Methodenartikel

18 F-Kennzeichnung von Radiotracern funktionalisiert mit einem Siliziumfluorid-Akzeptor (SiFA) für Positronen-Emissionstomographie

DOI:

10.3791/60623

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11. Januar 2020

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1Department of Oncology, University of Alberta, 2Department of Nuclear Medicine, University Hospital of Munich, 3ENETS Centre of Excellence, Interdisciplinary Center of Neuroendocrine Tumors of the GastroEnteroPancreatic System, LMU Munich, 4Biomedical Chemistry, Department of Clinical Radiology and Nuclear Medicine, Medical Faculty Mannheim of Heidelberg University, 5Molecular Imaging and Radiochemistry, Department of Clinical Radiology and Nuclear Medicine, Medical Faculty Mannheim of Heidelberg University

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Die Synthese von Fluor-18 (18F) markierten Radiopharmaka für die Positronenemissionstomographie erfordert in der Regel monatelange Erfahrung. Bei der Aufnahme in einen Radiotracer ermöglicht das Siliziumfluorid-Akzeptor (SiFA) ein einfaches 18-F-Kennzeichnungsprotokoll, das unabhängig von kostspieligen Geräten und Vorbereitungstrainings ist, während gleichzeitig die benötigte Vorläufermenge reduziert und mildere Reaktionsbedingungen genutzt werden.

Zusammenfassung

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Das parasubstituierte Di-tert-Butylfluorosilylbenzol-Strukturmotiv, bekannt als Siliziumfluorid-Akzeptor (SiFA), ist ein nützliches Tag im Werkzeugkasten des Radiochemikers zur Integration von radioaktivem[18F]Fluorid in Tracer für die Positronenemissionstomographie. Im Vergleich zu herkömmlichen Radiolabeling-Strategien erfolgt der isotopenaustausch von Fluor-19 von SiFA mit[18F]Fluorid bei Raumtemperatur und erfordert minimale Reaktionsteilnehmer. Die Bildung von Nebenprodukten ist daher vernachlässigbar, und die Reinigung wird stark vereinfacht. Während jedoch das zur Etikettierung verwendete Vorläufermolekül und das endgültige radioaktiv markierte Produkt isotopisch diskret sind, sind sie chemisch identisch und somit bei Reinigungsvorgängen untrennbar miteinander verbunden. Das SiFA-Tag ist auch unter den Grundbedingungen, die sich aus der Verarbeitung und Trocknung von[18F]fluorid ergeben, abbauanfällig. Die "4-Tropfen-Methode", bei der nur die ersten 4 Tropfen eluiertes[18F]Fluorid aus der Festphasenextraktion verwendet werden, reduziert die Basismenge in der Reaktion, erleichtert geringere Molmengen an Vorläuferund und reduziert den Abbau.

Einleitung

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Fluor-18 (109-Minuten-Halbwertszeit, 97% Positronenemission) gehört zu den wichtigsten Radionukliden für die Positronenemissionstomographie (PET), eine nichtinvasive bildgebende Methode, die die Bioverteilung von radioaktiv markierten Tracern für verschiedene Krankheiten visualisiert und quantifiziert1. Peptide und Proteine sind besonders schwer mit[18F]fluorid zu kennzeichnen, da sie Bausteine erfordern, die durch mehrstufige Synthesen gebildet werden2. Um die Komplexität von 18F-Radio-Labeling zu reduzieren, wurde Silizium-Fluorid-Akzeptor (SiFA) vor kurzem als zuverlässige Werkzeuge3eingeführt. Die SiFA-Gruppe besteht aus einem zentralen Siliziumatom, das mit zwei tertiären Butylgruppen verbunden ist, einem derivatisierten Phenylmoiety und einem nicht-radioaktiven Fluoratom. Die tertiären Butylgruppen verleihen der Silizium-Fluorid-Bindung hydrolytische Stabilität, was ein kritisches Merkmal für In-vivo-Anwendungen von SiFA-Konjugaten als Bildgebungsmittel ist.

Wenn sie an ein kleines Molekül oder Biomolekül angeschlossen sind, binden die SiFA-Bausteine radioaktive[18F]Fluorid-Anionen durch den Austausch von Fluor-19 gegen Fluor-18 in nanomolaren Konzentrationen, ohne signifikante Mengen radioaktiver Nebenprodukte zu bilden4. Darüber hinaus wird eine hohe radiochemische Ausbeute schnell durch die Kennzeichnung des SiFA-Moietys in dipolaren aprotischen Lösungsmitteln bei niedrigen Temperaturen erreicht. Dies steht in krassem Gegensatz zu klassischen Isotopenaustauschreaktionen, die Radiotracer mit geringer spezifischer Aktivität erzeugen5. In diesen Fällen müssen große Mengen an Vorläufer (im Bereich von Milligramm) verwendet werden, um eine angemessene Aufnahme von[18F]fluorid zu erhalten. Isotopische Austauschreaktionen mit SiFAs sind viel effizienter, wie kinetische Studien und Dichte-Funktionstheorie-Berechnungen6,7bestätigen. Beschriftete SiFAs lassen sich durch Festphasenextraktion leicht reinigen, da sowohl die markierten als auch die nicht beschrifteten SiFA-Verbindungen chemisch identisch sind. Dies unterscheidet sich von herkömmlichen radioaktiv markierten Tracern, bei denen das Vorläufermolekül und das beschriftete Produkt zwei verschiedene chemische Arten sind und nach der Radiokennung durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) getrennt werden müssen. Mit SiFA-Bausteinen können Kleinmoleküle, Proteine und Peptide erfolgreich mit [18F]fluorid durch ein- und zweistufige Etikettierungsprotokolle ohne komplizierte Reinigungsverfahren gekennzeichnet werden (Abbildung 1)4,8,9. Darüber hinaus sind einige SiFA-markierte Verbindungen zuverlässige In-vivo-Bildgebungsmittel für den Blutfluss und Tumore10. Die Einfachheit der SiFA-Chemie ermöglicht es auch ungeschulten Forschern,[18F]Fluorid für die Radiotracer-Synthese und -Entwicklung zu verwenden.

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Protokoll

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VORSICHT: Man muss bedenken, dass 18F ein radioaktives Isotop ist, und daher ist es notwendig, alle Verfahren hinter einer angemessenen Abschirmung durchzuführen. Die Bleiabschirmung ist für diese Art von Strahlung geeignet. Achten Sie darauf, Strahlenerkennungsabzeichen während des gesamten Verfahrens zu tragen. Entsorgen Sie außerdem sofort Handschuhe, bevor Sie etwas nach der Synthese berühren, da sie mit radioaktiver Aktivität kontaminiert sein können. Verwenden Sie Hand-Fuß-Monitore sowie Pfannkuchen-Geigerzähler, um auf Verunreinigungen von Ärmeln, Händen und Füßen zu überprüfen.

1. Azeotrope Trocknung von 18F-Anion

ANMERKUNG: Abbildung 2A zeigt ein Workflow-Diagramm dieses Verfahrens, das 10 min dauert.

  1. Voraussetzung für eine quaternäre Methylammonium(QMA) Anionenaustauschpatrone (Materialtabelle) durch durchgang0,5 M K2CO3 (10 ml) durch die Kartusche, gefolgt von entionisiertem Wasser (10 ml).
  2. Passieren Sie eine wässrige Lösung von [18F]F-/[18O]H2O (100-500 MBq) durch die vorkonditionierte QMA-Patrone im Rückwärtsgang, indem Sie einen männlichen zu einem männlichen Adapter verwenden. Entsorgen Sie die [18O]H2O.
    HINWEIS: Diese Schritte können mit einem automatisierten Synthesemodul oder mit zusätzlicher Abschirmung auf der Spritze durchgeführt werden.
  3. Die ersten vier Tropfen der festen [18F]Fluorid-Anionen aus der QMA-Patrone in eine vorbereitete Lösung von [2.2.2]cryptand(Materialtabelle) (10 mg), 0,2 M K2 CO3 (50 l, 10 mol) und Acetonitril (1 ml) in einem dickwandigen V-Vial zu verschließen und die Durchstechflasche zu versiegeln.
    HINWEIS: Nur die ersten vier Tropfen werden verwendet, da der Großteil des radioaktiven[18F]Fluorids in diesen Tropfen aus dem QMA eluiert wird. Dies reduziert die Menge der Basis, die in der[18F]fluorid-Stammlösung vorgetragen wird, was notwendig ist, um eine Verschlechterung des SiFA-Anteils zu vermeiden.
  4. Versiegeln Sie die Durchstechflasche und legen Sie sie in ein 90 °C Mineralölbad, das auf einer Kochplatte positioniert ist. Setzen Sie eine Entlüftungsnadel und eine Nadel, die mit einem Strom von Argongas verbunden ist, in das Septum der Durchstechflasche ein. Warten Sie 5 min, um die Lösungsmittel unter dem sanften Argonstrom zu verdampfen. Entfernen Sie alle verbleibenden Spuren von Wasser, indem Sie 1 ml Acetonitril hinzufügen, um die azeotropische Koverdunstung zu erleichtern. Wiederholen Sie diesen Schritt 2x, um Trockenheit zu gewährleisten.
  5. Sobald das Lösungsmittel sichtbar entfernt ist, stoppen Sie den Argonfluss, entfernen Sie die Spritzen aus der Durchstechflasche, und entfernen Sie die Durchstechflasche aus dem Ölbad.
  6. Das getrocknete [18F]Fluorid im Reaktionslösungsmittel der Wahl wieder aufsetzen.
    HINWEIS: In diesem Fall wird Acetonitril (1 ml) hinzugefügt, um eine Lagerlösung von hochreaktiv [18F-]F- (100 x 500 MBq) zu erstellen. Diese Lösung kann nun für die Etikettierung verwendet werden.

2. Einstufige SiFA-Ligand-Etikettierung

ANMERKUNG: Abbildung 2B zeigt ein Workflow-Diagramm dieses Verfahrens, das 15 min dauert.

  1. Voraussetzung für eine C-18-Patrone(Materialtabelle) durch Spülen mit Ethanol (10 ml) und destilliertem Wasser (10 ml).
  2. Fügen Sie die [18F-]Fluorid-Stammlösung zu einer Reaktionsdurchstechs mit einem SiFA-markierten Vorläufer (100 l, 20 x 100 nmol) hinzu. Lassen Sie die Etikettierreaktion 5 min bei Raumtemperatur ablaufen, ohne die Lösung zu rühren.
    HINWEIS: Je nachdem, wie viel Aktivität für die Reaktion gewünscht wird, kann die gesamte Lagerlösung hinzugefügt oder ein Aliquot hinzugefügt werden.
  3. Zeichnen Sie das Reaktionsgemisch in einer 20 ml Spritze mit 0,1 M Phosphatpuffer (9 ml) und geben Sie die Lösung durch die vorkonditionierte C-18-Patrone, um den beschrifteten Tracer einzufangen.
  4. Waschen Sie die Kartusche mit destilliertem Wasser (5 ml), dann elute gefangenen Tracer aus der C-18 Kartusche mit Ethanol (300 l), und verdünnen Sie mit sterilem Phosphatpuffer zur Injektion (3 ml).
  5. Den gereinigten [18F]SiFA-Tracer durch einen sterilen Filter passieren.
    HINWEIS: Um eine klare PET-Imagine für kleine Tierabbildungen zu erhalten, sollte die partitionierte Patientendosis zwischen 5-8 MBq liegen. Für den menschlichen Gebrauch sollte die partitionierte Patientendosis zwischen 200 und 300 MBq liegen.
  6. Injizieren Sie ein kleines Aliquot (ca. 4 MBq) des gereinigten [18F]SiFA-Tracers in ein HPLC-System, das mit einer umgedrehten Phase C-18-Säule ausgestattet ist, um zu bestätigen, dass die radiochemische Reinheit größer als 95% ist.

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Ergebnisse

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Der vereinfachte SiFA-Isotopenaustausch kann einen hohen Grad an radiochemischer Inkorporation von [18F]fluorid (60-90%) erreichen. mit einer minimalen synthetischen Komplexität (Abbildung 1). Die meisten Moleküle können mit [18F]Fluorid in einem Schritt radioaktiv markiert werden, ohne HPLC zur Reinigung zu verwenden (Abbildung 2). Radio-HPLC kann für Qualitätskontrollzwecke verwendet werden, wobei die ultraviolette (UV) Absorptionsspitze ...

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Diskussion

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Die SiFA-Etikettierungschemie stellt eine der ersten 18F-Etikettierungsmethoden dar, bei denen eine außerordentlich effiziente Isotopenaustauschreaktion eingesetzt wird, die bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann. Eine typische radiochemische Reaktion beruht auf der Bildung einer Kohlenstoff-Fluor-Bindung über die Reaktion von[18F]fluorid mit fluorid-reaktiver Funktionalität durch einen Eliminations- oder Substitutionsweg. Diese Reaktionsbedingungen sind oft hart, werden bei extremer pH-Wert od...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

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Die Autoren haben keine Bestätigungen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
[18F]F-/H2[18O]O(Zyklotron hergestellt)--
[2.2.2]CryptandAldrich291110Kryptofix 2.2.2
Acetonitril wasserfreiAldrich271004-deionisiertes
WasserBaxterJF7623-Ethanol
, wasserfreiekommerzielle Alkohole-Kaliumcarbonat
Aldrich209619-QMA
KartuscheWässer186004540QMA SepPak Light (46 mg) Kartusche
Equipment
C-18 KartuscheWatersWAT023501C-18 SepPak Light Kartusche
C18 SäulePhenomenex00G-4041-N0HPLC Luna C18 250 x 10 mm, 5 & Mikro; m
HPLCAgilentTechnologies-HPLC1200 Serie
Micro-PET ScannerSiemens-Micro-PETR4 Scanner
Radio-TLC PlattenleserMini Gita
Sterilfilter 0,22µ mMilliporeSLGP033RS-
Raytest-Radio-TLC

Referenzen

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  1. Wahl, R. L., Buchanan, J. W. Principles and practice of positron emission tomography. , Lippincott Williams & Wilkins. Philadelphia, PA. (2002).
  2. Wängler, C., Schirrmacher, R., Bartenstein, P., Wängler, C. Click-chemistry reactions in radiopharmaceutical chemistry: Fast & easy introduction of radiolabels into biomolecules for in vivo imaging. Current Medical Chemistry. 17, 1092-1116 (2010).
  3. Schirrmacher, R., et al. 18F-labeling of peptides by means of an organosilicon-based fluoride acceptor. Angewandte Chemie International Edition. 45, 6047-6050 (2006).
  4. Kostikov, A. P., et al. Oxalic acid supported Si-18F-radiofluorination: One-step radiosynthesis of N-succinimidyl 3-(di-tert-butyl[18F]fluorosilyl)benzoate ([18F]SiFB) for protein labeling. Bioconjugate Chemistry. 23 (1), 106-114 (2012).
  5. Cacace, F., Speranza, M., Wolf, A. P., Macgregor, R. R. Nucleophilic aromatic substitution; kinetics of fluorine-18 substitution reactions in polyfluorobenzenes. Isotopic exchange between 18F- and polyfluorobenzenes in dimethylsulfoxide. A kinetic study. Journal of Fluorine Chemistry. 21, 145-158 (1982).
  6. Schirrmacher, E., et al. Synthesis of p-(di-tert-butyl[18F]fluorosilyl)benzaldehyde ([18F]SiFA-A) with high specific activity by isotopic exchange: A convenient labeling synthon for the 18F-labeling of N-amino-oxy derivatized peptides. Bioconjugate Chemistry. 18, 2085-2089 (2007).
  7. Kostikov, A., et al. N-(4-(di-tert-butyl[18F]fluorosilyl)benzyl)-2-hydroxy-N,N-dimethylethylammonium bromide ([18F]SiFAN+Br-): A novel lead compound for the development of hydrophilic SiFA-based prosthetic groups for 18F-labeling. Journal of Fluorine Chemistry. 132, 27-34 (2011).
  8. Wängler, B., et al. Kit-like 18F-labeling of proteins: Synthesis of 4-(di-tert-butyl[18F]fluorosilyl)benzenethiol (Si[18F]FA-SH) labeled rat serum albumin for blood pool imaging with PET. Bioconjugate Chemistry. 20, 317-321 (2009).
  9. Iovkova, L., et al. para-Functionalized aryl-di-tert-butylfluorosilanes as potential labeling synthons for 18F radiopharmaceuticals. Chemistry. 15, 2140-2147 (2009).
  10. Wängler, C., et al. One-step 18F-labeling of carbohydrate-conjugated octreotate-derivatives containing a silicon-fluoride-acceptor (SiFA): In vitro and in vivo evaluation as tumor imaging agents for positron emission tomography (PET). Bioconjugate Chemistry. 21, 2289-2296 (2010).
  11. Ilhan, H., et al. First-in-human 18F-SiFAlin-TATE PET/CT for NET imaging and theranostics. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 46, 2400-2401 (2019).

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Schlagwörter

Fluor 18 MarkierungIsotauchauschreaktion4 Tropfen MethodeQMA KartuscheC18 KartuscheMarkierung bei RaumtemperaturRadiotracer AufreinigungPET Bildgebung

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