Radiosyntese av 1-(2-[18F]Fluoroethyl)-L-Tryptophan ved hjelp av en one-pot, to-trinns protokoll
Summary
Her beskriver vi radiosyntesen til 1-(2-[18F]Fluoroethyl)-L-tryptofan, et positronutslippstomografiavbildningsmiddel for å studere tryptofan metabolisme, ved hjelp av en en-pott, to-trinns strategi i et radiokjemisk syntesesystem med gode radiokjemiske utbytter, høyt enantiomerisk overskudd og høy pålitelighet.
Abstract
Kynurenine banen (KP) er en primær rute for tryptofan metabolisme. Bevis tyder sterkt på at metabolitter av KP spiller en viktig rolle i tumorproliferasjon, epilepsi, nevrodegenerative sykdommer og psykiatriske sykdommer på grunn av deres immunmodulerende, nevromodulerende og nevrotoksiske effekter. Den mest brukte positronutslippstomografien (PET) agent for kartlegging av tryptofan metabolisme, α-[11C]metyl-L-tryptofan ([11C]AMT), har en kort halveringstid på 20 min med arbeidskrevende radiosynteseprosedyrer. En syklotron på stedet er nødvendig for å radiosyntetisere [11C]AMT. Bare et begrenset antall sentre produserer [11C]AMT for prekliniske studier og kliniske undersøkelser. Derfor er utviklingen av et alternativt bildebehandlingsmiddel som har en lengre halveringstid, gunstig in vivo kinetikk, og er lett å automatisere, nødvendig. Verktøyet og verdien av 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptofan, en fluor-18-merket tryptofan analog, har blitt rapportert i prekliniske applikasjoner i cellelinje-avledede xenografter, pasientavledede xenografter og transgene tumormodeller.
Dette dokumentet presenterer en protokoll for radiosyntesen av 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptofan ved hjelp av en en-pott, to-trinns strategi. Ved hjelp av denne protokollen kan radiotraceren produseres i et 20 ± 5% (forfall korrigert på slutten av syntesen, n > 20) radiokjemisk utbytte, med både radiokjemisk renhet og enantiomerisk overskudd på over 95%. Protokollen har en liten forløpermengde med ikke mer enn 0,5 ml reaksjonsløsningsmiddel i hvert trinn, lav belastning av potensielt giftig 4,7,13,16,21,24-hexaoxa-1,10-diazabicyclo[8.8.8]heksakosan (K222), og en miljømessig godartet og injiserbar mobilfase for rensing. Protokollen kan enkelt konfigureres til å produsere 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptofan for klinisk undersøkelse i en kommersielt tilgjengelig modul.
Introduction
Hos mennesker er tryptofan en viktig komponent i det daglige kostholdet. Tryptofan metaboliseres primært via kynureninbanen (KP). KP er katalysert av to hastighetsbegrensende enzymer, indoleamin 2, 3-dioksygenase (IDO) og tryptofan 2, 3-dioksygenase (TDO). Mer enn 95% av tryptofan konverteres til kynurenin og dens nedstrøms metabolitter, og til slutt genererer nikotinamid adenin dinucleotide, som er avgjørende for cellulær energitransduksjon. KP er en sentral regulator av immunsystemet og en viktig regulator av nevroplastisitet og nevrotoksiske effekter1,2. Unormal tryptofan metabolisme er involvert i ulike nevrologiske, onkologiske, psykiatriske og metabolske forstyrrelser; Derfor har radiomerkede tryptofananaloger blitt mye brukt i klinisk undersøkelse. De to vanligste klinisk undersøkte tryptofan radiotracers er 11C-α-metyl-L-tryptofan ([11C]AMT) og 11C-5-hydroxytryptophan (11C-5-HTP)3.
På 1990-tallet ble 11C-5-HTP brukt til å visualisere serotonin-utskillende nevroendokrine svulster4 og for å diagnostisere og overvåke terapi av metastatisk hormon-refraktær prostata adenokarsinom5. Senere ble det brukt som et bildeverktøy for kvantifisering av det serotonergiske systemet i den endokrine bukspyttkjertelen6. 11 C-5-HTP har også vært en lovende sporstoff for ikke-invasiv påvisning av levedyktige holmer i intraportal holmetransplantasjon og type 2 diabetes7,8. I løpet av de siste to tiårene har mange radiomerkede aminosyrer gått videre til klinisk undersøkelse9,10. Spesielt har den karbon-11-merkede tryptofan-analogen [11C]AMT fått omfattende oppmerksomhet for kartlegging av hjernens serotoninsyntese11,12,13,14 og for lokalisering av epileptisk foci, epileptogene svulster, tuberøs sklerosekompleks, gliomer og brystkreft15,16,17,18,19,19,19 ,21,22,23,24,25,26. [11C] AMT har også høyt opptak i ulike lav- og høyverdige svulster hos barn27. Videre har kinetisk traceranalyse av [11C]AMT hos mennesker blitt brukt til å differensiere og gradere ulike svulster og skille glioma fra strålingsindusert vevsskade15. [11C] AMT-veiledet avbildning viser betydelige kliniske fordeler ved hjernesykdommer3,25. På grunn av den korte halveringstiden til karbon-11 (20 min) og de arbeidskrevende radiosynteseprosedyrene, er [11C]AMT-bruk begrenset til de få PET-sentrene med et syklotron- og radiokjemianlegg på stedet.
Fluor-18 har en gunstig halveringstid på 109,8 min, sammenlignet med 20 min halveringstid på karbon-11. I økende grad har det vært fokusert innsats på utvikling av fluor-18-merkede radiotracers for tryptofan metabolisme3,28. Totalt 15 unike fluor-18 radiomerkede tryptofan radiotracers har blitt rapportert når det gjelder radiomerking, transportmekanismer, in vitro og in vivo stabilitet, biodistribusjon og tumoropptak i xenografts. Imidlertid ble rask de vivo-defluorinasjon observert for flere sporstoffer, inkludert 4-, 5- og 6-[18F]fluorotryptofan, som utelukker ytterligere klinisk oversettelse29. 5-[18F]Fluor-α-metyltryptofan (5-[18F]FAMT) og 1-(2-[18F]fluoroetyl)-L-tryptofan (L-[18F]FETrp, også kjent som (S)-2-amino-3-(1-(2-[18F]fluoroethyl)-1H-indol-3-yl)propanoinsyre, molekylvekt 249,28 g/mole), er de to mest lovende radiotracers med gunstig in vivo kinetikk i dyremodeller og stort potensial til å overgå [11 C]AMT for evaluering av kliniske tilstander med deregulert tryptofan metabolisme28. 5-[18F]FAMT viste høyt opptak i IDO1-positive tumor xenografter av immunkompromitterte mus og er mer spesifikk for avbildning av KP enn [11C]AMT28,30. In vivo-stabiliteten til 5-[18F]FAMT er imidlertid fortsatt en potensiell bekymring ettersom ingen in vivo-defluoreringsdata er rapportert utover 30 min etter injeksjon av tracer30.
En preklinisk studie i en genmodifisert medulloblastommusmodell viste at sammenlignet med 18F-fluorodeoksyglucose (18F-FDG), L-[18F]FETrp hadde høy akkumulering i hjernesvulster, ubetydelig in vivo-defluornasjon og lavt bakgrunnsopptak, noe som viste et overlegent mål-til-ikke-mål-forhold31,32. Strålingsdosimetristudier hos mus indikerte at L-[18F]FETrp hadde en omtrent 20% lavere gunstig dosimetrieksponering enn den kliniske 18F-FDG PET tracer33. I samsvar med andre forskeres funn gir prekliniske studiedata betydelige bevis for å støtte den kliniske oversettelsen av L-[18F]FETrp for undersøkelse av unormal tryptofan metabolisme hos mennesker med hjernesykdommer som epilepsi, nevro-onkologi, autisme og tuberøs sklerose28,31,32,33,34,35,36 . En samlet sammenligning mellom de tre mest undersøkte sporstoffene for tryptofanmetabolisme, 11C-5-HTP, [11C]AMT og L-[18F]FETrp, er vist i tabell 1. Både 11C-5-HTP og [11C]AMT har en kort halveringstid og arbeidskrevende radiomerkingsprosedyrer. En protokoll for radiosyntesen til L-[18F]FETrp ved hjelp av en en-pott, to-trinns tilnærming er beskrevet her. Protokollen har bruk av en liten mengde radiomerkingsforløper, et lite volum reaksjonsløsningsmidler, lav lasting av giftig K222 og en miljømessig godartet og injiserbar mobil fase for rensing og enkel formulering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tryptofan er en essensiell aminosyre for mennesker. Det spiller en viktig rolle i reguleringen av humør, kognitiv funksjon og oppførsel. Radiomerkede tryptofanderivater, spesielt karbon-11-merket [11C]AMT, har blitt grundig studert på grunn av deres unike rolle i kartlegging av serotoninsyntese38,39, detektering og gradering av svulster40, guiding epilepsikirurgi41,42, og evaluering av behandlingsrespons i</…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Diagnostic &Research PET/MRI Center, og av Institutt for biomedisinsk forskning og radiologi ved Nemours/Alfred I. duPont Hospital for Children.
Materials
| [18F]Fluoride in [18O]H2O | PETNET Solutions Inc. | N/A | |
| 4,7,13,16,21,24-hexaoxa-1,10-diazabicyclo[8.8.8]hexacosane | ACROS | 291950010 | Kryptofix 222 or K222, 98% |
| Acetic acid | ACROS | 222142500 | 99.8% |
| Acetonitrile | Sigma-Aldrich | 271004 | anhydrous, 99.8% |
| Agilent 1260 HPLC system | Agilent Technologies | Agilent 1260 | Agilent 1260 series |
| Analytcial chiral HPLC column | Sigma-Aldrich | 12024AST | Astec CHIROBIOTIC T, 25 cm × 4.6 mm |
| Carbon dioxide, 60 LBS | Airgas | REFR744R200S | 99.99% |
| D-FETrp standard reference | Affinity Research Chemicals Inc | N/A | Custom synthesis |
| Empty sterile vial | Jubilant HollisterStier | 7515 | 20 mm closure, 10 mL |
| Ethanol | Decon Labs | 2716 | 200 proof, USP grade. ≥99.9% |
| Fisherbrand 13 mm Syringe Filter, 0.22 µm, PVDF, sterile | Fisher Scientific | 09-720-3 | |
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 30721 | ≥37% |
| Isopropanol | Decon Labs | 8316 | 70%, sterile |
| L-[18F]FETrp radiolabeling precursor | Affinity Research Chemicals Inc | N/A | Custom synthesis |
| L-FETrp standard reference | Affinity Research Chemicals Inc | N/A | Custom synthesis |
| Light C8 cartridge | Waters | WAT036770 | Sep-Pak C8 plus light cartridge |
| Needle, 20 G x 1 | Becton-Dickinson & Co. | 305175 | |
| Needle, 20 G x 1 ½ | Becton-Dickinson & Co. | 305176 | |
| Needle, 21 G x 2 | Becton-Dickinson & Co. | 305129 | |
| Neutral aluminum oxide | Waters | WAT023561 | Sep-Pak alumina N plus light |
| Nylon membrane (0.20 µm ) | MilliPore | GNWP04700 | 47 mm |
| Pall Acrodisc 25 mm syringe sterile filter | Pall Corporation | 4907 | |
| PETCHEM radiochemistry synthesis system | PETCHEM Solutions Inc. Pinckney, MI | N/A | Radiosynthesizer |
| pH strips 2.0 – 9.0 | EMD Millipore | 1.09584.0001 | |
| Potassium carbonate | Sigma-Aldrich | 367877 | 99.995% |
| Quaternary methylammonium light cartridge | Waters | 186004051 | Sep-Pak QMA light |
| Semi-preparative C18 HPLC column | Phenomenex | 00D-4253-N0 | 100 × 10 mm |
| Semi-preparative chiral HPLC column | Sigma-Aldrich | 12034AST | Astec CHIROBIOTIC T, 25 cm × 10 mm |
| Sodium chloride injection 23.4% | APP Pharmaceutical, LLC | 18730 | USP grade |
| Sodium chloridei injection 0.9% | Hospira | NDC 0409-4888-10 | USP grade |
| Sodium hydroxide | Honeywell | 306576 | 99.99% |
| Spinal needle, 20 G x 3 ½ | Becton-Dickinson & Co. | 405182 | |
| Sterile alcohol prep pads | BioMed Resource Inc. | PC661 | |
| Sterile empty vials, 2 mL | Hollister Stier | 7505ZA | 13 mm closure |
| Sterile empty vials, 30 mL | Jubilant HollisterStier | 7520ZA | 20 mm closure |
| Syringe PP/PE, 3 mL, Luer Lock | Air-Tite | 4020-X00V0 | |
| Syringe PP/PE, 5 mL, Luer Lock | Becton-Dickinson & Co. | 309646 | |
| Syringe, PP/PE, 10 mL, NORM-JECT | Air-Tite | 4100-000V0 | |
| Syringe, 1 mL, Luer Slip | Becton-Dickinson & Co. | 309659 | |
| Syringe, 3 mL, Luer-Lock | Becton-Dickinson & Co. | 309657 | |
| Ultra high purity argon | Airgas | AR UHP300 | 99.999% |
| Ultrapure water | MilliporeSigma | ZRQSVP300 | Direct-Q 3 tap to pure and ultrapure water purification system |
References
- Cetina Biefer, H. R., Vasudevan, A., Elkhal, A. Aspects of tryptophan and nicotinamide adenine dinucleotide in immunity: A new twist in an old tale. International Journal of Tryptophan Research. 10, 1178646917713491 (2017).
- Savitz, J. The kynurenine pathway: a finger in every pie. Molecular Psychiatry. 25 (1), 131-147 (2020).
- Zlatopolskiy, B. D., et al. 11C- and 18F-labelled tryptophans as PET-tracers for imaging of altered tryptophan metabolism in age-associated disorders. Russian Chemical Reviews. 89 (9), 879-896 (2020).
- Eriksson, B., et al. Positron emission tomography (PET) in neuroendocrine gastrointestinal tumors. Acta Oncologica. 32 (2), 189-196 (1993).
- Kälkner, K. M., et al. Positron emission tomography (PET) with 11C-5-Hydroxytryptophan (5-HTP) in patients with metastatic hormone-refractory prostatic adenocarcinoma. Nuclear Medicine and Biology. 24 (4), 319-325 (1997).
- Eriksson, O., et al. Quantitative imaging of serotonergic biosynthesis and degradation in the endocrine pancreas. Journal of Nuclear Medicine. 55 (3), 460-465 (2014).
- Carlbom, L., et al. 11C]5-hydroxy-tryptophan pet for assessment of islet mass during progression of type 2 diabetes. Diabetes. 66 (5), 1286-1292 (2017).
- Eriksson, O., et al. Positron emission tomography to assess the outcome of intraportal islet transplantation. Diabetes. 65 (9), 2482-2489 (2016).
- Jager, P. L., et al. Radiolabeled amino acids: Basic aspects and clinical applications in oncology. Journal of Nuclear Medicine. 42 (3), 432-445 (2001).
- Langen, K. J., Galldiks, N. Update on amino acid pet of brain tumours. Current Opinion in Neurology. 31 (4), 354-361 (2018).
- Chugani, D. C., Muzik, O., Chakraborty, P., Mangner, T., Chugani, H. T. Human brain serotonin synthesis capacity measured in vivo with α-[C-11]methyl-L-tryptophan. Synapse. 28 (1), 33-43 (1998).
- Chugani, D. C., Muzik, O. Alpha[C-11]methyl-L-tryptophan PET maps brain serotonin synthesis and Kynurenine pathway metabolism. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 20, 2-9 (2000).
- Diksic, M., Nagahiro, S., Sourkes, T. L., Yamamoto, Y. L. A new method to measure brain serotonin synthesis in vivo. I. Theory and basic data for a biological model. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 10 (1), 1-12 (1990).
- Diksic, M., Young, S. N. Study of the brain serotonergic system with labeled α-methyl-L-tryptophan. Journal of Neurochemistry. 78 (6), 1185-1200 (2001).
- Alkonyi, B., et al. Accurate differentiation of recurrent gliomas from radiation injury by kinetic analysis of α-11C-methyl-L-tryptophan PET. Journal of Nuclear Medicine. 53, 1058-1064 (2012).
- Bagla, S., et al. A distinct microRNA expression profile is associated with α[11C]-methyl-L-tryptophan (AMT) PET uptake in epileptogenic cortical tubers resected from patients with tuberous sclerosis complex. Neurobiology of Disease. 109, 76-87 (2018).
- Alkonyi, B., et al. Increased tryptophan transport in epileptogenic dysembryoplastic neuroepithelial tumors. Journal of Neuro-oncology. 107 (2), 365-372 (2012).
- Chugani, D. C. α-methyl-L-tryptophan: Mechanisms for tracer localization of epileptogenic brain regions. Biomarkers in Medicine. 5 (5), 567-575 (2011).
- Chugani, D. C., et al. Imaging epileptogenic tubers in children with tuberous sclerosis complex using α-[11C]methyl-L-tryptophan positron emission tomography. Annals of Neurology. 44 (6), 858-866 (1998).
- Chugani, H. T., et al. α-[11C]-Methyl-L-tryptophan-PET in 191 patients with tuberous sclerosis complex. Neurology. 81 (7), 674-680 (2013).
- Jeong, J. W., et al. Multi-modal imaging of tumor cellularity and tryptophan metabolism in human Gliomas. Cancer Imaging. 15 (1), 10 (2015).
- Juhász, C., et al. Quantitative PET imaging of tryptophan accumulation in gliomas and remote cortex. Clinical Nuclear Medicine. 37 (9), 838-842 (2012).
- Juhász, C., et al. Tryptophan metabolism in breast cancers: Molecular imaging and immunohistochemistry studies. Nuclear Medicine and Biology. 39 (7), 926-932 (2012).
- Juhász, C., et al. Successful surgical treatment of an inflammatory lesion associated with new-onset refractory status epilepticus. Neurosurgical Focus. 34, 5 (2013).
- Kumar, A., Asano, E., Chugani, H. T. α-[11C]-methyl-L-tryptophan PET for tracer localization of epileptogenic brain regions: Clinical studies. Biomarkers in Medicine. 5 (5), 577-584 (2011).
- Tiwari, V. N., Kumar, A., Chakraborty, P. K., Chugani, H. T. Can diffusion tensor imaging (DTI) identify epileptogenic tubers in tuberous sclerosis complex? Correlation with α-[11C]methyl-L-tryptophan ([11C]AMT) positron emission tomography (PET). Journal of Child Neurology. 27 (5), 598-603 (2012).
- Juhász, C., et al. In vivo uptake and metabolism of α-[11C]methyl-L-tryptophan in human brain tumors. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 26 (3), 345-357 (2006).
- John, F., Muzik, O., Mittal, S., Juhász, C. Fluorine-18-labeled PET radiotracers for imaging tryptophan uptake and metabolism: a systematic review. Molecular Imaging and Biology. 22 (4), 805-819 (2020).
- Zlatopolskiy, B. D., et al. Discovery of 7-[ 18 F]fluorotryptophan as a novel positron emission tomography (PET) probe for the visualization of tryptophan metabolism in vivo. Journal of Medicinal Chemistry. 61 (1), 189-206 (2018).
- Giglio, B. C., et al. Synthesis of 5-[18F]fluoro-α-methyl tryptophan: New trp based PET agents. Theranostics. 7 (6), 1524-1530 (2017).
- Yue, X., et al. Comparison of 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptophan and FDG for the detection of medulloblastoma in a transgenic mouse model. Journal of Nuclear Medicine. 60, 545 (2019).
- Xin, Y., et al. PET imaging of medulloblastoma with an 18F-labeled tryptophan analogue in a transgenic mouse model. Scientific Reports. 10 (1), 3800 (2020).
- Michelhaugh, S. K., et al. Assessment of tryptophan uptake and kinetics using 1-(2-18F-fluoroethyl)-L-tryptophan and α-11C-methyl-L-tryptophan PET imaging in mice implanted with patient-derived brain tumor xenografts. Journal of Nuclear Medicine. 58 (2), 208-213 (2017).
- Xin, Y., Cai, H. Improved radiosynthesis and biological evaluations of L- and D-1-[18F]fluoroethyl-tryptophan for PET imaging of IDO-mediated kynurenine pathway of tryptophan metabolism. Molecular Imaging and Biology. 19 (4), 589-598 (2017).
- Henrottin, J., et al. Fully automated radiosynthesis of N1-[18F]fluoroethyl-tryptophan and study of its biological activity as a new potential substrate for indoleamine 2,3-dioxygenase PET imaging. Nuclear Medicine and Biology. 43 (6), 379-389 (2016).
- Xin, Y., et al. Evaluation of l-1-[18F]Fluoroethyl-tryptophan for PET imaging of cancer. Molecular Imaging and Biology. 21 (6), 1138-1146 (2019).
- Yue, X., et al. Automated production of 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptophan for imaging of tryptophan metabolism. Applied Radiation and Isotopes. 156, 109022 (2020).
- Booij, L., et al. Brain serotonin synthesis in adult males characterized by physical aggression during childhood: A 21-year longitudinal study. PLoS ONE. 5 (6), 11255 (2010).
- Chandana, S. R., et al. Significance of abnormalities in developmental trajectory and asymmetry of cortical serotonin synthesis in autism. International Journal of Developmental Neuroscience. 23 (2-3), 171-182 (2005).
- Juhász, C., Dwivedi, S., Kamson, D. O., Michelhaugh, S. K., Mittal, S. Comparison of amino acid positron emission tomographic radiotracers for molecular imaging of primary and metastatic brain tumors. Molecular Imaging. 13 (6), 1-10 (2014).
- Rubí, S., et al. Positron emission tomography with α-[11C]methyl-L-tryptophan in tuberous sclerosis complex-related epilepsy. Epilepsia. 54 (12), 2143-2150 (2013).
- Chugani, H. T., et al. Clinical and histopathologic correlates of 11C-alpha-methyl-L-tryptophan (AMT) PET abnormalities in children with intractable epilepsy. Epilepsia. 52 (9), 1692-1698 (2011).
- Muzik, O., Burghardt, P., Yi, Z., Kumar, A., Seyoum, B. Successful metformin treatment of insulin resistance is associated with down-regulation of the kynurenine pathway. Biochemical and Biophysical Research Communications. 488 (1), 29-32 (2017).
- Sun, T., et al. Radiosynthesis of 1-[18F]fluoroethyl-L-tryptophan as a novel potential amino acid PET tracer. Applied Radiation and Isotopes. 70 (4), 676-680 (2012).
- Mock, B. H., Winkle, W., Vavrek, M. T. A color spot test for the detection of Kryptofix 2.2.2 in [18F]FDG preparations. Nuclear Medicine and Biology. 24 (2), 193-195 (1997).
- Kim, D. W., Jeong, H. J., Lim, S. T., Sohn, M. H. Recent trends in the nucleophilic [18F]-radiolabeling method with no-carrier-added [18F]fluoride. Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 44 (1), 25-32 (2010).
