تحسين التفاعلات الكيميائية الإشعاعية باستخدام صفائف قطرات
Summary
وتصف هذه الطريقة استخدام منهجية جديدة عالية الإنتاجية، تستند إلى التفاعلات الكيميائية القطيرة، للتحسين السريع والاقتصادي للمستحضرات الصيدلانية الإشعاعية باستخدام كميات نانومول من الكواشف.
Abstract
تم تصميم التمثيل الإشعاعي الآلي الحالي لإنتاج دفعات سريرية كبيرة من الأدوية الإشعاعية. فهي ليست مناسبة تماما لتحسين رد الفعل أو تطوير الأدوية الإشعاعية الجديدة لأن كل نقطة بيانات تنطوي على استهلاك كاشف كبير ، ويتطلب تلوث الجهاز وقتا للاضمحلال الإشعاعي قبل الاستخدام التالي. ولمعالجة هذه القيود، تم تطوير منصة لأداء صفائف من التفاعلات المصغرة القائمة على القطرات بالتوازي، كل منها محصور في فخ التوتر السطحي على “رقاقة” سيليكون منقوشة مغلفة بالبوليتيترافلوروفلور الإيثيلين. هذه الرقائق تمكين الدراسات السريعة والمريحة من المعلمات رد فعل بما في ذلك تركيزات الكاشف، رد فعل المذيبات، ودرجة حرارة رد الفعل والوقت. تسمح هذه المنصة بإكمال مئات ردود الفعل في غضون أيام قليلة مع الحد الأدنى من استهلاك الكاشف ، بدلا من أخذ أشهر باستخدام جهاز التمثيل الإشعاعي التقليدي.
Introduction
تستخدم المستحضرات الصيدلانية الإشعاعية البوزيترونية الانبعاثات على نطاق واسع كأدوات بحثية لرصد عمليات كيميائية بيولوجية حية ودراسة الأمراض، وتطوير أدوية وعلاجات جديدة. وعلاوة على ذلك، PET هو أداة حاسمة لتشخيص أو تنظيم المرض ورصد استجابة المريض للعلاج1،2،3. ونظرا لقصر عمر النظائر المشعة PET (على سبيل المثال، 110 دقيقة للمستحضرات الصيدلانية المشعة المسماة بالفلور-18) ومخاطر الإشعاع، يتم إعداد هذه المركبات باستخدام أنظمة آلية متخصصة تعمل خلف التدريع الإشعاعي ويجب إعدادها قبل الاستخدام مباشرة.
تم تصميم الأنظمة الحالية المستخدمة لتجميع الأدوية الإشعاعية لإنتاج دفعات كبيرة تنقسم إلى العديد من الجرعات الفردية لتقاسم تكلفة الإنتاج. في حين أن الأنظمة الحالية مناسبة لإنتاج أجهزة تتبع إشعاعية تستخدم على نطاق واسع مثل [18F]FDG (لأنه يمكن جدولة العديد من فحوصات المرضى والتجارب البحثية في يوم واحد) ، يمكن أن تكون هذه الأنظمة مضيعة لإنتاج أجهزة تتبع إشعاعية جديدة أثناء التطوير في المراحل المبكرة ، أو أقل استخداما للمتتبعين الإشعاعيين. الأحجام التي تستخدمها النظم التقليدية عادة ما تكون في نطاق 1-5 مل، وردود الفعل تتطلب كميات السلائف في نطاق 1-10 ملغ. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام أجهزة التمثيل الإشعاعي التقليدية مرهق بشكل عام أثناء دراسات التحسين لأن الجهاز يصبح ملوثا بعد الاستخدام ويجب على المستخدم الانتظار حتى يتحلل النشاط الإشعاعي قبل إجراء التجربة التالية. وبصرف النظر عن تكلفة المعدات، يمكن أن تصبح تكلفة النظائر المشعة والكواشف، بالتالي، كبيرة جدا للدراسات التي تتطلب إنتاج دفعات متعددة. ويمكن أن يحدث هذا، على سبيل المثال، أثناء تحسين بروتوكولات التوليف للمتتبعين الإشعاعيين نوفيلا لتحقيق ما يكفي من الغلة والموثوقية للدراسات الأولية في التصوير الحي.
وقد استخدمت تقنيات Microfluidic على نحو متزايد في الكيمياء الإشعاعية للاستفادة من العديد من المزايا على النظم التقليدية4،5،6. وقد أظهرت منصات Microfluidic ، بما في ذلك تلك التي تستند إلى أحجام تفاعل 1-10 ميكرولتر7و8و9، انخفاضا كبيرا في أحجام الكاشف واستهلاك السلائف باهظة الثمن ، وكذلك أوقات رد الفعل القصيرة. هذه التخفيضات تؤدي إلى انخفاض التكاليف، وسرعة التدفئة والتبخر الخطوات، وأقصر وأكثر مباشرة تنقية المصب، وعموما “أكثر اخضرارا” عملية الكيمياء10،وارتفاع نشاط الضرس من radiotracers المنتجة11. هذه التحسينات تجعل من العملي أكثر لإجراء دراسات التحسين أكثر شمولا عن طريق خفض تكلفة الكاشف من كل توليفة. ويمكن تحقيق المزيد من الفوائد من خلال إجراء تجارب متعددة من دفعة واحدة من النظائر المشعة في يوم واحد. على سبيل المثال، يمكن للمايديو فلويديك الكيمياء المشعة العاملة في “وضع الاكتشاف” أداء عشرات من ردود الفعل بشكل متسلسل، كل باستخدام فقط 10s من حجم رد فعل μL12.
مستوحاة من هذه المزايا، تم تطوير رقاقة صفيف قطرة متعددة التفاعل تقتصر فيها ردود فعل الميكروفولوم على مجموعة من مصائد التوتر السطحي على سطح السيليكون، والتي تم إنشاؤها باستخدام طلاء تفلون منقوش. تمكن هذه الرقائق من إجراء ردود فعل متعددة على مقياس 1-20 ميكرولتر في وقت واحد ، مما يفتح إمكانية استكشاف 10s من ظروف رد الفعل المختلفة في اليوم الواحد ، مع تكرارات متعددة. في هذه الورقة، يتم توضيح فائدة هذا النهج الإنتاجي العالي الجديد لأداء تحسينات الكيمياء الراديوية السريعة والمنخفضة التكلفة. استخدام رقائق قطرات متعددة التفاعل يسمح لاستكشاف مريحة لتأثير تركيزات الكاشف والمذيبات رد فعل، واستخدام رقائق متعددة يمكن أن تمكن من دراسة درجة حرارة التفاعل والوقت، في حين أن جميع تستهلك كميات منخفضة جدا من السلائف.
Protocol
Representative Results
Discussion
نظرا للقيود المفروضة على أنظمة الكيمياء الراديوية التقليدية التي تسمح فقط واحد أو عدد قليل من ردود الفعل يوميا وتستهلك كمية كبيرة من الكواشف لكل نقطة بيانات، يمكن استكشاف جزء صغير فقط من مساحة المعلمة رد الفعل العام في الممارسة العملية، ويتم الإبلاغ عن النتائج مرات عديدة مع عدم تكرار (ن = …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر مرفق سيكلوترون الطبي الحيوي في جامعة كاليفورنيا والدكتور روجر سلافيك والدكتور جوزيبي كارلوتشي على توفير[18F] فلوريد لهذه الدراسات وNanoLab جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس لدعمها مع معدات لتصنيع الرقائق.
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
- Matthews, P. M., Rabiner, E. A., Passchier, J., Gunn, R. N. Positron emission tomography molecular imaging for drug development. British Journal of Clinical Pharmacology. 73 (2), 175-186 (2012).
- Piel, M., Vernaleken, I., Rösch, F. Positron emission tomography in CNS drug discovery and drug monitoring. Journal of Medicinal Chemistry. 57 (22), 9232-9258 (2014).
- Cherry, S. R., Sorenson, J. A., Phelps, M. E. . Physics in Nuclear Medicine. , (2012).
- Knapp, K. -. A., Nickels, M. L., Manning, H. C. The current role of microfluidics in radiofluorination chemistry. Molecular Imaging and Biology. 22 (3), 463-475 (2020).
- Rensch, C., et al. Microfluidics: A groundbreaking technology for PET tracer production. Molecules. 18 (7), 7930-7956 (2013).
- Pascali, G., Watts, P., Salvadori, P. A. Microfluidics in radiopharmaceutical chemistry. Nuclear Medicine and Biology. 40 (6), 776-787 (2013).
- Keng, P. Y., van Dam, R. M. Digital microfluidics: A new paradigm for radiochemistry. Molecular Imaging. 14, 579-594 (2015).
- Wang, J., Chao, P. H., Janet, S., van Dam, R. M. Performing multi-step chemical reactions in microliter-sized droplets by leveraging a simple passive transport mechanism. Lab on a Chip. 17 (24), 4342-4355 (2017).
- Wang, J., Chao, P. H., van Dam, R. M. Ultra-compact, automated microdroplet radiosynthesizer. Lab on a Chip. (19), 2415-2424 (2019).
- Rios, A., Wang, J., Chao, P. H., van Dam, R. M. A novel multi-reaction microdroplet platform for rapid radiochemistry optimization. RSC Advances. 9 (35), 20370-20374 (2019).
- Sergeev, M., et al. Performing radiosynthesis in microvolumes to maximize molar activity of tracers for positron emission tomography. Communications Chemistry. 1 (1), 10 (2018).
- Pascali, G., et al. Optimization of nucleophilic 18F radiofluorinations using a microfluidic reaction approach. Nature Protocols. 9 (9), 2017-2029 (2014).
- Lisova, K., et al. Microscale radiosynthesis, preclinical imaging and dosimetry study of [18F]AMBF3-TATE: A potential PET tracer for clinical imaging of somatostatin receptors. Nuclear Medicine and Biology. 61, 36-44 (2018).
- Wang, J., et al. High-throughput radio-TLC analysis. Nuclear Medicine and Biology. 82-83, 41-48 (2020).
- Dooraghi, A. A., et al. Optimization of microfluidic PET tracer synthesis with Cerenkov imaging. Analyst. 138 (19), 5654-5664 (2013).
- Collins, J., et al. Production of diverse PET probes with limited resources: 24 18F-labeled compounds prepared with a single radiosynthesizer. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (43), 11309-11314 (2017).
- Lazari, M., et al. Fully automated production of diverse 18F-labeled PET tracers on the ELIXYS multireactor radiosynthesizer without hardware modification. Journal of Nuclear Medicine Technology. 42 (3), 203-210 (2014).
- Lisova, K., et al. Rapid, efficient, and economical synthesis of PET tracers in a droplet microreactor: application to O-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tyrosine ([18F]FET). EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry. 5 (1), 1 (2019).
- Wang, J., Holloway, T., Lisova, K., van Dam, R. M. Green and efficient synthesis of the radiopharmaceutical [18F]FDOPA using a microdroplet reactor. Reaction Chemistry & Engineering. 5 (2), 320-329 (2020).
- Lisova, K., Wang, J., Rios, A., van Dam, R. M. Adaptation and optimization of [F-18] Florbetaben ([F-18] FBB) radiosynthesis to a microdroplet reactor. Journal of Labelled Compounds and Radiopharmaceuticals. 62, 353-354 (2019).
- Wang, J., Chao, P. H., Slavik, R., van Dam, R. M. Multi-GBq production of the radiotracer [18F]fallypride in a droplet microreactor. RSC Advances. 10 (13), 7828-7838 (2020).
