Otimização de reações radioquímicas usando Arrays droplet
Summary
Este método descreve o uso de uma nova metodologia de alta produtividade, baseada em reações químicas de gotículas, para a rápida e econômica otimização dos radiofarmacêuticos usando quantidades de nanomole de reagentes.
Abstract
Os radiosintematizadores automatizados atuais são projetados para produzir grandes lotes clínicos de radiofarmacêuticos. Eles não são adequados para otimização de reação ou desenvolvimento radiofarmacêutico novo, uma vez que cada ponto de dados envolve consumo significativo de reagentes, e a contaminação do aparelho requer tempo para decadência radioativa antes do próximo uso. Para lidar com essas limitações, foi desenvolvida uma plataforma para a realização de matrizes de reações em miniatura baseadas em gotículas em paralelo, cada uma confinada dentro de uma armadilha de tensão superficial em um “chip” de silício revestido de politetrafluoroetileno padronizado. Esses chips permitem estudos rápidos e convenientes de parâmetros de reação, incluindo concentrações de reagentes, solvente de reação, temperatura de reação e tempo. Esta plataforma permite a conclusão de centenas de reações em poucos dias com consumo mínimo de reagente, em vez de levar meses usando um radiosintesizer convencional.
Introduction
Os radiofarmacêuticos de emissão de pósitrons (PET) são amplamente utilizados como ferramentas de pesquisa para monitorar processos bioquímicos específicos in vivo e estudar doenças, e para o desenvolvimento de novas drogas e terapias. Além disso, o PET é uma ferramenta crítica para o diagnóstico ou estadiamento da doença e o acompanhamento da resposta do paciente à terapia1,2,3. Devido à curta meia-vida dos radioisótopos PET (por exemplo, 110 min para radiofarmacêuticos com rótulo flúor-18) e risco de radiação, esses compostos são preparados usando sistemas automatizados especializados que operam atrás da proteção de radiação e devem ser preparados pouco antes do uso.
Os sistemas atuais usados para sintetizar radiofarmacêuticos são projetados para produzir grandes lotes que são divididos em muitas doses individuais para compartilhar o custo de produção. Embora os sistemas atuais sejam adequados para a produção de radiotracers amplamente utilizados como [18F]F (porque vários exames de pacientes e experimentos de pesquisa podem ser agendados em um único dia), esses sistemas podem ser desperdiçados para a produção de novos radiotracers durante o desenvolvimento em estágio inicial, ou menos comumente usados radiotracers. Os volumes que os sistemas convencionais usam são tipicamente na faixa de 1-5 mL, e as reações requerem quantidades precursoras na faixa de 1-10 mgs. Além disso, o uso de radiosintéticos convencionais é geralmente complicado durante os estudos de otimização, uma vez que o aparelho fica contaminado após o uso e o usuário deve esperar que a radioatividade decaia antes de realizar o próximo experimento. Além do custo do equipamento, o custo do radioisótopo e dos reagentes pode, portanto, tornar-se muito substancial para estudos que exigem a produção de múltiplos lotes. Isso pode ocorrer, por exemplo, durante a otimização de protocolos de síntese para novos radiotracers para alcançar rendimento e confiabilidade suficientes para estudos in vivo de imagem in vivo.
As tecnologias microfluídicas têm sido cada vez mais utilizadas na radioquímica para capitalizar várias vantagens sobre os sistemas convencionais4,5,6. Plataformas microfluídicas, incluindo aquelas baseadas nos volumes de reação de 1-10 μL7,8,9, mostraram uma redução significativa dos volumes de reagentes e do consumo de precursores caros, bem como curtos tempos de reação. Essas reduções levam a custos mais baixos, passos de aquecimento e evaporação mais rápidos, purificação mais curta e mais direta a jusante, um processo de química “mais verde”10e maior atividade molar dos radiotracers produzidos11. Essas melhorias tornam mais prático realizar estudos de otimização mais extensos, reduzindo o custo do reagente de cada síntese. Outros benefícios podem ser obtidos realizando vários experimentos a partir de um único lote de radioisótopos em um único dia. Por exemplo, radiosinthesizersizers de química de fluxo microfluido que operam no “modo de descoberta” podem realizar sequencialmente dezenas de reações, cada uma usando apenas 10s de volume de reação μL12.
Inspirado por essas vantagens, foi desenvolvido um chip de matriz de gotículas de várias reações em que reações de microvolume estão confinadas a uma série de armadilhas de tensão superficial em uma superfície de silício, criada usando um revestimento Teflon padronizado. Esses chips permitem que múltiplas reações na escala de 1-20 μL sejam realizadas simultaneamente, abrindo a possibilidade de explorar 10s de diferentes condições de reação por dia, cada uma com múltiplas réplicas. Neste artigo, demonstra-se a utilidade dessa nova abordagem de alta produtividade para a realização de otimizações de radioquímica rápida e de baixo custo. O uso de chips de gotícula de várias reações permite a exploração conveniente do impacto das concentrações de reagentes e solventes de reação, e o uso de vários chips poderia permitir o estudo da temperatura e do tempo de reação, tudo isso consumindo quantidades muito baixas de precursor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Devido a limitações dos sistemas convencionais de radioquímica que permitem apenas um ou um pequeno número de reações por dia e consomem uma quantidade significativa de reagentes por ponto de dados, apenas uma pequena parte do espaço geral do parâmetro de reação pode ser explorada na prática, e muitas vezes os resultados são relatados sem repetições (n=1). Em comparação com sistemas convencionais, esta plataforma de radiossíntese de gotículas de várias reações torna-se prático realizar estudos mais …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos ao Centro De Ciclotron Biomédico da UCLA e ao Dr. Roger Slavik e ao Dr. Giuseppe Carlucci por fornecerem generosamente fluoreto de18F para esses estudos e o UCLA NanoLab por apoio com equipamentos para fabricação de chips.
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).
