Damlacık Dizileri Kullanılarak Radyokimyasal Reaksiyonların Optimizasyonu
Summary
Bu yöntem, nanomole miktarlarda reaktif kullanarak radyofarmasötiklerin hızlı ve ekonomik optimizasyonu için damlacık kimyasal reaksiyonlarına dayanan yeni bir yüksek verimli metodolojinin kullanımını açıklar.
Abstract
Mevcut otomatik radyosynthesizer’lar, büyük klinik radyofarmasötik partiler üretmek için tasarlanmıştır. Reaksiyon optimizasyonu veya yeni radyofarmasötik gelişim için uygun değildirler, çünkü her veri noktası önemli reaktif tüketimi içerir ve cihazın kirlenmesi bir sonraki kullanımdan önce radyoaktif çürüme için zaman gerektirir. Bu sınırlamaları gidermek için, her biri desenli politetrafloroetilen kaplı silikon “çip” üzerinde bir yüzey gerilim tuzağı içinde sınırlı olan paralel olarak minyatür damlacık bazlı reaksiyon dizileri gerçekleştirmek için bir platform geliştirilmiştir. Bu çipler reaktif konsantrasyonları, reaksiyon çözücü, reaksiyon sıcaklığı ve zaman dahil olmak üzere reaksiyon parametrelerinin hızlı ve rahat bir şekilde çalışmasını sağlar. Bu platform, geleneksel bir radyosithesizer kullanarak aylar almak yerine, minimum reaktif tüketimi ile birkaç gün içinde yüzlerce reaksiyonun tamamlanmasına izin eder.
Introduction
Pozitron emisyon tomografisi (PET) radyofarmasötikler, spesifik in vivo biyokimyasal süreçleri izlemek ve hastalıkları incelemek ve yeni ilaçlar ve tedavilerin geliştirilmesi için araştırma araçları olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, PET hastalığı teşhis etmek veya evrelemek ve hastanın tedaviye yanıtını izlemek için kritik bir araçtır1,2,3. PET radyoizotopların kısa yarı ömrü (örneğin, flor-18 etiketli radyofarmasötikler için 110 dk) ve radyasyon tehlikesi nedeniyle, bu bileşikler radyasyon kalkanının arkasında çalışan özel otomatik sistemler kullanılarak hazırlanır ve kullanımdan hemen önce hazırlanmalıdır.
Radyofarmasötikleri sentezlemek için kullanılan akım sistemleri, üretim maliyetini paylaşmak için birçok bireysel doza bölünmüş büyük partiler üretmek için tasarlanmıştır. Mevcut sistemler [18F]FDG gibi yaygın olarak kullanılan radyotracerlerin üretimi için uygun olsa da (çünkü birden fazla hasta taraması ve araştırma deneyi tek bir günde planlanabilir), bu sistemler erken aşama geliştirme sırasında yeni radyotracerlerin veya daha az yaygın olarak kullanılan radyotracerlerin üretimi için israf edilebilir. Geleneksel sistemlerin kullandığı hacimler tipik olarak 1-5 mL aralığındadır ve reaksiyonlar 1-10 mg aralığında öncül miktarlar gerektirir. Ayrıca, geleneksel radyosynthesizer’ların kullanılması optimizasyon çalışmaları sırasında genellikle hantaldır, çünkü cihaz kullanımdan sonra kirlenir ve kullanıcı bir sonraki deneyi yapmadan önce radyoaktivitenin çürümesini beklemelidir. Ekipman maliyetinin yanı sıra, radyoizotop ve reaktiflerin maliyeti, bu nedenle, birden fazla parti üretimi gerektiren çalışmalar için çok önemli hale gelebilir. Bu, örneğin, ilk in vivo görüntüleme çalışmaları için yeterli verim ve güvenilirlik elde etmek için yeni radyotracers için sentez protokollerinin optimizasyonu sırasında ortaya çıkabilir.
Mikroakışkan teknolojiler, radyokimyada geleneksel sistemler 4,5,6’yagöre çeşitli avantajlardan yararlanmak için giderek daha fazla kullanılmaktadır. 1-10 μL reaksiyon hacimleri7,8,9‘a dayananlar da dahil olmak üzere mikroakışkan platformlar, reaktif hacimlerinde ve pahalı öncüllerin tüketiminde ve kısa reaksiyon sürelerinde önemli bir azalma göstermiştir. Bu azalmalar daha düşük maliyetlere, daha hızlı ısıtma ve buharlaşma adımlarına, daha kısa ve daha basit aşağı akış saflaştırmasına, genel bir “daha yeşil” kimyaişlemine 10ve üretilen radyotracers11’indaha yüksek azı dişi aktivitesine yol açar. Bu iyileştirmeler, her sentezin reaktif maliyetini düşürerek daha kapsamlı optimizasyon çalışmaları yapmayı daha pratik hale getirir. Tek bir günde tek bir radyoizotoptan birden fazla deney yapılarak daha fazla fayda elde edilebilir. Örneğin, “keşif modunda” çalışan mikroakışkan akış kimyası radyosynthesizer’ları, her biri yalnızca 10s μL reaksiyon hacmi12kullanarak düzinelerce reaksiyon gerçekleştirebilir.
Bu avantajlardan esinlenerek, mikrovolum reaksiyonlarının bir dizi yüzey gerilim tuzağıyla sınırlı olduğu, desenli bir Teflon kaplama kullanılarak oluşturulan çok reaksiyonlu damlacık dizisi çipi geliştirildi. Bu yongalar, 1-20 μL ölçeğinde aynı anda gerçekleştirilecek birden fazla reaksiyona olanak tanır ve her biri birden fazla çoğaltmaya sahip günde 10’larca farklı reaksiyon koşulu keşfetme imkanını açar. Bu makalede, hızlı ve düşük maliyetli radyokimya optimizasyonları gerçekleştirmek için bu yeni yüksek verimli yaklaşımın faydası gösterilmiştir. Çok reaksiyonlu damlacık yongaları kullanmak, reaktif konsantrasyonlarının ve reaksiyon çözücüslerinin etkisinin kolayca araştırılmasını sağlar ve birden fazla çipin kullanılması, çok düşük miktarlarda öncü tüketirken reaksiyon sıcaklığının ve zamanının incelenmesini sağlayabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Günde sadece bir veya az sayıda reaksiyona izin veren ve veri noktası başına önemli miktarda reaktif tüketen geleneksel radyokimya sistemlerinin sınırlamaları nedeniyle, genel reaksiyon parametre alanının sadece küçük bir kısmı pratikte araştırılabilir ve çoğu zaman sonuçlar tekrarsız olarak bildirilir (n=1). Geleneksel sistemlerle karşılaştırıldığında, bu çok reaksiyonlu damlacık radyosentez platformu, çok az zaman ve öncül tüketirken radyosentez koşullarının daha kapsamlı ve ti…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
UCLA Biyomedikal Siklotron Tesisi’ne ve Dr. Roger Slavik ve Dr. Giuseppe Carlucci’ye bu çalışmalar için cömertçe[18F] florür sağladıkları için ve UCLA NanoLab’a çip üretimi için ekipman desteği için teşekkür ederiz.
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).
