Optimering av radiokemiska reaktioner med droplet arrays
Summary
Denna metod beskriver användningen av en ny metod med hög genomströmning, baserad på droppkemiska reaktioner, för snabb och ekonomisk optimering av radioaktiva läkemedel med hjälp av nanomolmängder av reagenser.
Abstract
Nuvarande automatiserade radiosynteser är utformade för att producera stora kliniska partier av radioaktiva läkemedel. De är inte väl lämpade för reaktionsoptimering eller ny radiofarmaceutisk utveckling eftersom varje datapunkt innebär betydande reagensförbrukning, och kontaminering av apparaten kräver tid för radioaktivt sönderfall före nästa användning. För att hantera dessa begränsningar utvecklades en plattform för att utföra matriser av miniatyr droppbaserade reaktioner parallellt, var och en begränsad i en ytspänningsfälla på ett mönstrat polytetrafluoretylenbelagt kisel “chip”. Dessa chips möjliggör snabba och praktiska studier av reaktionsparametrar inklusive reagenskoncentrationer, reaktionsmedel, reaktionstemperatur och tid. Denna plattform tillåter slutförandet av hundratals reaktioner på några dagar med minimal reagensförbrukning, istället för att ta månader med en konventionell radiosyntes.
Introduction
Positron-emission tomography (PET) radiofarmaceutiska läkemedel används ofta som forskningsverktyg för att övervaka specifika in vivo biokemiska processer och studera sjukdomar, och för utveckling av nya läkemedel och terapier. Dessutom är PET ett kritiskt verktyg för att diagnostisera eller iscensätta sjukdom och övervaka en patients svar på terapi1,2,3. På grund av pet-radioisotopers korta halveringstid (t.ex. 110 min för fluor-18-märkta radioaktiva läkemedel) och strålningsrisken bereds dessa föreningar med hjälp av specialiserade automatiserade system som arbetar bakom strålskärmning och måste beredas strax före användning.
Nuvarande system som används för att syntetisera radioaktiva läkemedel är utformade för att producera stora partier som är uppdelade i många enskilda doser för att dela produktionskostnaden. Medan nuvarande system är lämpliga för produktion av allmänt använda radiotracers som [18F]FDG (eftersom flera patientskanningar och forskningsexperiment kan schemaläggas på en enda dag), kan dessa system vara slösaktiga för produktion av nya radiotracers under tidig utveckling, eller mindre vanliga radiotracers. Volymer som konventionella system använder ligger vanligtvis inom intervallet 1-5 ml, och reaktionerna kräver prekursormängder i intervallet 1-10 mg. Dessutom är användning av konventionella radiosynteser i allmänhet besvärlig under optimeringsstudier eftersom apparaten blir förorenad efter användning och användaren måste vänta på att radioaktiviteten sönderfaller innan nästa experiment utförs. Bortsett från utrustningskostnader kan kostnaden för radioisotope och reagenser därför bli mycket betydande för studier som kräver produktion av flera partier. Detta kan till exempel inträffa under optimeringen av syntesprotokoll för nya radiotracers för att uppnå tillräcklig avkastning och tillförlitlighet för inledande in vivo-avbildningsstudier.
Mikrofluidisk teknik har i allt högre grad använts inom radiokemi för att dra nytta av flera fördelar jämfört med konventionella system4,5,6. Mikrofluidiska plattformar, inklusive de som baseras på 1-10 μLreaktionsvolymer 7,8,9, har visat en betydande minskning av reagensvolymer och förbrukning av dyra prekursorer, liksom korta reaktionstider. Dessa minskningar leder till lägre kostnader, snabbare uppvärmnings- och avdunstningssteg, kortare och enklare nedströmsrening, en övergripande “grönare”kemiprocess 10och högre molaktivitet hos de producerade radiotracersna11. Dessa förbättringar gör det mer praktiskt att utföra mer omfattande optimeringsstudier genom att sänka reagenskostnaden för varje syntes. Ytterligare fördelar kan uppnås genom att utföra flera experiment från en enda sats radioisotope på en enda dag. Till exempel kan mikrofluidiska flödeskemiska radiosynteser som arbetar i “upptäcktsläge” i tur och med sekventiellt utföra dussintals reaktioner, var och en med endast 10s μLreaktionsvolym 12.
Inspirerad av dessa fördelar utvecklades ett flerreaktionsdroppar där mikrovolumreaktioner är begränsade till en rad ytspänningsfällor på en kiselyta, skapad med hjälp av en mönstrad Teflon-beläggning. Dessa chips gör det möjligt att utföra flera reaktioner på 1-20 μL-skalan samtidigt, vilket öppnar möjligheten att utforska 10-tal olika reaktionsförhållanden per dag, var och en med flera replikat. I det här dokumentet demonstreras nyttan av denna nya hög genomströmningsmetod för att utföra snabba och billiga radiokemioptimeringar. Användning av droppchips med flera reaktioner möjliggör bekväm utforskning av effekten av reagenskoncentrationer och reaktionsmedel, och användning av flera chips kan möjliggöra studier av reaktionstemperatur och reaktionstid, samtidigt som mycket låga mängder prekursor konsumeras.
Protocol
Representative Results
Discussion
På grund av begränsningar i konventionella radiokemisystem som endast tillåter en eller ett litet antal reaktioner per dag och förbrukar en betydande mängd reagenser per datapunkt kan endast en liten del av det totala reaktionsparameterutrymmet utforskas i praktiken, och många gånger rapporteras resultat utan upprepningar (n =1). Jämfört med konventionella system gör denna multireaktions droppradie radiosyntesplattform det praktiskt att utföra mer omfattande och rigorösa studier av radiosyntesförhållanden s…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar UCLA Biomedical Cyclotron Facility och Dr. Roger Slavik och Dr. Giuseppe Carlucci för att generöst tillhandahålla [18F] fluor för dessa studier och UCLA NanoLab för stöd med utrustning för chiptillverkning.
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).
