Optimalisering av radiokjemiske reaksjoner ved bruk av dråpematriser
Summary
Denne metoden beskriver bruken av en ny høygjennomstrømningsmetodikk, basert på dråpekjemiske reaksjoner, for rask og økonomisk optimalisering av radiofarmaka ved hjelp av nanomole mengder reagenser.
Abstract
Nåværende automatiserte radiosynthesizere er designet for å produsere store kliniske partier av radiofarmaka. De er ikke godt egnet for reaksjonsoptimalisering eller ny radiofarmasøytisk utvikling siden hvert datapunkt innebærer betydelig reagensforbruk, og forurensning av apparatet krever tid for radioaktivt forfall før neste bruk. For å løse disse begrensningene ble det utviklet en plattform for å utføre matriser med miniatyrdråpebaserte reaksjoner parallelt, hver innenfor en overflatespenningsfelle på en mønstret polytetrafluoretylenbelagt silisium “chip”. Disse sjetongene muliggjør raske og praktiske studier av reaksjonsparametere, inkludert reagenskonsentrasjoner, reaksjonsløsningsmiddel, reaksjonstemperatur og tid. Denne plattformen tillater ferdigstillelse av hundrevis av reaksjoner på noen dager med minimalt reagensforbruk, i stedet for å ta måneder ved hjelp av en konvensjonell radiosynthesizer.
Introduction
Positron-utslipp tomografi (PET) radiofarmaka er mye brukt som forskningsverktøy for å overvåke spesifikke in vivo biokjemiske prosesser og studie sykdommer, og for utvikling av nye legemidler og terapier. Videre er PET et kritisk verktøy for diagnostisering eller iscenesettelse av sykdom og overvåking av pasientens respons på terapi1,2,3. På grunn av den korte halveringstiden til PET-radioisotopper (f.eks. 110 min for fluor-18-merkede radiofarmaka) og strålingsfare, fremstilles disse forbindelsene ved hjelp av spesialiserte automatiserte systemer som opererer bak strålingsskjerming og må tilberedes like før bruk.
Dagens systemer som brukes til å syntetisere radiofarmaka er designet for å produsere store partier som er delt opp i mange individuelle doser for å dele produksjonskostnadene. Mens dagens systemer er egnet for produksjon av mye brukte radiotracers som [18F]FDG (fordi flere pasientskanninger og forskningseksperimenter kan planlegges på en enkelt dag), kan disse systemene være bortkastet for produksjon av nye radiotracers under tidlig utvikling, eller mindre vanlige radiotracers. Volumer som konvensjonelle systemer bruker er vanligvis i 1-5 ml-området, og reaksjonene krever forløpermengder i 1-10 mg-området. Videre er bruk av konvensjonelle radiosynthesizere generelt tungvint under optimaliseringsstudier siden apparatet blir forurenset etter bruk, og brukeren må vente på at radioaktiviteten forfaller før du utfører neste eksperiment. Bortsett fra utstyrskostnader, kan kostnaden for radioisotopen og reagensene derfor bli svært betydelig for studier som krever produksjon av flere partier. Dette kan for eksempel skje under optimalisering av synteseprotokoller for nye radiotracere for å oppnå tilstrekkelig utbytte og pålitelighet for innledende in vivo-avbildningsstudier.
Mikrofluidiske teknologier har i økende grad blitt brukt i radiokjemi for å utnytte flere fordeler i forhold til konvensjonelle systemer4,5,6. Mikrofluidiske plattformer, inkludert de som er basert på 1-10 μL reaksjonsvolumer7,8,9, har vist en betydelig reduksjon av reagensvolumer og forbruk av dyre forløpere, samt korte reaksjonstider. Disse reduksjonene fører til lavere kostnader, raskere oppvarming og fordampningstrinn, kortere og enklere nedstrøms rensing, en samlet “grønnere” kjemiprosess10, og høyere molar aktivitet av de produserte radiotracers11. Disse forbedringene gjør det mer praktisk å utføre mer omfattende optimaliseringsstudier ved å senke reagenskostnadene for hver syntese. Ytterligere fordeler kan oppnås ved å utføre flere eksperimenter fra en enkelt batch radioisotope på en enkelt dag. For eksempel kan mikrofluidisk strømningskjemi radiosynthesizere som opererer i “oppdagelsesmodus” sekvensielt utføre dusinvis av reaksjoner, som hver bare bruker 10s μL reaksjonsvolum12.
Inspirert av disse fordelene ble det utviklet en multireaksjonsdråpematrisebrikke der mikrovolumreaksjoner er begrenset til en rekke overflatespenningsfeller på en silisiumoverflate, opprettet ved hjelp av et mønstret Teflon-belegg. Disse sjetongene gjør det mulig å utføre flere reaksjoner på 1-20 μL-skalaen samtidig, noe som åpner muligheten for å utforske 10-tallet av forskjellige reaksjonsforhold per dag, hver med flere replikeringer. I dette dokumentet demonstreres nytten av denne nye høygjennomstrømningsmetoden for å utføre raske og rimelige radiokjemioptimaliseringer. Ved hjelp av multireaksjonsdråpeflis muliggjør du praktisk utforskning av virkningen av reagenskonsentrasjoner og reaksjonsløsningsmiddel, og bruk av flere sjetonger kan muliggjøre studiet av reaksjonstemperatur og tid, samtidig som de bruker svært lave mengder forløper.
Protocol
Representative Results
Discussion
På grunn av begrensninger i konvensjonelle radiokjemisystemer som bare tillater en eller et lite antall reaksjoner per dag og bruker en betydelig mengde reagenser per datapunkt, kan bare en liten del av det totale reaksjonsparameterområdet utforskes i praksis, og mange ganger rapporteres resultatene uten gjentakelser (n = 1). Sammenlignet med konvensjonelle systemer, gjør denne multireaksjonsdråperadiosynteseplattformen det praktisk å oppnå mer omfattende og strenge studier av radiosynteseforhold samtidig som den b…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker UCLA Biomedical Cyclotron Facility og Dr. Roger Slavik og Dr. Giuseppe Carlucci for sjenerøst å gi [18F]fluorid for disse studiene og UCLA NanoLab for støtte med utstyr for chip fabrikasjon.
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).
