Molecular imaging using positron emission tomography (PET) can serve as a promising tool for visualizing biological targets in the brain. Insights into the expression pattern and the in vivo imaging of the G protein-coupled orexin receptors OX1R and OX2R will further our understanding of the orexin system and its role in various physiological and pathophysiological processes. Guided by crystal structures of our lead compound JH112 and the approved hypnotic drug suvorexant bound to OX1R and OX2R, respectively, we herein describe the design and synthesis of two novel radioligands, [18F]KD23 and [18F]KD10. Key to the success of our structural modifications was a bioisosteric replacement of the triazole moiety with a fluorophenyl group. The 19F-substituted analog KD23 showed high affinity for the OX1R and selectivity over OX2R, while the high affinity ligand KD10 displayed similar Ki values for both subtypes. Radiolabeling starting from the respective pinacol ester precursors resulted in excellent radiochemical yields of 93% and 88% for [18F]KD23 and [18F]KD10, respectively, within 20 min. The new compounds will be useful in PET studies aimed at subtype-selective imaging of orexin receptors in brain tissue.

The G protein-coupled serotonin receptor 5-HT1AR mediates antinociception and may serve as a valuable target for the treatment of pain. Starting from a chemical library, ST171, a bitopic chemotype activating 5 HT1AR was evolved. In vitro pharmacological investigations of ST171 revealed potent and selective Gi activation (EC50 = 0.3 nM), with marginal Gs and beta-arrestin recruitment. Preclinical studies in mice showed that ST171 was effective in acute and chronic (inflammatory and neuropathic) pain models, without causing sedation. Comparison of cryo-EM structures of a 5-HT1AR-Gi complex bound to the functionally biased agonist ST171, with a structure bound to the functionally balanced agonist befiradol, showed that both ligands bind to the same orthosteric site, but address different exo-sites. The individual poses are associated with ligand-specific helical dispositions and rearrangements of microdomains. Complementation of these studies with molecular dynamics simulations allowed us to derive structural features associated with the functional selectivity of ST171, a phenomenon that may be crucial to the discovery of more effective and safe GPCR drugs.

Abstract Background The orexin receptor (OXR) plays a role in drug addiction and is aberrantly expressed in colorectal tumors. Subtype-selective OXR PET ligands suitable for in vivo use have not yet been reported. This work reports the development of 18 F-labeled OXR PET ligand candidates derived from the OXR antagonist suvorexant and the OX1R-selective antagonist JH112. Results Computational analysis predicted that fluorine substitution (1e) and introduction of the fluorobenzothiazole scaffold (1f) would be suitable for maintaining high OX1R affinity. After multi-step synthesis of 1a–1f, in vitro OXR binding studies confirmed the molecular dynamics calculations and revealed single-digit nanomolar OX1R affinities for 1a–f, ranging from 0.69 to 2.5 nM. The benzothiazole 1f showed high OX1R affinity (K i = 0.69 nM), along with 77-fold subtype selectivity over OX2R. Cu-mediated 18 F-fluorination of boroxine precursors allowed for a shortened reaction time of 5 min to provide the non-selective OXR ligand [ 18 F]1c and its selective OX1R congener [ 18 F]1f in activity yields of 14% and 22%, respectively, within a total synthesis time of 52–76 min. [ 18 F]1c and [ 18 F]1f were stable in plasma and serum in vitro, with logD 7.4 of 2.28 ([ 18 F]1c) and 2.37 ([ 18 F]1f), and high plasma protein binding of 66% and 77%, respectively. Dynamic PET imaging in rats showed similar brain uptake of [ 18 F]1c (0.17%ID/g) and [ 18 F]1f (0.15%ID/g). However, preinjection of suvorexant did not significantly block [ 18 F]1c or [ 18 F]1f uptake in the rat brain. Pretreatment with cyclosporine A to study the role of P-glycoprotein (P-gp) in limiting brain accumulation moderately increased brain uptake of [ 18 F]1c and [ 18 F]1f. Accordingly, in vitro experiments demonstrated that the P-gp inhibitor zosuquidar only moderately inhibited polarized, basal to apical transport of 1c (p < 0.05) and had no effect on the transport of 1f, indicating that P-gp does not play a relevant role in brain accumulation of [ 18 F]1c and [ 18 F]1f in vivo. Conclusions The in vitro and in vivo results of [ 18 F]1c and [ 18 F]1f provide a solid basis for further development of suitable OXR PET ligands for brain imaging.