Synthesis and Applications of Borylated Fragments as Chemical Tools for PET Imaging and Functional Recognition of Drug Delivery Systems

Abstract

El bor es un element químic amb un ampli rang d’aplicacions gràcies a les seves propietats electrònica i fisicoquímiques úniques. En síntesi orgànica, el bor es essencial per diverses transformacions bàsiques i avançades. En la industria farmacèutica, els fragments borilats son presents en diversos fàrmacs aprovats clínicament (p. ex. bortezomib), on el bor es una peça clau per la interacció amb la diana biològica (enzims o receptors). En investigació biomèdica i diagnosis, el bor es també un grup funcional valuós pel disseny d’aplicacions d’imatge avançades. De la mateixa manera, l’ús de compostos borilats en el context de nanomedicines està creixent notòriament, especialment en el desenvolupament de nous biomaterials amb propietats sensibles al pH o estímuls redox. En aquest context, la present tesi doctoral explora les aplicacions d’eines químiques basades en bor en el context de sistemes d’alliberació de fàrmacs o gens, ja sigui permetin l’obtenció d’informació farmacocinètica per tomografia d’emissió de protons (PET), o aprofitant l’habilitat de reconeixement bor-sucre.

En base a l’habilitat del fragment trifluoroborat metil amònic (AMBF3) per permetre reaccions d’intercanvi d’halògens, es va aconseguir el radiomarcatge amb 18F de dos vectors diferents. El primer sistema sintetitzat i radiomarcat varen ser les gàbies metàl·liques de tipus Pd2L4, un sistema supramolecular discret proposat recentment como a vector del fàrmac antineoplàstic cisplatí. Després de la incorporació del fragment AMBF3, les propietats amfitrió-hoste i la biodistribució es van avaluar. Anàlogament, el fragment AMBF3 va ser incorporat en un sistema d’administració de gens basat en nanopartícules de poli(β-aminoèsters) (PBAE) modificats amb oligopèptids. El nou polímer modificat amb [18F]-AMBF3 va ser sintetitzat i introduït en una formulació prometedora en l’àrea de vacunació. La formulació radiomarcada amb 18F ha demostrat compatibilitat completa amb la seva funcionalitat in vitro e in vivo, i la imatge per PET va proporcionar informació farmacocinètica rellevant per entendre el comportament del sistema in vivo.

Per un altre banda, es van fer sevir les propietats de reconeixement dels fragments borilats per desenvolupar dues innovadores aplicacions de polímers de tipus poli(β-aminoèsters). D’aquesta manera, el fragment àcid fluorofenilborònic (FPBA) va ser integrat en l’estructura i va permetre el disseny d’un sistema de administració de gens transdèrmic basat en microagulles. Aquest sistema empra la interacció FPBA-glucosamina per construir un recobriment d’àcids nucleics que permet l’alliberament de poliplexos in vitro basat en estímuls de pH. Addicionalment, el fragment àcid piridilborònic (PyBA) va ser conjugat a una sèrie de PBAEs per dotar-los amb capacitat de reconeixement davant àcid siàlic. Mediant el reconeixement de polisacàrids amb residus rics en àcid siàlic a la superfície de cèl·lules tumorals, una formulació de PBAEs modificats amb PyBA va demostrar afinitat selectiva davant poblacions de cèl·lules mares canceroses.

El boro es un elemento químico con un amplio rango de aplicaciones debido a sus propiedades electrónicas y fisicoquímicas únicas. En síntesis orgánica, el boro es esencial para diversas transformaciones básicas y avanzadas. En la industria farmacéutica, los fragmentos borilados están presentes en varios fármacos aprobados clínicamente (p. ej. bortezomib), donde el boro es una pieza clave para la interacción con su diana biológica (enzimas o receptores). En investigación biomédica y diagnosis, el boro es también un grupo funcional valioso para el diseño de aplicaciones de imagen avanzadas. Del mismo modo, el uso de compuestos borilados en el contexto de nanomedicinas está creciendo notoriamente, especialmente en el desarrollo de nuevos biomateriales con propiedades sensibles al pH o estímulos redox. En este contexto, la presente tesis doctoral explora las aplicaciones de herramientas químicas basadas en boro en el contexto de sistemas de liberación de fármacos o genes, ya sea permitiendo la obtención de información farmacocinética por tomografía de emisión de protones (PET), o empleando la habilidad de reconocimiento boro-azúcar.

En base a la habilidad del fragmento trifluoroborato metil amónico (AMBF3) de permitir reacciones de intercambio de halógenos, se logró el radiomarcaje con 18F de dos vectores diferentes. El primer sistema sintetizado y radiomarcado fueron las jaulas metálicas de tipo Pd2L4, un sistema supramolecular discreto propuesto recientemente como vector del fármaco antineoplásico cisplatino. Después de la incorporación del fragmento AMBF3, las propiedades anfitrión-huésped y su biodistribución fueron evaluadas. Análogamente, el fragmento AMBF3 fue incorporado en un sistema de administración de genes basado en nanopartículas de poli(β-aminoésteres) (PBAE) modificados con oligopéptidos. El nuevo polímero modificado con [18F]-AMBF3 fue sintetizado e introducido en una formulación prometedora en el área de vacunación. La formulación radiomarcada con 18F ha demostrado compatibilidad completa con su funcionalidad in vitro e in vivo, y su imagen por PET proporcionó información farmacocinética relevante para entender el comportamiento del sistema in vivo.

Por otro lado, se utilizaron las propiedades de reconocimiento de los fragmentos borilados para desarrollar dos innovadoras aplicaciones de polímeros de tipo poli(β-aminoésteres). De este modo, el fragmento ácido fluorofenilborónico (FPBA) fue integrado en su estructura y permitió el diseño de un sistema de administración de genes transdérmico basado en microagujas. Este sistema emplea la interacción FPBA-glucosamina para construir un recubrimiento de ácidos nucleicos que permite la liberación de poliplejos in vitro basado en estímulos de pH. Adicionalmente, el fragmento ácido piridilborónico (PyBA) fue conjugado a una serie de PBAEs para dotarlos con capacidad de reconocimiento hacia el ácido siálico. Mediante el reconocimiento de polisacáridos con residuos ricos en ácido siálico en la superficie de células tumorales, una formulación de PBAEs modificados con PyBA demostró afinidad selectiva hacia poblaciones de células madres cancerosas.

Boron is a versatile chemical element with a wide range of applications due to its unique electronic and physicochemical properties. In organic synthesis, boron is essential for many basic and advanced transformations, including cross-coupling reactions. It is also a highly versatile element that facilitates the access to many complex molecules. In the pharmaceutical industry, borylated fragments are present in several clinically approved drugs (e.g. bortezomib). In many of these drugs, the boron unit is a key feature for the interaction with the corresponding biological target (enzymes or receptors). Besides, in biomedical research and diagnosis, boron serves as an important functional group that facilitates advanced imaging applications. Additionally, the use of borylated compounds in the context of nanomedicine is clearly increasing, specifically in the development of new pH or redox stimulus-responsive biomaterials. In this context, the present PhD thesis explores the applications of boron-containing chemical tools in the context of drug or gene delivery, either facilitating the acquisition of relevant pharmacokinetic information of the studied systems by positron emission tomography (PET), or by exploiting the boron-sugar recognition abilities.

On the bases of the ability of the ammonium methyl trifluoroborate fragment (AMBF3) to undergo halogen-exchange reactions, the 18F-radiolabelling of two distinct delivery vectors has been achieved. The first system synthetized and radiolabelled was a Pd2L4 metallacage, a discrete supramolecular system recently proposed as delivery vector of the anticancer drug cisplatin. After the incorporation of the AMBF3 fragment, the host-guest properties of the cage were assessed, and its biodistribution was evaluated in mice for the first time. Similarly, the AMBF3 fragment was incorporated into a nanoparticular gene delivery system based on oligopeptide-modified poly(β-aminoesters) (PBAE). The newly [18F]-AMBF3-modified polymer was synthesized and introduced into a powerful formulation with excellent efficacy for vaccination purposes. The 18F-radiolabelled formulation has demonstrated full compatibility with its in vitro and in vivo functionality, and its 18F-PET imaging provided relevant pharmacokinetic information of the system’s in vivo behaviour.

The potent sugar recognition capabilities of borylated fragment were also employed to develop two innovative poly(β-aminoester) applications. Thus, the fluorophenyl boronic acid (FPBA) was integrated into the structure of a selected poly(β-aminoester). The resulting polymer allowed the design of an innovative microneedle patch-based smart transdermal gene delivery system. This system utilized glucosamine-FPBA interactions to build a nucleic acid coating that enables the delivery of polyplexes in vitro in a pH-responsive manner. Additionally, a pyridyl boronic acid (PyBA) moiety was conjugated to a series of PBAEs to dote them with sialic-acid selective recognition capabilities. By targeting the sialic acid-rich residues in glycan chains on cancer cell surfaces, the PyBA-modified PBAE formulation demonstrated selective affinity for cancer stem cell populations.