BNCT
Considerazioni cliniche
Utilizzo dei carborani in BNCT
Derivati carboranici di carboidrati
Derivati carboranici di porfirine
Altre molecole utilizzate per bioconiugazione
Boron Neutron Capture Synevectomy (BNCS)
Carborani e "medical imaging"



BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY [10] [24]

La BNCT fa parte delle cosiddette terapie binarie poiché sfrutta l’azione sinergica di due componenti i quali, singolarmente, avrebbero minore effetto nella cura della malattia tumorale. Questi due componenti sono l’isotopo stabile 10B che viene concentrato nelle cellule cancerogene e un raggio di neutroni a bassa energia.

L’idea di poter eseguire una terapia per cattura neutronica, venne per la prima volta, a G. L. Locher del Franklin Istitute of Pensylvania nel 1936, soltanto quattro anni dopo la scoperta, da parte di J. Chadwick, dell’esistenza dei neutroni.

Il metodo si basa sulla reazione che avviene quando l’isotopo stabile10B viene irradiato con neutroni termici: il boro acquista un elettrone trasformandosi in 11B, che poi decade dando particelle alfa e ioni litio (7Li) ad alta energia.
Aspetto fondamentale di questa cura è la necessità che, all’interno delle cellule tumorali, venga ad esserci una concentrazione di boro molto più alta rispetto a quella presente nei tessuti non malati.

Tra i molti nuclidi che presentano notevole sezione d’urto la scelta è caduta proprio sul 10B poiché questo presenta una serie di caratteristiche utili:

  1. è un isotopo non radioattivo e facilmente disponibile;
  2. le particelle emesse presentano un "Linear Energy Tranfer" (dE/dX) particolarmente alto;
  3. i prodotti di fissione vengono assorbiti in una raggio medio di 5 - 9 mm, tale valore è inferiore rispetto al diametro medio di celle tumorali [11];
  4. la chimica del boro è abbastanza ben conosciuta e ciò permette di incorporare specie al boro in innumerevoli tipologie di composti.


Fig.12 Funzionamento della tecnica BNCT

Nonostante le sezioni d’urto degli elementi normalmente presenti nei tessuti siano di ordini di grandezza inferiori rispetto a quelli del 10B, due di questi, idrogeno ed azoto, sono presenti in concentrazioni tali da contribuire comunque all’assorbimento totale dei neutroni. Questo impone che la concentrazione di boro nelle cellule tumorali sia la più alta possibile al fine di poter irradiare con neutroni porzioni molto ristrette, in questo modo si possono minimizzare le reazioni con l’azoto [14N(n,p)14C] e con l’idrogeno [1H(n,g)2H] che potrebbero portare al danneggiamento di tessuti sani.

I vantaggi di questa tecnica sono:

Di fondamentale importanza è il fatto che il composto contenente boro somministrato al paziente deve essere presente il meno possibile nei vasi sanguigni irroranti la zona malata al fine di evitare la necrosi degli stessi.

CONSIDERAZIONI CLINICHE [10]

Nel 1951 W. H. Sweet suggerì la possibilità di utilizzare la BNCT per la cura di tumori cerebrali, ed in particolare per la cura di un tumore particolarmente maligno e difficile da curare quale il Glioblastoma Multiforme (GBM). [12]


Fig.13 Schema di trattamento clinico in BNCT

Il gruppo di ricerca di Sweet dimostrò che certi composti del boro andavano selettivamente a concentrarsi nei tessuti malati.
Iniziarono quindi due progetti di ricerca finalizzati alla messa a punto di un metodo BNCT che furono rispettivamente avviati presso il Brookhaven National Laboratory (BNL), nel biennio 1951 - 1952, e presso il Massachessetts Institute of Technology, nel biennio 1961 - 1962. In entrambi i casi ai pazienti veniva somministrato come agente contenente boro della semplice borace (Na2B4O7 * 10 H2O).

Sfortunatamente entrambi questi progetti non diedero risultati positivi.
Le motivazioni del fallimento furono chiare solo in seguito:

  1. i neutroni termici sono attenuati rapidamente dai tessuti e quindi la tecnica è adatta solo quando il tumore non è ad una profondità superiore a 3 - 4 cm, questo ha come conseguenza che solo tumori superficiali possono essere curati con BNCT;
  2. il composto di boro utilizzato non riusciva a venire sufficientemente concentrato nel tessuto tumorale.

I primi risultati incoraggianti vennero da uno studio condotto in Giappone da Hatanka et al. [13] sulla cura del GBM, e da Mishima et al. [14] in relazione alla cura del melanoma.

I risultati ottenuti finora per la BNCT mostrano come questa può considerarsi una tecnica convenzionale per la cura del GBM, anche perché avviene mediante trattamenti più rapidi rispetto alle normali tecniche radioterapiche. Risultati incoraggianti per la BNCT si sono anche osservati nella cura del melanoma, un completo o parziale controllo del tumore è stato osservato in molti casi.

UTILIZZO DI CARBORANI IN BNCT [8]

L’utilizzo dei carborani in BNCT è principalmente legato a due loro fondamentali caratteristiche. La prima è l’elevata percentuale in peso di boro presente in questi composti, la seconda è la loro ampia reattività chimica che permette di coniugarli con un numero elevato di molecole.

Tra le molte biomolecole con le quali i carborani possono essere bioconiugati si sono imposte all’attenzione i carboidrati e le porfirine, su queste verrà posta la nostra attenzione, pur non dimenticando che anche altre classi di composti sono state utilizzate con risultati spesso interessanti.

CARBOIDRATI [8]

La ricerca nel campo della bioconiugazione di carborani e carboidrati ha avuto nuova linfa negli ultimi dieci anni, grazie alle notevoli scoperte fatte nel campo della sintesi di oligosaccaridi e in generale nella biologia dei carboidrati.
Uno dei vantaggi dell’utilizzo dei carboidrati, oltre al fatto che gli zuccheri presentano tipicamente grande affinità per alcuni recettori presenti sul tessuto tumorale, è la loro bassa tossicità.
Altro vantaggio risiede nel fatto che essi riescono a compensare la generale idrofobicità del cluster carboranico.

In particolare sono stati sintetizzati una serie di coniugati carborani - carboidrati, tra questi carboranil glicosidi a base di glucosio, lattosio e maltosio (Fig. 14)


Fig.14 Struttura di carboranil glicosidi, studiati come potenziali agenti per BNCT

Questi composti una volta irradiati con neutroni termici hanno portato a significativi effetti sulle cellule tumorali.
Dopo 3 ore dalla somministrazione del derivato del maltoso, la concentrazione di boro nelle cellule è di 6,1 ppm la quale cresce a 20 ppm dopo 24 ore. Per quel che riguarda invece i derivati del lattosio e del glucosio i massimi livelli di boro sono di 13.2 ppm (12 ore) e 11,2 ppm (3 ore) rispettivamente. Sfortunatamente la concentrazione sanguigna di boro è dello stesso ordine di grandezza e ciò crea notevoli problemi di necrosi dei vasi sanguigni.

Al fine di aumentare la capacità dei carboranil glicosidi di venire concentrati nelle cellule tumorali, sono stati preparati una serie di derivati aventi i gruppi OH dell’anello zuccherino funzionalizzati e aventi lunghe catene legate all’atomo di carbonio del cluster non ancora coinvolto (Fig. 15)


Fig.15 Struttura di carboranil glicosidi variamente sostituiti

In Fig. 16 viene riportata la struttura 3D, ottenuta per difrattometria RX da cristallo singolo, di un glucoso derivato funzionalizzato con un'unità carboranilica [2,3,4,6-tetraacetil-1-(2-idrossimetilcarboranilmetil)-glucoside]


Fig.16 Struttura del [2,3,4,6-tetraacetil-1-(2-idrossimetilcarboranilmetil)-glucoside] [15]

PORFIRINE [8]

Sistemi porfirinici, aventi come gruppi sostituenti carborani, sono stati studiati come agenti per BNCT. In particolare sono state preparate una serie di cianocabalammine (vitamina B12) coniugate con nidocarborani legati alla porfirine mediante legami amidici (Fig.17).


Fig.17 Struttura di una serie di cianocobalammine (vitamina B12) contenenti nido-carborani

Altri sistemi sui quali è stata posta l’attenzione sono metallo porfirine derivati da tetrafenilporfirine o gruppi EME (Fig.18).
L’inclusione di metalli all’interno delle porfirine, oltre a modificare la loro attività biologica, offre la possibilità di includervi all’interno radionuclidi, quali ad esempio il 67Cu, che permettono di studiare con maggiore semplicità il comportamento di tali composti all’interno del metabolismo.


Fig.18 Struttura di tetrafenilporfirina e di gruppo EME coniugati con carborani

Un recente studio, condotto da Isaac and Kahl [11], ha cercato di indagare la possibilità di utilizzare sistemi dimerici di porfirina coniugati con carborani. Si è, infatti, osservata la scarsa attività biologica dei monomeri, ad essa si contrappone invece l’elevata utilità metabolica di dimeri o oligomeri.
I due ricercatori hanno in primis posto l’attenzione su sistemi dimerici in cui i due anelli di porfirina erano legati da ponti eterei (Fig. 19).
I meccanismi di accumulazione di porfirine all’interno dei tessuti tumorali sono ancora scarsamente conosciuti, si sa però che le dimensioni molecolari e il carattere idrofobico possono andare ad influenzare molto il numero di molecole presenti nelle cellule tumorali. In realtà i sistemi dimerici a ponte etereo si sono dimostrati poco efficienti.
Per facilitare la biodistribuzione delle molecole nel metabolismo queste subiscono prima un’idrolisi acida del gruppo propionato, il rispettivo acido carbossilico che si forma viene poi trasformato nel relativo sale di sodio o di potassio.
I legami eterei, però, non sopportano l’ambiente acido a cui avviene l’idrolisi. Inoltre, un eventuale trattamento basico trasformerebbe i carborani nelle rispettive strutture a nido, le quali presentano maggiore tossicità rispetto alle strutture closo.


Fig.19 Struttura di sistemi dimerici porfirinici, aventi legami a ponte etereo

I sistemi dimeri con legami tra le due unità costituiti da soli atomi di carbonio hanno portato a risultati migliori (vedi Fig. 20). Questi, oltre ad essere stabili ai trattamenti che tendono a rendere le molecole più biodisponibili, idrolisi acida e successiva salificazione dell’acido carbossilico generatosi, possono essere coniugati con un maggior numero di carborani (fino a sei, con un totale di atomi di boro pari a 60) aumentando la loro potenziale attività come agenti per BNCT.


Fig.19 Struttura di sistemi dimerici porfirinici, aventi ponti costituiti da soli atomi di carbonio

Oltre che per l’utilizzo in BNCT i sistemi sopradescritti, che coniugano porfirine a carborani, sono stati proposti anche come agenti per Photodynamic Therapy (PDT). Questa è sempre una terapia binaria nella quale, però, all’interno delle cellule tumorali vengono concentrati cromofori i quali sono poi attivati mediante luce.
Questa tecnica in particolare prevede la formazione di atomi di ossigeno allo stato di singoletto che hanno una notevole azione citotossica. Il raggio di azione di questi atomi (< 1 mm) è minore rispetto a quello dei prodotti ottenuti nella BNCT. In PDT i cluster di boro sono di fondamentale importanza poiché garantiscono l’assorbimento selettivo dei sistemi fotosensibili all’interno delle cellule tumorali.

ALTRE MOLECOLE UTILIZZATE PER BIOCONIUGAZIONE [8]

Oltre a carboidrati e porfirine gli studi per identificare nuovi farmaci da utilizzare in BNCT hanno posto l’attenzione su altre classi di composti. Tra questi è possibile ricordare sistemi poliamminici, nucleosidi, immunoderivati ed altre classi di molecole.

BORON NEUTRON CAPTURE SYNOVECTOMY (BNCS) [8]

Tale tecnica è finalizzata alla cura di artriti reumatoidi gravi, queste sono tradizionalmente curate mediante un approccio puramente farmaceutico.
Il metodo utilizza le particelle prodotte dal bombardamento neutronico di nuclei di 10B al fine di bloccare un ulteriore crescita dei tessuti artritici. In questo modo si prevengono ulteriori danni alle strutture ossee o cartilaginee. I vantaggi di questa tecnica consistono nella possibilità di fare trattamenti fortemente localizzati e nel fatto che il 10B è un nuclide stabile e non tossico, sia prima sia dopo l’irraggiamento, ciò permette di minimizzare i danni ad eventuali tessuti sani.

CARBORANI E "MEDICAL IMAGING" [8]

Sia la BNCT, sia la BNCS sono tecniche binarie che prevedono la necessità di conoscere il tempo ideale, dopo la somministrazione del composto contenente boro, dopo il quale esporre il paziente al fascio neutronico per ottenere il miglior risultato.
Le tecniche tradizionali prevedono l’utilizzo dei dati ottenuti dall’analisi ex vivo di cellule di animali o soggetti umani sottoposti a trattamento con l’agente in questione. L’inaccuratezza e l’invasività di questo approccio hanno spinto molti ad individuare nuove tecniche per la valutazione della concentrazione di boro presente nei tessuti tumorali.

Una tecnica particolarmente utile è la tomografia ad emissione di positroni (PET), la quale si è dimostrata adatta all’individuazione della biodistribuzione e della farmacocinetica degli agenti per BNCT.

Altro sistema che potrebbe dare buoni effetti è l’utilizzo di agenti per BNCT all’interno dei quali vengono incorporati radionuclidi, questi non presentano comunemente biodistribuzione diversa rispetto ai composti identici, ma non etichettati con isotopi attivi.

La tecnica che sembra però essere la più promettente è la risonanza magnetica nucleare (Magnetic Resonance Imaging, MRI). I nuclei 10B e 11B sono, come già detto, entrambi NMR attivi. Sfortunatamente, però, i loro tempi di rilassamento molto brevi causano segnali eccessivamente "larghi". Questo fatto rende inutilizzabili la 10B o 11B-NMR nella determinazione della distribuzione dei composti di boro all’interno dei tessuti malati. Si è quindi pensato di sfruttare agenti per BNCT contenenti non solo boro, ma anche altri nuclei aventi migliori caratteristiche per quanto riguarda la MRI. Tra questi il Gd, già ampiamente sfruttato come agente di contrasto in MRI, è quello sul quale si pone la maggiore speranza. Yamamoto [16] ha recentemente sintetizzato il complesso Gd(III)-dietilentriamminopentaacetato-carborano (Fig. 20) dimostrando la possibilità di accostare in una sola molecola un cluster carboranico con un atomo di Gd. Sfortunatamente il complesso risulta assolutamente inutilizzabile in BNCT poiché la sua concentrazione nel cervello e nei tessuti tumorali è risultata essere molto bassa.


Fig.20 Struttura del Gd(III)-dietilentriamminopentaacetato-carborano