ABSTRACT
Positron emission tomography (PET) is a highly sensitive, non-invasive, imaging technique used for quantification of biological targets. The accuracy of quantification is influenced by the tracer metabolism and plasma protein binding (PPB). This thesis focuses on the development of novel methodologies for radiometabolite analysis (RMA) and PPB assessment of the P2X7 receptor binding PET tracer [¹¹C]SMW139 in both preclinical and clinical research.
Key challenges in PET imaging include the rapid metabolism of tracers, which generates radiometabolites that may have altered binding properties and biodistribution. These radiometabolites can accumulate in tissues in critical quantification areas, affecting PET signal quantification and interpretation. To address this, robust thin-layer chromatography (TLC), high-performance TLC (HPTLC), and high-performance liquid chromatography (HPLC) methods were developed and optimised for quantification of the unchanged tracer and its radiometabolites in plasma and brain tissue. Additionally, an ultrafiltration PPB analysis method was developed to simultaneously determine the plasma protein-free fraction of [¹¹C]SMW139 and of its radiometabolites. The free fraction of the radiometabolites had not been analysed before.
The results demonstrate that [¹¹C]SMW139 undergoes rapid metabolism in both mouse and human plasma, the parent and its radiometabolites are able to penetrate the blood-brain-barrier (BBB). However, suitable compartment modelling with corrections for BBB penetrating radiometabolites enabled robust quantification. Moreover, [¹¹C]SMW139 was found to be highly bound to plasma proteins, while the radiometabolites had a much higher free fraction enhancing their abundant penetration through the BBB. The findings provide essential insights into the pharmacokinetics of [¹¹C]SMW139 and its radiometabolites, enabling improved PET data interpretation and tracer evaluation for brain imaging. Standardisation of RMA and PPB analysis methodologies and especially their detailed reporting are recommended for enhancing the reliability of RMA and PPB studies in future studies.
KEYWORDS: Radiometabolite analysis, plasma protein binding analysis, translational PET research, [11C]SMW139 TIIVISTELMÄ
Positroniemissiotomografia (PET) on herkkä ja kajoamaton kuvantamismenetelmä, jota käytetään biologisten kohteiden kvantitatiiviseen tutkimiseen. PET-merkkiaineen metaboloituminen ja plasman proteiineihin sitoutuminen (PPB) vaikuttavat sen tarkkuuteen. Tämä väitöskirja keskittyy PET-merkkiaineen [¹¹C]SMW139:n radiometaboliittianalyysi- (RMA) ja PPB-analyysimenetelmien kehittämiseen pre-kliinisissä ja kliinisissä tutkimuksissa.
PET-kuvantamisen haasteisiin kuuluu merkkiaineiden nopea metaboloituminen, joka tuottaa radiometaboliitteja, joilla voi olla erilaiset sitoutumis- ja jakautumisominaisuudet kuin alkuperäisellä merkkiaineella. Erityisesti radiometaboliittien kertyminen kudoksiin kvantitointialueilla voi vääristää signaalin analyysiä. Tätä varten kehitettiin ja optimoitiin ohutlevykromatografia (TLC), korkean erotuskyvyn ohutlevykromatografia (HPTLC), ja korkean suorituskyvyn nestekromatografia (HPLC)-menetelmiä. Näiden avulla määritettiin merkkiaineen ja sen radiometaboliittien pitoisuudet plasmassa ja aivokudoksessa. Lisäksi kehitettiin ultra-suodatusmenetelmä PPB-analyysiin, jotta voitiin [¹¹C]SMW139:n ja sen radiometa-boliittien vapaat fraktiot plasmassa määrittää samanaikaisesti. Radiometaboliittien vapaata fraktiota ei ole aiemmin analysoitu.
Tutkimuksen tulokset osoittivat, että [¹¹C]SMW139 metaboloituu nopeasti sekä hiiren että ihmisen plasmassa, ja muuttumaton merkkiaine ja sen radiometaboliitit pystyvät läpäisemään veri-aivoesteen (BBB). Kuitenkin, BBB-läpäisevillä radio-metaboliiteilla korjattu lokeromallimallinnus mahdollisti luotettavan kvantitoinnin. [¹¹C]SMW139 sitoutuu voimakkaasti plasman proteiineihin, kun taas sen radiometaboliiteilla on huomattavasti suurempi vapaa fraktio, edistäen niiden BBB-läpäisyä. Nämä löydökset tarjoavat arvokasta tietoa [¹¹C]SMW139:n ja sen radiometaboliittien farmakokinetiikasta, mikä parantaa PET-kuvantamisen tulosten tulkinnan ja merkkiaineen arviointia. Lisäksi tutkimus korostaa RMA- ja PPB-analyysimenetelmien standardointia ja yksityiskohtaisen raportoinnin merkitystä PET-tutkimusten luotettavuuden parantamiseksi.
AVAINSANAT: Radiometaboliittianalyysi, plasma proteiinisitoutumisanalyysi, translationaalinen PET-tutkimus, [11C]SMW139
Positron emission tomography (PET) is a highly sensitive, non-invasive, imaging technique used for quantification of biological targets. The accuracy of quantification is influenced by the tracer metabolism and plasma protein binding (PPB). This thesis focuses on the development of novel methodologies for radiometabolite analysis (RMA) and PPB assessment of the P2X7 receptor binding PET tracer [¹¹C]SMW139 in both preclinical and clinical research.
Key challenges in PET imaging include the rapid metabolism of tracers, which generates radiometabolites that may have altered binding properties and biodistribution. These radiometabolites can accumulate in tissues in critical quantification areas, affecting PET signal quantification and interpretation. To address this, robust thin-layer chromatography (TLC), high-performance TLC (HPTLC), and high-performance liquid chromatography (HPLC) methods were developed and optimised for quantification of the unchanged tracer and its radiometabolites in plasma and brain tissue. Additionally, an ultrafiltration PPB analysis method was developed to simultaneously determine the plasma protein-free fraction of [¹¹C]SMW139 and of its radiometabolites. The free fraction of the radiometabolites had not been analysed before.
The results demonstrate that [¹¹C]SMW139 undergoes rapid metabolism in both mouse and human plasma, the parent and its radiometabolites are able to penetrate the blood-brain-barrier (BBB). However, suitable compartment modelling with corrections for BBB penetrating radiometabolites enabled robust quantification. Moreover, [¹¹C]SMW139 was found to be highly bound to plasma proteins, while the radiometabolites had a much higher free fraction enhancing their abundant penetration through the BBB. The findings provide essential insights into the pharmacokinetics of [¹¹C]SMW139 and its radiometabolites, enabling improved PET data interpretation and tracer evaluation for brain imaging. Standardisation of RMA and PPB analysis methodologies and especially their detailed reporting are recommended for enhancing the reliability of RMA and PPB studies in future studies.
KEYWORDS: Radiometabolite analysis, plasma protein binding analysis, translational PET research, [11C]SMW139
Positroniemissiotomografia (PET) on herkkä ja kajoamaton kuvantamismenetelmä, jota käytetään biologisten kohteiden kvantitatiiviseen tutkimiseen. PET-merkkiaineen metaboloituminen ja plasman proteiineihin sitoutuminen (PPB) vaikuttavat sen tarkkuuteen. Tämä väitöskirja keskittyy PET-merkkiaineen [¹¹C]SMW139:n radiometaboliittianalyysi- (RMA) ja PPB-analyysimenetelmien kehittämiseen pre-kliinisissä ja kliinisissä tutkimuksissa.
PET-kuvantamisen haasteisiin kuuluu merkkiaineiden nopea metaboloituminen, joka tuottaa radiometaboliitteja, joilla voi olla erilaiset sitoutumis- ja jakautumisominaisuudet kuin alkuperäisellä merkkiaineella. Erityisesti radiometaboliittien kertyminen kudoksiin kvantitointialueilla voi vääristää signaalin analyysiä. Tätä varten kehitettiin ja optimoitiin ohutlevykromatografia (TLC), korkean erotuskyvyn ohutlevykromatografia (HPTLC), ja korkean suorituskyvyn nestekromatografia (HPLC)-menetelmiä. Näiden avulla määritettiin merkkiaineen ja sen radiometaboliittien pitoisuudet plasmassa ja aivokudoksessa. Lisäksi kehitettiin ultra-suodatusmenetelmä PPB-analyysiin, jotta voitiin [¹¹C]SMW139:n ja sen radiometa-boliittien vapaat fraktiot plasmassa määrittää samanaikaisesti. Radiometaboliittien vapaata fraktiota ei ole aiemmin analysoitu.
Tutkimuksen tulokset osoittivat, että [¹¹C]SMW139 metaboloituu nopeasti sekä hiiren että ihmisen plasmassa, ja muuttumaton merkkiaine ja sen radiometaboliitit pystyvät läpäisemään veri-aivoesteen (BBB). Kuitenkin, BBB-läpäisevillä radio-metaboliiteilla korjattu lokeromallimallinnus mahdollisti luotettavan kvantitoinnin. [¹¹C]SMW139 sitoutuu voimakkaasti plasman proteiineihin, kun taas sen radiometaboliiteilla on huomattavasti suurempi vapaa fraktio, edistäen niiden BBB-läpäisyä. Nämä löydökset tarjoavat arvokasta tietoa [¹¹C]SMW139:n ja sen radiometaboliittien farmakokinetiikasta, mikä parantaa PET-kuvantamisen tulosten tulkinnan ja merkkiaineen arviointia. Lisäksi tutkimus korostaa RMA- ja PPB-analyysimenetelmien standardointia ja yksityiskohtaisen raportoinnin merkitystä PET-tutkimusten luotettavuuden parantamiseksi.
AVAINSANAT: Radiometaboliittianalyysi, plasma proteiinisitoutumisanalyysi, translationaalinen PET-tutkimus, [11C]SMW139
Kokoelmat
- Väitöskirjat [2945]