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18 ans, états-unis qui F-Labeling of Radiotracers Functionalized with a Silicon Fluoride Acceptor (SiFA) for Positron Emission Tomography

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DOI :

10.3791/60623

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11 janvier 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

Dans cet article

Résumé

La synthèse des produits radiopharmaceutiques étiquetés fluor-18(18F) pour la tomographie par émission de positrons nécessite généralement des mois d'expérience. Lorsqu'il est incorporé dans un radiotraceur, le motif de l'accepteur de silicium-fluorure (SiFA) permet un simple protocole d'étiquetage F 18indépendant de l'équipement coûteux et de la formation préparatoire, tout en réduisant la quantité de précurseurs nécessaire et en utilisant des conditions de réaction plus douces.

Résumé

Le motif structurel para-substitué di-tert-butylfluorosilylbenzene connu sous le nom d'accepteur de silicium-fluorure (SiFA) est une étiquette utile dans la boîte à outils du radiochimiste pour incorporer le fluorure radioactifdansles traceurs pour l'utilisation dans la tomographie d'émission de positon. Par rapport aux stratégies conventionnelles d'étiquetage radio, l'échange isotopique de fluor-19 de SiFA avec [18F]fluorure est effectué à température ambiante et nécessite un minimum de participants à réaction. La formation de sous-produits est donc négligeable, et la purification est grandement simplifiée. Cependant, alors que la molécule précurseur utilisée pour l'étiquetage et le produit radio-étiqueté final sont isotopiquement discrets, ils sont chimiquement identiques et sont donc inséparables lors des procédures de purification. L'étiquette SiFA est également susceptible de dégradation dans les conditions de base découlant du traitement et du séchage du fluorure[18F]. La «méthode 4 gouttes», dans laquelle seulement les 4 premières gouttes de l'éluté [18F]fluorure sont utilisés à partir de l'extraction en phase solide, réduit la quantité de base dans la réaction, facilite les quantités molaires inférieures de précurseur, et réduit la dégradation.

Introduction

Fluorine-18 (109 minutes demi-vie, 97% émission de positrons) est l'un des radionucléides les plus importants pour la tomographie par émission de positrons (TEP), une méthode d'imagerie non invasive qui visualise et quantifie la biodistribution de traceurs radio-étiquetés pour diverses maladies1. Les peptides et les protéines sont particulièrement difficiles à étiqueter avec [18F]fluorure parce qu'ils nécessitent des blocs de construction formés par des synthèses en plusieurs étapes2. Pour réduire la complexité de 18F-radiolabeling, l'accepteur de silicium-fluorure (SiFA) a été récemment introduit comme outils fiables3. Le groupe SiFA se compose d'un atome central de silicium relié à deux groupes tertiaires de butyl, d'un moiety dérivé de phényl, et d'un atome fluor non radioactif. Les groupes tertiaires de butyle confèrent la stabilité hydrolytique au lien de silicium-fluorure, qui est une caractéristique critique pour des applications in vivo des conjugués de SiFA comme agents d'imagerie.

Lorsqu'ils sont attachés à une petite molécule ou biomolécule, les blocs de construction SiFA lient les anions radioactifs [18F]fluorure en échangeant du fluor-19 contre du fluor-18 à des concentrations nanomolaires sans former de quantités significatives de produits secondaires radioactifs4. En outre, un rendement radiochimique élevé est rapidement atteint en étiquetant la moiety SiFA dans les solvants aprotiques dipolar à basse température. Ceci est en contraste frappant avec les réactions d'échange isotopique classique, qui produisent des radiotraceurs de faible activité spécifique5. Dans ces cas, de grandes quantités de précurseurs (de l'ordre de milligrammes) doivent être utilisées pour obtenir une incorporation raisonnable de [18F]fluorure. Les réactions d'échange isotopique s'appliquant aux SiFA sont beaucoup plus efficaces, comme le confirment les études cinétiques et les calculs de théorie fonctionnelle de densité6,7. Les SiFA étiquetés sont facilement purifiés par l'extraction en phase solide puisque les composés SiFA étiquetés et non étiquetés sont chimiquement identiques. Cela diffère des traceurs radio-étiquetés traditionnels, où la molécule précurseur et le produit étiqueté sont deux espèces chimiques différentes et doivent être séparés après radioétiquetage par chromatographie liquide de haute performance (HPLC). L'utilisation de blocs de construction SiFA, de petites molécules, de protéines et de peptides peut être étiquetée avec succès avec [18F]fluorure par des protocoles d'étiquetage en une et deux étapes dépourvus de procédures de purification compliquées (Figure 1)4,8,9. En outre, certains composés étiquetés SiFA sont fiables agents d'imagerie in vivo pour le flux sanguin et les tumeurs10. La simplicité de la chimie SiFA permet même aux chercheurs non formés d'utiliser [18F]fluorure pour la synthèse et le développement des radiotraceurs.

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Protocole

CAUTION: Il faut garder à l'esprit que 18F est un isotope radioactif, et il est donc nécessaire d'effectuer toutes les procédures derrière un blindage adéquat. Le blindage au plomb est approprié pour ce type de rayonnement. Assurez-vous de porter des badges de détection de rayonnement tout au long de cette procédure. En outre, jetez immédiatement les gants avant de toucher quoi que ce soit après la synthèse, car ils peuvent être contaminés par une activité radioactive. Utilisez des moniteurs de pieds à la main ainsi que des compteurs Geiger à crêpes pour vérifier la contamination des manches, des mains et des pieds.

1. Séchage azéotropique de 18F-anion

REMARQUE : La figure 2A montre un graphique de flux de travail de cette procédure, qui prend 10 min.

  1. Préconditionner une cartouche d'échange d'anion de méthyle quaternaire (QMA)(Tableau des matériaux)en passant 0,5 M K2CO3 (10 ml) à travers la cartouche, suivie de l'eau déionisée (10 ml).
  2. Passer une solution aqueuse de [18F]F-/[18O]H2O (100-500 MBq) à travers la cartouche QMA préconditionnée à l'envers, à l'aide d'un adaptateur mâle à mâle. Jeter le [18O]H2O.
    REMARQUE : Ces étapes peuvent être effectuées à l'aide d'un module de synthèse automatisé ou en utilisant un blindage supplémentaire sur la seringue.
  3. Éluter les quatre premières gouttes de l'anions fixes [18F]fluorure de la cartouche QMA dans une solution préparée de [2.2.2]cryptand (Table of Materials) (10 mg), 0,2 M K2CO3 (50 L, 10 'mol), et acetonitrile (1 mL) dans un v-vial à parois épaisses, et sceller le flacon.
    REMARQUE : Seules les quatre premières gouttes sont utilisées car la majorité du fluorure radioactif [18F]est élifié de l'AMQ dans ces gouttes. Cela réduit la quantité de base reportée dans la solution de stock de fluorure [18F], ce qui est nécessaire pour éviter la dégradation de la moiety SiFA.
  4. Sceller le flacon et le placer dans un bain d'huile minérale de 90 oC placé sur une plaque chaude. Insérez une aiguille d'évent et une aiguille reliée à un jet de gaz d'argon dans le septum du bouchon de flacon. Attendez 5 min pour évaporer les solvants sous le doux flux d'argon. Enlever les traces d'eau restantes en ajoutant 1 ml d'acétonitrile pour faciliter la co-évaporation azéotrope. Répétez cette étape 2x pour assurer la sécheresse.
  5. Une fois que le solvant est visiblement enlevé, arrêter le flux d'argon, et retirer les seringues du bouchon de flacon, et retirer le flacon du bain d'huile.
  6. Resuspendre le fluorure séché [18F]dans le solvant de réaction de choix.
    REMARQUE: Dans ce cas, l'acétonitrile (1 mL) est ajouté pour créer une solution de stock de très réactif [18F-]F- (100-500 MBq). Cette solution peut maintenant être utilisée pour l'étiquetage.

2. Étiquetage SiFA-ligand en une seule étape

REMARQUE : La figure 2B montre un graphique de flux de travail de cette procédure, qui prend 15 min.

  1. Préconditionner une cartouche C-18(Tableau des matériaux) en la rinçant à l'éthanol (10 ml) et à l'eau distillée (10 ml).
  2. Ajouter la solutiondestock de fluorure à une fiole de réaction contenant un précurseur étiqueté SiFA (100 l, 20 à 100 nmol). Laisser la réaction d'étiquetage se poursuivre pendant 5 min à température ambiante sans remuer la solution.
    REMARQUE: La solution stock entier peut être ajouté ou un aliquot, en fonction de la quantité d'activité souhaitée pour la réaction.
  3. Dessinez le mélange de réaction dans une seringue de 20 ml contenant un tampon de phosphate de 0,1 M (9 ml) et passez la solution à travers la cartouche C-18 préconditionnée pour piéger le traceur étiqueté.
  4. Laver la cartouche avec de l'eau distillée (5 ml), puis élinir le traceur piégé de la cartouche C-18 avec de l'éthanol (300 l), et diluer avec un tampon de phosphate stérile pour l'injection (3 mL).
  5. Passer le purifié [18F]SiFA-tracer à travers un filtre stérile.
    REMARQUE : Pour obtenir une TEP claire imaginez pour l'imagerie de petit animal, la dose de patient cloisonnée devrait être entre 5-8 MBq. Pour un usage humain, la dose de patient cloisonnée devrait être entre 200-300 MBq.
  6. Injecter un petit aliquot (4 MBq) du traceur purifié [18F]SiFA sur un système HPLC équipé d'une colonne C-18 en phase inversée pour confirmer que la pureté radiochimique est supérieure à 95 %.

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Résultats

L'échange isotopique simpliste SiFA peut atteindre un degré élevé d'incorporation radiochimique de [18F]fluorure (60-90%) avec un minimum de complexité synthétique (Figure 1). La plupart des molécules peuvent être radio-étiquetées avec [18F]fluorure en une seule étape sans impliquer HPLC pour la purification (Figure 2). Radio-HPLC peut être utilisé à des fins de contrôle de la qualité, où le pic d'absorption ultraviolet (UV) du produit fina...

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Discussion

La chimie d'étiquetage DeFA représente l'une des 18premières méthodes d'étiquetage F utilisant une réaction d'échange isotopique extraordinairement efficace qui peut être effectuée à température ambiante. Une réaction radiochimique typique repose sur la formation d'une liaison carbone-fluore par réaction de [18F]fluorure avec une fonctionnalité fluorure-réactive par une voie d'élimination ou de substitution. Ces conditions de réaction sont souvent dures, effectuées à un pH extrême ou à haute tempéra...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

Les auteurs n'ont aucune reconnaissance.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
[18F]F-/H2[18O]O(Cyclotron produit)--
[2.2.2]CryptandAldrich291110Kryptofix 2.2.2
Acétonitrile anhydreAldrich271004-Eau
désioniséeBaxterJF7623-Ethanol
, anhydreCommercial Alcools-Carbonate
potassiumAldrich209619-QMA
CartoucheWaters186004540QMA SepPak Light (46 mg) cartouche
Equipment
C-18 SepPak Cartouche légère
C18 colonnePhenomenex00G-4041-N0HPLC Luna C18 250 x 10 mm, 5 & micro ; m
HPLCAgilentTechnologies-HPLC 1200 series
micro-PET ScannerSiemens-micro-PETR4 Lecteur
de plaques Radio-TLCMini Gita
Filtre stérile 0.22µ ; mMilliporeSLGP033RS-
de C-18 Waters WAT023501 Raytest-Radio-TLC

Références

  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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Mots-clés

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