Summary

Otimização de reações radioquímicas usando Arrays droplet

Published: February 12, 2021
doi:

Summary

Este método descreve o uso de uma nova metodologia de alta produtividade, baseada em reações químicas de gotículas, para a rápida e econômica otimização dos radiofarmacêuticos usando quantidades de nanomole de reagentes.

Abstract

Os radiosintematizadores automatizados atuais são projetados para produzir grandes lotes clínicos de radiofarmacêuticos. Eles não são adequados para otimização de reação ou desenvolvimento radiofarmacêutico novo, uma vez que cada ponto de dados envolve consumo significativo de reagentes, e a contaminação do aparelho requer tempo para decadência radioativa antes do próximo uso. Para lidar com essas limitações, foi desenvolvida uma plataforma para a realização de matrizes de reações em miniatura baseadas em gotículas em paralelo, cada uma confinada dentro de uma armadilha de tensão superficial em um “chip” de silício revestido de politetrafluoroetileno padronizado. Esses chips permitem estudos rápidos e convenientes de parâmetros de reação, incluindo concentrações de reagentes, solvente de reação, temperatura de reação e tempo. Esta plataforma permite a conclusão de centenas de reações em poucos dias com consumo mínimo de reagente, em vez de levar meses usando um radiosintesizer convencional.

Introduction

Os radiofarmacêuticos de emissão de pósitrons (PET) são amplamente utilizados como ferramentas de pesquisa para monitorar processos bioquímicos específicos in vivo e estudar doenças, e para o desenvolvimento de novas drogas e terapias. Além disso, o PET é uma ferramenta crítica para o diagnóstico ou estadiamento da doença e o acompanhamento da resposta do paciente à terapia1,2,3. Devido à curta meia-vida dos radioisótopos PET (por exemplo, 110 min para radiofarmacêuticos com rótulo flúor-18) e risco de radiação, esses compostos são preparados usando sistemas automatizados especializados que operam atrás da proteção de radiação e devem ser preparados pouco antes do uso.

Os sistemas atuais usados para sintetizar radiofarmacêuticos são projetados para produzir grandes lotes que são divididos em muitas doses individuais para compartilhar o custo de produção. Embora os sistemas atuais sejam adequados para a produção de radiotracers amplamente utilizados como [18F]F (porque vários exames de pacientes e experimentos de pesquisa podem ser agendados em um único dia), esses sistemas podem ser desperdiçados para a produção de novos radiotracers durante o desenvolvimento em estágio inicial, ou menos comumente usados radiotracers. Os volumes que os sistemas convencionais usam são tipicamente na faixa de 1-5 mL, e as reações requerem quantidades precursoras na faixa de 1-10 mgs. Além disso, o uso de radiosintéticos convencionais é geralmente complicado durante os estudos de otimização, uma vez que o aparelho fica contaminado após o uso e o usuário deve esperar que a radioatividade decaia antes de realizar o próximo experimento. Além do custo do equipamento, o custo do radioisótopo e dos reagentes pode, portanto, tornar-se muito substancial para estudos que exigem a produção de múltiplos lotes. Isso pode ocorrer, por exemplo, durante a otimização de protocolos de síntese para novos radiotracers para alcançar rendimento e confiabilidade suficientes para estudos in vivo de imagem in vivo.

As tecnologias microfluídicas têm sido cada vez mais utilizadas na radioquímica para capitalizar várias vantagens sobre os sistemas convencionais4,5,6. Plataformas microfluídicas, incluindo aquelas baseadas nos volumes de reação de 1-10 μL7,8,9, mostraram uma redução significativa dos volumes de reagentes e do consumo de precursores caros, bem como curtos tempos de reação. Essas reduções levam a custos mais baixos, passos de aquecimento e evaporação mais rápidos, purificação mais curta e mais direta a jusante, um processo de química “mais verde”10e maior atividade molar dos radiotracers produzidos11. Essas melhorias tornam mais prático realizar estudos de otimização mais extensos, reduzindo o custo do reagente de cada síntese. Outros benefícios podem ser obtidos realizando vários experimentos a partir de um único lote de radioisótopos em um único dia. Por exemplo, radiosinthesizersizers de química de fluxo microfluido que operam no “modo de descoberta” podem realizar sequencialmente dezenas de reações, cada uma usando apenas 10s de volume de reação μL12.

Inspirado por essas vantagens, foi desenvolvido um chip de matriz de gotículas de várias reações em que reações de microvolume estão confinadas a uma série de armadilhas de tensão superficial em uma superfície de silício, criada usando um revestimento Teflon padronizado. Esses chips permitem que múltiplas reações na escala de 1-20 μL sejam realizadas simultaneamente, abrindo a possibilidade de explorar 10s de diferentes condições de reação por dia, cada uma com múltiplas réplicas. Neste artigo, demonstra-se a utilidade dessa nova abordagem de alta produtividade para a realização de otimizações de radioquímica rápida e de baixo custo. O uso de chips de gotícula de várias reações permite a exploração conveniente do impacto das concentrações de reagentes e solventes de reação, e o uso de vários chips poderia permitir o estudo da temperatura e do tempo de reação, tudo isso consumindo quantidades muito baixas de precursor.

Protocol

ATENÇÃO: Este protocolo envolve o manuseio de materiais radioativos. Experimentos não devem ser realizados sem o treinamento necessário e equipamentos de proteção individual e aprovação do escritório de segurança de radiação em sua organização. Experimentos devem ser realizados por trás da proteção contra radiação, de preferência em uma célula quente ventilada 1. Fabricação de chips multi-reações NOTA: Lotes de chips de microdroplet de várias…

Representative Results

Um experimento representativo foi realizado para ilustrar esse método. Usando 16 reações, estudos de otimização do radiofarmacêutico [18F]falílice foram realizados por concentração precursora variada (77, 39, 19, 9,6, 4,8, 2,4, 1,2 e 0,6 mM) no álcool do álcool xoyl:MeCN (1:1, v/v) como solvente de reação. As reações foram realizadas a 110 °C durante 7 min. Eficiência de coleta, composição amostral (ou seja, proporções de [18F]produto fallípride…

Discussion

Devido a limitações dos sistemas convencionais de radioquímica que permitem apenas um ou um pequeno número de reações por dia e consomem uma quantidade significativa de reagentes por ponto de dados, apenas uma pequena parte do espaço geral do parâmetro de reação pode ser explorada na prática, e muitas vezes os resultados são relatados sem repetições (n=1). Em comparação com sistemas convencionais, esta plataforma de radiossíntese de gotículas de várias reações torna-se prático realizar estudos mais …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos ao Centro De Ciclotron Biomédico da UCLA e ao Dr. Roger Slavik e ao Dr. Giuseppe Carlucci por fornecerem generosamente fluoreto de18F para esses estudos e o UCLA NanoLab por apoio com equipamentos para fabricação de chips.

Materials

2,3-dimethyl-2-butanol (thexyl alcohol) Sigma-Aldrich 594-60-5 98%
Acetone KMG Chemicals Cleanroom LP grade
Ammonium formate (NH4HCO2) Sigma-Aldrich 540-69-2 97%
Anhydrous acetonitrile (MeCN) Sigma-Aldrich 75-05-8 99.80%
Ceramic heater Watlow Utramic CER-1-01-0093 25 mm x 25 mm
Cerenkov imaging chamber Custom built Other instruments can be used for TLC plate readout including: small animal in vivo optical imaging system, 2D radio-TLC scanner, 1D radio-TLC scanner
DI water Sigma-Aldrich 7732-18-5
Disposable transfer pipets, 3 mL Falcon 13-680-50
Dose calibrator Capintec, Inc. CRC-25 PET
Fallypride ABX Advanced Biochemical Compounds 1560.0010.000 Fallypride reference standard, >95%
[18F]fluoride in [18O]H2O UCLA Ahmanson Biomedical Cyclotron Facility Due to short half-life this must be obtained from local radiochemistry lab or commercial radiopharmacy
Glass cover plates (76.2 mm x 50.8 mm x 1 mm thick) C&A Scientific 6101
Headway spin coater Headway Research, Inc. PWM50-PS-R790 Sipinner system PWM50-control box, PS-motor, R790-bowl
High temperature oven Carbolite HTCR 6 28
Hot plate Thermo Scientific Super-Nuova HP133425
Isopropanol (IPA) KMG Chemicals Cleanroom LP grade
Mask aligner Karl Suss MA/BA6
Methanol (MeOH) Sigma-Aldrich 67-56-1 ≥99.9%
Microcentrifuge tube Eppendorf 0030 123.301 500 µL, colorless, polypropylene
Micropipette (0.5-10 µL) Labnet BioPette P3940-10
Micropipette (100-1000 µL) Labnet BioPette P3940-1000
Micropipette (10-100 µL) Labnet BioPette P3940-100
Micropipette tips (0.1-10 µL) USA Scientific Inc Tips 11113810
Micropipette tips (2-200 µL) BrandTech 13-889-143
Micropipette tips (50-1000 µL) BrandTech 13-889-145
Photoresist developer solution MicroChem MEGAPOSIT MF-26A
Positive photoresist MicroChem MEGAPOSIT 220-7.0
Reactive-ion etcher (RIE) Oxford Instruments Plasma Lab 80 Plus
Silicon wafer cutter Euro Tool CSCB-431.00
Silicon wafer; 4" diameter Silicon Valley Microelectronics Inc.  0017227-048 P type, boron doped, thickness 525 ± 25 µm
Teflon AF 2400 Chemours  D14896765 1% solids
Tetrabutylammonium bicarbonate (TBAHCO3) ABX Advanced Biochemical Compounds 808 Aqueous solution stabilized with ethanol, 0.075 M
Themal conducting paste OMEGA OT-201-2
TLC plates Merck KGaA 1.05554.0001 Silica gel 60 F254, 50 mm x 60 mm, aluminum back
Tosyl-fallypride ABX Advanced Biochemical Compounds 1550.004.000 Fallypride precursor, >90%
Trimethylamine (TEA) Sigma-Aldrich 75-50-3 ≥ 99%
Tweezers Cole-Parmer UX-07387-08 Stainless steel, fine tip

References

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Cite This Article
Rios, A., Holloway, T. S., Wang, J., van Dam, R. M. Optimization of Radiochemical Reactions using Droplet Arrays. J. Vis. Exp. (168), e62056, doi:10.3791/62056 (2021).

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