Biodistribution and Pharmacokinetics of Variously Sized Molecular Radiolabelled Polyethyleneiminomethyl Phosphonic Acid as a Selective Bone Seeker for Therapy in the Normal Primate Model

Summary

An ideal radiopharmaceutical for the treatment of neoplastic and inflammatory (benign) bone disease would be a radiolabelled compound that predominantly accumulates in bone lesions with limited access to normal bone and other organs. Neoplastic tissue’s abnormal blood supply (increased permeability) and lack of lymphatics will selectively ac cumulate radiolabelled macromolecules. This enhanced permeability and reten tion effect forms the basis of this study, using various molecular sizes of the radiolabelled macromolecule polyethyl eneiminomethyl phosphonic acid (PEI MP) for increased selectivity of the bone seeking radiopharmaceutical. PEI MP was synthesized by condensation of poly ethyleneimine, phosphonic acid and formaldehyde, followed by fractionation into different molecular sizes by mem brane ultrafiltration. Labelling efficiency to ^99mTc (as radiotracer) was ≈ 99 % with complexes stable for 24 h. The pharmaco kinetics and biodistribution of various ^99mTc PEI MP fractions were investigated using 4 experimental baboons (Papio ur sinus) per fraction. Scintigraphy was performed on the baboons under general an aesthesia of pentobarbital i.v. After an i.v. bolus of ^99mTc-PEI-MP (≈ 185 MBq) both dynamic studies (30 × 1 min frames), and static studies (2 min acquisition every hour for 4 h) were done, as well as blood samples and urine collected. From the re sults macromolecules with sizes ranging between 30–300 kDa were characterized by excessive liver (21 %-57 % retained ac tivity) and kidney (40 % retained activity) uptake and accompanying long residing times (t_1/2 up to 24 h). The percentage bone uptake averaged at 8 % for these particles excluding sizes 100–300 kDa where very little bone uptake was seen (< 1 %). In this case the blood clearance was also slow (t_1/2 ≈ 2 h). The fraction size 10–30 kDa had comparatively low ac cumulation and short residence times in the liver and kidneys (resp. 20 %, t_1/2 = 22 ± 4 min; 17.5 %, t_1/2 = 20 ± 3 min) and although the bone uptake of 18 % in this case was high, it is still low for a bone seeking agent. These particles cleared the blood with t_1/2 = 25 ± 2 min and seemed suitable for labelling with a therapeutic radioisotopic agent.

Zusammenfassung

Verteilung und Pharmakokinetik von radioaktiv markierter Polyethylenimino-methylphosphonsäure unterschiedlicher Molekülgröße als selektiver Knochensucher im normalen Primatenmodell

Ein ideales Radiopharmazeutikum für die Behandlung von neoplastischen und entzündlichen (benignen) Knochenkrankheiten stellt eine radioaktiv markierte Verbindung dar, die sich vorwiegend an Knochenläsionen anreichert und zu normalen Knochen und anderen Organen einen möglichst begrenzten Zugang hat. Die anomale Blutversorgung infolge steigender Gefäßpermeabilität sowie das Fehlen lymphatischer Gefäße in neoplastischem Gewebe können eine selektive Akkumulation radioaktiv markierter Makromoleküle bewirken. Diese erhöhte Permeabilität und der Retentionseffekt bilden die Basis für die vorliegende Arbeit, die verschiedene Molekülgrößen des radioaktiv markierten Makromoleküls Polyethyleniminomethylphosphonsäure (PEI-MP) für zunehmende Selektivität des knochensuchenden Radiopharmazeu-tikums benutzt. PEI-MP wurde durch Kondensation von Polyethylenimino-phosphonsäure mit Formaldehyd synthetisiert. Die Fraktionierung in verschiedene Molekülgrößen erfolgte mittels Membranultrafiltration. Die Markierungseffizienz des Komplexes mit ^99mTc als Radiotracer betrug ca. 99 % bei 24stündiger Stabilität. Die Pharmakoki-netik und die Bioverteilung von verschiedenen ^99mTc-PEI-MP-Fraktionen wurde an 4 Pavianen (Papio ursinus) pro Fraktion untersucht. Szintigraphische Messungen wurden an den Versuchstieren unter allgemeiner Anästhesie mit Pento-barbital durchgeführt. Nach einem i.v. Bolus von ca. 185 MBq ^99mTc-PEI-MP erfolgten dynamische (30 × 1 min Bilder) und statische Untersuchungen (Akquisi-tion: 2 min Dauer für 4 h). Zusätzlich wurden Blutproben genommen und Urin gesammelt. Die Resultate zeigten, daß Makromoleküle, deren Größe zwischen 30 und 300 kDa lag, durch exzessive Aufnahme in Leber und Nieren (verbleibende Radioaktivität: 21–57 % bzw. 40 %) sowie bei gleichzeitig langer Verweildauer (t_1/2 bis zu 24 h) charakterisiert waren. Die durchschnittliche prozentuale Aufnahme in die Knochen betrug 8 % für diese Makromoleküle, ausschließlich solcher, deren Größe 100–300 kDa betrug und die eine sehr kleine (< 1 %) Knochenaufnahme zeigten. In diesem Falle war die Blut-Clearance auch langsam (t_1/2 = 2 h). Die 10–30 kDa-Fraktion zeigte eine relativ niedrige Akkumulation und Verweildauer sowohl in Leber (20 %, t_1/2 = 22 ± 4 min) als auch in den Nieren (17.5 %, t_{1/ 2} = 20 ± 3 min). Obwohl die Knochenaufnahme dieser Fraktion mit 18 % hoch erschien, war sie für einen Knochensucher relativ niedrig. Ihre Blut-Clearance betrug 25 ± 2 min und schien daher für eine Markierung mit einem therapeutischen Radioisotop geeignet zu sein.

Key words

Bone disease, inflammatory, neoplastic - Polyethyleneiminomethyl phosphonic acid, biodistribution, macromolecules, pharmacokinetics - Radionuclide therapy - Technetium ligands