本方法介绍了一种基于液滴化学反应的新型高通量方法，可利用纳摩尔量级的试剂快速且经济地优化放射性药物。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
目前的自动化放射性合成仪旨在生产大量临床剂量的放射性药物。这类设备不适合用于反应优化或新型放射性药物的开发，因为每个数据点的获取都需要消耗大量试剂，且装置一旦被污染，必须等待放射性衰变完成后才能进行下一次使用。为解决这些局限性，研究人员开发了一种可在图案化聚四氟乙烯涂层硅“芯片”上并行进行大量微型液滴反应的平台，每个反应均被限制在由表面张力形成的微小反应阱中。该芯片可快速、便捷地研究包括试剂浓度、反应溶剂、反应温度和反应时间在内的多种反应参数。该平台可在数天内完成数百个反应，试剂消耗极低，而使用传统放射性合成仪则需耗时数月。
引言
正电子发射断层扫描（PET）放射性药物被广泛用作研究工具，以监测特定的体内生物化学过程、研究疾病，以及用于新药和新疗法的开发。此外，PET 是诊断或分期疾病以及监测患者对治疗反应的重要工具1,2,3。由于 PET 放射性核素的半衰期较短（例如，氟-18标记的放射性药物为110分钟）且存在辐射危害，这些化合物需在辐射屏蔽后使用专用的自动化系统制备，并且必须在使用前立即配制。
目前用于合成放射性药物的系统旨在生产大批量产物，再将其分割为多个独立剂量，以分摊生产成本。尽管现有系统适用于生产广泛应用的放射性示踪剂（例如[18F]FDG，因为可在同一天安排多位患者的扫描和多个科研实验），但在早期研发阶段生产新型放射性示踪剂或使用频率较低的示踪剂时，这些系统可能造成浪费。传统系统使用的体积通常在1–5 mL范围内，反应需要1–10 mg范围的前体物质。此外，在优化研究过程中使用传统放射性合成仪通常较为繁琐，因为设备在使用后会被污染，操作者必须等待放射性衰变完成后才能进行下一次实验。除设备成本外，对于需要制备多批次的实验而言，放射性同位素和试剂的成本也可能变得非常可观。例如，在优化新型放射性示踪剂的合成方案以达到足够的产率和可靠性，用于初步的体内成像研究时，就可能出现这种情况。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
警告：本实验方案涉及放射性物质的操作。未经必要的培训、未佩戴个人防护装备，以及未获得所在机构辐射安全办公室批准前，不得开展实验。实验应在辐射屏蔽装置后进行，最好在通风良好的热室内操作。
1. 多反应芯片的制备
注意：多反应微滴芯片的批量制备采用标准的光刻技术，以4"硅晶圆为材料，具体方法如前所述10（图1）。该工艺可制得7个芯片，每个芯片包含4 × 4的反应位点阵列。
- 将硅片放置在旋涂仪卡盘上，确保其居中。用移液管在硅片中心滴加 3 mL 聚四氟乙烯溶液，并以 1000 rpm 转速旋涂 30 秒（加速度为 500 rpm/s）。
- 为固化涂层，先将硅片置于 160 °C 的加热板上加热 10 分钟，然后转移至 245 °C 的加热板上继续加热 10 分钟。
- 在氮气氛围下，将涂层于高温烘箱中 340 °C 退火 3.5 小时，随后以 10 °C/min 的速率降温至 70 °C。
- 将硅片重新放置在旋涂仪卡盘上，确保其居中。用移液管在硅片中心加入 2 mL 正性光刻胶，然后以 3000 rpm 转速旋涂 30 秒（加速度为 1000 rpm/s）。
- 将硅片置于 115 °C 的加热板上进行前烘（软烘）3 分钟....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
本研究进行了一项代表性实验以说明该方法。采用16个反应，通过在二甲苯醇:乙腈（1:1, v/v）反应溶剂中改变前体浓度（77、39、19、9.6、4.8、2.4、1.2 和 0.6 mM），对放射性药物[18F]fallypride 进行优化研究。反应在 110 °C 下进行 7 分钟。收集效率、样品组成（即 [18F]fallypride 产物、未反应的 [18F]氟离子及副产物的比例）列于表1中，并在图4中以图形形式总结展示。
研究显示，氟化效率（[18F]fallypride 的比例）随着前体浓度的增加而升高，而未反应的 [18F]氟离子则呈相反变化（图 4A）。在低前体浓度下存在少量放.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
由于传统放射化学系统每天仅能进行一个或少量反应，且每个数据点消耗大量试剂，实际上只能探索整体反应参数空间的极小部分，且许多结果报告时无重复实验（n=1）。与传统系统相比，这种多反应液滴放射合成平台使得在消耗极少量前体和极短时间的情况下，对放射合成条件开展更全面、更严谨的研究成为可能，有望揭示影响产物收率和副产物生成的关键参数。这些信息可用于选择能够获得最高产物收率或最稳健合成效果的反应条件。低前体消耗量在新型放射性示踪剂早期研发阶段尤为有利，此时前体可能仅有少量可用或成本较高。尽管芯片的开放式设计有助于实现快速合成并通过移液枪便捷操作，但也可能导致挥发性分子大量损失，在优化具有挥发性前体、中间体或产物的放射性药物合成时可能不具实用性。
由于存在辐射暴露风险，必须再次强调，这些实验只能在经过适当培训并获得批准的情况下进行，并且必须在辐射屏蔽后操作，最好在通风良好的热室中进行。由于放射性同位素的半衰期较短，实验必须快速且高效地完成。在非放射性条件下，应预先练习向芯片中移液试剂以及从芯片中收集产物，以熟悉热室中受限的操作空间和可视性。同样，芯片的安装与拆卸，以及使用活度计对芯片进行测量等.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
加州大学董事会已将由 van Dam 博士发明的技术授权给 Sofie 公司，并作为授权交易的一部分持有 Sofie 公司的股权。van Dam 博士是 Sofie 公司的创始人及顾问。其余作者声明无利益冲突。本工作部分由美国国家癌症研究所（R33 240201）资助。
致谢
我们感谢加州大学洛杉矶分校生物医学回旋加速器中心以及Roger Slavik博士和Giuseppe Carlucci博士慷慨提供了这些研究所需的[18F]氟化物，同时感谢加州大学洛杉矶分校纳米实验室在芯片制备设备方面给予的支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2,3-二甲基-2-丁醇（叔己醇） | Sigma-Aldrich | 594-60-5 | 98% |
| 丙酮 | KMG Chemicals | 洁净室LP级 | |
| 甲酸铵（NH4HCO2） | Sigma-Aldrich | 540-69-2 | 97% |
| 无水乙腈（MeCN） | Sigma-Aldrich | 75-05-8 | 99.80% |
| 陶瓷加热器 | Watlow | Utramic CER-1-01-0093 | 25 mm × 25 mm |
| 切伦科夫成像室 | 定制 | 其他可用于薄层色谱板读取的仪器包括：小动物活体光学成像系统、二维放射性薄层色谱扫描仪、一维放射性薄层色谱扫描仪 | |
| 去离子水 | Sigma-Aldrich | 7732-18-5 | |
| 一次性移液管，3 mL | Falcon | 13-680-50 | |
| 剂量校准仪 | Capintec, Inc. | CRC-25 PET | |
| Fallypride | ABX Advanced Biochemical Compounds | 1560.0010.000 | Fallypride参比标准品，>95% |
| [18F]氟化物溶于[18O]H2O | UCLA Ahmanson生物医学回旋加速器中心 | 由于半衰期短，必须从本地放射化学实验室或商业放射性药房获取 | |
| 玻璃盖板（76.2 mm × 50.8 mm × 1 mm厚） | C&A Scientific | 6101 | |
| Headway旋涂仪 | Headway Research, Inc. | PWM50-PS-R790 Sipinner系统 | PWM50-控制箱，PS-电机，R790-托盘 |
| 高温烘箱 | Carbolite | HTCR 6 28 | |
| 加热板 | Thermo Scientific | Super-Nuova HP133425 | |
| 异丙醇（IPA） | KMG Chemicals | 洁净室LP级 | |
| 掩模对准器 | Karl Suss | MA/BA6 | |
| 甲醇（MeOH） | Sigma-Aldrich | 67-56-1 | ≥99.9% |
| 微量离心管 | Eppendorf | 0030 123.301 | 500 µL，无色，聚丙烯材质 |
| 微量移液器（0.5–10 µL） | Labnet | BioPette P3940-10 | |
| 微量移液器（100–1000 µL） | Labnet | BioPette P3940-1000 | |
| 微量移液器（10–100 µL） | Labnet | BioPette P3940-100 | |
| 微量移液器吸头（0.1–10 µL） | USA Scientific Inc Tips | 11113810 | |
| 微量移液器吸头（2–200 µL） | BrandTech | 13-889-143 | |
| 微量移液器吸头（50–1000 µL） | BrandTech | 13-889-145 | |
| 光刻胶显影液 | MicroChem | MEGAPOSIT MF-26A | |
| 正性光刻胶 | MicroChem | MEGAPOSIT 220-7.0 | |
| 反应离子刻蚀机（RIE） | Oxford Instruments | Plasma Lab 80 Plus | |
| 硅片切割器 | Euro Tool | CSCB-431.00 | |
| 硅片；直径4" | Silicon Valley Microelectronics Inc. | 0017227-048 | P型，硼掺杂，厚度525 ± 25 µm |
| Teflon AF 2400 | Chemours | D14896765 | 1% 固含量 |
| 四丁基碳酸氢铵（TBAHCO3） | ABX Advanced Biochemical Compounds | 808 | 乙醇稳定水溶液，0.075 M |
| 导热硅脂 | OMEGA | OT-201-2 | |
| 薄层色谱板（TLC板） | Merck KGaA | 1.05554.0001 | 硅胶60 F254，50 mm × 60 mm，铝基底 |
| 对甲苯磺酰基-Fallypride | ABX Advanced Biochemical Compounds | 1550.004.000 | Fallypride前体，>90% |
| 三甲胺（TEA） | Sigma-Aldrich | 75-50-3 | ≥ 99% |
| 镊子 | Cole-Parmer | UX-07387-08 | 不锈钢，细尖头 |
参考文献
- 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. Pos....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
