Neue PET Tracer für das Fibroblasten-Aktivierungs-Protein α und Evaluierung neuer PET Tracer für die Identifikation bakterieller Infektion

Neue PET Tracer für das Fibroblasten-Aktivierungs-Protein α und Evaluierung neuer PET Tracer für die Identifikation bakterieller Infektion

INAUGURALDISSERTATION

zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften

-Doctor rerum naturalium- (Dr. rer. nat.)

vorgelegt von

Laura Beate Nadine Langer

aus Gelnhausen

Hannover 2020

Medizinische Hochschule Hannover

Klinik für Nuklearmedizin

Präsident: Prof. Dr. med. Michael P. Manns Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. rer. nat. Tobias Ross Wissenschaftliche Zeitbetreuung: PD Dr. med. Ingmar Mederacke

1. Referent/in: Prof. Dr. rer. nat. Tobias Ross 2. Referent/in: PD Dr. med. Ingmar Mederacke 3. Referent/in: Prof. Dr. med. Tibor Kempf Tag der mündlichen Prüfung: 13.04.2021

Prüfungsausschuss

Vorsitz: Prof.´in Dr. rer. nat. Andrea Hoffmann 1. Referent/in: Prof. Dr. rer. nat. Tobias Ross

2. Referent/in: PD Dr. med. Ingmar Mederacke 3. Referent/in: Prof. Dr. med. Tibor Kempf

Kurzzusammenfassung

Neue PET Tracer für das Fibroblasten-Aktivierungs-Protein α und Evaluierung neuer PET Tracer für die Identifikation bakterieller Infektion

Langer, Laura Beate Nadine

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wird in der Nuklearmedizin als nicht-invasives bildgebendes Verfahren genutzt. Dabei werden radioaktive Sonden sogenannte Tracer verwendet, die sich spezifisch an der Zielstruktur anreichern. Mittels PET kann dessen Verteilung im menschlichen Körper visualisiert werden. In dieser Arbeit wurden Tracer zur Detektion unterschiedlicher Zielmoleküle entwickelt.

Zum einen wurden Tracer zur Visualisierung des Fibroblasten-Aktivierungs-Proteins α (FAP) in fibrotischen Prozessen entwickelt. Diese wurden in vitro, sowie in vivo evaluiert. Die Detektion basiert dabei auf dem einzigartigen Expressionsmuster von FAP. Während es kaum im gesunden Gewebe vorkommt, wird FAP auf aktivierten Fibroblasten im Stroma exprimiert, wenn die extrazelluläre Matrix re-modelliert wird. Dies ermöglicht Prozesse mit einem hohen Umstrukturierungsbedarf im Gewebe, wie bei Tumoren oder fibrotischen Prozessen üblich, zu visualisieren. In dieser Doktorarbeit wurden die neuartigen PET-Tracer [⁶⁸Ga]MHLL1, [⁶⁸Ga]MHLL2 und [¹⁸F]MHLL3 präparativ hergestellt, sowie radiochemisch markiert. Die beiden Gallium-68 Tracer wurden darüber hinaus in vitro in FAP-exprimierenden Zellen untersucht. [⁶⁸Ga]MHLL1 wurde schließlich in gesunden und Mäusen mit induziertem Myokardinfarkt, sieben beziehungsweise 21 Tage nach diesem, hinsichtlich der fibrotischen Prozesse im Infarktbereich untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass [⁶⁸Ga]MHLL1 FAP-spezifisch ist, die Infarktheilung visualisieren und darüber hinaus deutlich den aktiven Myokardinfarkt darstellen kann. Im Vergleich zu anderen FAP spezifischen Tracern ist [⁶⁸Ga]MHLL1 durch eine Ein-Schritt Synthese einfach herzustellen und zeigt eine identische Akkumulation (1,7 ± 0,3 %ID/g im Vergleich zu 1,0 ± 0,2 %ID/g) im Myokardinfarkt.

Nosokomiale Infektionen fordern immer mehr Todesopfer. Die frühzeitige Diagnose bakterieller Infektionen kann die Ausbildung von Multiresistenzen verhindern und damit Leben retten. Die Entwicklung von bakterienspezifischen PET Tracern kann zur schnellen und zuverlässigen Detektion beitragen. In dieser Arbeit wurden zehn E. coli spezifische Tracer, die einen DOTAM Chelator enthalten, mit Gallium-68 markiert. Die drei Tracer mit der höchsten Markierungseffizienz [⁶⁸Ga]AT83, [⁶⁸Ga]1CP155 und [⁶⁸Ga]3CP46 wurden in gesunden Mäusen evaluiert.

Darauffolgend wurden [⁶⁸Ga]AT83 und [⁶⁸Ga]3CP46 hinsichtlich ihrer Eignung zur Detektion von E.coli Infektionen untersucht. Alle Tracer ließen sich mit Gallium-68 markieren. Allerdings zeigte der Gallium-68 komplexierende Chelator DOTAM eine langsame Markierungskinetik, die ungeeignet für das kurzlebige Nuklid ist. Nur [⁶⁸Ga]AT83 und [⁶⁸Ga]3CP46 zeigten optimale Markierungseffizienzen, wohingegen [⁶⁸Ga]1CP155 moderate Markierungsausbeuten zeigte. In Stabilitätstests und gesunden Mäusen zeigte mit einem hohen Gallium-68 Verlust zeigte [⁶⁸Ga]1CP155 ungeeignete Eigenschaften für die Bildgebung. [⁶⁸Ga]AT83 und [⁶⁸Ga]3CP46 dagegen zeigten gute Eigenschaften für die Bildgebung von bakteriellen Infektionen. Beide Tracer konnten zwischen einer Infektion mit E.coli (0,7 ± 0,1 %ID/g bzw. 0,5 ± 0,2 %ID/g) und einer sterilen Inflammation Lipopolysacharide (0,4 ± 0,1 %ID/g bzw. 0,3 ± 0,1 %ID/g) unterscheiden. Im Vergleich zu anderen bakterienspezifischen Tracern weisen beide Tracer eine hohe Aufnahme in E.coli Bakterien auf. Der entscheidende Vorteil der Tracer liegt in der DOTAM Plattform. Diese erlaubt nicht nur eine Markierung mit Gallium-68, sondern ermöglicht auch eine Anbindung einer antimikrobiellen Substanz. Somit ist es möglich den Therapie-Effekt des Antibiotikums als auch eines Theranostikums durch zeitgleiche Markierung direkt mit zu verfolgen.

Abstract

Novel PET tracers for fibroblast activation protein α and evaluation of novel PET tracers for detection of bacterial infection

Langer, Laura Beate Nadine

Positron-emission tomography (PET) is a non-invasive functional imaging technique applied in nuclear medicine. The technique is based on radioactive imaging probes so-called tracer which accumulate specifically on sites expressing a target structure. This enables the visualisation of the target distribution within the human body. Several tracers for detection of diverse targets were developed in the scope of this work.

Firstly, tracers for the detection of the fibroblast activation protein (FAP) were developed and evaluated in vitro as well as in vivo. FAP exhibits an outstanding expression pattern. While healthy tissue expresses FAP in a limited manner, it is highly expressed on activated fibroblasts at sites of remodulation of the extracellular matrix. For instance, elevated FAP levels are present in the tumor stroma or on sites of active fibrosis. This empowers the visualisation of fibrotic processes. In this doctoral thesis three novel PET tracers [⁶⁸Ga]MHLL1, [⁶⁸Ga]MHLL2 and [¹⁸F]MHLL3 were synthesised and labelled radiochemical. Moreover, [⁶⁸Ga]MHLL1 and [⁶⁸Ga]MHLL2 were characterised in FAP transfected cells. Finally, [⁶⁸Ga]MHLL1 was assessed in healthy mice as well as in mice 7 and 21 days after induction of a myocardial infarction.Functional imaging demonstrated the FAP specificity of [⁶⁸Ga]MHLL1. Moreover, the tracer is a powerful tool to visualise fibrotic processes following the infarction and accumulates evidently in the zone of infarction. Compared to further FAP specific tracers, [⁶⁸Ga]MHLL1 is prepared easily via one-step synthesis with a similar level of the accumulated tracer (1.7 ± 0.3 %ID/g vs. 1.0 ± 0.2 %ID/g) in the infarct zone.

Nosocomial infections demand raising casualties. Early detection of bacterial infection impedes the development of multiple drug resistance. The development of specific bacterial detecting probes accounts for fast and reliable detection of infection sites and has the potential to rescue lives. In the framework of this work, radiolabelling with gallium-68 of 10 E.coli specific DOTAM containing precursors was performed. Of those, three tracers with high labelling efficacies, namely [⁶⁸Ga]AT83, [⁶⁸Ga]1CP155 and [⁶⁸Ga]3CP46 were evaluated in healthy mice. Consequently, [⁶⁸Ga]AT83 and [⁶⁸Ga]3CP46 were tested in E.coli infected mice.

Gallium-68 labelling was achieved in all tracers but hampered by slow labelling kinetics of the embedded DOTAM chelator, which is inept for the short-lived nuclide. Solely, [⁶⁸Ga]AT83 and [⁶⁸Ga]3CP46 demonstrated suitable labelling efficacy, whereas labelling of [⁶⁸Ga]1CP155 was achieved with moderate yields. Due to a high gallium-68 loss, [⁶⁸Ga]1CP155 showed unsuitable characteristics for functional imaging in stability test and imaging of healthy mice. In contrast, [⁶⁸Ga]AT83 and [⁶⁸Ga]3CP46 showed excellent properties for the imaging of bacterial infection. In E.coli infected mice, both tracers were able to discriminate between infection (0.7 ± 0.1 %ID/g and 0.5 ± 0.2 %ID/g) and lipopolysaccharide induced inflammation (0,4 ± 0,1 %ID/g and 0,3 ± 0,1 %ID/g). In comparison to diverse bacteria specific tracers, both tracers showed high accumulation in E.coli. The DOTAM chelator exhibits a decisive asset. The structure enables labelling with gallium-68 and the covalent binding of antimicrobial compounds simultaneously. Correspondingly, this duality of labelling and carrying the antimicrobial substance results in a theranostic approach and a contemporaneous monitoring of the therapeutic efficacy.

INHALTSVERZEICHNIS

1 Einleitung ... 1

1.1 Molekulare Bildgebung in der Nuklearmedizin ... 1

1.2 Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ... 3

1.2.1 PET-Nuklide ... 6

1.2.2 Chelatoren für Gallium-68 und Indium-111 ... 9

1.3 Das Fibroblasten-Aktivierungs-Protein α (FAP) ... 11

1.3.1 FAP Expression in der Fibrose ... 12

1.3.1.1FAP Expression im klinischen Bild des Myokards und der Infarktheilung ... 14

1.3.1.2FAP Expression in der Leberfibrose ... 18

1.3.1.3FAP Expression in der Lungenfibrose ... 19

1.3.2 FAP Expression in der Onkologie ... 20

1.3.3 Targeting von FAP mittels diagnostischer Radiopharmaka ... 21

1.3.4 Resümee: Das Fibroblasten-Aktivierungs-Protein ... 23

1.4 Bakterielle Infektion ... 24

1.4.1 Aufbau der Bakterien ... 24

1.4.2 Klinische Diagnose bakterieller Infektion ... 25

1.4.3 Präklinische Radiopharmaka zur Detektion bakterieller Infektionen ... 27

1.4.3.1Siderophore ... 30

1.4.4 Resümee: Siderophore und Bakterien ... 32

1.5 Zielsetzung ... 33

1.5.1 Detektion von FAP mittels neuer small molecule PET-Tracer ... 33

1.5.1.1Hypothesen: FAP-Tracer dienen zur nicht-invasiven Bildgebung von Fibrose ... 34

1.5.2 Detektion von Bakterien mittels neuer PET-Tracer basierend auf Siderophoren ... 35

1.5.2.1Hypothesen: Siderophorbasierte Tracer dienen zur nicht-invasiven Bildgebung von bakteriellen Infektionen... 36

2 Studiendesign und Methoden ... 37

2.1 Material ... 37

2.1.1 Chemikalien ... 37

2.1.2 Verbrauchsmaterial ... 43

2.1.3 Hergestellte Lösungen ... 46

2.1.4 Proteine und Antikörper ... 47

2.1.5 Medien, Lösungen und Kits für die in vitro Kultur und Histologie ... 48

2.1.6 Zelllinien ... 49

2.1.7 Bakterien ... 49

2.1.8 Tiere ... 49

2.1.9 Geräte ... 50

2.1.10 Software ... 52

2.2 Organische Synthesen ... 53

2.2.1 Synthese der Gallium-68 Vorläufer ... 53

2.2.1.1Vorläufer 1- MHLL1 ... 53

2.2.1.2Vorläufer 2 - MHLL2 ... 55

2.2.1.3Vorläufer 3 ... 59

2.2.2 Synthese der Fluor-18 Vorläufer ... 61

2.2.2.1Vorläufer 1 – MHLL3 ... 61

2.2.2.2Vorläufer 2 ... 64

2.2.2.3Vorläufer 3 ... 66

2.2.3 Weitere Referenzsubstanzen ... 75

2.3 Radiochemische Synthesen ... 77

2.3.1 Gallium-68 Markierungen ... 77

2.3.1.1Gallium-68 Radiomarkierung der Tracer für FAP ... 79

2.3.1.2Gallium-68 Radiomarkierung der Siderophoren ... 81

2.3.2 Fluor-18 Markierungen von MHLL3 ... 91

2.3.2.1Synthese von [¹⁸F]Fluorethyltosylat (FETos) ... 91

2.3.2.2Synthese von [¹⁸F]MHLL3 ... 92

2.3.3 Indium -111 Markierung von 1CP155 ... 93

2.4 Bestimmung der Stabilitäten und Hydrophilie ... 94

2.5 In vitro-Experimente ... 95

2.5.1 Etablierung eines Enzymassays ... 97

2.5.2 Vortest: [⁶⁸Ga]MHLL1 auf 3T3 und MC-38 Zellen ... 98

2.5.3 Zellversuch 1: Bestimmung der Rezeptorsättigung ... 99

2.5.4 Zellversuch 2: Bestimmung der Internalisierung ... 99

2.5.5 Zellversuch 3: Bestimmung des Effluxes ... 99

2.5.6 Zellversuch 4: Inhibitionsassay Bestimmung des IC50 ... 100

2.5.7 Bestimmung des Proteingehaltes ... 101

2.6 In vivo-Experimente ... 101

2.6.1 Untersuchung des FAP spezifischen Tracers [⁶⁸Ga]MHLL1 im Mausmodell ... 101

2.6.1.1Untersuchung im gesunden Tier ... 102

2.6.1.2Untersuchung im Myokardinfarktmodell ... 103

2.6.1.3Ex vivo Autoradiographie und Histologie ... 103

2.6.2 Untersuchung der bakterienspezifischen Tracer [⁶⁸Ga]AT83, [⁶⁸Ga]3CP46 und [⁶⁸Ga]1CP155 im Mausmodell ... 105

2.6.2.1Untersuchung im gesunden Tier ... 105

2.6.2.2Untersuchung im E.coli vs LPS Modell ... 106

2.6.2.3Ex vivo Autoradiographie ... 107

3 Ergebnisse ... 108

3.1 Tracer für das Fibroblasten-Aktivierungs-Protein ... 108

3.1.1 Organische Synthese ... 108

3.1.1.1Vorläufer und Referenzsubstanzen der Gallium-68 Tracer... 108

3.1.1.2Vorläufer der Fluor-18 Tracer ... 111

3.1.1.3Weitere Referenzsubstanzen ... 115

3.1.2 Radiochemische Markierung ... 115

3.1.2.1[⁶⁸Ga]MHLL1 ... 116

3.1.2.2[⁶⁸Ga]MHLL2 ... 117

3.1.2.3[¹⁸F]MHLL3 ... 118

3.1.3 Stabilität und Hydrophilie ... 121

3.1.4 Etablierung eines Enzymassays ... 123

3.1.5 In vitro Zellversuche ... 125

3.1.5.1[⁶⁸Ga]MHLL1 ... 125

3.1.5.2[⁶⁸Ga]MHLL2 ... 131

3.1.6 In vivo Charakterisierung von [⁶⁸Ga]MHLL1 ... 132

3.1.7 Zusammenfassung der Ergebnisse zu den FAP-spezifischen PET-Tracer... 140

3.2 Tracer für die Detektion von Bakterieller Infektion ... 141

3.2.1 Radiochemische Markierungen ... 141

3.2.1.1Markierungen mit Gallium-68 ... 141

3.2.1.2Markierung von 1CP155 mit Indium-111 ... 144

3.2.2 Stabilität und Hydrophilie ... 145

3.2.3.1In Gesunden Tiere ... 146

3.2.3.2Im E.coli Modell ... 148

3.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der Bakterien-spezifischen PET-Tracern ... 153

4 Diskussion ... 155

4.1 Neue PET-Tracer für FAP ... 155

4.1.1 Bestätigung der Hypothesen ... 155

4.1.2 Etablierung eines Enzymassays ... 157

4.1.3 [⁶⁸Ga]MHLL1 ... 158

4.1.4 [⁶⁸Ga]MHLL2 ... 162

4.1.5 Weiterer Galliumtracer ... 163

4.1.6 [¹⁸F]MHLL3 ... 164

4.1.7 Weitere Fluor-18 Tracer ... 165

4.1.8 Zusammenfassung der Diskussion zu FAP-spezifischen Tracern ... 166

4.2 Neue PET-Tracer zu Detektion bakterieller Infektion ... 167

4.2.1 Bestätigung der Hypothesen ... 167

4.2.2 Evaluierte radioaktiv markierte Siderophore ... 169

4.2.2.1[⁶⁸Ga]AT83 ... 173

4.2.2.2[⁶⁸Ga]3CP46 ... 173

4.2.2.3[⁶⁸Ga]1CP155 ... 174

4.2.3 Zusammenfassung der Diskussion zur Detektion bakterieller Infektion mittels Siderophor basierten PET-Tracern ... 175

5 Anhänge ... 176

5.1 Literaturverzeichnis ... 176

5.2 Abkürzungsverzeichnis ... 208

5.3 Tabellenverzeichnis ... 215

5.4 Abbildungsverzeichnis ... 217

5.4.1 Rechte und Erlaubnis (Rights and Permissions) ... 221

5.5 Synthesesequenzen Scintomicsmodul ... 222

5.6 NMRs ... 234

5.6.1 MHLL1/LL01 ... 234

5.6.2 LL64 ... 236

5.6.3 MHLL2/LL65 ... 238

5.6.4 LL11 ... 242

5.6.5 LL56 ... 242

5.6.6 MHLL3/LL61 ... 245

5.6.7 LL04 ... 249

5.6.8 LL05 ... 249

5.6.9 LL06 ... 250

5.7 Danksagung ... 251

5.8 Lebenslauf... 252

5.9 Eidesstaatliche Erklärung ... 256 5.10 Beiblatt ... I

Sauerstoffspezies in der Tumorzelle erzeugt, wodurch idealerweise die Tumorzelle zerstört wird und dann der Tumor beseitigt beziehungsweise reduziert werden kann.

Im klinischen Alltag werden verschiedene Bildgebungsverfahren eingesetzt. Oft werden biologische Informationen aus den nuklearmedizinischen SPECT und PET Aufnahmen mit anatomischen Daten aus den radiologischen Magnet-Resonanz- Tomographie (MRT) oder Computer Tomographie (CT) Scans überlagert, um Informationen über physiologische Prozesse und der generellen Morphologie zu erhalten.^⁠8,9 Tabelle 1 gibt einen Überblick über die gängigsten Bildgebungsverfahren und deren Kenngrößen. Dabei werden für PET und SPECT Radiopharmaka verwendet. Der Unterschied liegt im radioaktiven Zerfall und damit der Detektionsart. Bedingt durch diese besitzt PET gegenüber SPECT eine höhere Sensitivität mit einem höheren Auflösungsvermögen und eine bessere Möglichkeit zur Quantifizierung. Weiterhin besitzen SPECT Nuklide oft eine etwas längere Halbwertszeiten, was zu einer höheren Strahlenexposition des Patienten führt.^10,11 Da in dieser Arbeit hauptsächlich PET-Tracer evaluiert wurden, wird im Folgenden auf die PET Diagnostik detaillierter eingegangen.

Tabelle 1. Kenngrößen verschiedener Bildgebungsverfahren.^12–14,1515 N.b. = nicht bestimmt

Bildgebungs- verfahren

Detektierte Energie Probenmasse [ng]

Auflösung [mm]

Sensitivität [mol/L]

Patientendosis [mSv]

PET Annihilationsphotonen 1-100 1-4 10^-11-10^-12 1,6-7,6

SPECT Gammaquanten 1-100 7-15 10^-10-10^-11 0,05 -12

MRT Radiofrequenzwellen 10³-10⁶ 0,2 10^-3-10^-5 0

CT Röntgenstrahlen n.b. 0,5-1 10^-2~10^-3 0,1-9,9

Tabelle 2. Eigenschaften der verschiedenen Szintillator Materialien.^⁠9,27–30 * = bezogen auf NaI Detektoren

Name NaI BGO LSO GSO LYSO LBS LaBr3

Summen-formel NaI(Tl) Bi4Ge3O12 Lu2SiO5(Ce) Gd2SiO5(Ce) Lu2(1-x)

Y2xSiO5

LuI3(Ce/Pr) &

Lu3Al5O12(Ce/Pr) LaBr3

Dichte [g/mL] 3,7 7,1 7,4 6,7 7,1 5,6/6,7 5,1

Zerfallszeit [ns] 230 300 35-45 30-60 36-45 31 / 70 16

Lichtausbeute [%]*

100 15 75 25 72-87 >100%/ 20 >100

Auflösung [%] 6,6 12 10 7,5 8 11 2,6

1.2.1 PET-Nuklide

Abbildung 5. Gewebepenetration der Nuklide Gallium-68 und Fluor-18 in Weichteilgewebe und der Lunge.¹⁸ Wiederauflage mit der Erlaubnis von Sanchez-Crespo, A. Comparison of Gallium-68 and Fluorine-18 imaging characteristics in positron emission tomography. Including data, instrumentation and methods for use in agriculture, industry and medicine. Applied Radiation and Isotopes 2013, 76, 55–62, DOI:

10.1016/j.apradiso.2012.06.034. Copyright 2020 Elsevier.

Ob ein Nuklid ein geeignetes PET-Nuklid ist hängt von der Halbwertszeit, der Beta-Energie, der Zerfallsart und der Verfügbarkeit ab.³¹ Das Nuklid muss eine ausreichend lange Halbwertszeit besitzen, um ein Radiopharmakon herzustellen und eine Untersuchung zu gewährleisten. Jedoch sollte das Isotop eine so kurze Halbwertszeit haben, dass der Patient sowie das betreuende Personal keiner unnötigen Strahlenbelastung ausgesetzt werden.³² Eine hohe Beta-Energie führt zu einer schlechteren Ortsauflösung, da energiereiche Positronen gemäß dem Energieerhaltungssatz weiter durch das Gewebe wandern und sich damit von ihrem Ursprungsort, dem Nuklid, entfernen. Abbildung 5 zeigt wie weit das Positron des höher energetischen Gallium-68 (Eβ,max = 1,9 MeV) im Vergleich zum Positron des Fluor-18 (Eβ,max = 0,63 MeV) durch das Gewebe tritt, bevor es zur Auslöschung kommt.

Das bedeutet, dass Fluor-18 Tracer eine höhere Auflösung haben als vergleichbare Gallium-68 Tracer.^18,33 Des Weiteren stört der Konkurrenz-Zerfall der Betaumwandlung, der Elektroneneinfang (EC, siehe Tabelle 3), die

Bildgebung. Während Gallium-68 einen EC- Anteil von 11 % besitzt, besitzt Fluor-18 nur einen EC-Anteil von 3°%. Beim Elektroneneinfang werden einzelne γ-Quanten in einer Kaskade freigesetzt, die die Koinzidenzmessung stören können. So müssen Radiopharmaka, die Nuklide mit hohem EC Anteil enthalten, in geringeren Dosen appliziert werden, um die Menge an einzelnen Photonen möglichst gering zu halten.^33,34 Zudem ist die Produktion der meisten Nuklide standortabhängig. Für viele Nuklide, wie zum Beispiel Fluor-18, werden Beschleuniger wie Zyklotrone benötigt. Generatorbasierte Nuklide wie Gallium-68 sind dagegen besser verfügbar und standortunabhängig.^31,33

Tabelle 3 gibt einen Überblick über einige PET-Nuklide in der klinischen Bildgebung. Die Nuklide Sauerstoff-15, Kohlenstoff-11 und Stickstoff-13 werden als sogenannte „Bionuklide“ kategorisiert, da die natürlich vorkommende Isotope innerhalb eines Moleküls durch das entsprechende neutronenarme Isotop ausgetauscht werden können. Das radioaktive Molekül ist damit strukturell das Gleiche, wie das natürliche Molekül.³² Fluor-18 wird als „Analog-Nuklid“ klassifiziert. Dabei kann das Nuklid am Originalmolekül statt einer Hydroxylgruppe oder eines Wasserstoffatoms im Sinne der Bioisomerie eingeführt werden. Metallische Nuklide wie Gallium-68 oder Zirkonium-89 werden als „unkonventionelle Nuklide“ bezeichnet. Diese müssen durch einen koordinierenden Chelator an das Biomolekül gekoppelt werden. Die Struktur des Tracers weicht somit stark von der des Originalmoleküls ab.^35,36

Tabelle 3. Übersicht über in der Medizin eingesetzten PET-Nuklide^⁠6,31–33,35–37

Nuklid Halbwertszeit Eβ^{, max} [MeV] Zerfallskanäle Synthese Zyklotronproduzierte Nuklide

Brom-76 16,2 h 3,38 55,0 % β⁺

45,0 % EC

76(p,n)⁷⁶Br

75As(α,3n)⁷⁶Br

Iod-124 4,2 d 1,53

2,14

22,7 % β⁺ 77,3 % EC

124Te(p,n)¹²⁴I

Kohlenstoff-11 20,3 min 0,97 100,0 % β^{+ 14}N(p,α)¹¹C

Kupfer-64 12,7 min 0,65 17,6 % β⁺

38,5 % β^- 43,9 % EC

64Ni(p,n)⁶⁴Cu

67Zn(p,α)⁶⁴Cu

Fluor-18 109,8 min 0,63 97,0 % β⁺

3,0 % EC

18O(p,n)¹⁸F

20Ne(d,α)¹⁸F

Sauerstoff-15 2,0 min 1,73 100,0 % β^{+ 15}N(p,n)¹⁵O

14N(d,n)¹⁵O

Stickstoff-13 10,0 min 0,49 100,0 % β^{+ 16}O(p,α)¹³N

Yttrium-86 14,7 h 1,22 31,9 % β⁺

68,1 % EC

86Sr(p,n)⁸⁶Y

Zirkonium-89 78,4 h 0,90 22,7 % β⁺

77,3 % EC

89Y(p,n)⁸⁹Zr Generatorproduzierte Nuklide

Gallium-68 1,14 h 1,90 89,1 % β⁺

10,9 % EC

68Ge/⁶⁸Ga

Rubidium-82 1,3 min 2,61

3,38

95,4 % β⁺ 4,6 % EC

82Sr/⁸²Rb

Scandium-44 3,9 h 0,68

0,78

94,0 % β⁺ 6,0 % EC

44Ti/⁴⁴Sc

1.2.2 Chelatoren für Gallium-68 und Indium-111

Abbildung 6. Azyklische und makrozyklische Chelatoren für die Komplexierung von Gallium-68 und Indium-111

Gallium-68 und Indium-111, beides Metalle der 3. Hauptgruppe, verhalten sich hinsichtlich ihrer Komplexbildung ähnlich.³⁸ Beide liegen in wässriger Lösung in der Oxidationsstufe +3 vor.^39,36 Der Ionenradius von Gallium(III) beträgt 0,62 Å, wohingegen Indium (III) mit 0,92 Å um das 1,5-fache größer ist.⁴⁰ Beide Kationen bilden schlecht lösliche Hydroxyverbindungen schon im leicht sauren pH-Bereich aus. Indium hydrolysiert bei einem pH-Wert größer 5, Gallium im pH-Bereich von 3-7.^36,39,41 Um die Ausbildung dieser Hydroxide zu verhindern, werden bei der Komplexierung der Metalle schwache Liganden, wie Acetate, Citrate oder Oxalate verwendet. Durch hexa- bis oktadentale Organoliganden wird Gallium-68 sechsfach koordiniert, Indium-111 Komplexe liegen in sieben- und achtfacher Koordination vor.^42–45 Beim Markieren mit den radioaktiven Metallen existiert neben der Unterdrückung der Hydroxidbildung, auch die Herausforderung möglichst thermodynamisch und kinetisch stabile Komplexe zu bilden, da sowohl Gallium-68, als auch Indium-111 aus schwachen Komplexen im menschlichen Körper von Transferrin transchelatiert werden. Das Plasmaprotein Transferrin ist für den Eisentransport verantwortlich und kann durch die ähnliche Größe und Koordinierungschemie von Indium bzw. Gallium im Vergleich zu Eisen, auch diese koordinieren. Auch darf sich der Komplex in vivo nicht zersetzen, da dies die Bildgebung verfälscht.^38,46,47 Denn freies Indium-111 und Gallium-68 weisen auf Grund der Bindung zu Transferrin einen hohe Aufnahme in Leber, Magen und Lunge auf.^48–50

Um einen stabilen Komplex zu generieren werden harte Lewisbasen (also Elektronenpaardonoren), wie Carboxylate, Hydroxamate, Phosphonate und Amine, in mehrfachdentale Chelatoren eingebaut. Abbildung 6

zeigt die bis dato stabilsten entwickelten Chelatoren. Dabei unterscheidet man in offenkettige, also azyklische und geschlossene, makrozyklische Chelatoren. Makrozyklische Chelatoren sind oft kinetisch inerter und besitzen eine besser entropische Stabilität als azyklische, dafür haben die azyklischen Chelatoren eine schnellere Komplexierungskinetik.^50–52 Diese Vielfalt an Chelatoren basiert darauf, das einige Zielstrukturen mit machen Chelatoren in puncto Markierungstemperatur und Biodistribution besser harmonieren als mit anderen.

Die am häufigsten verwendeten Chelatoren sind 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure (DOTA), N, N‘,N‘‘-(1,4,7-triazacyclononan-1,4,7-triyl)triessigsäure (NOTA) und Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA). Vor allem Indium-111 wir hauptsächlich durch DTPA und DOTA komplexiert, wobei Indium-111 nicht passgenau im DOTA Gerüst sitzt.^53,54 Insgesamt findet die Komplexierung bei pH Werten von 3,5-4,0 und erhöhten Temperaturen zwischen 40-100°C statt, was die Markierung von empfindlichen Biomolekülen, wie Antikörpern, erschwert. Da NOTA kein bifunktioneller Chelator ist, wird oft das Derivat 1,4,7-Triazacyclononan- 1-Glutarsäure-4,7-diessigsäure (NODAGA) verwendet.⁵⁵ Dabei zeigen DOTA-Derivate beider Nuklide die höchste Tumorakkumulation, gefolgt von den NODAGA und NOTA Derivaten.^55,56 NOTA Komplexe von Gallium-68 zeigen eine etwas höhere Stabilität im Vergleich zu Gallium-68 DOTA Komplexen, Indium-111 NOTA Komplexe zeigen eine ähnlich hohe Stabilität wie die Gallium Pendants auf.⁵⁷ Durch die Einführung von Phosphinen im NOTA Gerüst konnte ein effizienter Chelator namens 3,3',3"-(((1,4,7-Triazanonan-1,4,7-triyl)tris(methylen)tris(hydroxy- phosphoryl))tripropanolsäure (TRAP) für Gallium-68 generiert werden. Dieser kann bei pH Werten unter 3 Gallium-68 innerhalb weniger Minuten schnell und mild komplexieren.⁵⁸ Im letzten Jahrzehnt wurde ein weiterer hocheffektiver Gallium Chelator – Fusarinin C (FSC) entwickelt. Dieser basiert auf einem eisenkoordinierenden Komplex, der von Aspergillus fumigatus produziert wird. Solche Metaboliten werden auch Siderophore genannt (siehe Kapitel1.4.3.1). Bereits geringe Mengenunter einem Nanomol FSC komplexieren Gallium- 68 innerhalb von 5 Minuten bei einem milden pH-Wert von 5 und bei Raumtemperatur.⁵⁹

Neben DTPA wird Desferrioxamin-B (DFO), ein Siderophor (siehe Kapitel 1.4.3.1), das aus Streptomyces pilosus (S.pilosus) gewonnen wird, als offenkettiger Chelator zur Koordination diverser Radiometalle genutzt. Dabei weist der Gallium-68 DFO Komplex eine höhere Stabilität als der Gallium-68 DOTA Komplex auf. Indium-111 bildet schwächere Komplexe mit DFO.⁵³ Von allen genannten Chelatoren weist N',N-bis(2-hydroxybenzyl)ethendiamin- N,N'-diessigsäure (HBED) die stärksten Bindungsaffinitäten zu Gallium-68 und Indium-111 auf, und zeigt darüber hinaus auch gute in vivo Stabilitäten.⁶⁰ Um unter milderen Bedingungen sensible Biomoleküle mit Gallium-68 markieren zu können, wurde in den letzten 10 Jahren ein Trishydroxypyridinon (THP)-Derivat entwickelt. Dieser basiert auf dem Eisenchelator 3-Hydroxy-4-Pyridinon und kann bei milden pH Bereichen von 5-8 bereits mit geringen Stoffmengen bei Raumtemperatur innerhalb von wenigen Minuten Gallium-68 komplexieren.^61,62

geringere Tumorigenität, woraus hervorgeht, dass FAP redundant und nicht essentiell ist.^94,95 Eine erhöhte FAP- Expression weisen Wundheilungsprozesse und die Embryogenese auf.65,67,96,97 Somit scheint FAP im Zusammenhang mit Remodellierungsprozessen der extrazellulären Matrix zu stehen.^95,98 Extrem erhöhte FAP- Expressionen weisen pathologische Prozesse wie chronische Entzündungen, rheumatoider und Osteo-Arthritis, atherosklerotischen Plaques, Fibrose, Zirrhose, Keloid, Epithelial Karzinomen, sowie einigen Weichteilgewebe- und Knochen-Sarkomen auf.65,67,99–109 Aufgrund des Expressionsmusters eignet sich FAP als idealer Biomarker, sowie potenzielles therapeutisches Target für eine Bandbreite an Krankheiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde sich auf die Expression von FAP in fibrotischen Prozessen fokussiert und dementsprechend im Folgenden darauf eingegangen.

1.3.1 FAP Expression in der Fibrose

Fibrotische Erkrankungen gehen mit der Degeneration organspezifischer Zellen einher. Dabei wird gesundes, funktionales Gewebe durch fibrilläre, kollagen-reiche Ablagerung in der extrazellulären Matrix (EZM) ausgetauscht, das Gewebe wird somit versteift. Die Versteifung ist bei Wundheilungsprozessen oder nach der Verletzung von Gewebe notwendig um die Integrität der Organe zu erhalten und den Heilungsprozess zu unterstützen.¹¹⁰ Der Heilungsprozess lässt sich dabei in vier Phasen einteilen: Homöostase, Inflammation, Proliferation und die abschließende Remodellierung bzw. Reifung des neuen Gewebes.¹¹¹ Normalerweise herrscht ein Gleichgewicht zwischen dem Abbau (Fibrolyse) und dem Aufbau (Fibrogenese) der EZM-Bestandteile. Dieses Gleichgewicht, auch Homöostase genannt, wird in fibrotischen Krankheiten gestört und es kommt zur Vernarbung und Versteifung des Gewebes.¹¹² Zwischen der Inflammationsphase und der Remodellierungsphase infiltrieren Fibroblasten das geschädigte Gewebe und produzieren Kollagen-I und Fibronektin, sowie weitere Bestandteile der extrazellulären Matrix um diese auszubessern. Auch sekretieren diese Fibroblasten Wachstumsfaktoren, Zytokine, und EZM-zersetzende Proteasen und locken Makrophagen an.^113–115 Diese Fibroblasten werden auch normal aktivierte (normal activated fibroblasts; NAFs) oder Myofibroblasten genannt.^116,117 Der Ursprung dieser aktivierten Fibroblasten ist organspezifisch. In der Leber differenzieren sich die hepatischen Sternzellen zu aktivierten Fibroblasten.¹¹⁸ In der Nierenfibrose gibt es Hinweise darauf, dass sich diese aus bereits im Gewebe sitzenden, ruhenden Fibroblasten sowie infiltrierende Knochenmarksstammzellen differenzieren.^119–121 In der Lungenfibrose entwickeln sich die ruhenden Epithelzellen zu aktivierten Fibroblasten.¹²² Durch unter anderem epigenetische Veränderungen kann der normal aktivierte Fibroblast sich zu einer aktiveren, irreversiblen Form, dem Fibrose-assoziierten Fibroblasten (fibrosis-associated fibroblasts, FAFs) weiterentwickeln (Abbildung 8).¹²³ Diese sind hyperaktiv bezüglich ihrer Ausschüttung der EZM Bestandteile und Entsendung von Zytokinen und Wachstumsfaktoren und darüber hinaus resistent gegenüber der FAS-regulierten

Apoptose.^124,125 Weiterhin proliferieren sie stark, wirken immunsuppressiv und können migrieren.^126,127 Es ist ungeklärt, ob sich FAFs von krebsassoziierten Fibroblasten (CAFs, siehe Kapitel 1.3.2) unterscheiden, oder identische Zellen sind.¹²⁸

Die Myofibroblasten und FAFs exprimieren einige Rezeptoren, die die ruhenden Fibroblasten nicht besitzen. Zu diesen gehören unter anderem das alpha smooth muscle actin α-SMA, Cadherin-11, das Integrin α11β1, die platelet-derived growth factor receptor PDGFR α und β, die Lysyloxidase (LOX), das Fibroblasten spezifische Protein 1 (FSP-1), Vimentin, Desmin, der Descoidin Domänen enthaltenen Rezeptor 2 (DDR 2) und das Fibroblasten-Aktivierungs Protein.121,129–132

Abbildung 8. Verschiedene Stadien eines Fibroblasten.¹²⁸ Im gesunden Gewebe existiert in der extrazellulären Matrix der sogenannte ruhende Fibroblast. Dieser kann durch seine spindelförmige Struktur identifiziert werden. Bei Gewebeverletzungen differenzieren diese zu normal aktivierten Fibroblasten (NAFs), welche EZM Bestandteile generieren und Zytokine sowie Wachstumsfaktoren zur Wiederherstellung des gesunden Gewebes dienen. NAFs können durch Apoptose und Reprogrammierung wieder in den ruhenden Zustand übergehen. Besteht jedoch ein permanenter Stimulus oder werden die Fibroblasten epigenetisch moduliert, so bilden sich Fibrose-assoziierte Fibroblasten (FAFs). Diese sind Apoptose resistent und schütten übermäßig Matrixbestandteile, Zytokine und Wachstumsfaktoren aus. Somit entsteht Narbengewebe und es kommt zur Fibrose. NAFs und FAFs sind sternenförmig und haben die Fähigkeit zu migrieren und proliferieren. Wiederauflage mit der Erlaubnis von Kalluri, R. The biology and function of fibroblasts in cancer. Nature reviews. Cancer 2016, 16, 582–598, DOI: 10.1038/nrc.2016.73 abgebildet. Copyright 2020 Springer Nature Verlag.

1.3.1.1 FAP Expression im klinischen Bild des Myokards und der Infarktheilung 21,6% aller Toten in den USA starben 2008 an den Folgen eines Myokardinfarktes.¹³³ Dabei kann der Körper das beschädigte Gewebe nur begrenzt regenerieren. Denn die betroffenen Kardiomyozyten besitzen keine bzw. nur eine sehr geringe Proliferationskapazität, sodass kein Austausch mit gesunden Kardiomyozyten stattfinden kann.^134,135 Das betroffene Gewebe wird im Zuge einer inflammatorischen Antwort mit Granulationsgewebe und Ablagerungen von kollagenreichen Narbengewebe ersetzt, was dem Prozess der Wundheilung entspricht.¹³⁶ Der Verlust des gesunden Gewebes und die zusätzliche Bildung des Narbengewebes führt zu einer Veränderung der Gewebsstruktur des linken Ventrikels. Dadurch kann es zu einer Ventrikel Erweiterung kommen, welche zu einer eingeschränkten linksventrikulären Kontraktilität und damit einer systolischen Herzinsuffizienz führen kann.^137–139 In wie fern der Prozess der Infarktheilung entgleist und zu einem negativen Ausgang führt, hängt von diversen Faktoren, wie beispielsweise der Infarktgröße, dem Grad der Inflammationsantwort, der Größe des Narbengewebes und dem Verlauf des Remodellierungsprozesses – dem Umbau des umliegenden extrazellulären Gewebes – ab^140–144 Das Fibroblasten-Aktivierungs-Protein wird dabei im Rahmen der Geweberemodellierung nach dem Infarkt exklusiv im Bereich des Infarktes auf den aktivierten Fibroblasten exprimiert.^145,146 Insbesondere innerhalb der ersten Woche ist die Expression auf der Zelloberfläche stark erhöht.¹⁴⁷ Auch korreliert ein niedriger FAP-Spiegel im Blut in Patienten mit akutem Koronarsyndrom mit einem stärkeren Todesrisiko.¹⁴⁸

Herzfibrose im Allgemeinen

Insgesamt können fibrotische Prozesse im Herzen verschiedene Auslöser haben, weswegen in vier Kategorien unterschieden werden kann:

1. „Replacement“ (englisch für Ersatz/ Austausch) Fibrose: Wird durch die Verletzung der Kardiomyozyten ausgelöst. Diese Art der Fibrose kann nach einem Myokardinfarkt gefunden werden und dient der mechanischen Stabilisierung des Gewebes.^149–151

2. Reaktive interstitielle Fibrose: Graduelle, reversibel und diffuse Ablagerung von im Übermaß produziertem Kollagen in der extrazellulären Matrix. Hierbei kann kein Verlust der Kardiomyozyten festgestellt werden. Diese kann beispielsweise in Krankheitsbildern der nicht- ischämischen Kardiomyopathie oder Herzklappenfehlern gefunden werden.149,152,153

3. Perivaskuläre Fibrose: Diese Art der Fibrose ist mit hypertonischem Herzgewebe assoziiert. Dabei akkumulieren fibrilläres Kollagen in der Adventitia der intramuralen Koronararterien.^154,155

4. Infiltrative interstitielle Fibrose: Hierbei handelt es sich um eine Sekundärfibrose, die durch Ablagerungen von Fremdmaterial, wie Amyloid, Eisen oder Glykosphingolipide ausgelöst werden kann. Diese kann beispielsweise in Morbus Fabry beobachtet werden.^156,157

Die Myofibroblasten des Herzens haben einen entscheidenden Einfluss auf den Schweregrad des Infarktes, da sie die Inflammation und darauffolgende benötigte Narbenbildung zur Stabilisierung der Gewebestruktur koordinieren.^160,161 Während der Infarktheilung reagiert der Kardiofibroblast auf die Signale der umliegenden Zellen und passt seine Aufgabe in Form verschiedener Phänotypen diesen an.¹⁶² Dabei kann in verschiedene Stadien oder Phasen – der Homöostase, Inflammation, Proliferation, Reifung und einem Homöostase ähnlichen Zustand– unterschieden werden, die während der Heilung teilweise überlappen, sodass verschiedene Phänotypen gleichzeitig im Infarktbereich auftreten können.158,163–165 Abbildung 9 zeigt die verschiedenen Stadien eines Kardiofibroblasten im Infarktbereich.

Im gesunden Gewebe des Herzens sind die Fibroblasten im ruhenden Zustand zu finden. Dabei besteht das Herz zu 30% aus Kardiomyozyten und zu etwa 11% aus residierenden Fibroblasten.¹⁶⁶ Die Kardiomyozyten und Fibroblasten bilden ein enges kommunizierendes Netzwerk untereinander aus und befinden sich in dem Zustand der Homöostase.¹⁶⁷ In diesem ruhenden Zustand sind hauptsächlich sind die Signalwege der N-Glykan Biosynthese im Fibroblasten aktiviert.¹⁵⁸ Ein Myokardinfarkt führt zunächst zur Apoptose der Kardiomyozyten und dann zu einer massiven Nekrose der Kardiomyozyten.^168,169170 Durch das Sterben der Kardiomyozyten wird das geschädigte Gewebe 12-16 Stunden nach dem Infarkt in einen inflammatorischen Zustand versetzt.^171,172 Bedingt durch die Freisetzung der zellulären Bestandteile der Kardiomyozyten und vermehrten Auftreten von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS), folgt die angeborene Immunantwort.¹⁷³ Diese führt zur Ausschüttung von Zytokinen und Chemokine, wodurch Neutrophile und mononukleare Zellen in das geschädigte Gewebe einwandern.¹⁷⁴ Insbesondere die infiltrierenden Leukozyten beseitigen dann abgestorbene Zellen und Ablagerungen der extrazellulären Matrix.¹⁷⁵ Durch die Stimulation des Fibroblasten mittels Interleukin-1β (IL- 1β), Tumornekorosefaktor alpha (TNF-α) und Oncostatin M differenziert sich innerhalb von 24-72 Stunden nach dem Infarkt der ruhende Fibroblast zu einem pro-inflammatorischen Subtyp.^176–178 Dieser sekretiert selbst Zytokine und Chemokine, sowie Metallomatrixproteasen, welche zur Anlockung von Makrophagen und der Beseitigung von Ablagerungen des geschädigten Gewebe dienen.^179,180 Die Genesung des Infarktes ist dann abhängig von der zügigen Unterdrückung des inflammatorischen Zustandes.^175,181 Nach 3 Tagen koordinieren apoptotische Neutrophile im späten Stadium, sowie T-Zellen die Auflösung des inflammatorischen Zustandes. Dabei differenzieren die pro-inflammatorischen M1 Makrophagen zu pro-reparativen M2 Makrophagen.^182–184 Zusammen mit umliegenden Zellen, sekretieren die anti-inflammatorische Makrophagen den Transformierenden Wachstumsfaktor (Transforming Growth Faktor β1, TGF-β1), Fibronektin und den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktoren (vascular endothelial growth factor, VEGF). Fibronektin stimuliert die Aktivierung des Kern Faktor Kappa-Leichtkettenverstärker der aktivierten B-Zellen (nuclear factor ‚kappa-light-chain-enhancer‘ of activated B-cells, NFκB) und rekrutiert Mastzellen in den Infarktbereich.¹⁸⁵ TGF-β1 induziert die Fibroblasten

Aktivierung. Dieser wechselt in einen anti-inflammatorischen Zustand, um die Ausbildung des Granulationsgewebes vorzubereiten und die Inflammationsantwort zu beenden.¹⁵⁸ In diesem Zustand proliferieren und migrieren die Fibroblasten stark, treiben die Angiogenese und profibrotische Signalwege voran und exprimieren nun FAP.147,186–189 Damit folgt der Wechsel in die Proliferationsphase, die durch das Granulationsgewebe, welches einwandernde Makrophagen und einwandernde aktivierte Fibroblasten enthält, sowie durch die Bildung neuer Blutgefäße und neuer EZM Bestandteile gekennzeichnet ist.¹⁹⁰ Die einwandernden Fibroblasten können dabei verschiedene Abstammungen besitzen. Zum einen differenzieren sie aus den lokal ansässigen Fibroblasten, zum anderen können sie sich aus Endothelzellen, Epithelzellen, Fibrozyten oder Perizyten entwickeln. Zu großer Mehrheit differenzieren sie sich aus lokal ansässigen Fibroblasten und aus den epithelialen Vorläuferzellen des Epikards.^191–195 7 Tage nach dem Myokardinfarkt beginnt die Reifungsphase des Gewebes, die durch die Narbenbildung und Anreicherungen von EZM Bestandteilen zur Aufrechterhaltung der Architektur des Herzgewebes dient. Außerdem ist die Reifungsphase durch die Produktion von weiteren anti- inflammatorischen Zytokinen, wie Interleukin 10 (IL-10), gekennzeichnet.^196,197 Der aktivierte Fibroblast wechselt in einen pro-reparativen Zustand und wird nun Myofibroblast genannt. Dieser wird klassischerweise durch die Expression von Alpha-Aktin 2 (alpha smooth muscle actin, α-SMA), welches durch das ACTA2 Gen codiert ist, charakterisiert.^143,161 Dabei wechseln die Fibroblasten von einem stark migrierenden Phänotyp, der sich an Laminin anreichert, zu einem an Kollagen IV anlagernden, weniger migrierenden, aber kontraktilen Phänotypen.¹⁹⁸ Durch die Stimulation durch Angiotensin II und TGF-β1 proliferieren die Myofibroblasten weiterhin stark. Die Produktion der EZM Bestandteile wie Kollagen und Fibronektin ist 7 Tage nach dem Infarkt auf dem Höchststand. Dadurch wird eine strukturierte Narbe, die die Integrität des Gewebes wiederherstellt, ausgebildet.^199,200 Die Fibroblasten der Reifungsphase weisen außerdem anti-angiogenetische Charakterisitika, wie die Sekretion von Thromobospondin-1 (THBS1) auf.^158,201 10 bis 21 Tage nach dem Herzinfarkt, ist die Narbenbildung weitestgehend abgeschlossen, die Zahl der Myofibroblasten im Infarktbereich verringert sich.²⁰² Zu diesem Stadium des Fibroblasten existiert nur eine geringe Datenlage, da bis etwa 2014 geeignete Knockout Mauslinien und Zellsequenzierungsmethoden fehlten. Erste Indizien weisen zum einen auf einen weiteren Phänotyp – den Matrifibrozyten – hin, zum anderen ist es möglich, dass der Myofibroblast wieder den Zustand eines ruhenden Fibroblasten annimmt.165,203–205 Weiterhin steht die ältere Hypothese im Raum, dass die Myofibroblasten eine kontrollierte Apoptose vollziehen.^206,207

Die gebildete Narbe ist zum einen dadurch gekennzeichnet, dass bis zu 17 Jahre später immer noch Myofibroblasten gefunden werden können.¹⁴³ Zum anderen ist 6 Wochen nach dem Infarkt die Leukozytenzahl im Narbengewebe immer noch höher als im umliegenden Gewebe.²⁰⁸ Außerdem sind im Narbengewebe Matrifibrozyten entdeckt worden, die einen einzigartige genetischen Fingerabdruck besitzen, dem ruhenden

Fibroblasten aber sehr ähnlich sind. Diese exprimieren kein α-SMA, jedoch eine hohe Apoptoseresistenz durch aktivierte Apoptoseinhibitionsmoleküle und sekretieren Thrombospondin 5, sowie Chondroadherin und CAP-Gly Domain-enthaltenes Linker Protein 2. Dies weist daraufhin, dass die Matrifibrozyten zur Integrität und dem Erhalt der Narbe über einen langen Zeitraum beitragen.²⁰³ Möglicherweise hat der Transkriptionsfaktor SOX9 einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklung der Phänotypen des Fibroblasten und deren potentielle Zurückentwicklung zum ruhenden Fibroblasten.^208,209

1.3.1.2 FAP Expression in der Leberfibrose

In der Leberfibrose versteift und vernarbt die Leber sukzessiv. Auslöser dafür können virale Infektionen, alkohol- induzierte Leberkrankheiten, Autoimmunkrankheiten, Hämochromatose, Toxin- und Medikamenten-induzierte Leberkrankheiten, oder nicht-alkoholische Fettleber Erkrankungen sein.²¹⁰ Dabei kann aus der Leberfibrose die terminale Leberzirrhose entstehen. Auf dem Boden der Leberzirrhose kann sich ein hepatozelluläres Karzinom entwickeln, denn pro Jahr entwickeln ungefähr 1-8 % der Patienten mit Leberzirrhose ein hepatozelluläres Karzinom.²¹¹ Sowohl die Leberfibrose ist in jedem Stadium reversibel, als auch der Zustand der Leberzirrhose kann eigedämmt werden.^212,213 Durch Behandlung der zugrundeliegenden Erkrankung (Hepatitis B, C) kann durch antivirale Therapien eine Regression von Leberfibrose und –zirrhose erreicht werden.212,214,215

Sternzellen (hepatic stellate cells, HSCs), auch Ito-Zellen genannt, spielen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der Fibrose.²¹⁶ Die Sternzellen bilden etwa 10-15 % der Gesamtzellen in der Leber und sind im subendothelialer Raum, den sogenannten Disse-Spalt lokalisiert. Hauptsächlich sind sie für die Speicherung von Vitamin A zuständig.^216,217. Im Rahmen der Leberfibrose konnte gezeigt werden, dass bis zu 95% der Myofibroblasten aus hepatischen Sternzellen generiert werden.¹¹⁸ Wie die Fibroblasten werden die Sternzellen in der Fibrose durch metabolische Produkte, epigenetisch, rezeptor-vermittelt oder durch Immunsignale aktiviert und differenzieren zu Myofibroblasten, die Matrixbestandteile wie Kollagen-I produziert.^210,218 Weitere Myofibroblasten entstehen aus portalen Fibroblasten und zu einem geringen Anteil aus Fibrozyten.^219–221. In Patienten mit Hepatitis C Infektion korreliert die FAP Expression mit dem Grad der Nekroinflammation und damit dem Schweregrad der Fibrose.¹⁰⁶ Weiterhin wurden FAP exprimierenden Myofibroblasten mit den fibrillären Matrixbestandteilen Kollagen-I und Fibronektin ko-lokalisiert werden, was eine Interaktion zwischen FAP und den EZM Proteinen vermuten lässt.^81,105,222 In klinischen Studien wurde insbesondere das im Blut zirkulierende FAP als Marker für den Schweregrad von Leberfibrose untersucht. Bei alkoholinduzierter Zirrhose verdoppelt sich der FAP-Spiegel im Vergleich zu gesunden Patienten, insgesamt deutet ein erhöhter FAP-Serumspiegel auf einen gesteigerten Schweregrad hin.^90,223 Auch hilft der FAP-Serumspiegel bei der Kategorisierung von „geringes Risiko“ Patienten mit nicht-alkoholischer Fettlebererkrankung, denn je geringer das FAP Level, desto geringer ist die

Wahrscheinlichkeit an Fibrose zu erkranken.²²⁴ Insgesamt ist die Rolle von FAP in der Leberfibrose unklar, es ist jedoch denkbar, dass FAP zusammen mit DPPIV durch post-translationale Modulation verschiedener Matrixproteine die Fibrogenese beeinflussen kann.²²⁵

1.3.1.3 FAP Expression in der Lungenfibrose

Die Idiopathische Lungenfibrose ist eine progressive chronische Krankheit mit unbekanntem Auslöser und geringer Überlebensrate. Innerhalb 5 Jahren nach der Diagnose versterben 50-80% der Patienten, die mittlere Überlebensrate beträgt 2-4 Jahre. ^226,227

Auch hier werden massiv EZM-Bestandteile durch FAP exprimierende Myofibroblasten in der Lunge abgelegt.⁹⁹ Dabei führt eine zusätzliche Versteifung des Gewebes zu einer erneuten beziehungsweise verstärkten Aktivierung der Fibroblasten. Die Steifheit des Gewebes wird nicht nur durch das Vorkommen verschiedener EZM-Proteine, sondern auch durch den Grad der Vernetzung bestimmt. Somit kann jede matrixdegradierende Protease, wie beispielsweise FAP, den Grad der Vernetzung und damit den Verlauf der Krankheit bestimmen.²²⁸ In der Tat führt eine erhöhte Expression von FAP zu einem geringeren Grad der Versteifung.¹⁸⁸ Jedoch widerspricht sich die Literatur bei den Effekten verschieden starker FAP Expressionen, da je nach Induktion der Lungenfibrose im präklinischen Tiermodell unterschiedliche Resultate erhalten werden.^229,230

Verstärkung der Metastasierung führen.^84,85,238 Zumeist korreliert ein erhöhter FAP-Spiegel bei Patienten mit Tumorerkrankungen wie Kolorektalen Karzinom, Klarzellenkarzinom, Magenkarzinom, duktalen Adenokarzinom des Pankreaskopfes, gastrointestinalen Stroma Tumor, Plattenepithelkarzinom und epithelialen Ovarialkarzinom mit einer schlechteren Gesamtüberlebensrate.^239–249

1.3.3 Targeting von FAP mittels diagnostischer Radiopharmaka

Abbildung 11. FAP-spezifische Radiotracer. Ein FAP spezifischer small molecule Tracer besteht typischerweise aus einem Glycin-Pyrrolidin (grün) Motiv, das die FAP spezifische Glycin-Prolin Struktur mimt. Daran ist eine Inhibitionsgruppe (blau) gebunden. Weiterhin wird zumeist eine aromatische Struktur an den N-terminus des Glycins gekoppelt und darüber das Radionuklid (pink) angebunden. M = Radioaktives Metall wie Gallium-68, Lutetium-177 oder Yttrium-90.

Die Detektion des Fibroblasten-Aktivierungs-Proteins wurde in verschiedenen Pathologien mittels PET und SPECT Radiopharmaka in verschiedenen Arbeitsgruppen untersucht. Das Prinzip der Detektion basiert auf dem Tracer- Prinzip (siehe Kapitel 1.1). Dabei wird ein für FAP-spezifisches Molekül mit einem Radionuklid verbunden und die Akkumulation des Tracers an FAP-exprimierenden Geweben durch die Detektion der Radioaktivität visualisiert.^⁠6 Zum einen wurde FAP mit verschiedenen spezifischen radioaktiven Antikörpern gezielt angesteuert. Dafür wurde zunächst der identifizierte murine Antikörper F19 und seine humanisierte Version mittels Iod-131 markiert und in klinischen Studien bis zur Phase II evaluiert.^250,251 Die Studien wurden jedoch abgebrochen, da die Patienten Antikörper gegen beide FAP spezifischen Antikörper entwickelten. Daraufhin wurden die monoklonalen ESC 11

und 14 mit Lutetium-177 zur Therapie von Melanomen präklinisch evaluiert. Vor allem Lutetium-177 ESC-11 zeigte gute pharmakologische Wirkung mit einer starken Reduktion des Tumors und damit einhergehend einer erhöhten Überlebensrate. Der radioaktive Antikörper wurde jedoch schnell internalisiert und das Nuklid anschließend schnell aus der Zelle geschleust.²⁵² Deswegen wurde ein nicht internalisierender, aber hoch FAP- spezifischer Antikörper namens 28H1 in rheumatoider Arthritis untersucht.^253–255 Diese Antiköper wurden daraufhin erfolgreich zur Therapieüberwachung verschiedener antirheumatischer Substanzen in präklinischen Studien verwendet.²⁵⁶

Weiterhin wurden Mikrobodies als Liganden für FAP entwickelt und radioaktiv markiert.²⁵⁷ Die kurzen FAP- spezifischen Peptidsequenzen wurden mit dem Diagnosenuklid Gallium-68, sowie dem Therapienuklid Lutetium-177 markiert und in Patienten mit metastasiertem Pankreastumoren getestet. Dabei zeigte der Tracer gute pharmakologische Eigenschaften mit einer hohen Tumoraufnahme und damit einhergehender Reduktion der Tumorlast.

Antikörper zeigen typischerweise biologische Halbwertszeiten von Tagen, was bei diagnostischen Untersuchungen mit einer erhöhten unerwünschten Strahlenbelastung einhergeht. Moleküle mit geringem Molekulargewicht (small molecules) haben biologische Halbwertszeiten von einigen Minuten bis Stunden, und werden aus Strahlenschutzsicht präferiert.

Deswegen wurden FAP spezifische small molecules untersucht. Dabei wurden Strukturen basierend auf den Inhibitor Talabostat verwendet und verfeinert (Abbildung 11). Talabostat besitzt eine hohe Affinität zu einigen Proteasen der FAP-Familie S9.²⁵⁸ Für die Entwicklung neuer Inhibitoren wurde prinzipiell eine Pyrrolidin-Glycin Leitstruktur verwendet, die die von FAP präferierte Sequenz Prolin-Glycin mimt. Dabei wurde an das Pyrrolidin eine Inhibitionsgruppe, beispielsweise Nitril- oder Borsäuregruppe gekoppelt. Diese inaktiviert die katalytische Triade. An das Glycin kann eine aromatische Gruppe angehängt werden, um die Affinität zu FAP zu erhöhen.^68,259,260 An dem Aromaten oder dem Glycin kann daraufhin das Radionuklid eingeführt werden. Vor Beginn dieser Arbeit existierten einige patentierte aber gering evaluierte Technetium-99m Pharmaka, sowie 1- (2-[¹²⁴I]Iodhippursäure)-Pyrrolidin-(2S)-carbonitril und [¹²⁵I]MIP-1232 (s. Abbildung 11).^261–264 1-(2- [¹²⁴I]Iodhippursäure)-Pyrrolidin-(2S)-carbonitril wurde im Myokardinfarkt untersucht. Dabei wurde der Tracer hauptsächlich in der OP-Narbe der Thorax Öffnung aufgenommen. Das Verhältnis der Aufnahme im Infarktbereich im Vergleich zum umliegenden Gewebe betrug 1,13. Zudem zeigte der Tracer eine hohe Aufnahme in der Leber, was in die Bildgebung aufgrund hoher Hintergrundaktivität stört.²⁶⁴ [¹²⁵I]MIP-1232 wurde in atherosklerotischen Plaques in vitro untersucht. Dabei konnte der Tracer im moderaten Maße zwischen den Plaques und normalen Arterien unterscheiden.²⁶³ Beide Tracer waren spezifisch, zeigten aber durch die geringe Aufnahme in den

Bereichen der aktivierten Fibroblasten keine überzeugende Eignung hinsichtlich der Bildgebung. Dabei werden beide Tracer mittels SPECT evaluiert – aufgrund der höheren Sensitivität und Quantifizierbarkeit ist PET zu bevorzugen.

Während der Entstehung dieser Arbeit wurden eine FAP spezifische Serie an Radiopharmaka namens FAPI mit Gallium-68, Yttrium-90 und Lutetium-177 markiert und intensiv in Patienten unter anderem mit metastasierenden Pankreastumoren, Ösophagus Karzinomen, Kolonkarzinomen, metastasierenden Brustkrebs, Lungenkarzinomen und Myokardinfarkt getestet. Dabei zeigten sich die Radiopharmaka sowohl als sehr gute Diagnostika, als auch als Therapeutika zur Tumorreduktion geeignet.^265–269

1.3.4 Resümee: Das Fibroblasten-Aktivierungs-Protein

Die Serinprotease Fibroblasten-Aktivierungs-Protein (FAP) ist ein geeigneter Biomarker für aktivierte Fibroblasten.

FAP wird nur bei Wundheilungs- und Remodellierungsprozessen in der extrazellulären Matrix exprimiert. Im gesunden Gewebe ist die Expression von FAP vernachlässigbar gering. Vor allem in fibrotischen Prozessen und im Tumorstroma kommt es dabei zu erhöhten FAP Expression. In einigen fibrotischen Erkrankungen korreliert der FAP Spiegel mit dem Schweregrad der Fibrose. Generell spielen Myofibroblasten eine wichtige Rolle im Orchestrieren der Antwort auf eine Verletzung des Gewebes und können entscheiden auf die Progression und den Ausgang der Krankheit einwirken. Insbesondere nach einem Myokardinfarkt differenziert der Fibroblasten zu verschiedenen Phänotypen und koordiniert dadurch die Ausbildung eines Narbengewebes, um die Funktion und strukturelle Integrität des Herzens zu erhalten. Das Expressionsmuster von FAP ist ideal für die nicht-invasive molekulare Bildgebung mittels PET. Deswegen wurden bereits einige Antikörper und small molecules basierte Radiotracer entwickelt. Insbesondere die small molecules zeigt zum Zeitpunkt des Beginnes dieser Arbeit jedoch noch nicht die gewünschten Eigenschaften einer schnellen, spezifischen und hohen Akkumulierung im fibrotischen Gewebe.

werden zum Teil von der Cytoplasmamembran des Prokaryotens übernommen. Im Cytoplasma befinden sich in einigen Bakterien kleine Speichereinheiten, die Granula genannt werden. Das Cytoplasma ist von einer doppellagigen Schicht von Phospholipiden- der Cytoplasmamembran umgeben. Darin eingebunden sind viele Membranproteine, die unter anderem als Transporter dienen. Darauf baut die Zellwand der Bakterien auf. Diese besteht aus vernetztem Peptidoglykan, welches auch Murein genannt wird. Der Aufbau der Zellwand kann zwischen gramnegativen und grampositiven Bakterien unterschieden werden (Abbildung 12).

Bei den gramnegativen Bakterien wie z.B. Escherischia coli (E.coli) ist die Mureinschicht dünn, sie ist über Lipoproteine an deine äußere Membran gebunden. Zwischen den beiden Membranen befindet sich ein periplasmatischer Raum, in dem zahlreiche Proteine vorhanden sind. Auf der äußeren Membran sitzen sogenannte Lipopolysaccharide (LPS). Darauf sitzt bei manchen Bakterien zusätzlich eine sogenannte S-Layer, eine Schicht aus Proteinen und Glykoproteinen, die von Poren durchzogen, ist.

Grampositive Bakterien wie z.B. Staphylococcus aureus (S.aureus) besitzen eine deutlich dickere Mureinschicht, dafür jedoch keine äußere Membran. Durch Ribitol-Phosphat-Einheiten und Glycerin-Phosphateinheiten, die als Teichonsäure zusammengefasst werden, erhält die Zellwand eine negative Ladung. Bei einigen Bakterien ist die Teichonsäure kovalent an Lipide der Membran gebunden, sie werden Lipoteichonsäuren genannt. Auch hierauf kann sich eine S-Layer befinden, oft sind darin weitere Proteine, die für die Verbreitung der Bakterien vorteilhaft sind wie das Protein M oder A, eingebettet.^284–286

1.4.2 Klinische Diagnose bakterieller Infektion

Krankenhausinfektionen, auch nosokomiale Infektionen genannt, führen zu einem verlängerten Krankenhausaufenthalt des Patienten und sind epidemiologisch mit wirtschaftlichen Kosten und einer verringerten Überlebensrate verbunden.²⁸⁷ Weiterhin liegt die Prävalenz für eine nosokomiale Infektion auf Intensivstationen in der EU bei 9 % (Stand 2016).^288,289 Die am häufigsten auftretenden Infektionen in Krankenhäusern, sind beatmungsassoziierte Pneumonien, Venen- und Blasenkatheter assoziierte Septitiden und postoperative Wundinfektionen. ^290–294 Eine frühe Diagnose der Infektion, eine gutes Krankenhaushygienemanagement und Präventivmaßnahmen können die Entstehung der Antibiotikaresistenz verhindern.^288,295

Um Verdachtsmomente einer Infektion zu bestätigen werden an Krankenhäusern mikrobiologische Tests von Körperflüssigkeiten oder Gewebeproben durchgeführt. Die Proben werden mindestens 4 Tage kultiviert und anschließend visuell oder mittels Massenspektrometrie ausgewertet.^296,297 Allerdings sind diese Verfahren zeitintensiv, was zu einer verspäteten Diagnose und damit Therapie führen kann. ^298,299 Auch erschwert die

Heterogenität der Gewebeprobe die Detektion der Krankheitserreger. Ein weiterer Nachteil ist, das inaktive und schwer kultivierbare Organismen nicht erkennt werden. ^300,301

In der Nuklearmedizin werden verschiedene Radiopharmaka zur Detektion von bakteriellen Infektionen eingesetzt. Diese Untersuchung bietet den Vorteil, dass sie im Vergleich zu dem mikrobiellen Test nicht-invasiv sind und innerhalb drei Stunden (inklusive Tracer Produktion) zu einer Diagnose und einer darauffolgenden Therapie führen. Einige in der Klinik verwendete Radiopharmaka sind [^99mTc]MDP, [¹¹¹In]Oxin und [^99mTc]HMPAO, [¹⁸F]FDG und [^68/67Ga] Citrat. Der SPECT Tracer [^99mTc]Methylen Diphosphorsäure ([^99mTc]MDP) wird zur Detektion von Osteomyelitis, einer infektiöse bedingten Entzündung des Knochenmarks, verwendet.³⁰² Die Aufnahme des Tracers ist jedoch auch bei Knochenverletzungen, Metastasen oder Tumoren aktiv. Dementsprechend dient [^99mTc]MDP nicht exklusiv der Detektion von bakterieller Infektion.³⁰³ Mittels [¹¹¹In]Oxin und [^99mTc]Hexamthylpropylenaminoxim ([^99mTc]HMPAO) können Leukozyten visualisiert werden, die im infizierten Bereichen akkumulieren. Jedoch wird in diversen Studien an der Spezifität und Sensitivität dieser Methode gezweifelt.^304–307 [¹⁸F] Fluordeoxyglukose ([¹⁸F]FDG) ist der am häufigsten eingesetzte Tracer in der Nuklearmedizin. Zellen mit aktivierter Glykolyse nehmen den Tracer auf. Auch aktivierte Leukozyten in inflammatorischen Prozessen nehmen den Tracer auf. Jedoch kann auch hier nicht zwischen Prozessen mit erhöhtem Glukosebedarf wie Inflammation, Infektion oder Tumoren unterschieden werden.^308–311 [^67/68Ga] Citrat reichert sich in hyperämischen und vaskularisierten Bereichen an und so auch in infiziertem Gewebe.³¹² Dementsprechend kann auch dieser Tracer nicht zwischen bakterieller Infektion oder steriler Inflammation unterscheiden.

Trotz dieser Vielzahl an Tracern kann keiner zwischen einer bakteriellen Infektion, einer sterilen Inflammation oder einer Tumorerkrankung entscheiden. Auch fehlen Tracer, die fähig sind multiresistente Keime zu detektieren.

Dies würde das Patientenmanagement entscheidend erleichtern und zu einer erhöhten Überlebensrate beitragen.

Somit ist die Entwicklung von bakterienspezifischen Radiopharmaka von großer Wichtigkeit.

Antibiotika

Antibiotika sind Moleküle mit geringem Molekulargewicht, die auf natürlichen Substraten bestehen und das Wachstum von Mikroorganismen oder deren Replikation hemmen können. Das Markieren von Antibiotika mit Technetium-99m ist zeitsparend und ohne großen Aufwand möglich, da Technetium-99m von den verschiedenen Heteroatomen des Antibiotikums koordiniert werden kann. Dementsprechend wurden Antibiotika aus allen Klassen mit Technetium-99m markiert.^315–323 Einer der ersten Technetium-99m markierten Antibiotika war Ciprofloxacin, auch Infecton genannt.³¹⁵ Infecton zeigte in einer klinischen Phase II Studie jedoch keine Differenzierung zwischen sterile Inflammation und bakterieller Infektion. Weiterhin zeigte der Tracer schlechte Bildgebungseigenschaften, da er innerhalb von einer Stunde aus dem infektiösen Bereich ausgewaschen wurde.^324–326 Auch Gallium-68 oder Fluor-18 markiertes Ciprofloxacin konnte in der Bildgebung nicht überzeugen, beziehungsweise wurden nicht weiterverfolgt.^327–330 Trimethoprim, ein DNA-Synthese Inhibitor, wurde neben Technetium-99m, mit Kohlenstoff-11 und Fluor-18 markiert. Das Kohlenstoff-11 und das Fluor-18 Derivat konnten zwischen steriler Inflammation und bakterielle Infektion von E.coli unterscheiden. Darüber hinaus konnte [¹⁸F]Fluortrimethoprim ([¹⁸F]FPTMP) S.aureus detektieren, nicht aber P.aeruginosa. Insgesamt ist es fraglich, ob markierte Antibiotika geeignete PET Tracer sind, da sie lange im Blut zirkulieren, was zu einer unerwünschten Strahlenbelastung führt und unspezifische Anreicherungen aufzeigen.

Oligosaccharide

Prominente markierte Zucker zur Detektion von bakterieller Infektion sind [¹⁸F]Fluor-Sorbitol ([¹⁸F]FDS), und auch Maltose basierende Radiopharmaka wie 6-[¹⁸F]Fluormaltose, [¹⁸F]Fluormaltohexaose ([¹⁸F]FMH), das [^99mTc]Maltohexaose Derivat [^99mTc]MB1143 und [⁶⁸Ga]DOTA-Maltohexaose ([⁶⁸Ga]DMALTO).

D-Sorbitol wird nur von der Familie der Enterobacteriaceae (z.B. E.coli oder K.pneumoniae) verstoffwechselt und der Radiotracer [¹⁸F]FDS kann leicht aus [¹⁸F]FDG hergestellt werden. ^331–334 Aktuell befindet sich der Tracer noch in der Entwicklungsphase, jedoch konnte er in präklinischen Studien E.coli und K.pneumoniae spezifisch gegenüber steriler Inflammation oder dem zu der Familie der Staphylokokken gehörendem S.aureus unterscheiden. Weiterhin zeigte der Tracer in gesunden Menschen ein schnelles Ausscheiden aus dem Körper und wenig unspezifische Hintergrundaktivität.^331–333

Der Maltodextrin Transport ist ein attraktives Target, da er in grampositiven sowie gramnegativen Bakterien, nicht aber in eukaryotischen Zellen präsent ist.^335–337 In den Bakterien wird Maltose als Energiequelle verwendet.

Darauf basierend wurden verschiedene radioaktiv markierte Maltose Derivate entwickelt.^338–344 Alle Tracer zeigten

hohe Sensitivität und Spezifität gegenüber E.coli. Jedoch wird die Bildgebung von Stärke reduzierenden Enzymen im Blut gestört, was zu einer unspezifischen Hintergrundaktivität führt.³³⁸

Antimikrobielle Peptide

Antimikrobielle Peptide (AMPs) können innerhalb kürzester Zeit viele Pathogene wie Bakterien, Pilze, Parasiten und Viren abtöten.³⁴⁵ Kationisch geladenen Peptide binden an die negativ geladenen Zellmembran verschiedener Bakterien.³⁴⁶ Deswegen wurden verschiedene AMPs radioaktiv markiert und ihr Potential als Tracer evaluiert.

Besonders ein Fragment von Ubiquicidin namens UBI29-41 wurde mit verschiedenen Nukliden wie Technetium-99m, Gallium-68 und Indium-111 markiert.^347–351 In präklinischen Studien konnten alle Tracer ihre Sensitivität und Spezifität zu verschiedenen Bakterien gegenüber der sterilen Inflammation beweisen. In klinischen Studien konnten diverse Infektionen durch [^99mTc]UBI29-42 nachgewiesen werden.^352–354 Ein Nachteil dieses Tracers ist jedoch, dass er auch in der Hefe Candida albicans akkumuliert und somit nicht durchgehend bakterienspezifisch ist.³⁵⁵

Eisenstoffwechsel

Abbildung 14. Vermutete Aufnahme von Siderophoren in gramnegativen Bakterien³⁵⁶. a| Die äußeren Membranrezeptoren werden mit den eisenhaltigen Siderophoren beladen (oben) oder tauschen das Eisen mit einem freien Siderophor aus (unten) b| Durch die Bindung des Siderophors wird die extrazelluläre Seite des Rezeptors durch Konformationsänderung geschlossen. Dadurch kann der Rezeptor mit einem TonB Komplex interagieren. c| Die Interaktion mit dem TonB Komplex führt zu weiteren Strukturänderungen des Rezeptors, was zur Einschleusung des Siderophors in den periplasmatischen Raum führt d| Im periplasmatischen Raum wird das Siderophor durch periplasmatische Bindungsproteine (PBPs) umgesetzt.

Die PBPs schleusen das Siderophor zu ATP-anhängigen Transportern, durch die das Siderophor das Cytoplasma erreicht. Wiederauflage mit Erlaubnis