使用液滴阵列优化放射化学反应
Summary
该方法描述了一种基于液滴化学反应的新型高通量方法，用于使用纳米剂量的放射性药物的快速和经济优化。
Abstract
目前的自动化放射合成器设计用于生产大量临床放射性制药。它们不适合反应优化或新型放射制药开发，因为每个数据点都涉及大量试剂消耗，设备污染需要时间才能在下次使用之前进行放射性衰变。为了解决这些限制，开发了一个平台，用于并行执行微型液滴反应阵列，每个平台都局限在图案聚乙烯涂层硅”芯片”上的表面张力陷阱内。这些芯片能够快速、方便地研究反应参数，包括试剂浓度、反应溶剂、反应温度和时间。该平台允许在几天内完成数百个反应，使用最少的试剂，而不是使用传统的放射性合成器需要几个月的时间。
Introduction
正电子发射断层扫描 （PET） 放射药物被广泛用作研究工具，用于监测体内生化过程和研究疾病的特定情况，以及开发新药和疗法。此外，PET是诊断或发病和监测病人对治疗1，2，3的反应的关键工具。由于PET放射性同位素（例如氟-18标记放射性药物110分钟）和辐射危害的短半生，这些化合物是使用在辐射屏蔽后面操作的专门自动化系统制备的，必须在使用前准备。
用于合成放射药物的当前系统旨在生产大批量产品，这些批次分为多个单独剂量，以分担生产成本。虽然目前的系统适合生产广泛使用的放射跟踪器，如[18F]FDG（因为多个患者扫描和研究实验可以在一天内安排），但这些系统可能浪费在早期开发过程中生产新型放射跟踪器，或不太常用的放射跟踪器。传统系统使用的体积通常在 1-5 mL 范围内，响应要求前体量在 1-10 毫克范围内。此外，在优化研究中，使用传统的放射合成器通常很麻烦，因为设备使用后受到污染，用户在进行下一个实验之前必须等待放射性衰变。因此，除了设备成本外，放射性同位素和试剂的成本对于需要多批量生产的研究来说可能变得非常可观。例如，在优化新型放射跟踪器的合成协议以实现初始体内成像研究的足够产量和可靠性时，可能会发生这种情况。
与传统系统4、5、6相比，微流体技术在放射化学中越来越多地被利用。微流体平台，包括基于1-10μL反应卷7，8，9的平台，显示试剂量和昂贵的前体的消耗显著减少，以及反应时间短。这些减少导致成本降低，加热和蒸发步骤更快，下游净化更短，更直接，整体”更环保”的化学过程10，和更高的摩尔活性产生的放射跟踪器11。这些改进通过降低每次合成的试剂成本，使进行更广泛的优化研究更加实用。通过在一天内从单批放射性同位素进行多个实验，可以进一步受益。例如，在”发现模式”中运行的微流化学无线电合成器可以连续执行数十种反应，每个反应仅使用 10s 的 μL 反应量12。
受这些优点的启发，开发了一种多反应液滴阵列芯片，其中微波纹反应被限制在硅表面的一系列表面张力陷阱中，这些陷阱是使用图案的特氟隆涂层创建的。这些芯片使1-20 μL比例的多个反应能够同时执行，为每天探索10种不同反应条件（每个反应条件具有多个副本）提供了可能。本文展示了这种新型高通量方法对快速低成本放射化学优化的效用。使用多反应液滴芯片可以方便地探索试剂浓度和反应溶剂的影响，使用多个芯片可以研究反应温度和时间，同时消耗非常低的前体量。
Protocol
警告：此协议涉及放射性材料的处理。未经组织辐射安全办公室的必要的培训和个人防护设备以及批准，不得进行实验。实验应在辐射屏蔽后进行，最好是在通风的热细胞中进行 1. 多反应芯片的制造 注：批次多反应微滴芯片是使用标准光刻技术从4″硅晶圆中制造的，如先前描述的10（图1）。此过程将产生 7 个芯片，…
Representative Results
进行了一个有代表性的实验来说明这种方法。使用16种反应，对放射性药物[18F]fallypride进行优化研究，通过不同前体浓度（77，39，19，9.6，4.8，2.4，1.2和0.6 mM）作为反应溶剂进行：MeCN（1：1，v/v）作为反应溶剂。反应在110°C下进行7分钟。收集效率、样品组成（即[18F]fallypride 产品、未反应[18F]氟化物和侧面产品）的比例在 表 1 中表中，?…
Discussion
由于传统放射化学系统的局限性，每天只能产生一种或少量反应，并且每个数据点消耗大量试剂，因此实际上只能探索整个反应参数空间的一小部分，而且许多次报告结果时没有重复（n=1）。与传统系统相比，这种多反应液滴无线电合成平台能够更全面、更严格地研究无线电合成条件，同时消耗很少的时间和量的前体，从而有可能对影响产品产量和副产品形成的参数有新的见解。这些信息可用于?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们感谢加州大学洛杉矶分校生物医学循环技术设施以及罗杰·斯拉维克博士和朱塞佩·卡鲁奇博士慷慨地为这些研究提供[18氟化物]，以及加州大学洛杉矶分校纳米实验室为芯片制造设备提供支持。
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
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Cite This Article
Rios, A., Holloway, T. S., Wang, J., van Dam, R. M. Optimization of Radiochemical Reactions using Droplet Arrays. J. Vis. Exp. (168), e62056, doi:10.3791/62056 (2021).