אופטימיזציה של תגובות רדיוכימיות באמצעות מערכי טיפות
Summary
שיטה זו מתארת את השימוש במתודולוגיית תפוקה גבוהה חדשנית, המבוססת על תגובות כימיות טיפות, לאופטימיזציה מהירה וחסכונית של רדיופארמה באמצעות כמויות ננו-מול של ריאגנטים.
Abstract
מכשירי רדיו אוטומטיים נוכחיים מתוכננים לייצר אצוות קליניות גדולות של רדיופארמה. הם אינם מתאימים היטב לאופטימיזציה של התגובה או להתפתחות רדיופארמה חדשנית מכיוון שכל נקודת נתונים כרוכה בצריכה ריאגנטית משמעותית, וזיהום המנגנון דורש זמן לריקבון רדיואקטיבי לפני השימוש הבא. כדי להתמודד עם מגבלות אלה, פלטפורמה לביצוע מערכים של תגובות מבוססות טיפה מיניאטורית במקביל, כל אחד מוגבל בתוך מלכודת מתח פני השטח על “שבב” סיליקון מצופה פוליטרה-פלואוראתילן בדוגמת, פותח. שבבים אלה מאפשרים מחקרים מהירים ונוחים של פרמטרי תגובה כולל ריכוזי ריאגנט, ממס תגובה, טמפרטורת תגובה וזמן. פלטפורמה זו מאפשרת השלמה של מאות תגובות בכמה ימים עם צריכת ריאגנט מינימלית, במקום לקחת חודשים באמצעות radiosynthesizer קונבנציונלי.
Introduction
טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET) רדיופארמה נמצאים בשימוש נרחב ככלי מחקר לניטור תהליכים ביוכימיים ספציפיים ב- vivo ומחלות מחקר, ולפיתוח תרופות וטיפולים חדשים. יתר על כן, PET הוא כלי קריטי לאבחון או בימוי המחלה וניטור תגובת המטופל לטיפול1,2,3. בשל זמן מחצית החיים הקצר של רדיואיזוטופים PET (למשל, 110 דקות עבור רדיופארמה פלואור-18 שכותרתו) וסיכון קרינה, תרכובות אלה מוכנים באמצעות מערכות אוטומטיות מיוחדות הפועלות מאחורי מיגון קרינה ויש להכין ממש לפני השימוש.
המערכות הנוכחיות המשמשות לסנתז radiopharmaceuticals נועדו לייצר אצוות גדולות המחולקות לתוך מינונים בודדים רבים לחלוק את עלות הייצור. בעוד שהמערכות הנוכחיות מתאימות לייצור מכשירי רדיו נפוצים כמו [18F]FDG (מכיוון שניתן לתזמן סריקות מטופלים מרובים וניסויי מחקר ביום אחד), מערכות אלה יכולות להיות בזבזניות לייצור מכשירי רדיו חדשניים במהלך פיתוח בשלב מוקדם, או פחות נפוץ radiotracers. כמויות שמערכות קונבנציונליות משתמשות בהן נמצאות בדרך כלל בטווח של 1-5 מ”ל, והתגובות דורשות כמויות מבשר בטווח של 1-10 מ”ג. יתר על כן, באמצעות radiosynthesizers קונבנציונאלי הוא בדרך כלל מסורבל במהלך מחקרי אופטימיזציה מאז המנגנון הופך מזוהם לאחר השימוש ואת המשתמש חייב לחכות רדיואקטיביות להתנוון לפני ביצוע הניסוי הבא. מלבד עלות הציוד, העלות של radioisotope ריאגנטים יכול, אם כן, להיות משמעותי מאוד עבור מחקרים הדורשים ייצור של קבוצות מרובות. זה יכול להתרחש, למשל, במהלך אופטימיזציה של פרוטוקולי סינתזה עבור radiotracers הרומן כדי להשיג תשואה מספיקה ואמינות למחקרים ראשוניים הדמיה vivo.
טכנולוגיות מיקרופלואידיות שימשו יותרויותרברדיוכימיה כדי לנצל מספר יתרונות על פני מערכות קונבנציונליות 4,5,6. פלטפורמות מיקרופלואידיות, כולל אלה המבוססות על נפחי תגובה μL 1-107,8,9 , הראו הפחתה משמעותית של נפחי ריאגנט וצריכת סימנים מקדימים יקרים, כמו גם זמניתגובהקצרים. הפחתות אלה מובילות לעלויות נמוכות יותר, שלבי חימום ואידוי מהירים יותר, טיהור קצר וישיר יותר במורד הזרם, תהליך כימיה “ירוק” הכולל10, ופעילות טוחנת גבוהה יותר של מכשירי הרדיו המיוצרים11. שיפורים אלה עושים את זה מעשי יותר לבצע מחקרי אופטימיזציה נרחבים יותר על ידי הפחתת העלות ריאגנט של כל סינתזה. יתרונות נוספים ניתן להשיג על ידי ביצוע ניסויים מרובים מקבוצה אחת של radioisotope ביום אחד. לדוגמה, רדיוסינתיסייזרים של כימיית זרימה מיקרופלואידית הפועלים ב”מצב גילוי “יכולים לבצע ברצף עשרות תגובות, כל אחת באמצעות 10s בלבד של נפח תגובת μL12.
בהשראת יתרונות אלה, פותח שבב מערך טיפות רב-תגובה שבו תגובות מיקרו-וולומיות מוגבלות למערך של מלכודות מתח-פנים על משטח סיליקון, שנוצרו באמצעות ציפוי טפלון בדוגמת. שבבים אלה מאפשרים תגובות מרובות בסולם 1-20 μL להתבצע בו זמנית, פתיחת האפשרות לחקור 10s של תנאי תגובה שונים ליום, כל אחד עם עותקים משוכפלים מרובים. במאמר זה, התועלת של גישה חדשה זו תפוקה גבוהה לביצוע אופטימיזציות רדיוכימיה מהירה וזולה מודגם. שימוש בשבבי טיפה מרובי תגובה מאפשר חקירה נוחה של ההשפעה של ריכוזי ריאגנטים וממס תגובה, ושימוש בשבבים מרובים יכול לאפשר חקר טמפרטורת התגובה והזמן, כל זאת תוך צריכת כמויות נמוכות מאוד של מבשר.
Protocol
Representative Results
Discussion
בשל מגבלות של מערכות רדיוכימיה קונבנציונליות המאפשרות רק מספר קטן של תגובות ביום וצורכות כמות משמעותית של ריאגנטים לכל נקודת נתונים, ניתן לחקור רק חלק זעיר משטח הפרמטרים של התגובה הכוללת בפועל, ופעמים רבות התוצאות מדווחות ללא חזרות (n = 1). בהשוואה למערכות קונבנציונליות, פלטפורמת רדיוסינתז…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים למתקן הקיקלוטרון הביו-רפואי של UCLA ודר’ רוג’ר סלביק וד”ר ג’וזפה קרלוצ’י על שסיפקו בנדיבות [18F]פלואוריד למחקרים אלה ול- UCLA NanoLab על תמיכה בציוד לייצור שבבים.
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).
