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A molecular imaging approach to cystic fibrosis

Author(s): Ferreira, Vera Filipa Cerqueira

Date: 2013

Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/9438

Origin: Repositório da Universidade de Lisboa

Subject(s): Fibrose quística; Imagiologia molecular; Tecnécio; Anticorpos anti-CFTR; Inibidores da CFTR; Teses de mestrado - 2013


Description

A Fibrose Quística (FQ) é a doença autossómica recessiva letal mais comum na população caucasiana. É caracterizada por um mau funcionamento ao nível pulmonar, pancreático, gastrointestinal e reprodutivo, embora a principal causa de morbilidade e mortalidade se deva à progressiva disfunção pulmonar. A elevada concentração de electrólitos no suor constitui também uma das principais características da doença, sendo o teste do suor utilizado no seu diagnóstico. A FQ é causada por mutações no gene CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) que codifica uma proteína, também denominada CFTR, expressa na membrana apical de células epiteliais. Esta proteína funciona maioritariamente como um canal de iões cloreto activado por AMP cíclico. Até à data, 1939 mutações no gene CFTR foram identificadas, embora para a maioria não exista uma evidência directa de que sejam causadoras de doença. As mutações causadoras de doença podem provocar uma redução dos níveis de CFTR na membrana plasmática (por redução da sua síntese ou por defeito no seu tráfego intracelular) ou a perda de capacidade de abertura do canal (gating)/conductância de aniões, mas ambas as situações resultam na perda do transporte de iões cloreto mediado pela CFTR. A mutação causadora de doença mais comum consiste na delecção de um resíduo de fenilalanina na posição 508 (F508del), estando presente em cerca de 90% dos pacientes. Embora a identificação do gene CFTR tenha contribuído para um melhor conhecimento da doença e para o seu diagnóstico, o tratamento de pacientes com FQ ainda é maioritariamente baseado na atenuação dos sintomas inerentes à doença. Nos últimos anos, novas potenciais terapias baseadas em fármacos (moduladores) que corrigem os defeitos de tráfego e função da CFTR têm emergido. Os moduladores podem ser correctores, que corrigem o defeito de tráfego da CFTR, aumentando assim a quantidade de proteína expressa na membrana plasmática, ou potenciadores, que corrigem o defeito no gating do canal, estimulando a sua actividade. Vários correctores e potenciadores da CFTR têm sido identificados e recentemente um potenciador (ivacaftor) foi aprovado para uso clínico nos EUA. Adicionalmente, uma terapia combinada usando um corrector (lumacaftor) e um potenciador (ivacaftor) encontra-se em fase III de ensaios clínicos para pacientes homozigóticos para a mutação F508del. Contudo, a eficácia da correcção farmacológica do defeito de tráfego da CFTR mutante é actualmente avaliada em relação a alterações na concentração de iões cloreto no suor, diferença de potencial nasal ou função respiratória, não existindo qualquer método capaz de detectar a presença da CFTR na membrana plasmática em organismos vivos, após tratamento com correctores. Assim, o desenvolvimento de um método não-invasivo capaz de detectar a presença da CFTR na membrana plasmática seria bastante vantajoso na medida em que permitiria a avaliação da eficácia de terapias usando correctores, mas também a avaliação de quais os pacientes indicados para receber uma terapia baseada em potenciadores. A Imagiologia Molecular poderá ser a ferramenta necessária para colmatar a falta de um método capaz de detectar a CFTR na membrana plasmática. Esta é definida como a visualização, caracterização e quantificação in vivo de processos bioquímicos ou biológicos a nível molecular, permitindo a visualização não-invasiva de uma molécula alvo in vivo devido à sua interacção com uma sonda de imagiologia molecular. Assim, o trabalho apresentado nesta tese teve como principal objectivo o desenvolvimento de sondas radioactivas não-invasivas capazes de detectar a expressão da CFTR normal e da CFTR F508del corrigida, na membrana plasmática de células epiteliais pulmonares humanas. Estas sondas radioactivas foram baseadas em dois anticorpos anti-CFTR específicos para uma zona extracelular da CFTR, ECL1 e MA1-935, e em duas pequenas moléculas orgânicas conhecidas por inibir a função da CFTR, CFTRinh-172a e GPinh-5a. O isótopo 99mTc foi o escolhido para a marcação das biomoléculas devido às suas excelentes propriedades físicas e ao seu baixo custo e fácil obtenção. No geral, o trabalho foi dividido em duas grandes partes: marcação radioactiva de anticorpos anti-CFTR e marcação radioactiva de inibidores da CFTR. Relativamente aos anticorpos anti-CFTR, inicialmente caracterizaram-se as soluções contendo os anticorpos por SDS-PAGE, tendo-se concluído que ambas as soluções de anticorpo necessitavam de uma purificação prévia antes da marcação radioactiva. Após a eficiente purificação do anticorpo ECL1 através de um sistema de purificação adequado para IgGs e, devido a várias questões metodológicas, o trabalho prosseguiu apenas com o estudo do anticorpo ECL1 como sonda radioactiva para a detecção da CFTR. De seguida, procedeu-se à marcação do anticorpo ECL1 pelo método directo com 99mTc(I) através de grupos sulfidril presentes no anticorpo após redução. O anticorpo ECL1 reagiu com o precursor fac‐[99mTc(H2O)3(CO)3]+, tendo sido testadas várias proporções relativas entre ambos. Contudo, o rendimento máximo obtido, de entre várias marcações, foi de apenas 11% após 4 horas de incubação. Tendo em conta o insucesso na marcação do anticorpo ECL1 com 99mTc(I), uma estratégia alternativa foi adoptada: a marcação radioactiva também pelo método directo com 99mTc(IV), através do uso de um ligando competidor, o MDP, como agente transquelante. Para tal, inicialmente optimizaram-se as condições de marcação com 99mTc(IV) utilizando o anticorpo IOR-CEA1, uma imunoglobulina G, tal como o anticorpo ECL1. Observou-se que quanto mais elevada era a concentração de IOR-CEA1, mais elevado o rendimento de marcação, obtendo-se um rendimento máximo de 72% para a concentração de IOR-CEA1 mais elevada (0.33 mg/mL). Assim, concluiu-se que o rendimento de marcação era dependente da concentração de anticorpo utilizada. De seguida, o anticorpo ECL1 foi marcado com 99mTc(IV), reproduzindo-se as condições de marcação do anticorpo IOR-CEA1 em que se obteve o rendimento de marcação mais elevado. Contudo, e ao contrário da marcação com 99mTc(I) em que se atingiu um rendimento de marcação de 11%, não foi observado qualquer anticorpo ECL1 marcado. A segunda parte do trabalho consistiu na marcação radioactiva dos inibidores da CFTR, CFTRinh-172a e GPinh-5a, com a unidade fac-[99mTc(CO)3]+, através do método indirecto, utilizando a estratégia do ligando bifuncional. Para tal, sintetizou-se o ligando bifuncional L1, contendo uma unidade quelante pirazolo-diamina, um espaçador propilénico e um grupo funcional -NH2 para posterior conjugação aos inibidores. De seguida, conjugou-se o inibidor CFTRinh-172a, contendo um grupo funcional -COOH, ao ligando L1, resultando no bioconjugado final B1. Este reagiu com os precursores do tipo fac-[M(H2O)3(CO)3]+ (M = Re/99mTc), de modo a obter complexos do tipo fac-[M(CO)3(κ3-B1)]+ (M = Re/99mTc; Re1/ Tc1). O complexo Re1 foi obtido com rendimento moderado (55%) e a coordenação tridentada da unidade quelante pirazolo-diamina ao metal confirmada por espectroscopia de ressonância magnética nuclear através do carácter diastereotópico apresentado pelos protões pertencentes a essa unidade quelante. Contudo não foi possível obter o complexo Tc1, e tal foi confirmado através da comparação do perfil cromatográfico do complexo Re1 com o produto obtido da marcação de B1. Tendo em conta que uma das causas para a falha na marcação poderia ser a degradação do bioconjugado B1, mais concretamente, a unidade correspondente ao inibidor CFTRinh-172a, devido à elevada temperatura de marcação (100 °C), a estabilidade do inibidor CFTRinh-172a a 100 °C foi avaliada. Foi possível concluir que a degradação do inibidor tende a aumentar com o aumento do tempo de incubação a 100 °C. Paralelamente, o inibidor GPinh-5a, contendo também um grupo funcional -COOH, foi conjugado ao ligando L1. Contudo, após várias tentativas de purificação, não foi possível a obtenção do bioconjugado final B2 com elevada pureza. Consequentemente, não foi possível a síntese dos complexos do tipo fac-[M(CO)3(κ3-B2)]+ , tal como aconteceu para B1. Em suma, o principal objectivo do trabalho, isto é, o desenvolvimento de sondas marcadas radioactivamente, baseadas em anticorpos anti-CFTR e em inibidores da CFTR, para detecção da expressão da CFTR, não foi totalmente atingido. Relativamente à primeira parte do trabalho, embora a marcação do anticorpo ECL1 com 99mTc(I) e 99mTc(IV) não tenha sido bem sucedida, todos os resultados contribuíram para a optimização da marcação do anticorpo e serão bastante úteis em estudos futuros. Embora a marcação radioactiva de ambos os inibidores com 99mTc(I) também não tenha sido atingida, vários objectivos intercalares foram atingidos, como a síntese e caracterização do ligando bifuncional L1, dos bioconjugados B1 e B2-Boc e do complexo de rénio Re1.

Cystic Fibrosis is caused by mutations in the CFTR gene, which encodes the CFTR protein, a chloride channel expressed in the apical membrane of epithelial cells. Therapies based in drugs that correct the trafficking (correctors) or the gating (potentiatiors) defects of CFTR are emerging. However, there is no available methodology to detect the expression of normal and rescued CFTR at the membrane in living organisms, after treatment with correctors. Molecular Imaging can be the solution, since it allows the noninvasive visualization of a target molecule in vivo by virtue of its interaction with a molecular imaging probe. The major goal of this thesis was the development of radiolabelled imaging probes for the detection of normal and rescued F508del-CFTR at the PM of human epithelial pulmonary cells. These probes were based on two anti-CFTR antibodies (ECL1 and MA1-935) and two CFTR inhibitors (CFTRinh-172a and GPinh-5a) and the 99mTc radioisotope was the chosen radionuclide. In the first part of the work, ECL1 antibody was purified and radiolabelled by the direct method, either with 99mTc(I) or 99mTc(IV). In the radiolabelling with 99mTc(I), the highest radiolabelling yield obtained was 11%. Optimization of the radiolabelling with 99mTc(IV) was performed with the antibody IOR-CEA1, and the conditions presenting the highest radiolabelling yield reproduced for the ECL1 antibody. However, no radiolabelled ECL1 could be obtained. In the second part, the bifunctional chelator L1 was synthesized in order to radiolabel the CFTR inhibitors with 99mTc(I) using the bifunctional chelator approach. The inhibitors CFTRinh-172a and GPinh-5a were successfully conjugated to L1, yielding, respectively, the bioconjugates B1 and B2-Boc. The final bioconjugate B1 reacted with the fac-[M(H2O)3(CO)3]+ (M = Re/99mTc) precursors, to give the complexes of the type fac-[M(CO)3(κ3-B1)]+ (M = Re/99mTc; Re1/ Tc1), but only Re1 was obtained.

Tese de mestrado em Bioquímica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013

Document Type Master thesis
Language English
Advisor(s) Mendes, Filipa; Farinha, Carlos, 1973-
Contributor(s) Ferreira, Vera Filipa Cerqueira
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