Optimering af radiokemiske reaktioner ved hjælp af dråbesystemer
Summary
Denne metode beskriver brugen af en ny højoverførselsmetode baseret på dråbekemiske reaktioner til hurtig og økonomisk optimering af radioaktive lægemidler ved hjælp af nanomolemængder af reagenser.
Abstract
Nuværende automatiserede radiosyntese er designet til at producere store kliniske partier af radioaktive lægemidler. De er ikke velegnede til reaktionsoptimering eller ny radioaktiv udvikling, da hvert datapunkt indebærer betydeligt reagensforbrug, og forurening af apparatet kræver tid til radioaktivt henfald før næste brug. For at imødekomme disse begrænsninger blev der udviklet en platform til at udføre arrays af miniature dråbebaserede reaktioner parallelt, hver begrænset i en overfladespændingsfælde på en mønstret polytetrafluorethylenbelagt silicium “chip”. Disse spåner muliggør hurtige og bekvemme undersøgelser af reaktionsparametre, herunder reagenskoncentrationer, reaktionsmiddel, reaktionstemperatur og tid. Denne platform tillader færdiggørelse af hundredvis af reaktioner i et par dage med minimal reagens forbrug, i stedet for at tage måneder ved hjælp af en konventionel radiosyntese.
Introduction
Positronemissionstomografi (PET) radiofarmaceutiske lægemidler anvendes i vid udstrækning som forskningsværktøjer til overvågning af specifikke in vivo biokemiske processer og studiesygdomme og til udvikling af nye lægemidler og terapier. Desuden er PET et kritisk redskab til diagnosticering eller iscenesættelse af sygdomme og overvågning af en patients reaktion på behandling1,2,3. På grund af den korte halveringstid for PET-radioisotoper (f.eks. 110 min for fluor-18-mærkede radioaktive lægemidler) og strålingsfare fremstilles disse forbindelser ved hjælp af specialiserede automatiserede systemer, der opererer bag strålingsafskærmning og skal fremstilles lige før brug.
Nuværende systemer, der anvendes til at syntetisere radioaktive lægemidler er designet til at producere store partier, der er opdelt i mange individuelle doser til at dele produktionsomkostningerne. Mens de nuværende systemer er velegnede til produktion af udbredte radiotracere som [18F] FDG (fordi flere patientscanninger og forskningseksperimenter kan planlægges på en enkelt dag), kan disse systemer være spild til produktion af nye radiotracere i den tidlige fase udvikling, eller mindre almindeligt anvendte radiotracers. Mængder, som konventionelle systemer bruger, er typisk i 1-5 mL-området, og reaktionerne kræver prækursormængder i 1-10 mg-området. Desuden er det generelt besværligt at anvende konventionelle radiosynteseapparater under optimeringsundersøgelser, da apparatet bliver forurenet efter brug, og brugeren skal vente på, at radioaktiviteten forfalder, før det næste forsøg udføres. Bortset fra udstyrsomkostninger kan omkostningerne ved radioisotop og reagenser derfor blive meget betydelige for undersøgelser, der kræver produktion af flere partier. Dette kan f.eks. forekomme under optimering af synteseprotokoller for nye radiotracere for at opnå tilstrækkeligt udbytte og pålidelighed til indledende in vivo-billeddiagnostiske undersøgelser.
Mikrofluidiske teknologier er i stigende grad blevet brugt i radiokemi til at udnytte flere fordele i forhold til konventionelle systemer4,5,6. Mikrofluidiske platforme, herunder platforme baseret på 1-10 μL reaktionsvolumen7,8,9, har vist en betydelig reduktion af reagensmængder og forbrug af dyre prækursorer samt korte reaktionstider. Disse reduktioner fører til lavere omkostninger, hurtigere opvarmnings- og fordampningstrin, kortere og mere ligetil downstream-rensning, en samlet “grønnere” kemiproces10og højere molaraktivitet hos de producerede radiotracere11. Disse forbedringer gør det mere praktisk at udføre mere omfattende optimeringsundersøgelser ved at sænke reagensomkostningerne for hver syntese. Yderligere fordele kan opnås ved at udføre flere eksperimenter fra et enkelt parti radioisotop på en enkelt dag. For eksempel kan mikrofluidiske flowkemiradiosynteser, der opererer i “opdagelsestilstand”, sekventielt udføre snesevis af reaktioner, der hver kun bruger 10’ere af μL-reaktionsvolumen12.
Inspireret af disse fordele blev der udviklet en multireaktionsdråbe arraychip, hvor mikrovolumereaktioner er begrænset til en række overfladespændingsfælder på en siliciumoverflade, skabt ved hjælp af en mønstret Teflon-belægning. Disse spåner gør det muligt at udføre flere reaktioner på 1-20 μL-skalaen samtidigt, hvilket åbner mulighed for at udforske 10’erne af forskellige reaktionsforhold om dagen, hver med flere replikater. I dette papir, nytten af denne nye high-throughput tilgang til at udføre hurtige og billige radiokemi optimeringer er påvist. Brug af multireaktionsdråbechips giver mulighed for bekvem udforskning af virkningen af reagenskoncentrationer og reaktionsmiddel, og brugen af flere chips kan gøre det muligt at studere reaktionstemperatur og tid, alt sammen mens der forbruges meget lave mængder prækursorer.
Protocol
Representative Results
Discussion
På grund af begrænsninger i konventionelle radiokemisystemer, der kun tillader et eller et lille antal reaktioner om dagen og forbruger en betydelig mængde reagenser pr. datapunkt, kan kun en lille del af det samlede reaktionsparameterrum undersøges i praksis, og mange gange rapporteres resultater uden gentagelser (n = 1). Sammenlignet med konventionelle systemer gør denne multireaktionsdråberadiosynteseplatform det praktisk at udføre mere omfattende og stringente undersøgelser af radiosynteseforhold, mens der fo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker UCLA Biomedical Cyclotron Facility og Dr. Roger Slavik og Dr. Giuseppe Carlucci for generøst at give [18F] fluor for disse undersøgelser og UCLA NanoLab for støtte med udstyr til chip fabrikation.
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).
