液滴アレイを用いた放射化学反応の最適化
Summary
本手法は、ナノモル量の試薬を用いた放射性医薬品の迅速かつ経済的最適化のための液滴化学反応に基づく新規ハイスループット方法論の使用を説明する。
Abstract
現在の自動無線シンセサイザーは、放射性医薬品の大規模な臨床バッチを生成するように設計されています。各データポイントは、重要な試薬の消費を伴うため、反応最適化や新しい放射性医薬品開発に適しておらず、装置の汚染には次の使用前に放射性崩壊に時間が必要です。これらの制限に対処するために、小型液滴ベースの反応のアレイを並列に行うためのプラットフォームであり、それぞれがパターン化されたポリテトラフルオロエチレンコーティングされたシリコン「チップ」上の表面張力トラップ内に閉じ込められたものが開発された。これらのチップは、試薬濃度、反応溶媒、反応温度および時間を含む反応パラメータの迅速かつ便利な研究を可能にします。このプラットフォームは、従来の無線シンセサイザーを使用して数ヶ月を取るのではなく、最小限の試薬消費で数日で何百もの反応を完了することができます。
Introduction
陽電子放出断層撮影(PET)放射性医薬品は、生体内の特定の生化学的プロセスを監視し、疾患を研究するための研究ツールとして広く使用されており、新薬や治療法の開発に使用されています。さらに、PETは疾患を診断またはステージングし、患者の治療1、2、3に対する応答を監視するための重要なツールである。PET放射性同位元素の半減期(例えば、フッ素-18標識放射性医薬品の場合は110分)と放射線の危険のために、これらの化合物は放射線遮蔽の背後で動作する特殊な自動化システムを使用して調製され、使用直前に準備する必要があります。
放射性医薬品の合成に使用される現在のシステムは、生産コストを共有するために多くの個々の用量に分割された大きなバッチを生成するように設計されています。現在のシステムは[18F]FDGのような広く使用されている放射線トレーサーの生産に適しているが(複数の患者のスキャンおよび研究実験は1日でスケジュールすることができるので)、これらのシステムは初期段階の開発中に新しい放射線トレーサーの生産のために無駄であり、またはあまり一般的に使用される放射性トレーサーである。従来のシステムが使用する体積は、通常1〜5 mLの範囲であり、反応は1〜10mgの範囲で前駆体量を必要とする。さらに、通常の無線シンセサイザーを使用すると、装置が使用後に汚染され、ユーザは次の実験を行う前に放射能が崩壊するのを待たなければならないので、最適化研究の間に一般的に面倒です。機器コストとは別に、放射性同位元素および試薬のコストは、したがって、複数のバッチの生産を必要とする研究のために非常に実質的になる可能性があります。これは、例えば、初期in vivoイメージング研究のための十分な収率と信頼性を達成するために、新しい放射線トレーサのための合成プロトコルの最適化中に発生する可能性があります。
マイクロ流体技術は、従来のシステム4、5、6よりもいくつかの利点を活用するために、放射線化学でますます使用されています。マイクロ流体プラットフォームは、1-10 μL反応容積7,8,9に基づくものを含め、試薬量の大幅な減少と高価な前駆体の消費、ならびに短い反応時間を示しています。これらの削減は、低コスト、より速い加熱および蒸発ステップ、より短く、より簡単な下流浄化、全体的な「より緑の」化学プロセス10、および生産された放射線トレーサー11のより高いモル活性につながる。これらの改良により、各合成の試薬コストを下げることにより、より広範な最適化研究を行うことがより実用的になります。さらなる利点は、1日に放射性同位元素の単一のバッチから複数の実験を行うことによって達成することができる。例えば、「発見モード」で動作するマイクロ流体流量化学無線シンセサイザは、それぞれ10sのμL反応体積12のみを使用して、数十の反応を順次行うことができる。
これらの利点に触発され、マイクロボリューム反応がパターン化されたテフロンコーティングを使用して作成されたシリコン表面上の表面張力トラップの配列に閉じ込められる多反応液滴アレイチップが開発されました。これらのチップは、1-20 μLスケールで同時に複数の反応を行い、1日あたり10種類の異なる反応条件を探索する可能性を開き、それぞれが複数の反復を伴います。本論文では、迅速かつ低コストの放射化学最適化を行うためのこの新しいハイスループットアプローチの有用性を実証する。多反応液滴チップを使用すると、試薬濃度と反応溶媒の影響を簡単に探索することができ、複数のチップを使用すると、非常に少量の前駆体を消費しながら、反応温度と時間の研究を可能にします。
Protocol
Representative Results
Discussion
1日あたり1回または少数の反応しか許可されず、データポイント当たりの試薬を大量に消費する従来の放射線化学システムの制限により、実際には反応パラメータ空間全体のごく一部しか探索されず、繰り返しなしの結果が何度も報告されます(n=1)。従来のシステムと比較して、この多反応液滴放射合成プラットフォームは、前駆体の時間と量を非常に少なくしながら、より包括的で厳格な放…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我々は、UCLA生物医学サイクロトロン施設とロジャー・スラヴィック博士とジュゼッペ・カルッチ博士がこれらの研究のためにフッ化物を寛大に提供し、UCLA NanoLabにチップ製造のための機器のサポートに感謝します。
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).
