Development of PET probes for gama 8-dependent transmembrane AMPA receptor regulatory protein

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H03635
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 張 明栄 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, 部長 (80443076)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 胡 寛 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, 研究員 (00827678) ; 謝 琳 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, 主任研究員 (30623558) ; 河村 和紀 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, グループリーダー (50401766) ; 藤永 雅之 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, 主任研究員 (70623726) ; 山崎 友照 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, 主任研究員 (80627563)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 膜貫通AMPA受容体調節性タンパク質-γ8 / AMPA受容体 / PET / オートラジオグラフィ

Outline of Annual Research Achievements

AMPA受容体は中枢神経系に広く分布し、記憶や学習などに大きく関与する。AMPA受容体は本体サブユニットとその活性を制御する補助サブユニットからなる。現在臨床で使用されるAMPA型阻害剤は本体サブユニットに対して非競合的な拮抗作用を示すため、高い治療効果と同時に副作用も生じやすい。一方、補助サブユニット膜貫通AMPA受容体調節性タンハク質(TARP)は本体サブユニットと特異的に結合し、AMPA受容体発現量、シナプス局在、 チャネル活性を制御する。近年、TARPの機能解明や阻害剤開発の研究が活発になりつつある。特にそのアイソフォームの１つで、海馬に限定的に存在するTARP-γ8を選択的に結合する阻害剤は、海馬における興奮性亢進を抑えることにより、副作用を軽減しながら、運動障害及びうつ病に対する高い治療効果が期待される。しかし、TARP-γ8の機能が必ずしも明確でないなどの理由から、それらの阻害剤の臨床開発は遅れている。また、機能解明や治療薬開発の研究に役立つTARP-γ8を画像化できるPETプローブは開発されていない。本研究では、申請者らはTARP-γ8を標的とするヒト有用のPETプローブを開発することを目的とする。今年度申請者らは、前年度設計した化合物の化学合成を継続して行なった。合成した全ての化合物の中から、TARP-γ8に対して、中-高い活性と高い選択性を有する数種の新規誘導体を見出すことができた。また、これらの化合物に対し種々な標識技術を駆使して、11Cや18Fで標識を行い、自動合成装置にて11Cおよび18F標識PETプローブを合成した。さらに、これらのPETプローブを用い、マウスやラットに対するPETイメージングを行なった。同時に、解剖法による放射能分布試験、ラットオートラジオグラフィ、及び代謝物分析を行い、PETプローブとしての有用性を評価した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度、申請者は前年度設計した化合物の合成、標識及び評価を行い、動物での有用性が認められた新規PETプローブ [11C]YQZ-2を開発した。 [11C]YQZ-2はTARP-γ8のPETプローブ候補を開発する際のリード化合物になりえるだけでなく、自らも有望なTARP-γをイメージングできるPETプローブとして期待できることが明らかとなった。1. 化合物の化学合成: 前年度では、約20種の新規化合物を設計し、その内の候補化合物を12種合成した。今年度では、残りの8種の予定化合物を合成した。2. インビトロ活性: ラット脳ホモジネートを使用して、上記の新規化合物がTARP-γ8に対する阻害活性及び選択性を測定した。また、これらの脂溶性およびトランスポーター活性などを調べた上、4種のPETプローブの化合物候補(logD: 1.5-2.5; IC50: 20 nM以下)を選出した。3. 標識合成: サイクロトロンより製造される11Cおよび18Fを用い、[11C]ヨウ化メチル等の中間体を経由して、4種の11C/18F標識化合物を合成した。また、これらの製剤化を行う際に、抗酸化剤などを使用して、放射線分解策を講じた。4. 有用性評価: 1) 正常ラット脳の凍結切片を作製しバッファー中に入れ、[11C/18F]プローブとインキュベートを行った後に、脳切片上の放射能を測定し、脳のインビトロ ARG画像を得た。2) [11C/18F]プローブをマウスとラットに投与し、マウス全身臓器における放射能分布及びラット脳PET測定を行った。
その結果、新規PETプローブ候補として [11C]YQZ-2を見いだすことができた。[11C]YQZ-2 は前年度より開発した[11C]MPPOより良好な脳移行性を示した。また、ラット脳において、TARP-γ8が高発現する海馬などに一定水準の特異結合を示した。

Strategy for Future Research Activity

今まで開発できた[11C]MPPOやYQZ-2がin vivoにおいて、TARP-γのPETプローブとして使用できるどうか、また、定量できるどうかを判別したい。特に、体内動態が定量解析に向きかどうかを重視し判断を行う予定である。もし、これらがin vivoプローブとして問題がある場合、[11C]YQZ-2をリード化合物として、化学構造のさらなる最適化を行い、新規誘導体を設計、合成する。まず、これらの新規化合物がTARP-γ8に対する阻害活性及び他のサブタイプ(ユニット)への選択性を測定し、脂溶性、トランスポーター活性などを考慮しながら、良い体内動態を示すかつ定量できるプロファイルが期待できる数種の標識化合物候補を得る。これらの化合物に対して、[11C]CH3I、[18F]F-、[11C]CN-、[11C]COCl2、[18F]FEtBrなどを駆使して標識合成の可能性を探りながら、PETプローブ化を進めると同時に、必要に応じて標識法も確立することを目指す。次に、ラットin vitro ARG、屠殺法によるマウス放射能分布、ラットPET及びマウス代謝物分析などの手法により、各種PETプローブの特性を評価し、[11C]MPPOやYQZ-2より優れる性質を有するPETプローブ候補を探索する。また、ラット脳に対するPET測定を行い、プローブが脳内TARP-γ8との結合能を定量で測定し、各種の数式モデルで解析して、定量法を確立する。さらに、これらの実験と並行して、代謝物分析及び構造を推定し、候補設計にフィードバックする。以上のげっ歯類動物結果に基づき、サルを用いるPETイメージング実験も計画する。さらに、開発できたPETプローブが臨床first-in-human研究へ進む可能性を検討していきたい。と同時に、現在まで得られた研究成果を迅速にまとめ、論文を発表して行きたい。

Research Products

• [Journal Article] Upregulation of striatal metabotropic glutamate receptor subtype 1 (mGluR1) in rats with excessive glutamate release induced by N-acetylcysteine (2022)
  • Author(s): Yamasaki Tomoteru, Okada Maki, Hiraishi Atsuto, Mori Wakana, Zhang Yiding, Fujinaga Masayuki, Wakizaka Hidekatsu, Kurihara Yusuke, Nengaki Nobuki, Zhang Ming-Rong
  • Journal Title: Neurotoxicity Research Volume: 40 Pages: 26-35
  • DOI: 10.1007/s12640-021-00449-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Automated radiosynthesis of [11C]MTP38;a phosphodiesterase 7 imaging tracer; using [11C]hydrogen cyanide for clinical applications (2022)
  • Author(s): Kawamura Kazunori, Hashimoto Hiroki, Ohkubo Takayuki, Hanyu Masayuki, Ogawa Masanao, Nengaki Nobuki, Arashi Daisuke, Kurihara Yusuke, Fujishiro Tomoya, Togashi Takahiro, Sakai Toshiyuki, Muto Masatoshi, Takei Makoto, Ishii Hideki, Saijo Takeaki, Matsumura Takehiko, Obokata Naoyuki, Zhang Ming-Rong
  • Journal Title: Journal of Labelled Compounds and Radiopharmaceuticals Volume: 65 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1002/jlcr.3965
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Whole-body PET tracking of a D-dodecapeptide and its radiotheranostic potential for PD-L1 overexpressing tumors (2022)
  • Author(s): Hu Kuan, Wu Wenyu, Xie Lin, Geng Hao, Zhang Yiding, Hanyu Masayuki, Zhang Lulu, Liu Yinghuan, Nagatsu Kotaro, Suzuki Hisashi, Guo Jialin, Wu Yundong, Li Zigang, Wang Feng, Zhang Ming-Rong
  • Journal Title: Acta Pharmaceutica Sinica B Volume: 12 Pages: 1363-1376
  • DOI: 10.1016/j.apsb.2021.09.016
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neuroprotective effects of minocycline and KML29, a potent inhibitor of monoacylglycerol lipase, in an experimental stroke model: a small-animal positron emission tomography study (2021)
  • Author(s): Yamasaki Tomoteru, Hatori Akiko, Zhang Yiding, Kurihara Yusuke, Ogawa Masanao, Wakizaka Hidekatsu, Rong Jian, Wang Lu, Huan Liang, Zhang Ming-Rong
  • Journal Title: Theranostics Volume: 11 Pages: 9492 - 9502
  • DOI: 10.7150/thno.64320
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design, Synthesis, and Evaluation of 11C-Labeled 3-Acetylindole Derivatives as Novel Positron-Emission Tomography Imaging Agent for Diacylglycerol Kinase Gamma (DGKγ) in Brain (2021)
  • Author(s): Hattori Yasushi, Yamasaki Tomoteru, Ohashi Tomohiro, Miyanohana Yuhei, Kusumoto Tomokazu, Maeda Ryouta, Miyamoto Maki, Debori Yasuyuki, Hata Akito, Zhang Yiding, Wakizaka Hidekatsu, Wakabayashi Takeshi, Fujinaga Masayuki, Yamashita Ryo, Zhang Ming-Rong, Koike Tatsuki
  • Journal Title: Journal of Medicinal Chemistry Volume: 64 Pages: 11990 - 12002
  • DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c00584
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel Reversible-Binding PET Ligands for Imaging Monoacylglycerol Lipase Based on the Piperazinyl Azetidine Scaffold (2021)
  • Author(s): Rong Jian, Mori Wakana, Xia Xiaotian, Zhang Ming-Rong, Liang Steven
  • Journal Title: Journal of Medicinal Chemistry Volume: 64 Pages: 14283 - 14298
  • DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c00747
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Imaging the trace amine-associated receptor 1 by positron emission tomography (2021)
  • Author(s): Sun Jiyun, Chen Jiahui, Kumata Katsushi, Xiao Zhiwei, Rong Jiang, Haider Ahmed, Shao Tuo, Wang Lu, Xu Hao, Zhang Ming-Rong, Liang Steven
  • Journal Title: Tetrahedron Letters Volume: 70 Pages: 153007
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2021.153007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Automated radiosynthesis of two 18F-labeled tracers containing 3-fluoro-2-hydroxypropyl moiety, [18F]FMISO and [18F]PM-PBB3, via [18F]epifluorohydrin (2021)
  • Author(s): Ohkubo Takayuki, Kurihara Yusuke, Ogawa Masanao, Nengaki Nobuki, Fujinaga Masayuki, Mori Wakana, Kumata Katsushi, Hanyu Masayuki, Furutsuka Kenji, Hashimoto Hiroki, Kawamura Kazunori, Zhang Ming-Rong
  • Journal Title: EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry Volume: 6 Pages: 23
  • DOI: 10.1186/s41181-021-00138-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Off-tumor IDO1 target engagements determine the cancer-immune set point and predict the immunotherapeutic efficacy (2021)
  • Author(s): Xie Lin, Hu Kuan, Duo Yanhong, Shimokawa Takashi, Kumata Katsushi, Zhang Yiding, Jiang Cuiping, Zhang Lulu, Nengaki Nobuki, Wakizaka Hidekatsu, Cao Yihai, Zhang Ming-Rong
  • Journal Title: Journal for ImmunoTherapy of Cancer Volume: 9 Pages: e002616
  • DOI: 10.1136/jitc-2021-002616
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a highly-specific 18F-labeled irreversible positron emission tomography tracer for monoacylglycerol lipase mapping (2021)
  • Author(s): Chen Zhen, Wakana Mori, Rong Jian, Schafroth Michael A, Ogasawara Daisuke, Yamasaki Tomoteru, Hiraishi Atsuto, Hatori Akiko, Zhang Yiding, Hu Kuan, Fujinaga Masayuki, Cravatt Benjamin F., Josephson Lee, Zhang Ming-Rong, Liang Steven
  • Journal Title: Acta Pharmaceutica Sinica B Volume: 11 Pages: 1686 - 1695
  • DOI: 10.1016/j.apsb2021.01.021
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a novel PET tracer for imaging of γ-8 dependent transmembrane AMPA receptor regulatory protein (2021)
  • Author(s): Yu Qingzhen, Liang Steven, Zhang Ming-Rong
  • Organizer: eSRS, Society of Radiopharmaceutical Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis, Radiolabeling and Biological Evaluation of a Novel Trace Amine-Associated Receptor 1 (TAAR1) PET radioligand (2021)
  • Author(s): Haider Ahmed, Sun Jiyun, Chen Jiahui, Rong Jian, Shao Tuo, Wang Lu, Xu Hao, Zhang Ming-Rong, Liang Steven
  • Organizer: eSRS, Society of Radiopharmaceutical Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 認知症PETプローブ開発と応用 (2021)
  • Author(s): Zhang Ming-Rong
  • Organizer: 17th Nuclear Medicine Academic Conference of Jiangsu Medical Association
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development and Production of Radiopharmaceuticals in National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (QST) (2021)
  • Author(s): Zhang Ming-Rong
  • Organizer: PETセミナー in Yale University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Radiolabeling agents for development of novel PET tracers for neuroimaging (2021)
  • Author(s): Zhang Ming-Rong
  • Organizer: The 7th PET/CT-MRI Multimodal Molecular Imaging Summit Forum, The 3rd International symposium on PET Ligand Developmen
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] PETプローブの開発と臨床応用 (2021)
  • Author(s): 張 明栄
  • Organizer: 順天堂大学大学院医学研究科循環器内科 循環器セミナー
  • Invited
• [Presentation] Whole-body PET Tracking of a D-dodecapeptide and its Radiotheranostic Potential for PD-L1 overexpressed tumors (2021)
  • Author(s): Hu Kuan, Xie Lin, Zhang Yiding, Hanyu Masayuki, Zhang Ming-Rong
  • Organizer: SNMMI2021, Society of Nuclear Medicine and Molecular Imaging
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design, Synthesis, and Evaluation of 11C-Labeled 3-Acetyl-indole Derivatives as Novel Positron-Emission Tomography Imaging Agent for Diacylglycerol Kinase Gamma (DGKγ) in Brain (2021)
  • Author(s): Hattori Yasushi, Tomoteru Yamasaki, Ohashi Tomohiro, Miyanohana Yuhei, Kusumoto Tomokazu, Maeda Ryouta, Miyamoto Maki, Debori Yasuyuki, Hata Akiko, Zhang Yiding, Wakizaka Hidekatsu, Wakabayashi Takeshi, Fujinaga Masayuki, Yamashita Ryo, Zhang Ming-Rong, Koike Tatsuki
  • Organizer: AIMECS 2021, Asian Federation for Medicinal Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PET imaging of PD-L1 overexpressing tumors with a 68Ga labeled D-dodecapeptide (2021)
  • Author(s): Hu Kuan, Xie Lin, Hanyu Masayuki, Zhang Yiding, Zhang Ming-Rong
  • Organizer: eSRS, Society of Radiopharmaceutical Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imaging urokinase plasminogen activator with a cyclic peptide-based PET tracer (2021)
  • Author(s): Hu Kuan, Xie Lin, Zhang Yiding, Hanyu Masayuki, Zhang Ming-Rong
  • Organizer: 第61回日本核医学会学術総会, 日本核医学会