Cette méthode décrit l’utilisation d’une nouvelle méthodologie à haut débit, basée sur des réactions chimiques de gouttelettes, pour l’optimisation rapide et économique des produits radiopharmaceutiques à l’aide de quantités nanomoles de réactifs.
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Article de méthode
Cette méthode décrit l’utilisation d’une nouvelle méthodologie à haut débit, basée sur des réactions chimiques de gouttelettes, pour l’optimisation rapide et économique des produits radiopharmaceutiques à l’aide de quantités nanomoles de réactifs.
Les radiosynthétiseurs automatisés actuels sont conçus pour produire de grands lots cliniques de produits radiopharmaceutiques. Ils ne sont pas bien adaptés à l’optimisation de la réaction ou au développement de nouveaux produits radiopharmaceutiques, car chaque point de données implique une consommation importante de réactifs et la contamination de l’appareil nécessite du temps pour la désintégration radioactive avant la prochaine utilisation. Pour remédier à ces limitations, une plate-forme permettant d’effectuer des réseaux de réactions miniatures à base de gouttelettes en parallèle, chacune confinée dans un piège de tension superficielle sur une « puce » de silicium recouverte de polytétrafluoroéthylène à motifs, a été développée. Ces puces permettent des études rapides et pratiques des paramètres de réaction, y compris les concentrations de réactifs, le solvant de réaction, la température et le temps de réaction. Cette plate-forme permet de compléter des centaines de réactions en quelques jours avec une consommation minimale de réactifs, au lieu de prendre des mois à l’aide d’un radiosynthétiseur conventionnel.
Les produits radiopharmaceutiques de tomographie par émission de positons (TEP) sont largement utilisés comme outils de recherche pour surveiller des processus biochimiques in vivo spécifiques et étudier des maladies, ainsi que pour le développement de nouveaux médicaments et thérapies. De plus, la TEP est un outil essentiel pour diagnostiquer ou stadification de la maladie et surveiller la réponse d’un patient au traitement1,2,3. En raison de la courte demi-vie des radio-isotopes TEP (p. ex. 110 min pour les produits radiopharmaceutiques marqués au fluor 18) et des dangers liés aux rayonnements, ces composés sont préparés à l’aide de systèmes automatisés spécialisés fonctionnant derrière le blindage contre les rayonnements et doivent être préparés juste avant utilisation.
Les systèmes actuels utilisés pour synthétiser des produits radiopharmaceutiques sont conçus pour produire de grands lots qui sont divisés en plusieurs doses individuelles pour partager le coût de production. Bien que les systèmes actuels conviennent à la production de radiotraceurs largement utilisés comme[18F]FDG (parce que plusieurs balayages de patients et expériences de recherche peuvent être programmés en une seule journée), ces systèmes peuvent être gaspilleurs pour la production de nouveaux radiotraceurs au cours du développement précoce, ou de radiotraceurs moins couramment utilisés. Les volumes utilisés par les systèmes conventionnels se situent généralement entre 1 et 5 mL, et les réactions nécessitent des quantités de précurseurs de l’ordre de 1 à 10 mg. De plus, l’utilisation de radiosynthétiseurs conventionnels est généralement lourde lors des études d’optimisation puisque l’appareil est contaminé après utilisation et que l’utilisateur doit attendre que la radioactivité se désintègre avant d’effectuer l’expérience suivante. Outre le coût de l’équipement, le coût du radio-isotope et des réactifs peut donc devenir très important pour les études nécessitant la production de plusieurs lots. Cela peut se produire, par exemple, lors de l’optimisation des protocoles de synthèse pour les nouveaux radiotraceurs afin d’obtenir un rendement et une fiabilité suffisants pour les études d’imagerie in vivo initiales.
Les technologies microfluidiques ont été de plus en plus utilisées en radiochimie pour capitaliser sur plusieurs avantages par rapport aux systèmes conventionnels4,5,6. Les plates-formes microfluidiques, y compris celles basées sur des volumes de réaction de 1 à 10μL 7,8,9,ont montré une réduction significative des volumes de réactifs et de la consommation de précurseurs coûteux, ainsi que des temps de réaction courts. Ces réductions conduisent à des coûts plus faibles, à des étapes de chauffage et d’évaporation plus rapides, à une purification en aval plus courte et plus simple, à un processus chimique global « plus vert »10,et à une activité molaire plus élevée des radiotraceurs produits11. Ces améliorations rendent plus pratique la production d’études d’optimisation plus approfondies en réduisant le coût des réactifs de chaque synthèse. D’autres avantages peuvent être obtenus en effectuant plusieurs expériences à partir d’un seul lot de radio-isotopes en une seule journée. Par exemple, les radiosynthétiseurs de chimie d’écoulement microfluidique fonctionnant en « mode découverte » peuvent effectuer séquentiellement des dizaines de réactions, chacune utilisant seulement 10s de volume de réaction μL12.
Inspiré par ces avantages, une puce de réseau de gouttelettes multi-réactions dans laquelle les réactions de microvolume sont confinées à un réseau de pièges de tension superficielle sur une surface de silicium, créée à l’aide d’un revêtement en téflon à motifs, a été développée. Ces puces permettent d’effectuer simultanément plusieurs réactions à l’échelle de 1 à 20 μL, ouvrant la possibilité d’explorer 10s de différentes conditions de réaction par jour, chacune avec plusieurs répétitions. Dans cet article, l’utilité de cette nouvelle approche à haut débit pour effectuer des optimisations de radiochimie rapides et à faible coût est démontrée. L’utilisation de puces de gouttelettes multi-réactions permet une exploration pratique de l’impact des concentrations de réactifs et du solvant de réaction, et l’utilisation de plusieurs puces pourrait permettre l’étude de la température et du temps de réaction, tout en consommant de très faibles quantités de précurseurs.
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ATTENTION : Ce protocole implique la manipulation de matières radioactives. Les expériences ne devraient pas être entreprises sans la formation et l’équipement de protection individuelle nécessaires et sans l’approbation du bureau de radioprotection de votre organisation. Les expériences doivent être effectuées derrière un blindage contre les rayonnements, de préférence dans une cellule chaude ventilée
1. Fabrication de puces multi-réactions
REMARQUE : Les lots de puces de microgouttelettes multi-réactions sont fabriqués à partir de plaquettes de silicium de 4 po à l’aide de techniques de photolithographie standard, comme décrit précédemment10 (Figure 1). Cette procédure produira 7 puces chacune avec 4 x 4 matrices de sites de réaction.
2. Planification de l’étude d’optimisation
REMARQUE : Dans ce protocole, la synthèse du produit radiopharmaceutique[18F]fallypride est utilisée comme exemple pour illustrer l’optimisation à haut débit (Figure 2). Avec une seule puce, 16 réactions simultanées peuvent être effectuées, par exemple, avec une concentration de précurseur variée (8 concentrations différentes, n = 2 répliques chacune). Les conditions sont cartographiées aux sites de réaction à la figure 3A. Des ajustements peuvent être apportés à ce protocole pour optimiser d’autres paramètres de réaction (par exemple, solvant de réaction, volume de réaction, quantité de TBAHCO3,etc.) ou d’autres produits radiopharmaceutiques.
3. Préparation de réactifs et de matériaux pour optimiser la radiosynthèse de [18F]fallypride
NOTA : La radiosynthèse à base de gouttelettes de[18F]fallypride (figure 2) commence par l’ajout de[18F]fluorure et de catalyseur de transfert de phase (TBAHCO3)au site de réaction, suivi d’un chauffage pour évaporer l’eau et laisser un résidu séché. Ensuite, une gouttelette de précurseur (tosyl-fallypride) dans le solvant de réaction (alcool théxylique et acétonitrile) est ajoutée et chauffée pour effectuer la réaction de radiofluorination. Enfin, le produit brut est collecté à partir de la puce pour analyse. Les procédures de préparation et de synthèse des réactifs doivent être adaptées si vous effectuez l’optimisation d’un traceur différent.
4. Synthèse parallèle de [18F]fallypride avec différentes concentrations de précurseurs
REMARQUE: La puce est actionnée au sommet d’une plate-forme chauffante (construite comme décrit précédemment13)composée d’un appareil de chauffage en céramique de 25 mm x 25 mm, contrôlé à l’aide d’un régulateur de température on-off utilisant le signal interne du thermocouple pour la rétroaction. Les températures de surface du chauffage ont été étalonnées à l’aide de l’imagerie thermique. Si une telle plate-forme n’est pas disponible, une paire de plaques chauffantes peut être utilisée (une à 105 °C et une à 110 °C).
5. Analyse de synthèse pour déterminer la performance de la réaction et les conditions optimales
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Une expérience représentative a été réalisée pour illustrer cette méthode. À l’aide de 16 réactions, des études d’optimisation du produit radiopharmaceutique[18F]fallypride ont été réalisées en faisant varier la concentration de précurseurs (77, 39, 19, 9,6, 4,8, 2,4, 1,2 et 0,6 mM) dans l’alcool thexylique : MeCN (1:1, v/v) comme solvant de réaction. Les réactions ont été réalisées à 110 °C pendant 7 min. L’efficacité de la collecte, la composition de l’échantillon (c.-à-d. le...
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En raison des limites des systèmes de radiochimie conventionnels qui ne permettent qu’une ou un petit nombre de réactions par jour et consomment une quantité importante de réactifs par point de données, seule une infime partie de l’espace global des paramètres de réaction peut être explorée dans la pratique, et de nombreuses fois les résultats sont rapportés sans répétition (n = 1). Par rapport aux systèmes conventionnels, cette plate-forme de radiosynthèse de gouttelettes à réactions multiples permet d’effectuer des étu...
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Les régents de l’Université de Californie ont concédé sous licence à Sofie, Inc. une technologie qui a été inventée par le Dr van Dam, et ont pris des participations dans Sofie, Inc. dans le cadre de la transaction de licence. Le Dr van Dam est l’un des fondateurs et consultants de Sofie, Inc. Les autres auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts. Ces travaux ont été soutenus en partie par le National Cancer Institute (R33 240201).
Nous remercions l’installation biomédicale de cyclotron de l’UCLA et les Drs Roger Slavik et Giuseppe Carlucci d’avoir généreusement fourni du fluorure[18F] pour ces études et le NanoLab de l’UCLA pour son soutien avec de l’équipement pour la fabrication de puces.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| 2,3-diméthyl-2-butanol (alcool thylique) | Sigma-Aldrich | 594-60-5 | 98 |
| %Acétone | KMG Chemicals | Salle blanche LP grade | |
| Formiate d’ammonium (NH4HCO2) | Sigma-Aldrich | 540-69-2 | 97 % |
| Acétonitrile anhydre (MeCN) | Sigma-Aldrich | 75-05-8 | 99.80 % |
| Chauffage en céramique | Watlow | Utramic CER-1-01-0093 | 25 mm x 25 mm |
| Fabrication | D’autres instruments peuvent être utilisés pour la lecture de plaques TLC, notamment : système d’imagerie optique in vivo pour petits animaux, scanner radio-TLC 2D, scanner radio-TLC 1D | ||
| Eau DI | Sigma-Aldrich | 7732-18-5 | |
| Pipettes de transfert jetables, 3 mL | Falcon | 13-680-50 | |
| Calibrateur de dose | Capintec, Inc. | CRC-25 PET | |
| Fallypride | ABX Advanced Biochemical Compounds | 1560.0010.000 | Étalon de référence Fallypride >95 %[ |
| 18F]fluorure dans [18O]H2O | UCLA Ahmanson Biomedical Cyclotron Facility | En raison de sa courte demi-vie, il doit être obtenu auprès d’un laboratoire de radiochimie local ou d’une | |
| radiopharmacie commercialePlaques de recouvrement en verre (76,2 mm x 50,8 mm x 1 mm d’épaisseur) | C& Une | 6101 | |
| Headway Headway | Research, Inc. | PWM50-PS-R790 Système de sipinner | Boîtier de commande PWM50, moteur PS, bol R790 |
| Four haute température | Carbolite | HTCR 6 28 | |
| Plaque chauffante | Thermo Scientific | Super-Nuova HP133425 | |
| Isopropanol (IPA) | KMG Chemicals | Salle blanche de qualité LP | |
| Aligneur de masque | Karl Suss | MA/BA6 | |
| Méthanol (MeOH) | Sigma-Aldrich | 67-56-1 | &ge ; 99.9 % |
| Microtube à centrifuger | Eppendorf | 0030 123.301 | 500 µ ; Micropipette en polypropylène L, incolore |
| (0,5-10 & micro ; L) | Labnet | BioPette P3940-10 | |
| Micropipette (100-1000 µ ; L) | Labnet | BioPette P3940-1000 | |
| Micropipette (10-100 µ ; L) | Labnet | BioPette P3940-100 | |
| Pointes de micropipette (0,1-10 & micro ; L) | USA Scientific Inc Pointes | 11113810 | |
| Pointes de micropipette (2-200 µ ; L) | BrandTech | 13-889-143 | |
| Pointes de micropipette (50-1000 µ ; L) | BrandTech | 13-889-145 | |
| Solution de développement de résine photosensible | MicroChem | MEGAPOSIT MF-26A | |
| Photorésine positive | MicroChem | MEGAPOSIT 220-7.0 | |
| Graveur d’ions réactifs (RIE) | Oxford Instruments | Plasma Lab 80 Plus | |
| Découpeur de plaquettes de silicium | Euro Tool | CSCB-431.00 | |
| Plaquette de silicium ; 4" diamètre Silicon | Valley Microelectronics Inc. ; | 0017227-048 | Type P, dopé au bore, épaisseur 525 ± ; 25 µ ; m |
| Téflon AF 2400 | Chimies ; | D14896765 | 1 % de solides |
| Bicarbonate de tétrabutylammonium (TBAHCO3) | ABX Advanced Biochemical Compounds | 808 | Solution aqueuse stabilisée à l’éthanol, 0,075 M |
| Pâte conductrice Themal | OMEGA | OT-201-2 | |
| Plaques TLC | Merck KGaA | 1.05554.0001 | Gel de silice 60 F254, 50 mm x 60 mm, dos |
| en aluminiumTosyl-fallypride | ABX Advanced Biochemical Compounds | 1550.004.000 | Précurseur de Fallypride, >90 % |
| Triméthylamine (TEA) | Sigma-Aldrich | 75-50-3 | &ge ; 99 % |
| Pince à épiler | Cole-Parmer | UX-07387-08 | Acier inoxydable, pointe fine |
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