Questo metodo descrive l'uso di una nuova metodologia ad alta produttività, basata su reazioni chimiche a goccia, per l'ottimizzazione rapida ed economica dei radiofarmaci usando quantità di nanomole di reagenti.
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Articolo metodologico
Questo metodo descrive l'uso di una nuova metodologia ad alta produttività, basata su reazioni chimiche a goccia, per l'ottimizzazione rapida ed economica dei radiofarmaci usando quantità di nanomole di reagenti.
Gli attuali radiosintesizzatori automatizzati sono progettati per produrre grandi lotti clinici di radiofarmaci. Non sono adatti per l'ottimizzazione della reazione o lo sviluppo radiofarmaceutico nuovo poiché ogni punto dati comporta un consumo significativo di reagenti e la contaminazione dell'apparecchio richiede tempo per il decadimento radioattivo prima del successivo utilizzo. Per affrontare queste limitazioni, è stata sviluppata una piattaforma per eseguire in parallelo array di reazioni a base di goccioline in miniatura, ognuna confinata all'interno di una trappola di tensione superficiale su un "chip" di silicio rivestito di politetrafluoroetilene modellato. Questi chip consentono studi rapidi e convenienti dei parametri di reazione, tra cui concentrazioni di reagenti, solvente di reazione, temperatura di reazione e tempo. Questa piattaforma consente il completamento di centinaia di reazioni in pochi giorni con un consumo minimo di reagenti, invece di prendere mesi utilizzando un radiosintesinteizzatore convenzionale.
I radiofarmaci a emissione di positroni (PET) sono ampiamente utilizzati come strumenti di ricerca per monitorare specifici processi biochimici in vivo e studiare malattie, e per lo sviluppo di nuovi farmaci e terapie. Inoltre, il PET è uno strumento fondamentale per diagnosticare o mettere in scena la malattia e monitorare la risposta di un paziente alla terapia1,2,3. A causa della breve emivizione dei radioisotopi pet (ad esempio, 110 minuti per i radiofarmaci con etichetta fluoro-18) e del rischio di radiazioni, questi composti sono preparati utilizzando sistemi automatizzati specializzati che operano dietro la schermatura delle radiazioni e devono essere preparati poco prima dell'uso.
Gli attuali sistemi utilizzati per sintetizzare i radiofarmaci sono progettati per produrre grandi lotti che sono divisi in molte dosi individuali per condividere il costo di produzione. Mentre i sistemi attuali sono adatti per la produzione di radiotraccianti ampiamente utilizzati come [18F]FDG (perché più scansioni dei pazienti ed esperimenti di ricerca possono essere programmati in un solo giorno), questi sistemi possono essere dispendiosi per la produzione di nuovi radiotraccianti durante lo sviluppo in fase iniziale, o radiotraccianti meno comunemente usati. I volumi utilizzati dai sistemi convenzionali sono tipicamente nell'intervallo di 1-5 mL e le reazioni richiedono quantità precursori nell'intervallo da 1-10 mg. Inoltre, l'uso di radiosintesizzatori convenzionali è generalmente ingombrante durante gli studi di ottimizzazione poiché l'apparecchio viene contaminato dopo l'uso e l'utente deve attendere il decadimento della radioattività prima di eseguire l'esperimento successivo. Oltre al costo delle apparecchiature, il costo del radioisotopo e dei reagenti può quindi diventare molto consistente per gli studi che richiedono la produzione di più lotti. Ciò può verificarsi, ad esempio, durante l'ottimizzazione dei protocolli di sintesi per i nuovi radiotraccianti per ottenere una resa e un'affidabilità sufficienti per i primi studi di imaging in vivo.
Le tecnologie microfluidiche sono state sempre più utilizzate nella radiochimica per capitalizzare diversi vantaggi rispetto aisistemi convenzionali 4,5,6. Le piattaforme microfluidiche, comprese quelle basate su volumi di reazione 1-10 μL7,8,9, hanno mostrato una significativa riduzione dei volumi di reagenti e del consumo di costosi precursori, nonché brevi tempi di reazione. Queste riduzioni portano a costi inferiori, passaggi di riscaldamento ed evaporazione più rapidi, purificazione a valle più breve e diretta, un processo di chimica generale "più verde"10e una maggiore attività molare dei radiotracciantiprodotti 11. Questi miglioramenti rendono più pratico eseguire studi di ottimizzazione più approfonditi abbassando il costo di reagente di ogni sintesi. Ulteriori vantaggi possono essere ottenuti eseguendo più esperimenti da un singolo lotto di radioisotopo in un solo giorno. Ad esempio, i radiosintesitori di chimica del flusso microfluidico che operano in "modalità di scoperta" possono eseguire in sequenza dozzine di reazioni, ognuna utilizzando solo 10 s di volume di reazione μL12.
Ispirato da questi vantaggi, è stato sviluppato un chip array di goccioline multi-reazione in cui le reazioni microvolume sono limitate a una serie di trappole di tensione superficiale su una superficie di silicio, create utilizzando un rivestimento in teflon fantasia. Questi chip consentono di eseguire più reazioni alla scala da 1-20 μL contemporaneamente, aprendo la possibilità di esplorare 10 di diverse condizioni di reazione al giorno, ognuna con più repliche. In questo documento viene dimostrata l'utilità di questo nuovo approccio ad alta produttività per l'esecuzione di ottimizzazioni radiochimiche rapide e a basso costo. L'uso di trucioli di goccioline multi-reazione consente una comoda esplorazione dell'impatto delle concentrazioni di reagenti e del solvente di reazione, e l'uso di chip multipli potrebbe consentire lo studio della temperatura e del tempo di reazione, il tutto consumando quantità molto basse di precursore.
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ATTENZIONE: Questo protocollo prevede la manipolazione di materiali radioattivi. Gli esperimenti non devono essere effettuati senza la formazione necessaria e i dispositivi di protezione individuale e l'approvazione dell'ufficio per la sicurezza delle radiazioni presso la vostra organizzazione. Gli esperimenti devono essere eseguiti dietro la schermatura delle radiazioni, preferibilmente in una cella calda ventilata
1. Fabbricazione di chip multireazione
NOTA: I lotti di chip di microdroplet multireazione sono fabbricati da wafer di silicio da 4" utilizzando tecniche di fotolitografia standard, come precedentemente indicato10 (Figura 1). Questa procedura produrrà 7 chip ciascuno con 4 x 4 array di siti di reazione.
2. Pianificazione dello studio di ottimizzazione
NOTA: In questo protocollo, la sintesi del radiofarmaco [18F]fallypride viene utilizzata come esempio per illustrare l'ottimizzazione ad alta produttività (Figura 2). Con un singolo chip, 16 reazioni simultanee possono essere eseguite, ad esempio, con una concentrazione precursore varia (8 diverse concentrazioni, n=2 repliche ciascuna). Le condizioni sono mappate ai siti di reazione nella figura 3A. È possibile apportare modifiche a questo protocollo per ottimizzare altri parametri di reazione (ad esempio solvente di reazione, volume di reazione, quantità di TBAHCO3, ecc.) o altri radiofarmaci.
3. Preparazione di reagenti e materiali per ottimizzare la radiosintesi di[18F]fallypride
NOTA: La radiosintesi a base di goccioline di [18F]fallypride (Figura 2) inizia con l'aggiunta di [18F]fluoruro e catalizzatore di trasferimento di fase (TBAHCO3)al sito di reazione, seguita dal riscaldamento per evaporare l'acqua e lasciare un residuo essiccato. Successivamente, viene aggiunta e riscaldata una goccia di precursore (tosil-fallipride) nel solvente di reazione (alcol di lino e acetonitrile) per eseguire la reazione di radiofluorizzazione. Infine, il prodotto grezzo viene raccolto dal chip per l'analisi. Le procedure di preparazione e sintesi dei reagenti devono essere adattate se si esegue l'ottimizzazione di un tracciante diverso.
4. Sintesi parallela di[18F]fallypride con diverse concentrazioni precursori
NOTA: Il chip è azionato in cima a una piattaforma di riscaldamento (costruita comeprecedentemente descritto 13) costituita da un riscaldatore ceramico da 25 mm x 25 mm, controllato utilizzando un regolatore di temperatura on-off utilizzando il segnale di termocopia interna per il feedback. Le temperature superficiali del riscaldatore sono state calibrate utilizzando la termografia. Se tale piattaforma non è disponibile, è possibile utilizzare un paio di piastre calde (una a 105 °C e una a 110 °C).
5. Analisi di sintesi per determinare le prestazioni di reazione e le condizioni ottimali
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Per illustrare questo metodo è stato eseguito un esperimento rappresentativo. Utilizzando 16 reazioni, gli studi di ottimizzazione del radiofarmaco [18F]fallypride sono stati eseguiti da una concentrazione precursore variabile (77, 39, 19, 9.6, 4.8, 2.4, 1.2 e 0.6 mM) nell'alcol di tesile:MeCN (1:1, v/v) come solvente di reazione. Le reazioni sono state eseguite a 110 °C per 7 minuti. L'efficienza di raccolta, la composizione del campione (cioè le proporzioni del[18F...
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A causa delle limitazioni dei sistemi radiochimica convenzionali che consentono solo una o un piccolo numero di reazioni al giorno e consumano una quantità significativa di reagenti per punto dati, solo una piccola parte dello spazio complessivo dei parametri di reazione può essere esplorata nella pratica, e molte volte i risultati sono riportati senza ripetizioni (n =1). Rispetto ai sistemi convenzionali, questa piattaforma di radiosintesi a goccia multi-reazione rende pratico realizzare studi più completi e rigorosi su...
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I Regents dell'Università della California hanno concesso in licenza la tecnologia a Sofie, Inc. Il Dr. van Dam è fondatore e consulente di Sofie, Inc. Gli altri autori non dichiarano conflitti di interesse. Questo lavoro è stato sostenuto in parte dal National Cancer Institute (R33 240201).
Ringraziamo l'UCLA Biomedical Cyclotron Facility e il Dr. Roger Slavik e il Dr. Giuseppe Carlucci per aver generosamente fornito[18F]fluoruro per questi studi e l'UCLA NanoLab per il supporto con attrezzature per la fabbricazione di chip.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 2,3-dimetil-2-butanolo (alcol tesilico) | Sigma-Aldrich | 594-60-5 | 98% |
| Acetone | KMG Chemicals | Camera bianca LP grado | |
| Formiato di ammonio (NH4HCO2) | Sigma-Aldrich | 540-69-2 | 97% |
| Acetonitrile anidro (MeCN) | Sigma-Aldrich | 75-05-8 | 99,80% |
| Riscaldatore in ceramica | Watlow | Utramic CER-1-01-0093 | 25 mm x 25 mm |
| Costruito | Altri strumenti possono essere utilizzati per la lettura di piastre TLC, tra cui: sistema di imaging ottico in vivo per piccoli animali, scanner radio-TLC 2D, scanner radio-TLC 1D | ||
| acqua deionizzata | Sigma-Aldrich | 7732-18-5 | |
| Pipette di trasferimento monouso, 3 mL | Falcon | 13-680-50 | |
| Calibratore di dose | Capintec, Inc. | CRC-25 PET | |
| Fallypride | ABX Composti biochimici avanzati | 1560.0010.000 | Standard di riferimento Fallypride, >95% |
| [18F]fluoruro in [18O]H2O | UCLA Ahmanson Biomedical Cyclotron Facility | A causa della breve emivita, questo deve essere ottenuto dal laboratorio di radiochimica locale o dalla radiofarmacia commerciale | |
| Piastre di copertura in vetro (76,2 mm x 50,8 mm x 1 mm di spessore) | C& A Scientific | 6101 | |
| Headway spin coater | Headway Research, Inc. | PWM50-PS-R790 Sistema Sipinner | Scatola di controllo PWM50, motore PS, vasca R790 |
| Forno ad alta temperatura | Carbolite | HTCR 6 28 | |
| Piastra riscaldante | Thermo Scientific | Super-Nuova HP133425 | |
| Isopropanolo (IPA) | KMG Chemicals | Camera bianca Allineatore | |
| per maschere | Karl Suss | MA/BA6 | |
| Metanolo (MeOH) | Sigma-Aldrich | 67-56-1 | ≥ 99,9% |
| Provetta per microcentrifuga | Eppendorf | 0030 123.301 | 500 µ L, incolore, in polipropilene |
| Micropipetta (0,5-10 &5; L) | Labnet | BioPette P3940-10 | |
| Micropipetta (100-1000 µ L) | Labnet | BioPette P3940-1000 | |
| Micropipetta (10-100 µ L) | Labnet | BioPette P3940-100 | |
| Puntali per micropipette (0,1-10 µ Puntali L) | USA Scientific Inc | 11113810 | |
| Puntali per micropipette (2-200 &; micro; L) | BrandTech | 13-889-143 | |
| Puntali per micropipette (50-1000 &; L) | BrandTech | 13-889-145 | |
| Soluzione di sviluppo per fotoresist | MicroChem | MEGAPOSIT MF-26A | |
| Fotoresist positivo | MicroChem | MEGAPOSIT 220-7.0 | |
| Incisore di ioni reattivi (RIE) | Oxford Instruments | Plasma Lab 80 Plus | |
| Taglierina per wafer di silicio | Euro Tool | CSCB-431.00 | |
| Wafer di silicio; 4" diametro | Silicon Valley Microelectronics Inc. | 0017227-048 | Tipo P, drogato con boro, spessore 525 ± 25 &; micro; m |
| Teflon AF 2400 | Chemours | D14896765 | 1% di solidi |
| Bicarbonato di tetrabutilammonio (TBAHCO3) | ABX Advanced Biochemical Compounds | 808 | Soluzione acquosa stabilizzata con etanolo, 0,075 M |
| Pasta conduttiva tematica | OMEGA | OT-201-2 | |
| Piastre TLC | Merck KGaA | 1.05554.0001 | Gel di silice 60 F254, 50 mm x 60 mm, retro |
| in alluminioTosyl-fallypride | ABX Advanced Biochemical Compounds | 1550.004.000 | Precursore di Fallyprimer, >90% |
| Trimetilammina (TEA) | Sigma-Aldrich | 75-50-3 | ≥ 99% |
| Pinzette | Cole-Parmer | UX-07387-08 | Acciaio inossidabile, punta fine |
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