Radiosyntes av 1-(2-[18F]Fluoroetyl)-L-tryptofan med hjälp av en en-pot, Tvåstegsprotokoll
Summary
Här beskriver vi radiosyntesen av 1-(2-[18F]Fluoroetyl)-L-tryptofan, ett positronemissionstomografiavbildningsmedel för att studera tryptofanmetabolism, med hjälp av en en-pot, tvåstegsstrategi i ett radiokemiskt syntessystem med goda radiokemiska utbyten, högt enantiomeriskt överskott och hög tillförlitlighet.
Abstract
Kynureninvägen (KP) är en primär väg för tryptofanmetabolism. Bevis tyder starkt på att metaboliter av KP spelar en viktig roll i tumörproliferation, epilepsi, neurodegenerativa sjukdomar och psykiatriska sjukdomar på grund av deras immunmodulerande, neuromodulerande och neurotoxiska effekter. Det mest använda positronemissionstomografimedlet (PET) för kartläggning av tryptofanmetabolism, α-[11C]metyl-L-tryptofan ([11C]AMT), har en kort halveringstid på 20 minuter med mödosamma radiosyntesprocedurer. En cyklotron på plats krävs för att radiosyntetisera [11C]AMT. Endast ett begränsat antal centra producerar [11C] AMT för prekliniska studier och kliniska prövningar. Därför är utvecklingen av ett alternativt bildbehandlingsmedel som har en längre halveringstid, gynnsam in vivo-kinetik och är lätt att automatisera brådskande. Nyttan och värdet av 1-(2-[18F]fluoretyl)-L-tryptofan, en fluor-18-märkt tryptofananalog, har rapporterats i prekliniska tillämpningar i cellinje-härledda xenotransplantat, patient-härledda xenotransplantat och transgena tumörmodeller.
Detta dokument presenterar ett protokoll för radiosyntesen av 1-(2-[18F]fluoroetyl)-L-tryptofan med hjälp av en en-pot, tvåstegsstrategi. Med hjälp av detta protokoll kan radiotracern framställas i ett 20 ± 5% (sönderfall korrigerat i slutet av syntesen, n > 20) radiokemiskt utbyte, med både radiokemisk renhet och enantiomeriskt överskott på över 95%. Protokollet har en liten prekursormängd med högst 0,5 ml reaktionslösningsmedel i varje steg, låg belastning av potentiellt giftigt 4,7,13,16,21,24-hexaoxa-1,10-diazabicyclo[8.8.8]hexacosane (K222) och en miljömässigt godartad och injicerbar mobil fas för rening. Protokollet kan enkelt konfigureras för att producera 1-(2-[18F]fluoretyl)-L-tryptofan för klinisk undersökning i en kommersiellt tillgänglig modul.
Introduction
Hos människor är tryptofan en viktig del av den dagliga kosten. Tryptofan metaboliseras främst via kynureninvägen (KP). KP katalyseras av två hastighetsbegränsande enzymer, indolamin 2, 3-dioxygenas (IDO) och tryptofan 2, 3-dioxygenas (TDO). Mer än 95% av tryptofan omvandlas till kynurenin och dess nedströms metaboliter, vilket i slutändan genererar nikotinamidadenindinukleotid, vilket är viktigt för cellulär energitransduktion. KP är en viktig regulator för immunsystemet och en viktig regulator för neuroplasticitet och neurotoxiska effekter1,2. Onormal tryptofanmetabolism är inblandad i olika neurologiska, onkologiska, psykiatriska och metaboliska störningar; Därför har radioaktivt märkta tryptofananaloger använts i stor utsträckning i kliniska undersökningar. De två vanligaste kliniskt undersökta tryptofanradiotracers är 11C-α-metyl-L-tryptofan ([11C]AMT) och 11C-5-hydroxytryptofan (11C-5-HTP)3.
På 1990-talet, 11C-5-HTP användes för att visualisera serotonin-utsöndrande neuroendokrina tumörer4 och för att diagnostisera och övervaka behandling av metastaserande hormon-eldfasta prostata adenokarcinom5. Senare användes det som ett avbildningsverktyg för kvantifiering av det serotonerga systemet i den endokrina bukspottkörteln6. 11 C-5-HTP har också varit en lovande spårare för icke-invasiv detektion av livskraftiga öar i intraportal ötransplantation och typ 2-diabetes7,8. Under de senaste två decennierna har många radioaktivt märkta aminosyror avancerat till klinisk undersökning9,10. I synnerhet har den kol-11-märkta tryptofananalogen [11C] AMT fått omfattande uppmärksamhet för kartläggning av serotoninsyntesen i hjärnan11,12,13,14 och för lokalisering av epileptiska foci, epileptogena tumörer, tuberös skleroskomplex, gliom och bröstcancer15,16,17,18,19,20 ,21,22,23,24,25,26. [11C] AMT har också högt upptag i olika låg- och höggradiga tumörer hos barn27. Vidare har kinetisk spårämnesanalys av [11C]AMT hos försökspersoner använts för att differentiera och gradera olika tumörer och skilja gliom från strålningsinducerad vävnadsskada15. [11C] AMT-guidad avbildning visar signifikanta kliniska fördelar vid hjärnsjukdomar3,25. På grund av den korta halveringstiden för kol-11 (20 min) och de mödosamma radiosyntesprocedurerna är [11C] AMT-användningen begränsad till de få PET-centra med en cyklotron på plats och en radiokemianläggning.
Fluor-18 har en gynnsam halveringstid på 109,8 min, jämfört med halveringstiden på 20 min för kol-11. I allt högre grad har insatserna varit inriktade på utveckling av fluor-18-märkta radiotracers för tryptofanmetabolism3,28. Totalt 15 unika fluor-18 radiomärkta tryptofanradiotracers har rapporterats när det gäller radiomärkning, transportmekanismer, in vitro– och in vivo-stabilitet, biodistribution och tumörupptag i xenotransplantat. Snabb di vivo-defluorinering observerades dock för flera spårämnen, inklusive 4-, 5- och 6-[18F]fluorotryptofan, vilket förhindrade ytterligare klinisk translation29. 5-[18F]Fluor-α-metyltryptofan (5-[18F]FAMT) och 1-(2-[18F]fluoroetyl)-L-tryptofan (L-[18F]FETrp, även känd som (S)-2-amino-3-(1-(2-[18F]fluoroetyl)-1H-indol-3-yl)propansyra, molekylvikt 249,28 g/mol), är de två mest lovande radiotracers med gynnsam in vivo-kinetik i djurmodeller och stor potential att överträffa [11 C]AMT för utvärdering av kliniska tillstånd med avreglerad tryptofanmetabolism28. 5-[18F]FAMT visade högt upptag i IDO1-positiva tumörenotransplantat hos immunsupprimerade möss och är mer specifikt för avbildning av KP än [11C]AMT28,30. In vivo-stabiliteten hos 5-[18F]FAMT är dock fortfarande ett potentiellt problem eftersom inga in vivo-defluorineringsdata har rapporterats efter 30 minuter efter injektionen av tracer30.
En preklinisk studie i en genetiskt konstruerad medulloblastommusmodell visade att jämfört med 18F-fluorodeoxiglukos (18F-FDG) hade L-[18F]FETrp hög ackumulering i hjärntumörer, försumbar in vivo-defluorination och lågt bakgrundsupptag, vilket visade ett överlägset mål-till-icke-målförhållande31,32. Strålningsdisimetristudier på möss indikerade att L-[18F]FETrp hade en cirka 20% lägre gynnsam dosimetriexponering än den kliniska 18F-FDG PET-spåraren33. I överensstämmelse med andra forskares resultat ger prekliniska studiedata betydande bevis för att stödja den kliniska översättningen av L-[18F]FETrp för undersökning av onormal tryptofanmetabolism hos människor med hjärnsjukdomar som epilepsi, neuro-onkologi, autism och tuberös skleros28,31,32,33,34,35,36 . En övergripande jämförelse mellan de tre mest undersökta spårämnena för tryptofanmetabolism, 11C-5-HTP, [11C]AMT, och L-[18F]FETrp, visas i tabell 1. Både 11C-5-HTP och [11C]AMT har en kort halveringstid och mödosamma radiomärkningsförfaranden. Ett protokoll för radiosyntes av L-[18F]FETrp med hjälp av en enpott, tvåstegsmetod beskrivs här. Protokollet innehåller användning av en liten mängd radiomärkningsprekursorer, en liten volym reaktionslösningsmedel, låg belastning av giftiga K222 och en miljömässigt godartad och injicerbar mobil fas för rening och enkel formulering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tryptofan är en essentiell aminosyra för människor. Det spelar en viktig roll i regleringen av humör, kognitiv funktion och beteende. Radioaktivt märkta tryptofanderivat, särskilt kol-11-märkta [11C]AMT, har studerats i stor utsträckning på grund av deras unika roll i kartläggningen av serotoninsyntesen38,39, upptäckt och gradering av tumörer40, styrning av epilepsikirurgi41,42<sup …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Diagnostic & Research PET / MRI Center och av avdelningarna för biomedicinsk forskning och radiologi vid 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 |
Riferimenti
- 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).
