Este método describe el uso de una nueva metodología de alto rendimiento, basada en reacciones químicas de gotitas, para la optimización rápida y económica de radiofármacos utilizando cantidades de nanomoles de reactivos.
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Artículo de método
Este método describe el uso de una nueva metodología de alto rendimiento, basada en reacciones químicas de gotitas, para la optimización rápida y económica de radiofármacos utilizando cantidades de nanomoles de reactivos.
Los radiosíntesis automatizados actuales están diseñados para producir grandes lotes clínicos de radiofármacos. No son adecuados para la optimización de la reacción o el desarrollo de nuevos radiofármacos, ya que cada punto de datos implica un consumo significativo de reactivos, y la contaminación del aparato requiere tiempo para la desintegración radiactiva antes del siguiente uso. Para abordar estas limitaciones, se desarrolló una plataforma para realizar matrices de reacciones en miniatura basadas en gotas en paralelo, cada una confinada dentro de una trampa de tensión superficial en un "chip" de silicio recubierto de politetrafluoroetileno estampado. Estos chips permiten estudios rápidos y convenientes de los parámetros de reacción, incluidas las concentraciones de reactivos, el disolvente de reacción, la temperatura y el tiempo de reacción. Esta plataforma permite completar cientos de reacciones en pocos días con un consumo mínimo de reactivos, en lugar de tomar meses utilizando un radiosíntesis convencional.
Los radiofármacos de tomografía por emisión de positrones (PET) se utilizan ampliamente como herramientas de investigación para monitorear procesos bioquímicos específicos in vivo y estudiar enfermedades, y para el desarrollo de nuevos fármacos y terapias. Además, la TEP es una herramienta crítica para diagnosticar o estadificar la enfermedad y monitorizar la respuesta de un paciente a la terapia1,2,3. Debido a la corta vida media de los radioisótopos PET (por ejemplo, 110 min para radiofármacos marcados con flúor-18) y al peligro de radiación, estos compuestos se preparan utilizando sistemas automatizados especializados que operan detrás del blindaje contra la radiación y deben prepararse justo antes de su uso.
Los sistemas actuales utilizados para sintetizar radiofármacos están diseñados para producir grandes lotes que se dividen en muchas dosis individuales para compartir el costo de producción. Mientras que los sistemas actuales son adecuados para la producción de radiosondas ampliamente utilizadas como [18F] FDG (porque se pueden programar múltiples exploraciones de pacientes y experimentos de investigación en un solo día), estos sistemas pueden ser un desperdicio para la producción de nuevos radiosondas durante el desarrollo en etapas tempranas, o radiosondas menos comúnmente utilizadas. Los volúmenes que utilizan los sistemas convencionales están típicamente en la gama de 1-5 mL, y las reacciones requieren cantidades del precursor en la gama del magnesio 1-10. Además, el uso de radiosíntesis convencionales es generalmente engorroso durante los estudios de optimización, ya que el aparato se contamina después de su uso y el usuario debe esperar a que la radiactividad se descomponga antes de realizar el siguiente experimento. Aparte del costo del equipo, el costo del radioisótopo y los reactivos puede, por lo tanto, llegar a ser muy sustancial para los estudios que requieren la producción de múltiples lotes. Esto puede ocurrir, por ejemplo, durante la optimización de los protocolos de síntesis para nuevos radiosondas para lograr un rendimiento y una fiabilidad suficientes para los estudios iniciales de imágenes in vivo.
Las tecnologías microfluídicas se han utilizado cada vez más en radioquímica para capitalizar varias ventajas sobre los sistemas convencionales4,5,6. Las plataformas microfluídicas, incluidas las basadas en volúmenes de reacción de 1-10 μL7,8,9,han mostrado una reducción significativa de los volúmenes de reactivos y el consumo de precursores costosos, así como tiempos de reacción cortos. Estas reducciones conducen a costos más bajos, pasos de calentamiento y evaporación más rápidos, una purificación más corta y directa aguas abajo, un proceso químico general "más verde"10,y una mayor actividad molar de los radiosondadores producidos11. Estas mejoras hacen que sea más práctico realizar estudios de optimización más extensos al reducir el costo del reactivo de cada síntesis. Se pueden lograr otros beneficios mediante la realización de múltiples experimentos a partir de un solo lote de radioisótopos en un solo día. Por ejemplo, los radiosíntesis de química de flujo microfluídico que operan en "modo de descubrimiento" pueden realizar secuencialmente docenas de reacciones, cada una utilizando solo 10s de volumen de reacción de μL12.
Inspirado por estas ventajas, se desarrolló un chip de matriz de gotas multirrea reacción en el que las reacciones de microvolúmenes se limitan a una matriz de trampas de tensión superficial en una superficie de silicio, creadas con un recubrimiento de teflón estampado. Estos chips permiten realizar múltiples reacciones en la escala de 1-20 μL simultáneamente, abriendo la posibilidad de explorar 10s de diferentes condiciones de reacción por día, cada una con múltiples réplicas. En este documento, se demuestra la utilidad de este nuevo enfoque de alto rendimiento para realizar optimizaciones de radioquímica rápidas y de bajo costo. El uso de chips de gotas multirrea reacción permite una exploración conveniente del impacto de las concentraciones de reactivos y el disolvente de reacción, y el uso de múltiples chips podría permitir el estudio de la temperatura y el tiempo de reacción, todo mientras se consumen cantidades muy bajas de precursor.
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PRECAUCIÓN: Este protocolo implica la manipulación de materiales radiactivos. Los experimentos no deben llevarse a cabo sin la capacitación necesaria y el equipo de protección personal y la aprobación de la oficina de seguridad radiológica de su organización. Los experimentos deben realizarse detrás del blindaje contra la radiación, preferiblemente en una célula caliente ventilada
1. Fabricación de chips multirreaplicación
NOTA: Los lotes de chips de microgotas multirrea reacción se fabrican a partir de obleas de silicio de 4" utilizando técnicas de fotolitografía estándar, como se describió anteriormente10 (Figura 1). Este procedimiento producirá 7 chips cada uno con una matriz de 4 x 4 de sitios de reacción.
2. Planificación del estudio de optimización
NOTA: En este protocolo, la síntesis del falypride radiofármaco[18F]se utiliza como ejemplo para ilustrar la optimización de alto rendimiento (Figura 2). Con un solo chip, se pueden realizar 16 reacciones simultáneas, por ejemplo, con concentración de precursor variada (8 concentraciones diferentes, n=2 réplicas cada una). Las condiciones se asignan a los sitios de reacción en la Figura 3A. Se pueden realizar ajustes en este protocolo para optimizar otros parámetros de reacción (por ejemplo, disolvente de reacción, volumen de reacción, cantidad de TBAHCO3,etc.) u otros radiofármacos.
3. Preparación de reactivos y materiales para optimizar la radiosíntesis de[18F]falpóruro
NOTA: La radiosíntesis basada en gotitas de[18F]falpuro(Figura 2)comienza con la adición de[18F]fluoruro y catalizador de transferencia de fase (TBAHCO3)al sitio de reacción, seguido de calentamiento para evaporar el agua y dejar un residuo seco. A continuación, se añade una gotita de precursor (tosil-falpílido) en el disolvente de reacción (alcohol por xil y acetonitrilo) y se calienta para realizar la reacción de radiofluorinación. Finalmente, el producto crudo se recoge del chip para su análisis. Los procedimientos de preparación y síntesis de reactivos deben adaptarse si se realiza la optimización de un marcador diferente.
4. Síntesis paralela de[18F]falpuro con diferentes concentraciones de precursores
NOTA: El chip se opera sobre una plataforma de calefacción (construida como se describió anteriormente13)que consiste en un calentador de cerámica de 25 mm x 25 mm, controlado mediante un controlador de temperatura de encendido y apagado utilizando la señal de termopar interno para la retroalimentación. Las temperaturas superficiales del calentador fueron calibradas usando proyección de imagen termal. Si dicha plataforma no está disponible, se puede utilizar un par de placas calientes (una a 105 °C y otra a 110 °C).
5. Análisis de síntesis para determinar el rendimiento de la reacción y las condiciones óptimas
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Un experimento representativo fue realizado para ilustrar este método. Usando 16 reacciones, los estudios de optimización del radiofármaco[18F]fallypride fueron realizados por la concentración variable del precursor (77, 39, 19, 9.6, 4.8, 2.4, 1.2, y 0.6 milímetros) en el alcohol delxyl: MeCN (1:1, v/v) como el solvente de la reacción. Las reacciones se realizaron a 110 °C durante 7 min. La eficiencia de la recolección, la composición de la muestra (es decir, las proporciones d...
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Debido a las limitaciones de los sistemas de radioquímica convencionales que permiten solo una o un pequeño número de reacciones por día y consumen una cantidad significativa de reactivos por punto de datos, solo se puede explorar en la práctica una pequeña porción del espacio total de parámetros de reacción, y muchas veces los resultados se informan sin repeticiones (n = 1). En comparación con los sistemas convencionales, esta plataforma de radiosíntesis de gotas multirrea reacción hace que sea práctico realizar estudio...
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Los Regentes de la Universidad de California han licenciado tecnología a Sofie, Inc. que fue inventada por el Dr. van Dam, y han tomado acciones en Sofie, Inc. como parte de la transacción de licencia. El Dr. van Dam es fundador y consultor de Sofie, Inc. Los autores restantes declaran no tener conflictos de intereses. Este trabajo fue apoyado en parte por el Instituto Nacional del Cáncer (R33 240201).
Agradecemos a la Instalación de Ciclotrón Biomédico de UCLA y al Dr. Roger Slavik y al Dr. Giuseppe Carlucci por proporcionar generosamente[18F]fluoruro para estos estudios y al NanoLab de UCLA por el apoyo con equipos para la fabricación de chips.
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 2,3-dimetil-2-butanol (alcohol exílico) | Sigma-Aldrich | 594-60-5 | 98% |
| Acetona | KMG Chemicals | Sala limpia Grado LP | |
| Formiato de amonio (NH4HCO2) | Sigma-Aldrich | 540-69-2 | 97% |
| Acetonitrilo anhidro (MeCN) | Sigma-Aldrich | 75-05-8 | 99.80% |
| Calefactor cerámico | Watlow | Utramic CER-1-01-0093 | 25 mm x 25 mm |
| Cámara de imagen Cerenkov | Hecho a | Se pueden utilizar otros instrumentos para la lectura de placas TLC, entre ellos: sistema óptico de imágenes in vivo para animales pequeños, escáner 2D radio-TLC, escáner 1D radio-TLC | |
| DI agua | Sigma-Aldrich | 7732-18-5 | |
| Pipetas de transferencia desechables, 3 mL | Falcon | 13-680-50 | |
| Calibrador de dosis | Capintec, Inc. | CRC-25 PET | |
| Fallypride | ABX Compuestos bioquímicos avanzados | 1560.0010.000 | Estándar de referencia de Fallypride, >95% |
| [18F]fluoruro en [18O]H2O | ciclotrón biomédico Ahmanson de UCLA | Debido a su corta vida media, debe obtenerse en un laboratorio de radioquímica local o en una radiofarmacia comercial | |
| Placas de cubierta de vidrio (76,2 mm x 50,8 mm x 1 mm de grosor) | C& Una | 6101 | |
| Headway Headway Research, Inc. | PWM50-PS-R790 Sistema de sibilización | PWM50-caja de control, motor PS, R790-bowl | |
| Horno de alta temperatura | Carbolite | HTCR 6 28 | |
| Placa calefactora | Thermo Scientific | Super-Nuova HP133425 | |
| Isopropanol (IPA) | KMG Chemicals | Sala limpia Grado LP | |
| Alineador de mascarillas | Karl Suss | MA/BA6 | |
| Metanol (MeOH) | Sigma-Aldrich | 67-56-1 | ≥ 99.9% |
| Tubo de microcentrífuga | Eppendorf | 0030 123.301 | 500 µ L, incoloro, |
| micropipeta de polipropileno (0,5-10 y micro; L) | Micropipeta Labnet | BioPette P3940-10 | |
| (100-1000 y micro; L) | Micropipeta Labnet | BioPette P3940-1000 | |
| (10-100 y micro; L) | Labnet | BioPette P3940-100 | |
| Puntas de micropipeta (0.1-10 y micro; L) | Puntas de USA Scientific Inc 11113810 | ||
| Puntas de micropipeta (2-200 y micro; L) | BrandTech | 13-889-143 | |
| Puntas de micropipeta (50-1000 y micro; L) | BrandTech | 13-889-145 | |
| Solución de revelador fotorresistente | MicroChem | MEGAPOSIT MF-26A | |
| Fotorresist positivo | MicroChem | MEGAPOSIT 220-7.0 | |
| Grabador de iones reactivos (RIE) | Oxford | Instruments Plasma Lab 80 Plus | |
| Cortador de obleas de silicona | Euro Tool | CSCB-431.00 | |
| Oblea de silicona; 4" diámetro | Silicon Valley Microelectronics Inc. | 0017227-048 | Tipo P, dopado con boro, espesor 525 ± 25 µ m |
| Teflón AF 2400 | Chemours | D14896765 | 1% de sólidos |
| Bicarbonato de tetrabutilamonio (TBAHCO3 | )ABX Compuestos bioquímicos avanzados | 808 | Solución acuosa estabilizada con etanol, 0,075 M |
| Pasta conductora de tela | OMEGA | OT-201-2 | |
| Placas TLC | Merck KGaA | 1.05554.0001 | Gel de sílice 60 F254, 50 mm x 60 mm, parte trasera |
| de aluminioTosyl-fallypride | ABX Compuestos bioquímicos avanzados | 1550.004.000 | Precursor de fallypride, >90% |
| Trimetilamina (TEA) | Sigma-Aldrich | 75-50-3 | ≥ 99% |
| Pinzas | Cole-Parmer | UX-07387-08 | Acero inoxidable, punta fina |
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