Optimalisatie van radiochemische reacties met behulp van droplet arrays
Summary
Deze methode beschrijft het gebruik van een nieuwe high-throughput methodologie, gebaseerd op druppelchemische reacties, voor de snelle en economische optimalisatie van radiofarmaceutica met nanomole hoeveelheden reagentia.
Abstract
De huidige geautomatiseerde radiosynthesizers zijn ontworpen om grote klinische partijen radiofarmaceutica te produceren. Ze zijn niet geschikt voor reactieoptimalisatie of nieuwe radiofarmaceutische ontwikkeling, omdat elk gegevenspunt een aanzienlijk reagensverbruik met zich meebrengt en besmetting van het apparaat tijd vereist voor radioactief verval vóór het volgende gebruik. Om deze beperkingen aan te pakken, werd een platform ontwikkeld voor het parallel uitvoeren van arrays van miniatuur reacties op basis van druppels, elk opgesloten in een oppervlaktespanningsval op een met polytetrafluorethyleen bedekte silicium “chip”. Deze chips maken snelle en gemakkelijke studies van reactieparameters mogelijk, waaronder reagensconcentraties, reactieoplosmiddel, reactietemperatuur en -tijd. Dit platform maakt het mogelijk om honderden reacties in een paar dagen te voltooien met een minimaal reagensverbruik, in plaats van maanden te nemen met behulp van een conventionele radiosynthesizer.
Introduction
Positron-emissie tomografie (PET) radiofarmaceutica worden veel gebruikt als onderzoeksinstrumenten om specifieke in vivo biochemische processen te monitoren en ziekten te bestuderen, en voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen en therapieën. Bovendien is PET een cruciaal hulpmiddel voor het diagnosticeren of ensceneren van ziekten en het monitoren van de respons van een patiënt op therapie1,2,3. Vanwege de korte halfwaardetijd van PET-radio-isotopen (bijv. 110 minuten voor fluor-18-gelabelde radiofarmaceutica) en stralingsgevaar, worden deze verbindingen bereid met behulp van gespecialiseerde geautomatiseerde systemen die achter stralingsafscherming werken en moeten ze vlak voor gebruik worden voorbereid.
De huidige systemen die worden gebruikt om radiofarmaceutica te synthetiseren, zijn ontworpen om grote batches te produceren die zijn verdeeld in veel individuele doses om de productiekosten te delen. Hoewel de huidige systemen geschikt zijn voor de productie van veelgebruikte radiotracers zoals [18F]FDG (omdat meerdere patiëntscans en onderzoeksexperimenten in één dag kunnen worden gepland), kunnen deze systemen verspillend zijn voor de productie van nieuwe radiotracers tijdens de vroege ontwikkeling, of minder vaak gebruikte radiotracers. Volumes die conventionele systemen gebruiken, bevinden zich meestal in het bereik van 1-5 ml en de reacties vereisen precursorhoeveelheden in het bereik van 1-10 mg. Bovendien is het gebruik van conventionele radiosynthesizers over het algemeen omslachtig tijdens optimalisatiestudies, omdat het apparaat na gebruik besmet raakt en de gebruiker moet wachten tot de radioactiviteit vergaat voordat het volgende experiment wordt uitgevoerd. Afgezien van de kosten van apparatuur kunnen de kosten van radio-isotoop en reagentia daarom zeer aanzienlijk worden voor studies die de productie van meerdere partijen vereisen. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren tijdens de optimalisatie van syntheseprotocollen voor nieuwe radiotracers om voldoende opbrengst en betrouwbaarheid te bereiken voor initiële in vivo beeldvormingsstudies.
Microfluïdische technologieën worden in de radiochemie steeds vaker gebruikt om te profiteren van verschillende voordelen ten opzichte van conventionele systemen4,5,6. Microfluïdische platforms, waaronder die gebaseerd op 1-10 μL-reactievolumes7,8,9, hebben een significante vermindering van reagensvolumes en consumptie van dure precursoren aangetoond, evenals korte reactietijden. Deze verlagingen leiden tot lagere kosten, snellere verwarmings – en verdampingsstappen, kortere en eenvoudigere downstreamzuivering, een algeheel “groener” chemieproces10, en een hogere molaire activiteit van de geproduceerde radiotracers11. Deze verbeteringen maken het praktischer om uitgebreidere optimalisatiestudies uit te voeren door de reagenskosten van elke synthese te verlagen. Verdere voordelen kunnen worden bereikt door meerdere experimenten uit te voeren vanuit één batch radio-isotoop op één dag. Microfluïdische stroomchemieradiosynthesizers die in de “detectiemodus” werken, kunnen bijvoorbeeld opeenvolgend tientallen reacties uitvoeren, elk met slechts 10s μL-reactievolume12.
Geïnspireerd door deze voordelen werd een multi-reaction droplet array chip ontwikkeld waarbij microvolumereacties beperkt blijven tot een array van oppervlaktespanningsvallen op een siliciumoppervlak, gemaakt met behulp van een Teflon-coating met patroon. Deze chips maken het mogelijk om meerdere reacties op de schaal van 1-20 μL tegelijkertijd uit te voeren, waardoor de mogelijkheid wordt geopend om 10s verschillende reactieomstandigheden per dag te verkennen, elk met meerdere replica’s. In dit artikel wordt het nut van deze nieuwe high-throughput aanpak voor het uitvoeren van snelle en goedkope radiochemie optimalisaties aangetoond. Het gebruik van druppelchips met meerdere reacties maakt een gemakkelijke verkenning van de impact van reagensconcentraties en reactieoplosmiddel mogelijk, en het gebruik van meerdere chips kan de studie van reactietemperatuur en -tijd mogelijk maken, terwijl zeer lage hoeveelheden precursor worden verbruikt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vanwege beperkingen van conventionele radiochemiesystemen die slechts één of een klein aantal reacties per dag toestaan en een aanzienlijke hoeveelheid reagentia per gegevenspunt verbruiken, kan slechts een klein deel van de totale reactieparameterruimte in de praktijk worden onderzocht en worden vaak resultaten gerapporteerd zonder herhalingen (n =1). In vergelijking met conventionele systemen maakt dit multi-reaction droplet radiosyntheseplatform het praktisch om uitgebreidere en rigoureuzere studies van radiosynthes…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken de UCLA Biomedical Cyclotron Facility en Dr. Roger Slavik en Dr. Giuseppe Carlucci voor het royaal leveren van [18F]fluoride voor deze studies en het UCLA NanoLab voor ondersteuning met apparatuur voor chipfabricage.
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).
