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Radiopharmaka

Strahlende Arzneimittel

Radioaktive Arzneistoffe haben Diagnostik und Therapie vieler Erkrankungen revolutioniert: Besonders die vergangenen Jahre brachten rasante Fortschritte, vor allem in der Behandlung verschiedener Tumoren.
Hannelore Gießen
16.06.2019
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Dabei sind die Kenntnisse über Radioaktivität noch jung: 1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen die später nach ihm benannten Strahlen, die zum ersten Mal einen Einblick in den lebenden Körper ermöglichten. Inspiriert von Röntgens Entdeckung experimentieren kurz darauf Henri Antoine Becquerel, Marie Curie und Ernest Rutherford mit radioaktiven Substanzen.

Die faszinierenden Erkenntnisse lösten auch in der Medizin einen Hype aus. Erste radioaktive Präparate wurden in der Behandlung von Tumorerkrankungen ebenso erprobt wie gegen Infektions-, Haut- und neurologische Erkrankungen.

Die enorme Gefahr, die von einem unkritischen Einsatz von Radioaktivität ausgeht, wurde erst allmählich erkannt und die Experimente zunehmend unter kontrollierten Bedingungen vorgenommen. In den 1920er-Jahren nutzte der Chemiker George de Hevesy radioaktive Strahlen, um biologischen Vorgängen auf die Spur zu kommen. Er legte damit die Grundlage für die nuklearmedizinische Diagnostik, ein Meilenstein in der Medizin, der 1943 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde (1).

Eine kurze Definition: Radiopharmaka sind radioaktiv markierte Arzneimittel, die zur Diagnostik oder Therapie von Krankheiten eingesetzt werden. Die Gruppe umfasst Radiotracer und Radiotherapeutika, die dem Patienten meist intravenös verabreicht werden und dann für eine kurze Zeit im Körper Strahlung abgeben, die mit einem bildgebenden Verfahren wie SPECT oder PET außerhalb des Körpers dreidimensional messbar sind (Kasten).

Radiopharmaka in der Diagnostik

Heute liegt der Schwerpunkt nuklearmedizinischer Untersuchungen in der Onkologie. Der erste und oft entscheidende Schritt zur Behandlung einer Krebserkrankung besteht darin, sich ein möglichst genaues Bild vom Tumor zu machen. Mit kaum einer anderen Technik kann das Tumorstadium auf molekularer Ebene besser eingeschätzt werden als mit einer radioaktiv gestützten Spurensuche.

»Radiopharmaka haben die Diagnostik mithilfe bildgebender Verfahren, vor allem der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) revolutioniert«, betont Professor emeritus Dr. Hans-Jürgen Machulla im Gespräch mit der Pharmazeutischen Zeitung. Bei dieser Methode würden dem Patienten radioaktive Substanzen als Sonden injiziert, die nur in minimalen Mengen in nano- bis picomolaren Konzentrationen vorliegen, erläuterte der langjährige Leiter der Radiopharmazie der Universität Tübingen. Diese Radiopharmaka werden daher auch als Radiotracer bezeichnet (englisch: trace = Spur). Durch ihre sehr geringe Masse beeinflussen sie den Stoffwechsel nicht und liefern so ein aussagekräftiges Bild metabolischer Veränderungen (2).

Tracer spielen in verschiedenen nuklearmedizinischen Verfahren eine Rolle, beispielsweise bei der schon lange etablierten Szintigrafie, bei der die emittierten Gammastrahlen mit einer Gammakamera sichtbar gemacht werden. Bei SPECT- und PET-Untersuchungen helfen Tracer, den Stoffwechsel in verschiedenen Organen dreidimensional sichtbar zu machen. SPECT steht für Einzelphotonen-Emissions-Computertomografie (Single-Photon-Emissions-Computertomografie).

Die in der Onkologie eingesetzten Tracer reichern sich besonders in malignem Gewebe an, zerfallen nach einiger Zeit und senden dabei eine charakteristische Strahlung aus, die von außen mithilfe von Detektoren meist mittels PET gemessen wird. So können Lage und Größe eines Tumors erkannt werden. Entscheidend für die diagnostische Aussagekraft sind die radioaktiven Tracer, deren biologische Eigenschaften die physikalisch gemessenen Impulse dem zu untersuchenden Stoffwechsel zuordnen (3).

»Die bei der PET-Bildgebung eingesetzten Radiopharmaka bestehen jeweils aus einem Trägermolekül und einem Radionuklid«, berichtet Machulla. Als Trägermoleküle fungieren entweder natürlich vorkommende Stoffe wie Aminosäuren oder Nucleoside oder synthetische Liganden von Antigenen oder Rezeptoren. In den natürlichen Trägermolekülen werden funktionelle Gruppen oder natürliche Isotope durch meist kurzlebige Radionuklide ersetzt, zum Beispiel Wasserstoffatome oder Hydroxylgruppen durch [18F]Fluor, [127I]Iod durch [127I]Iod oder [131I]Iod sowie [12C]Kohlenstoff durch [11C]Kohlenstoff (4).

Prinzipiell gibt es zwei Wege, um pathologischen Veränderungen mithilfe von PET auf die Spur zu kommen. Entweder wird das Radionuklid anstelle eines natürlichen Substrats eingebaut, wird aber nicht vollständig metabolisiert, sodass es akkumuliert. Im anderen Fall reichert sich die radioaktive Substanz sehr schnell an und lässt so Veränderungen sichtbar werden – ein Vorgang, der als »trapping« bezeichnet wird (5).

Fluorierte Glucose: blockierter Stoffwechsel

Um nach einem Tumor im PET zu fahnden, wird der erhöhte Glucosestoffwechsel in malignem Gewebe ausgenutzt. Vor den Messungen wird dem Patienten eine Lösung eines radioaktiven Glucosederivats als Tracer injiziert.

Dabei wurde die OH-Gruppe am C-2 der Glucose durch [18F]Fluor ersetzt. Die so entstandene 2-[18F]Fluor-2-desoxy-D-glucose (FDG) wird wie Glucose in die Zelle transportiert und vom Enzym Hexokinase zum FDG-6-Phosphat umgesetzt, das jedoch im Gegensatz zu Glucose-6-phosphat nicht weiter verstoffwechselt wird. Es kann die Zelle auch nicht verlassen, sodass es akkumuliert – in Tumorzellen viel stärker als in gesunden Zellen. Der PET-Tracer [18F]FDG ist so erfolgreich, dass er im Jahr 2000 als Millennium-Substanz bezeichnet wurde.

Aminosäuren- und Nucleosidanaloga: FET und FLT

Wegen des hohen Glucosebedarfs sind Tumoren im PET meist sehr gut zu erkennen, nicht jedoch im Gehirn, da das Hirngewebe selbst einen hohen Glucosestoffwechsel aufweist und [18F]FDG sich auch in gesunden Zellen anreichert. Bei Hirntumoren kommt beispielsweise das Aminosäureanalogon [18F]Fluorethyltyrosin ([18F]FET) zum Einsatz. Statt des Glucosestoffwechsels wird hier also der Aminosäurestoffwechsel als Basis der Proteinsynthesen im Gewebe ermittelt.

Ein in der Onkologie häufig eingesetzter Radiotracer ist das 3‘-Desoxy-3‘-[18F]Fluorthymidin ([18F]FLT). Dabei macht man sich zunutze, dass schnell wachsende Zellen im Gegensatz zu ruhenden stark proliferieren und dabei viel DNA herstellen. Das Funktionsprinzip ist ähnlich wie bei FDG: Das Nucleosidanalogon [18F]FLT kommt in die Zelle und wird durch das Enzym Thymidinkinase-1 phosphoryliert. Damit ist der Stoffwechsel an dieser Stelle blockiert. Die erhöhte Aktivität der Kinase zeigt im PET anhand des angereicherten Stoffwechselprodukts, wo malignes Gewebe liegt (6).

Radioaktives Fluorid: in die Falle gegangen

Bei vielen Tumoren treten Knochenmetastasen auf, beispielsweise beim fortgeschrittenen Prostatakarzinom. Ihnen kommt man mit [18F]Fluorid auf die Spur, einem der ältesten nuklearmedizinischen Tracer, der sehr schnell im Knochen akkumuliert.

Die Fluorid-Ionen wandern schnell per Diffusion in den Extrazellularraum der Knochen, wo sie in einer Austauschreaktion mit einer Hydroxyl-Gruppe des Hydroxylapatits (früher meist Calciumapatit genannt) als Fluorapatit in die Knochenmineralien eingebaut werden. Diese Reaktion korreliert mit der Knochenneubildung und kann mit PET-Bildgebung dargestellt werden.

Neben dem Nachweis von Knochenmetastasen bei Prostatakrebs wird das Verfahren häufig bei neuroendokrinen Tumoren angewandt, die nur langsam wachsen. Die dort auftretenden Knochenmetastasen bestehen nur aus osteoblastischen Zellen wie das umgebende Knochengewebe. Bei einer Röntgenaufnahme fallen sie daher nicht auf. Sie sind nur mit einem Radiotracer detektierbar.

Technetium-99m

Für die Diagnose verschiedener Erkrankungen spielt [99mTc]Technetium eine wichtige Rolle. Das Radionuklid verbindet sich leicht mit vier Sauerstoff-Atomen und bildet ein Pertechnetat-Ion [99mTc]TcO4, das der Organismus mit einem Iodid-Ion verwechselt, da es ähnlich groß ist und die gleiche elektrische Ladung aufweist. Diese Verbindung reichert sich vor allem in der Schilddrüse an. Befindet sich dort ein Tumor mit schnell wachsendem Gewebe, sammelt sich in ihm besonders viel Pertechnetat an.

Das Technetium-Isotop wird auch in eine Reihe anderer Verbindungen eingebaut, die sich in verschiedenen Gewebetypen anreichern und so zum Beispiel eine nach einem Schlaganfall veränderte Durchblutung im Gehirn oder nach einem Infarkt im Herzen sichtbar machen.

99mTc emittiert Gammastrahlung, energiereiche Photonen, die über szintigrafische Messverfahren abgebildet werden. Da diese Strahlung in einem für die Messung günstigen Energiebereich liegt, wird für die Untersuchung nur eine geringe Dosis benötigt. Außerdem ist die Halbwertszeit mit sechs Stunden relativ kurz und der Patient bei der Untersuchung wenig belastet. 99mTc-haltige Pharmaka werden beispielsweise bei der sehr häufigen Schilddrüsenszintigrafie angewandt. Doch auch Gehirn, Lunge, Leber, Gallenblase, Milz, Nieren und Knochengewebe sowie schwer zugängliche Teile des Darms können so untersucht werden.

Radiopharmaka in der Therapie

Bereits seit mehr als 50 Jahren wird [131I]Natriumiodid in der Radioiodtherapie eingesetzt. Bis heute ist es das am häufigsten angewandte Radiotherapeutikum. Die Behandlung basiert auf der hochselektiven Aufnahme von freiem Iodid aus dem Blut in die Schilddrüse.

Die Anwendung von [131I]Natriumiodid eignet sich nicht nur zur Therapie von Schilddrüsenkarzinomen, sondern auch von gutartigen Schilddrüsenerkrankungen wie einer autonomen Struma. Dabei produziert das Gewebe eigenständig (autonom) Hormone, also ohne Signal der Hypophyse als übergeordneter Schaltstelle. Auch eine Hyperthyreose, bei der eine medikamentöse Behandlung nicht ausreicht, wird mit Radioiod behandelt.

Da sich Iod in der Schilddrüse anreichert, aus dem übrigen Körper jedoch rasch ausgeschieden wird, bleibt die Strahlung auf exakt den Ort beschränkt, an dem sie wirken soll. Die Radioiodtherapie umfasst also diagnostische sowie therapeutische Aspekte (7, 8).

Selektiv gegen Knochenmetastasen wird der Alphastrahler [223Ra]Radiumdichlorid (Xofigo®) eingesetzt. Die Substanz imitiert Calcium und wird selektiv im Knochen und dabei besonders in Knochenmetastasen eingelagert, indem sie Komplexe mit dem Knochenmineral Hydroxylapatit bildet.

Radioaktive Antikörper

Eine kurative oder palliative Behandlung mit Radiopharmaka in der Onkologie richtet sich vorwiegend gegen molekulare Angriffspunkte im Zielgewebe. Für diese Rezeptoren oder Antigene wird ein radioaktiv markiertes Gegenstück entwickelt, das dort andockt und die Strahlen genau an den Tumorzellen freisetzt. Zur Therapie werden Nuklide mit einem Alpha- oder Beta-Strahlungsanteil eingesetzt, da diese nur eine geringe Reichweite haben und somit Tumorzellen intensiv schädigen, das umgebende gesunde Gewebe aber weitgehend schonen (9).

Verschiedene radiomarkierte Antikörper werden seit langem für die Tumorlokalisation eingesetzt. Obwohl Antitumorantikörper eine sehr gute Selektivität für Antigene auf Krebszellen haben, ist der Einsatz in der Radioimmuntherapie (RIT) bisher sehr begrenzt.

Der monoklonale Antikörper 90Y-Ibritumomab-Tiuxetan (Zevalin®) zielt auf das CD20-Antigen, das insbesondere von malignen B-Zellen exprimiert wird. Das Radiotherapeutikum wird bei Patienten mit Non-Hodgkin-Lymphomen eingesetzt.

Theranostik: Kombi aus Diagnose und Therapie

Einen erheblichen Fortschritt brachte in den letzten Jahren die Kombination von Diagnostik und Therapie: die Theranostik. Dabei dockt ein radiomarkiertes Molekül an der Oberfläche der Tumorzellen an. Als spezielle Sonde für die PET-Bildgebung trägt es radioaktives Fluor oder Gallium; die Verteilung dieser Sonden macht malignes Gewebe sichtbar. Wird dasselbe Molekül oder dieselbe Molekülklasse anschließend mit einem therapeutisch wirksamen Radionuklid kombiniert, greift es den Tumor direkt an (10).

In klinischen Studien wird derzeit der theranostische Ansatz individuell und auch schon prospektiv für Patienten mit Prostatakrebs etabliert. Tumorzellen, die ihren Ursprung in der Prostata haben, tragen auf ihrer Oberfläche meist das Prostata-spezifische Membran-Antigen (PSMA). Zwar kommt es auch auf gesunden Zellen vor, jedoch in weit geringerem Maß. Das Membranantigen dient wie ein Magnet als Andockstelle für bestimmte Peptide und Peptidomimetika, sogenannte PSMA-Liganden wie das am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) entwickelte Theranostikum PSMA-617.

»An diese Klasse kleiner Moleküle kann man Radionuklide binden, etwa Gallium-68 oder Fluor-18, um krankhaft hochreguliertes PSMA mit der PET darzustellen«, erläutert Professor Dr. Klaus Kopka, Leiter der Abteilung Radiopharmazeutische Chemie des DKFZ, im Gespräch mit der Pharmazeutischen Zeitung. Weil 68Ga-markiertes PSMA-617, der Nachfolger des exklusiven PSMA-PET-Tracers 68Ga-PSMA-11, sowie das aus PSMA-617 entwickelte 18F-markierte Derivat 18F-PSMA-1007 an den PSMA-positiven Tumorzellen haften bleiben und aus den gesunden Organen des Körpers schnell entfernt werden, leuchtet das maligne Gewebe mit hohem Kontrast im PET-Scanner auf (11, 12).

PSMA wird in allen Stadien des Prostatakarzinoms deutlich verstärkt exprimiert. Schon kleinste Ansammlungen von Prostatakrebszellen, sogenannte Micrometastasen, lassen sich so darstellen. Die exakte Kenntnis des PSMA-Status im Patienten ist Voraussetzung für die danach folgende Behandlung mit der mit dem Betastrahler Lutetium-177 markierten Variante 177Lu-PSMA-617.

Strahlung direkt zum Tumor bringen

Für den therapeutischen Ansatz wird Gallium-68 gegen ein Radionuklid ausgetauscht, das Krebszellen gezielt zerstört. Meist werde dafür Lutetium-177 eingesetzt, das Betastrahlen aussendet, führt Kopka aus.

Da das radioaktiv markierte Peptid selektiv und spezifisch an das PSMA auf der Tumorzelle bindet, wandert die Therapiesubstanz über die Blutbahn direkt zum Tumorgewebe und führt zu einer gezielten Bestrahlung der malignen Zellen. Dabei reicht die radioaktive Strahlung im menschlichen Gewebe nur wenige Millimeter weit.

Besonders für Männer mit metastasiertem, kastrationsresistentem Prostatakarzinom stellen radioaktive PSMA-Liganden eine Behandlungsalternative dar. Deren Zulassung wird derzeit im Rahmen einer internationalen Phase-III-Studie (VISION Trial) angestrebt.

»Außer mit dem Betastrahler Lutetium-177 kann PSMA-617 auch mit dem Alphastrahler Actinium-225 radiomarkiert werden. Vorreiter sind hier die Kliniker und Mitarbeiter um Professor Uwe Haberkorn, Direktor der Klinik für Nuklearmedizin des Universitätsklinikums Heidelberg«, berichtet Kopka. Dabei handelt es sich um einen höher energetischen Strahler, der mehr Doppelstrangbrüche in den Tumorzellen, aber auch mehr Nebenwirkungen hervorruft, zum Beispiel eine Schädigung der Speichel- und Tränendrüsen.

Produktion im Reaktor oder Zyklotron

Voraussetzung für die Herstellung von Radionukliden für die Therapie ist eine Neutronenquelle, von denen es weltweit nur wenige gibt. Das in der Radioonkologie benötigte Lutetium-177 wird aus Ytterbium-176 hergestellt, Durch Neutronenbeschuss im Reaktor entsteht zunächst Ytterbium-177, das schließlich in Lutetium-177 zerfällt.

In hochspezialisierten Unternehmen wird der radioaktive Rohstoff zu dem radiopharmazeutischen Vorläufer [177Lu]Lutetiumchlorid weiterverarbeitet. Die Herstellung radioaktiver Arzneimittel muss selbstverständlich nach den Regeln der GMP (Good Manufacturing Practice) erfolgen. Lutetium-177 muss sorgfältig vom in großem Überschuss vorhandenen Ausgangsmaterial abgetrennt und weiter gereinigt werden. Die fertige Lutetium-177-Lösung wird abgefüllt und zur Klinik transportiert, wo die zu injizierende Verbindung, zum Beispiel die Kopplung mit einem PSMA-Liganden, individuell für den Patienten hergestellt und dosiert wird (13, 14).

Da die meisten für PET verwendeten Substanzen sehr kurze Halbwertszeiten haben, lassen sie sich nicht vorrätig halten, sondern müssen vor Ort individuell hergestellt werden. Weil dazu ein Zyklotron erforderlich ist, gab es PET-Radiopharmazien lange nur in größeren Universitätskliniken. In den letzten Jahren hat deren Zahl jedoch deutlich zugenommen, da die Anlagen nun kleiner und deutlich leichter zu handhaben sind. Eine ummantelnde Abschirmung des Zyklotrons absorbiert die Strahlung während der Produktion der Radionuklide, sodass derartige Geräte problemlos in eine Klinik oder auch spezialisierte Arztpraxis integriert werden können, sofern der notwendige Platz vorhanden ist.

In der Herstellung von PET-Radiopharmaka spielt Fluor-18 sicherlich die weitaus größte Rolle. F-18 ist auch der einzige Positronenstrahler, der in gewissem Umfang von einem PET-Zentrum mit Zyklotron zu einer anderen nuklearmedizinischen Einrichtung transportiert werden kann. Die Positronenstrahler C-11, N-13 und O-15 werden wegen ihrer kurzen Halbwertszeit direkt in der Klinik oder Praxis produziert.

In den wenigsten Fällen stellt das Radionuklid in der Form, wie es im Zyklotron entsteht, bereits das radioaktive Arzneimittel dar. In der Regel wird es anschließend über schnelle radiochemische Synthesen in eine meist organische Verbindung eingebaut (15).

Herstellung im Generator

Deutlich einfacher in der klinischen Praxis ist die Gewinnung des für die Diagnostik benötigten Technetium-99. Es entsteht als Spaltprodukt des radioaktiven Molybdän-Isotop [99Mo], das eine Halbwertszeit von 66 Stunden aufweist. Somit kann der mit einem Bleimantel geschützte Radionuklid-Generator auch über größere Entfernungen zu Kliniken und Praxen transportiert werden, wo das kontinuierlich entstehende [99Tc] extrahiert wird.

Die Halbwertszeit des Technetium-Radionuklids selbst liegt bei sechs Stunden, ist also lang genug für die praktische Anwendung, aber kurz genug, um die Diagnostik falls nötig zu wiederholen. Die gute Verfügbarkeit und einfache Handhabung tragen mit dazu bei, dass rund 80 Prozent aller klinischen Tracer-Anwendungen in der Nuklearmedizin auf [99Tc]-Radiopharmaka basieren.

Neue Wege für neue Anwendungen

Durch enorme Fortschritte in Radiochemie, Radiopharmazie und Informatik ließen sich in den letzten Jahren Wirksamkeit und Heilungserfolge der Strahlentherapie stetig verbessern. Im Fokus der Forschung stehe die Entwicklung neuer Radiotracer sowie weitere technische Vereinfachungen, erläutert Machulla, der auch Vorsitzender der Arbeitsgemeinschaft Radiopharmaka der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft (DPhG) ist.

Das Anwendungspotenzial mit evaluierten Methoden sei riesig, aber die Umsetzung in die klinische Praxis erfolge mitunter sehr zögerlich, so der Radiochemiker. So könne beispielsweise in der Onkologie der Erfolg einer Therapie schon zwei bis drei Wochen nach Beginn mithilfe von PET/CT kontrolliert und die Behandlung bei unzureichendem Ansprechen rasch geändert werden. Dieses Kontrollverfahren werde bisher noch nicht routinemäßig eingesetzt, bedauert Machulla.

Seit Januar 2018 ist [177Lu]Lutetium-Oxodotreotid (Lutathera®) in Europa zugelassen. Indiziert ist das Orphan Drug zur Therapie fortgeschrittener gastroenteropankreatischer neuroendokriner Tumoren, die auf der Oberfläche ihrer Zellen sogenannte Somatostatin-Rezeptoren aufweisen. Die Substanz weist eine hohe Affinität zum Somatostatin-Rezeptor vom Subtyp 2 auf.

Im Fokus der Forschung stehen auch bestimmte Bindegewebszellen, die etwa in Bauchspeicheldrüsen-, Darm-, Lungen- und Brustkrebs vorkommen. Auf ihrer Zelloberfläche sitzt das Fibroblasten-Aktivierungs-Protein (FAP), das besonders in fortgeschrittenen Tumorstadien vermehrt auftritt. Auf FAP-Inihibitoren basierende Radiotracer wurden kürzlich in der Klinik für Nuklearmedizin, Universitätsklinikum Heidelberg, entwickelt und befinden sich derzeit in der individuellen Erstanwendung im Patienten.

Radiopharmaka erobern auch andere medizinische Felder, vor allem die Neurologie. Bei der PET-Untersuchung des Gehirns ist ein verminderter Glucose-Stoffwechsel in der Epilepsie- und Demenz-Diagnostik aufschlussreich.

Insgesamt geht die Behandlung immer stärker in Richtung der Theranostik, Deren Ziel ist es, für jeden einzelnen Patienten eine auf ihn abgestimmte Therapie anzubieten. Systematisch suchen Radiopharmazeuten weltweit nach krebsspezifischen Molekülen, an die sie für Diagnose und Therapie wichtige Radionuklide hängen können.

Literatur

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