Optimierung radiochemischer Reaktionen mit Droplet Arrays
Summary
Diese Methode beschreibt den Einsatz einer neuartigen Hochdurchsatzmethode, basierend auf tröpfchenchemischen Reaktionen, zur schnellen und wirtschaftlichen Optimierung von Radiopharmazeutika unter Verwendung von Nanomolmengen an Reagenzien.
Abstract
Aktuelle automatisierte Radiosynthesizer sind für die Herstellung großer klinischer Chargen von Radiopharmazeutika ausgelegt. Sie eignen sich nicht gut für die Reaktionsoptimierung oder die neuartige radiopharmazeutische Entwicklung, da jeder Datenpunkt einen erheblichen Reagenzienverbrauch mit sich bringt und die Kontamination des Geräts Zeit für den radioaktiven Zerfall vor der nächsten Verwendung benötigt. Um diese Einschränkungen zu beheben, wurde eine Plattform für die parallele Durchführung von Arrays von Miniatur-Tröpfchenreaktionen entwickelt, die jeweils in einer Oberflächenspannungsfalle auf einem gemusterten Polytetrafluorethylen-beschichteten Silizium-“Chip” eingeschlossen sind. Diese Chips ermöglichen schnelle und bequeme Untersuchungen von Reaktionsparametern wie Reagenzkonzentrationen, Reaktionslösungsmittel, Reaktionstemperatur und -zeit. Diese Plattform ermöglicht den Abschluss von Hunderten von Reaktionen in wenigen Tagen mit minimalem Reagenzienverbrauch, anstatt Monate mit einem herkömmlichen Radiosynthesizer zu dauern.
Introduction
Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Radiopharmazeutika werden häufig als Forschungswerkzeuge zur Überwachung spezifischer biochemischer Prozesse in vivo und zur Untersuchung von Krankheiten sowie zur Entwicklung neuer Medikamente und Therapien eingesetzt. Darüber hinaus ist PET ein wichtiges Instrument zur Diagnose oder Staging von Krankheiten und zur Überwachung des Ansprechens eines Patienten auf die Therapie1,2,3. Aufgrund der kurzen Halbwertszeit von PET-Radioisotopen (z. B. 110 min für Fluor-18-markierte Radiopharmazeutika) und der Strahlengefährdung werden diese Verbindungen mit speziellen automatisierten Systemen hergestellt, die hinter der Strahlenabschirmung arbeiten und müssen kurz vor der Verwendung vorbereitet werden.
Aktuelle Systeme, die zur Synthese von Radiopharmazeutika verwendet werden, sind so konzipiert, dass sie große Chargen produzieren, die in viele Einzeldosen aufgeteilt werden, um die Produktionskosten zu teilen. Während aktuelle Systeme für die Herstellung weit verbreiteter Radiotracer wie [18F]FDG geeignet sind (da mehrere Patientenscans und Forschungsexperimente an einem einzigen Tag geplant werden können), können diese Systeme für die Herstellung neuartiger Radiotracer in der frühen Entwicklungsphase oder weniger häufig verwendeter Radiotracer verschwenderisch sein. Die Volumina, die herkömmliche Systeme verwenden, liegen typischerweise im Bereich von 1-5 ml, und die Reaktionen erfordern Vorläufermengen im Bereich von 1-10 mg. Darüber hinaus ist die Verwendung herkömmlicher Radiosynthesizer bei Optimierungsstudien in der Regel umständlich, da die Apparatur nach dem Gebrauch kontaminiert wird und der Benutzer vor dem nächsten Experiment auf den Zerfall der Radioaktivität warten muss. Abgesehen von den Ausrüstungskosten können die Kosten für das Radioisotop und die Reagenzien daher für Studien, die die Herstellung mehrerer Chargen erfordern, sehr hoch werden. Dies kann beispielsweise bei der Optimierung von Syntheseprotokollen für neuartige Radiotracer auftreten, um eine ausreichende Ausbeute und Zuverlässigkeit für erste in vivo Bildgebungsstudien zu erreichen.
Mikrofluidische Technologien werden zunehmend in der Radiochemie eingesetzt, um mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen zu nutzen4,5,6. Mikrofluidische Plattformen, einschließlich solcher, die auf 1-10 μL Reaktionsvolumina7,8,9basieren, haben eine signifikante Reduzierung des Reagenzienvolumens und des Verbrauchs teurer Vorprodukte sowie kurze Reaktionszeiten gezeigt. Diese Reduzierungen führen zu niedrigeren Kosten, schnelleren Erhitzungs- und Verdampfungsschritten, kürzerer und einfacherer nachgeschalteter Reinigung, einem insgesamt “grüneren” chemischen Prozess10und einer höheren molaren Aktivität der produzierten Radiotracer11. Diese Verbesserungen machen es praktischer, umfangreichere Optimierungsstudien durchzuführen, indem die Reagenzkosten jeder Synthese gesenkt werden. Weitere Vorteile können durch die Durchführung mehrerer Experimente aus einer einzigen Charge von Radioisotopen an einem einzigen Tag erreicht werden. Zum Beispiel können mikrofluidische Strömungschemie-Radiosynthesizer, die im “Entdeckungsmodus” arbeiten, Dutzende von Reaktionen nacheinander durchführen, wobei jede nur 10s des μL-Reaktionsvolumens12verwendet.
Inspiriert von diesen Vorteilen wurde ein Multi-Reaction-Droplet-Array-Chip entwickelt, bei dem Mikrovolumenreaktionen auf eine Reihe von Oberflächenspannungsfallen auf einer Siliziumoberfläche beschränkt sind, die mit einer gemusterten Teflonbeschichtung erzeugt werden. Diese Chips ermöglichen die gleichzeitige Durchführung mehrerer Reaktionen auf der Skala von 1-20 μL, was die Möglichkeit eröffnet, 10 verschiedene Reaktionsbedingungen pro Tag mit jeweils mehreren Replikaten zu untersuchen. In diesem Artikel wird der Nutzen dieses neuen Hochdurchsatzansatzes für die Durchführung schneller und kostengünstiger radiochemischer Optimierungen demonstriert. Die Verwendung von Multireaktions-Tröpfchenchips ermöglicht eine bequeme Untersuchung der Auswirkungen von Reagenzkonzentrationen und Reaktionslösungsmitteln, und die Verwendung mehrerer Chips könnte die Untersuchung der Reaktionstemperatur und -zeit ermöglichen, während gleichzeitig sehr geringe Mengen an Vorläufern verbraucht werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aufgrund der Einschränkungen herkömmlicher radiochemischer Systeme, die nur eine oder eine kleine Anzahl von Reaktionen pro Tag zulassen und eine signifikante Menge an Reagenzien pro Datenpunkt verbrauchen, kann in der Praxis nur ein winziger Teil des gesamten Reaktionsparameterraums untersucht werden, und oft werden Ergebnisse ohne Wiederholungen gemeldet (n = 1). Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen macht es diese Multireaktions-Tröpfchen-Radiosyntheseplattform praktisch, umfassendere und strengere Studien der Ra…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken der UCLA Biomedical Cyclotron Facility und Dr. Roger Slavik und Dr. Giuseppe Carlucci für die großzügige Bereitstellung von [18F]fluorid für diese Studien und dem UCLA NanoLab für die Unterstützung mit Geräten für die Chipherstellung.
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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