Optimisation des réactions radiochimiques à l’aide de réseaux de gouttelettes
Summary
Cette méthode décrit l’utilisation d’une nouvelle méthodologie à haut débit, basée sur des réactions chimiques de gouttelettes, pour l’optimisation rapide et économique des produits radiopharmaceutiques à l’aide de quantités nanomoles de réactifs.
Abstract
Les radiosynthétiseurs automatisés actuels sont conçus pour produire de grands lots cliniques de produits radiopharmaceutiques. Ils ne sont pas bien adaptés à l’optimisation de la réaction ou au développement de nouveaux produits radiopharmaceutiques, car chaque point de données implique une consommation importante de réactifs et la contamination de l’appareil nécessite du temps pour la désintégration radioactive avant la prochaine utilisation. Pour remédier à ces limitations, une plate-forme permettant d’effectuer des réseaux de réactions miniatures à base de gouttelettes en parallèle, chacune confinée dans un piège de tension superficielle sur une « puce » de silicium recouverte de polytétrafluoroéthylène à motifs, a été développée. Ces puces permettent des études rapides et pratiques des paramètres de réaction, y compris les concentrations de réactifs, le solvant de réaction, la température et le temps de réaction. Cette plate-forme permet de compléter des centaines de réactions en quelques jours avec une consommation minimale de réactifs, au lieu de prendre des mois à l’aide d’un radiosynthétiseur conventionnel.
Introduction
Les produits radiopharmaceutiques de tomographie par émission de positons (TEP) sont largement utilisés comme outils de recherche pour surveiller des processus biochimiques in vivo spécifiques et étudier des maladies, ainsi que pour le développement de nouveaux médicaments et thérapies. De plus, la TEP est un outil essentiel pour diagnostiquer ou stadification de la maladie et surveiller la réponse d’un patient au traitement1,2,3. En raison de la courte demi-vie des radio-isotopes TEP (p. ex. 110 min pour les produits radiopharmaceutiques marqués au fluor 18) et des dangers liés aux rayonnements, ces composés sont préparés à l’aide de systèmes automatisés spécialisés fonctionnant derrière le blindage contre les rayonnements et doivent être préparés juste avant utilisation.
Les systèmes actuels utilisés pour synthétiser des produits radiopharmaceutiques sont conçus pour produire de grands lots qui sont divisés en plusieurs doses individuelles pour partager le coût de production. Bien que les systèmes actuels conviennent à la production de radiotraceurs largement utilisés comme[18F]FDG (parce que plusieurs balayages de patients et expériences de recherche peuvent être programmés en une seule journée), ces systèmes peuvent être gaspilleurs pour la production de nouveaux radiotraceurs au cours du développement précoce, ou de radiotraceurs moins couramment utilisés. Les volumes utilisés par les systèmes conventionnels se situent généralement entre 1 et 5 mL, et les réactions nécessitent des quantités de précurseurs de l’ordre de 1 à 10 mg. De plus, l’utilisation de radiosynthétiseurs conventionnels est généralement lourde lors des études d’optimisation puisque l’appareil est contaminé après utilisation et que l’utilisateur doit attendre que la radioactivité se désintègre avant d’effectuer l’expérience suivante. Outre le coût de l’équipement, le coût du radio-isotope et des réactifs peut donc devenir très important pour les études nécessitant la production de plusieurs lots. Cela peut se produire, par exemple, lors de l’optimisation des protocoles de synthèse pour les nouveaux radiotraceurs afin d’obtenir un rendement et une fiabilité suffisants pour les études d’imagerie in vivo initiales.
Les technologies microfluidiques ont été de plus en plus utilisées en radiochimie pour capitaliser sur plusieurs avantages par rapport aux systèmes conventionnels4,5,6. Les plates-formes microfluidiques, y compris celles basées sur des volumes de réaction de 1 à 10μL 7,8,9,ont montré une réduction significative des volumes de réactifs et de la consommation de précurseurs coûteux, ainsi que des temps de réaction courts. Ces réductions conduisent à des coûts plus faibles, à des étapes de chauffage et d’évaporation plus rapides, à une purification en aval plus courte et plus simple, à un processus chimique global « plus vert »10,et à une activité molaire plus élevée des radiotraceurs produits11. Ces améliorations rendent plus pratique la production d’études d’optimisation plus approfondies en réduisant le coût des réactifs de chaque synthèse. D’autres avantages peuvent être obtenus en effectuant plusieurs expériences à partir d’un seul lot de radio-isotopes en une seule journée. Par exemple, les radiosynthétiseurs de chimie d’écoulement microfluidique fonctionnant en « mode découverte » peuvent effectuer séquentiellement des dizaines de réactions, chacune utilisant seulement 10s de volume de réaction μL12.
Inspiré par ces avantages, une puce de réseau de gouttelettes multi-réactions dans laquelle les réactions de microvolume sont confinées à un réseau de pièges de tension superficielle sur une surface de silicium, créée à l’aide d’un revêtement en téflon à motifs, a été développée. Ces puces permettent d’effectuer simultanément plusieurs réactions à l’échelle de 1 à 20 μL, ouvrant la possibilité d’explorer 10s de différentes conditions de réaction par jour, chacune avec plusieurs répétitions. Dans cet article, l’utilité de cette nouvelle approche à haut débit pour effectuer des optimisations de radiochimie rapides et à faible coût est démontrée. L’utilisation de puces de gouttelettes multi-réactions permet une exploration pratique de l’impact des concentrations de réactifs et du solvant de réaction, et l’utilisation de plusieurs puces pourrait permettre l’étude de la température et du temps de réaction, tout en consommant de très faibles quantités de précurseurs.
Protocol
Representative Results
Discussion
En raison des limites des systèmes de radiochimie conventionnels qui ne permettent qu’une ou un petit nombre de réactions par jour et consomment une quantité importante de réactifs par point de données, seule une infime partie de l’espace global des paramètres de réaction peut être explorée dans la pratique, et de nombreuses fois les résultats sont rapportés sans répétition (n = 1). Par rapport aux systèmes conventionnels, cette plate-forme de radiosynthèse de gouttelettes à réactions multiples perme…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions l’installation biomédicale de cyclotron de l’UCLA et les Drs Roger Slavik et Giuseppe Carlucci d’avoir généreusement fourni du fluorure[18F] pour ces études et le NanoLab de l’UCLA pour son soutien avec de l’équipement pour la fabrication de puces.
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).
