Оптимизация радиохимических реакций с использованием капельных матриц
Summary
Этот метод описывает использование новой высокопроизводительной методологии, основанной на капельных химических реакциях, для быстрой и экономичной оптимизации радиофармпрепаратов с использованием наномольных количеств реагентов.
Abstract
Современные автоматизированные радиосинтезизаторы предназначены для производства больших клинических партий радиофармацевтических препаратов. Они не очень хорошо подходят для оптимизации реакций или новых радиофармацевтических разработок, поскольку каждая точка данных связана со значительным потреблением реагентов, а загрязнение аппарата требует времени для радиоактивного распада перед следующим использованием. Для устранения этих ограничений была разработана платформа для параллельного выполнения массивов миниатюрных реакций на основе капель, каждая из которых заключена в ловушку поверхностного натяжения на узорчатом кремниевом «чипе» с политетрафторэтиленовым покрытием. Эти чипы позволяют быстро и удобно проводить исследования параметров реакции, включая концентрации реагентов, реакционный растворитель, температуру и время реакции. Эта платформа позволяет завершить сотни реакций за несколько дней с минимальным потреблением реагентов, вместо того, чтобы занимать месяцы с использованием обычного радиосинтезатора.
Introduction
Радиофармацевтические препараты позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) широко используются в качестве исследовательских инструментов для мониторинга конкретных биохимических процессов in vivo и изучения заболеваний, а также для разработки новых лекарств и методов лечения. Кроме того, ПЭТ является критически важным инструментом для диагностики или постановки заболевания и мониторинга реакции пациента на терапию1,2,3. Из-за короткого периода полураспада ПЭТ-радиоизотопов (например, 110 мин для радиофармацевтических препаратов, меченых фтором-18) и радиационной опасности эти соединения получают с использованием специализированных автоматизированных систем, работающих за радиационной защитой, и должны быть приготовлены непосредственно перед использованием.
Современные системы, используемые для синтеза радиофармацевтических препаратов, предназначены для производства больших партий, которые разделены на множество отдельных доз для совместного производства. В то время как современные системы подходят для производства широко используемых радиоиндикаверов, таких как [18F] FDG (потому что несколько сканирований пациентов и исследовательских экспериментов могут быть запланированы в один день), эти системы могут быть расточительными для производства новых радиоиндикаверов на ранней стадии разработки или менее часто используемых радиоиндикаверов. Объемы, используемые обычными системами, обычно находятся в диапазоне 1-5 мл, а реакции требуют количеств предшественников в диапазоне 1-10 мг. Кроме того, использование обычных радиосинтезаторов, как правило, громоздко во время оптимизационных исследований, поскольку аппарат загрязняется после использования, и пользователь должен ждать, пока радиоактивность распадется, прежде чем выполнять следующий эксперимент. Таким образом, помимо стоимости оборудования, стоимость радиоизотопов и реагентов может стать очень существенной для исследований, требующих производства нескольких партий. Это может произойти, например, во время оптимизации протоколов синтеза для новых радиоиндикаратов для достижения достаточного выхода и надежности для первоначальных исследований визуализации in vivo.
Микрофлюидные технологии все чаще используются в радиохимии, чтобы извлечь выгоду из нескольких преимуществ по сравнению с обычными системами4,5,6. Микрофлюидные платформы, в том числе основанные на реакционных объемах1-10 мкл 7,8,9,показали значительное снижение объемов реагентов и расход дорогостоящих предшественников, а также короткое время реакции. Эти сокращения приводят к снижению затрат, более быстрым этапам нагрева и испарения, более короткой и простой последующей очистке, общему «зеленому» химическому процессу10и более высокой молярной активности производимых радиоиндикаратов11. Эти усовершенствования делают более практичным проведение более обширных оптимизационых исследований за счет снижения стоимости реагентов каждого синтеза. Дальнейшие преимущества могут быть достигнуты путем проведения нескольких экспериментов из одной партии радиоизотопов в течение одного дня. Например, радиосинтезаторы микрофлюидной химии потока, работающие в «режиме обнаружения», могут последовательно выполнять десятки реакций, каждая из которых использует только 10 мкл реакционного объема12.
Вдохновленный этими преимуществами, был разработан многореакционно-капельный чип, в котором микрообойные реакции ограничены массивом ловушек поверхностного натяжения на поверхности кремния, созданный с использованием узорчатого тефлонового покрытия. Эти чипы позволяют одновременно выполнять несколько реакций в масштабе 1-20 мкл, открывая возможность исследовать 10 различных реакционных условий в день, каждая из которых с несколькими репликами. В данной работе демонстрируется полезность этого нового высокопроизводительного подхода для выполнения быстрых и недорогих оптимизаций радиохимии. Использование многореакционной капельной стружки позволяет удобно исследовать влияние концентраций реагентов и реакционного растворителя, а использование нескольких чипов может позволить изучать температуру и время реакции, при этом потребляя очень малое количество прекурсора.
Protocol
Representative Results
Discussion
Из-за ограничений обычных радиохимических систем, которые допускают только одну или небольшое количество реакций в день и потребляют значительное количество реагентов на точку данных, на практике может быть исследована только крошечная часть общего пространства параметров реакции, ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Биомедицинский циклотронный центр UCLA и доктора Роджера Славика и доктора Джузеппе Карлуччи за щедрое предоставление фторида [18F] для этих исследований и UCLA NanoLab за поддержку оборудованием для изготовления чипов.
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).
