Articolo metodologico

18 mi lato Etichettatura F dei radiotracciati funzionalizzata con un accettatore di fluoruro di silicio (SiFA) per la tomografia a emissione di positroni

DOI:

10.3791/60623

⸱

11 gennaio 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 questo articolo

Sommario

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La sintesi di fluoro-18 (18F) etichettato radiofarmaceutico per la tomografia a emissione di positroni richiede in genere mesi di esperienza. Quando incorporato in un radiotracciatore, il motivo SiFA (Silicon-fluorride acceptor) consente un semplice protocollo di etichettatura Fdi 18 che è indipendente da attrezzature costose e formazione preparatoria, riducendo la quantità precursore necessaria e utilizzando condizioni di reazione più lievi.

Abstract

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Il motivo strutturale para-sostituito di-tert-butylfluorolbenzene noto come l'accettatore di silicio-fluoruro (SiFA) è un tag utile nel toolkit del radiochimico per incorporare il fluoruro radioattivo [18F]fluoruro nei traccianti per l'uso nella tomografia a emissione di positroni. Rispetto alle tradizionali strategie di radioetichettatura, lo scambio isotopico di fluoro-19 da SiFA con [18F]fluoruro viene effettuato a temperatura ambiente e richiede partecipanti alla reazione minima. La formazione di sottoprodotti è quindi trascurabile e la purificazione è notevolmente semplificata. Tuttavia, mentre la molecola precursore utilizzata per l'etichettatura e il prodotto radioetichettato finale sono isotopicamente discreti, sono chimicamente identici e sono quindi inseparabili durante le procedure di purificazione. Il tag SiFA è anche suscettibile alla degradazione nelle condizioni di base derivanti dalla lavorazione e dall'essiccazione di [18F]fluoruro. Il "metodo a 4 gocce", in cui solo le prime 4 gocce di eluito [18F]fluoruro vengono utilizzate dall'estrazione in fase solida, riduce la quantità di base nella reazione, facilita una minore quantità molare di precursore e riduce le degradazioni.

Introduzione

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Fluoro-18 (109 minuti di emivita, 97% di emissione di positroni) è tra i più importanti radionuclidi per la tomografia a emissione di positroni (PET), un metodo di imaging non invasivo che visualizza e quantifica la bio-distribuzione dei traccianti radioetichettati per varie malattie1. Peptidi e proteine sono particolarmente difficili da etichettare con [18F]fluoruro perché richiedono blocchi costitutivi formati da sintesi a più fasi2. Per ridurre la complessità di 18F-radiolabeling, l'accettatore di fluoruro di silicio (SiFA) è stato recentemente introdotto come strumenti affidabili3. Il gruppo SiFA è costituito da un atomo di silicio centrale collegato a due gruppi di butile terziari, una moiety fenili derivata e un atomo fluoro non radioattivo. I gruppi terziari di butile conferiscono stabilità idrolitica al legame siliconico-fluoruro, che è una caratteristica fondamentale per le applicazioni in vivo di SiFA coniugati come agenti di imaging.

Quando sono attaccati a una piccola molecola o biomolecola, i blocchi costitutivi SiFA legano gli anioni radioattivi [18F]fluoruro scambiando fluoro-19 per fluoro-18 a concentrazioni di nanomolare senza formare quantità significative di prodotti laterali radioattivi4. Inoltre, un'elevata resa radiochimica si ottiene rapidamente etichettando la moiety SiFA in solventi aprotici dividuci a basse temperature. Questo è in netto contrasto con le reazioni di scambio isotopico classiche, che producono radiotracciatori di bassa attività specifica5. In questi casi, grandi quantità di precursori (nella gamma di milligrammi) devono essere utilizzati per ottenere una ragionevole incorporazione di [18F]fluoruro. Le reazioni di scambio isotopico con SiFA sono molto più efficienti, come confermato da studi cinetici e calcoli della teoria funzionale della densità6,7. I SiFA etichettati sono facilmente purificati dall'estrazione in fase solida, poiché sia i composti SiFA etichettati che quelli non etichettati sono chimicamente identici. Questo differisce dai tradizionali traccianti radioetichettati, dove la molecola precursore e il prodotto etichettato sono due specie chimiche diverse e devono essere separati dopo la radioetichettatura da cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC). Utilizzando blocchi costitutivi SiFA, piccole molecole, proteine e peptidi possono essere etichettati con successo con [18F]fluoruro da protocolli di etichettatura in una e due fasi privi di complicate procedure di purificazione (Figura 1),4,8,9. Inoltre, alcuni composti etichettati siFA sono affidabili agenti di imaging in vivo per il flusso sanguigno e tumori10. La semplicità della chimica SiFA consente anche ai ricercatori non addestrati di utilizzare [18F]fluoruro per la sintesi e lo sviluppo del radiotracciante.

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Protocollo

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AVVISO: Bisogna tenere a mente che 18F è un isotopo radioattivo, e quindi è necessario eseguire tutte le procedure alla base di un'adeguata schermatura. La schermatura del piombo è appropriata per questo tipo di radiazioni. Assicurarsi di indossare badge di rilevamento delle radiazioni per tutta la durata di questa procedura. Inoltre, smaltire immediatamente i guanti prima di toccare qualsiasi cosa dopo la sintesi, in quanto possono essere contaminati da attività radioattiva. Utilizzare monitor a piedi a mano e contatori Pancake Geiger per verificare la contaminazione di maniche, mani e piedi.

1. Essiccazione azeotropica di 18F-anion

NOTA: Figura 2A Mostra un grafico del flusso di lavoro di questa procedura, che richiede 10 min.

  1. Precondizionare una cartuccia di cambio anion (QMA) diammoniaca quaternaria (QMA) passando per 0,5 M K2CO3 (10 mL) attraverso la cartuccia, seguita da acqua deionizzata (10 mL).
  2. Passare una soluzione acquosa di [18F]F-/[18O]H2O (100-500 MBq) attraverso la cartuccia QMA precondizionata in retromarcia, utilizzando un adattatore da maschio a maschio. Eliminare il [18O]H2O.
    NOTA: questi passaggi possono essere eseguiti utilizzando un modulo di sintesi automatico o utilizzando schermatura aggiuntiva sulla siringa.
  3. Elutare le prime quattro gocce degli anioni fissi [18F]fluoroi dalla cartuccia QMA in una soluzione preparata di [2.2.2]cryptand (Table of Materials) (10 mg), 0.2 M 2 4CO3 (50 L, 10 zmol) e acetonitrile (1 mL) in una v-vial densa mente-
    NOTA: Solo le prime quattro gocce vengono utilizzate come la maggior parte del radioattivo [18F]fluoruro è eluito fuori il QMA in queste gocce. Questo riduce la quantità di base portata avanti nella soluzione di magazzino[18F]fluoruro, che è necessaria per evitare la degradazione della moiety SiFA.
  4. Sigillare la fiala e posizionarla in un bagno di olio minerale di 90 gradi posizionato su una piastra calda. Inserire un ago di sfiato e un ago collegato a un flusso di gas argon nel setto del tappo della fiala. Attendere 5 min per far evaporare i solventi sotto il flusso dolce di argon. Rimuovere eventuali tracce rimanenti di acqua aggiungendo 1 mL di acetonitrile per facilitare la co-evaporazione azeotropica. Ripetere questo passaggio 2x per garantire la secchezza.
  5. Una volta rimosso visibilmente il solvente, fermare il flusso di argon e rimuovere le siringhe dal tappo della fiala e rimuovere la fiala dal bagno d'olio.
  6. Risospendere il fluoruro essiccato [18F]nel solvente di reazione di scelta.
    NOTA: In questo caso, acetonitrile (1 mL) viene aggiunto per creare una soluzione di stock altamente reattiva [18F-]F- (100-500 MBq). Questa soluzione può ora essere utilizzata per l'etichettatura.

2. Etichettatura SiFA-ligando in un unico passaggio

NOTA: Figura 2B mostra un grafico del flusso di lavoro di questa procedura, che richiede 15 min.

  1. Precondizionare una cartuccia C-18 (Tabella dei materiali) risciacquandola con etanolo (10 mL) e acqua distillata (10 mL).
  2. Aggiungete la soluzione di stock [18F-]fluoruro a una fiala di reazione contenente un precursore con etichetta SiFA (100 nmol, 20-100 nmol). Lasciare che la reazione di etichettatura proceda per 5 min a temperatura ambiente senza agitare la soluzione.
    NOTA: L'intera soluzione di stock può essere aggiunta o un, a seconda di quanta attività si desidera per la reazione.
  3. Prelevare la miscela di reazione in una siringa da 20 mL contenente tampone di fosfato da 0,1 M (9 mL) e passare la soluzione attraverso la cartuccia C-18 precondizionata per intrappolare il tracciante etichettato.
  4. Lavare la cartuccia con acqua distillata (5 mL), quindi eluire il tracciante intrappolato dalla cartuccia C-18 con etanolo (300 - L) e diluire con cuscinetto fosfato sterile per l'iniezione (3 mL).
  5. Passare il purificato [18F]SiFA-tracer attraverso un filtro sterile.
    NOTA: Per ottenere un PET chiaro immaginate per l'imaging di piccoli animali, la dose di circa il paziente diviso deve essere compresa tra 5-8 MBq. Per uso umano, la dose di paziente partizionato dovrebbe essere compresa tra 200,300 MBq.
  6. Iniettare una piccola aliquota (4 MBq) del purificato [18F]SiFA-tracer su un sistema HPLC dotato di una colonna C-18 in fase invertita per confermare che la purezza radiochimica è superiore al 95%.

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Risultati

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Lo scambio isotopico SiFA semplicistico può raggiungere un elevato grado di incorporazione radiochimica di [18F]fluoruro (60-90%) con una quantità minima di complessità sintetica (Figura 1). La maggior parte delle molecole può essere radioetichettata con [18F]fluoruro in un unico passaggio senza coinvolgere HPLC per la purificazione (Figura 2). Radio-HPLC può essere utilizzato per scopi di controllo di qualità, in cui il picco di assorbimen...

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Discussione

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La chimica dell'etichettatura SiFA rappresenta uno dei primi 18metodi di etichettatura F che impiegano una reazione di scambio isotopico straordinariamente efficiente che può essere eseguita a temperatura ambiente. Una tipica reazione radiochimica si basa sulla formazione di un legame carbonio-fluoro attraverso la reazione del[18F]fluoruro con una funzionalità fluoruro-reattiva attraverso un percorso di eliminazione o sostituzione. Queste condizioni di reazione sono spesso dure, eseguite a pH estrem...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Gli autori non hanno riconoscimenti.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
[18F]F-/H2[18O]O(Ciclotrone prodotto)--
[2.2.2]CryptandAldrich291110Kryptofix 2.2.2
Acetonitrile anidroAldrich271004-Acqua
deionizzataBaxterJF7623-Etanolo
, alcoli
potassioAldrich209619-QMA
cartucciaWaters186004540QMA SepPak Light (46 mg) cartuccia
Equipment
C-18 cartucciaWatersWAT023501C-18 SepPak Light cartuccia
C18 colonnaPhenomenex00G-4041-N0HPLC Luna C18 250 x 10 mm, 5 &; micro; m
HPLCAgilentTechnologies-Scannermicro-PET serie 1200
Siemens-micro-PETR4
Scanner Radio-TLC Lettore di piastreMini Gita
Filtro sterile 0,22µ mMilliporeSLGP033RS-
commerciali anidri-carbonato di Raytest-Radio-TLC

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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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