Ottimizzazione delle reazioni radiochimiche utilizzando array di goccioline
Summary
Questo metodo descrive l’uso di una nuova metodologia ad alta produttività, basata su reazioni chimiche a goccia, per l’ottimizzazione rapida ed economica dei radiofarmaci usando quantità di nanomole di reagenti.
Abstract
Gli attuali radiosintesizzatori automatizzati sono progettati per produrre grandi lotti clinici di radiofarmaci. Non sono adatti per l’ottimizzazione della reazione o lo sviluppo radiofarmaceutico nuovo poiché ogni punto dati comporta un consumo significativo di reagenti e la contaminazione dell’apparecchio richiede tempo per il decadimento radioattivo prima del successivo utilizzo. Per affrontare queste limitazioni, è stata sviluppata una piattaforma per eseguire in parallelo array di reazioni a base di goccioline in miniatura, ognuna confinata all’interno di una trappola di tensione superficiale su un “chip” di silicio rivestito di politetrafluoroetilene modellato. Questi chip consentono studi rapidi e convenienti dei parametri di reazione, tra cui concentrazioni di reagenti, solvente di reazione, temperatura di reazione e tempo. Questa piattaforma consente il completamento di centinaia di reazioni in pochi giorni con un consumo minimo di reagenti, invece di prendere mesi utilizzando un radiosintesinteizzatore convenzionale.
Introduction
I radiofarmaci a emissione di positroni (PET) sono ampiamente utilizzati come strumenti di ricerca per monitorare specifici processi biochimici in vivo e studiare malattie, e per lo sviluppo di nuovi farmaci e terapie. Inoltre, il PET è uno strumento fondamentale per diagnosticare o mettere in scena la malattia e monitorare la risposta di un paziente alla terapia1,2,3. A causa della breve emivizione dei radioisotopi pet (ad esempio, 110 minuti per i radiofarmaci con etichetta fluoro-18) e del rischio di radiazioni, questi composti sono preparati utilizzando sistemi automatizzati specializzati che operano dietro la schermatura delle radiazioni e devono essere preparati poco prima dell’uso.
Gli attuali sistemi utilizzati per sintetizzare i radiofarmaci sono progettati per produrre grandi lotti che sono divisi in molte dosi individuali per condividere il costo di produzione. Mentre i sistemi attuali sono adatti per la produzione di radiotraccianti ampiamente utilizzati come [18F]FDG (perché più scansioni dei pazienti ed esperimenti di ricerca possono essere programmati in un solo giorno), questi sistemi possono essere dispendiosi per la produzione di nuovi radiotraccianti durante lo sviluppo in fase iniziale, o radiotraccianti meno comunemente usati. I volumi utilizzati dai sistemi convenzionali sono tipicamente nell’intervallo di 1-5 mL e le reazioni richiedono quantità precursori nell’intervallo da 1-10 mg. Inoltre, l’uso di radiosintesizzatori convenzionali è generalmente ingombrante durante gli studi di ottimizzazione poiché l’apparecchio viene contaminato dopo l’uso e l’utente deve attendere il decadimento della radioattività prima di eseguire l’esperimento successivo. Oltre al costo delle apparecchiature, il costo del radioisotopo e dei reagenti può quindi diventare molto consistente per gli studi che richiedono la produzione di più lotti. Ciò può verificarsi, ad esempio, durante l’ottimizzazione dei protocolli di sintesi per i nuovi radiotraccianti per ottenere una resa e un’affidabilità sufficienti per i primi studi di imaging in vivo.
Le tecnologie microfluidiche sono state sempre più utilizzate nella radiochimica per capitalizzare diversi vantaggi rispetto aisistemi convenzionali 4,5,6. Le piattaforme microfluidiche, comprese quelle basate su volumi di reazione 1-10 μL7,8,9, hanno mostrato una significativa riduzione dei volumi di reagenti e del consumo di costosi precursori, nonché brevi tempi di reazione. Queste riduzioni portano a costi inferiori, passaggi di riscaldamento ed evaporazione più rapidi, purificazione a valle più breve e diretta, un processo di chimica generale “più verde”10e una maggiore attività molare dei radiotracciantiprodotti 11. Questi miglioramenti rendono più pratico eseguire studi di ottimizzazione più approfonditi abbassando il costo di reagente di ogni sintesi. Ulteriori vantaggi possono essere ottenuti eseguendo più esperimenti da un singolo lotto di radioisotopo in un solo giorno. Ad esempio, i radiosintesitori di chimica del flusso microfluidico che operano in “modalità di scoperta” possono eseguire in sequenza dozzine di reazioni, ognuna utilizzando solo 10 s di volume di reazione μL12.
Ispirato da questi vantaggi, è stato sviluppato un chip array di goccioline multi-reazione in cui le reazioni microvolume sono limitate a una serie di trappole di tensione superficiale su una superficie di silicio, create utilizzando un rivestimento in teflon fantasia. Questi chip consentono di eseguire più reazioni alla scala da 1-20 μL contemporaneamente, aprendo la possibilità di esplorare 10 di diverse condizioni di reazione al giorno, ognuna con più repliche. In questo documento viene dimostrata l’utilità di questo nuovo approccio ad alta produttività per l’esecuzione di ottimizzazioni radiochimiche rapide e a basso costo. L’uso di trucioli di goccioline multi-reazione consente una comoda esplorazione dell’impatto delle concentrazioni di reagenti e del solvente di reazione, e l’uso di chip multipli potrebbe consentire lo studio della temperatura e del tempo di reazione, il tutto consumando quantità molto basse di precursore.
Protocol
Representative Results
Discussion
A causa delle limitazioni dei sistemi radiochimica convenzionali che consentono solo una o un piccolo numero di reazioni al giorno e consumano una quantità significativa di reagenti per punto dati, solo una piccola parte dello spazio complessivo dei parametri di reazione può essere esplorata nella pratica, e molte volte i risultati sono riportati senza ripetizioni (n =1). Rispetto ai sistemi convenzionali, questa piattaforma di radiosintesi a goccia multi-reazione rende pratico realizzare studi più completi e rigorosi…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo l’UCLA Biomedical Cyclotron Facility e il Dr. Roger Slavik e il Dr. Giuseppe Carlucci per aver generosamente fornito[18F]fluoruro per questi studi e l’UCLA NanoLab per il supporto con attrezzature per la fabbricazione di chip.
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).
