Este método descreve o uso de uma nova metodologia de alta produtividade, baseada em reações químicas de gotículas, para a rápida e econômica otimização dos radiofarmacêuticos usando quantidades de nanomole de reagentes.
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Artigo de método
Este método descreve o uso de uma nova metodologia de alta produtividade, baseada em reações químicas de gotículas, para a rápida e econômica otimização dos radiofarmacêuticos usando quantidades de nanomole de reagentes.
Os radiosintematizadores automatizados atuais são projetados para produzir grandes lotes clínicos de radiofarmacêuticos. Eles não são adequados para otimização de reação ou desenvolvimento radiofarmacêutico novo, uma vez que cada ponto de dados envolve consumo significativo de reagentes, e a contaminação do aparelho requer tempo para decadência radioativa antes do próximo uso. Para lidar com essas limitações, foi desenvolvida uma plataforma para a realização de matrizes de reações em miniatura baseadas em gotículas em paralelo, cada uma confinada dentro de uma armadilha de tensão superficial em um "chip" de silício revestido de politetrafluoroetileno padronizado. Esses chips permitem estudos rápidos e convenientes de parâmetros de reação, incluindo concentrações de reagentes, solvente de reação, temperatura de reação e tempo. Esta plataforma permite a conclusão de centenas de reações em poucos dias com consumo mínimo de reagente, em vez de levar meses usando um radiosintesizer convencional.
Os radiofarmacêuticos de emissão de pósitrons (PET) são amplamente utilizados como ferramentas de pesquisa para monitorar processos bioquímicos específicos in vivo e estudar doenças, e para o desenvolvimento de novas drogas e terapias. Além disso, o PET é uma ferramenta crítica para o diagnóstico ou estadiamento da doença e o acompanhamento da resposta do paciente à terapia1,2,3. Devido à curta meia-vida dos radioisótopos PET (por exemplo, 110 min para radiofarmacêuticos com rótulo flúor-18) e risco de radiação, esses compostos são preparados usando sistemas automatizados especializados que operam atrás da proteção de radiação e devem ser preparados pouco antes do uso.
Os sistemas atuais usados para sintetizar radiofarmacêuticos são projetados para produzir grandes lotes que são divididos em muitas doses individuais para compartilhar o custo de produção. Embora os sistemas atuais sejam adequados para a produção de radiotracers amplamente utilizados como [18F]F (porque vários exames de pacientes e experimentos de pesquisa podem ser agendados em um único dia), esses sistemas podem ser desperdiçados para a produção de novos radiotracers durante o desenvolvimento em estágio inicial, ou menos comumente usados radiotracers. Os volumes que os sistemas convencionais usam são tipicamente na faixa de 1-5 mL, e as reações requerem quantidades precursoras na faixa de 1-10 mgs. Além disso, o uso de radiosintéticos convencionais é geralmente complicado durante os estudos de otimização, uma vez que o aparelho fica contaminado após o uso e o usuário deve esperar que a radioatividade decaia antes de realizar o próximo experimento. Além do custo do equipamento, o custo do radioisótopo e dos reagentes pode, portanto, tornar-se muito substancial para estudos que exigem a produção de múltiplos lotes. Isso pode ocorrer, por exemplo, durante a otimização de protocolos de síntese para novos radiotracers para alcançar rendimento e confiabilidade suficientes para estudos in vivo de imagem in vivo.
As tecnologias microfluídicas têm sido cada vez mais utilizadas na radioquímica para capitalizar várias vantagens sobre os sistemas convencionais4,5,6. Plataformas microfluídicas, incluindo aquelas baseadas nos volumes de reação de 1-10 μL7,8,9, mostraram uma redução significativa dos volumes de reagentes e do consumo de precursores caros, bem como curtos tempos de reação. Essas reduções levam a custos mais baixos, passos de aquecimento e evaporação mais rápidos, purificação mais curta e mais direta a jusante, um processo de química "mais verde"10e maior atividade molar dos radiotracers produzidos11. Essas melhorias tornam mais prático realizar estudos de otimização mais extensos, reduzindo o custo do reagente de cada síntese. Outros benefícios podem ser obtidos realizando vários experimentos a partir de um único lote de radioisótopos em um único dia. Por exemplo, radiosinthesizersizers de química de fluxo microfluido que operam no "modo de descoberta" podem realizar sequencialmente dezenas de reações, cada uma usando apenas 10s de volume de reação μL12.
Inspirado por essas vantagens, foi desenvolvido um chip de matriz de gotículas de várias reações em que reações de microvolume estão confinadas a uma série de armadilhas de tensão superficial em uma superfície de silício, criada usando um revestimento Teflon padronizado. Esses chips permitem que múltiplas reações na escala de 1-20 μL sejam realizadas simultaneamente, abrindo a possibilidade de explorar 10s de diferentes condições de reação por dia, cada uma com múltiplas réplicas. Neste artigo, demonstra-se a utilidade dessa nova abordagem de alta produtividade para a realização de otimizações de radioquímica rápida e de baixo custo. O uso de chips de gotícula de várias reações permite a exploração conveniente do impacto das concentrações de reagentes e solventes de reação, e o uso de vários chips poderia permitir o estudo da temperatura e do tempo de reação, tudo isso consumindo quantidades muito baixas de precursor.
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ATENÇÃO: Este protocolo envolve o manuseio de materiais radioativos. Experimentos não devem ser realizados sem o treinamento necessário e equipamentos de proteção individual e aprovação do escritório de segurança de radiação em sua organização. Experimentos devem ser realizados por trás da proteção contra radiação, de preferência em uma célula quente ventilada
1. Fabricação de chips multi-reações
NOTA: Lotes de chips de microdroplet de várias reações são fabricados a partir de wafers de silício de 4" usando técnicas de fotolitografia padrão, conforme anteriormente descritado10 (Figura 1). Este procedimento produzirá 7 chips cada um com 4 x 4 conjuntos de locais de reação.
2. Planejamento do estudo de otimização
NOTA: Neste protocolo, a síntese do radiofarmacêutico [18F]fallypride é usada como exemplo para ilustrar a otimização de alto rendimento(Figura 2). Com um único chip, 16 reações simultâneas podem ser realizadas, por exemplo, com concentração precursora variada (8 concentrações diferentes, n=2 replica cada). As condições são mapeadas para locais de reação na Figura 3A. Ajustes podem ser feitos neste protocolo para otimizar outros parâmetros de reação (por exemplo, solvente de reação, volume de reação, quantidade de TBAHCO3, etc.) ou outros radiofarmacêuticos.
3. Preparação de reagentes e materiais para otimização da radiosíntese de [18F]falido
NOTA: A radiosíntese à base de gotículas de [18F]falípara(Figura 2) começa com a adição de [18F]fluoreto e catalisador de transferência de fase (TBAHCO3) ao local de reação, seguido de aquecimento para evaporar água e deixar um resíduo seco. Em seguida, uma gota de precursor (tosyl-falícolo) em solvente de reação (álcool táxila e acetonitrilo) é adicionada e aquecida para realizar a reação de radiofluorinação. Finalmente, o produto bruto é coletado do chip para análise. Os procedimentos de preparação e síntese de reagentes devem ser adaptados se realizarem a otimização de um rastreador diferente.
4. Síntese paralela de [18F]falido com diferentes concentrações precursoras
NOTA: O chip é operado em cima de uma plataforma de aquecimento (construída como descrito anteriormente13) consistindo de um aquecedor cerâmico de 25 mm x 25 mm, controlado usando um controlador de temperatura on-off usando o sinal termopar interno para feedback. As temperaturas da superfície do aquecedor foram calibradas usando imagens térmicas. Se tal plataforma não estiver disponível, um par de placas quentes pode ser usado (um a 105 °C e outro a 110 °C).
5. Análise de síntese para determinar o desempenho da reação e as condições ideais
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Um experimento representativo foi realizado para ilustrar esse método. Usando 16 reações, estudos de otimização do radiofarmacêutico [18F]falílice foram realizados por concentração precursora variada (77, 39, 19, 9,6, 4,8, 2,4, 1,2 e 0,6 mM) no álcool do álcool xoyl:MeCN (1:1, v/v) como solvente de reação. As reações foram realizadas a 110 °C durante 7 min. Eficiência de coleta, composição amostral (ou seja, proporções de [18F]produto fallípride, fluoreto não redigid...
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Devido a limitações dos sistemas convencionais de radioquímica que permitem apenas um ou um pequeno número de reações por dia e consomem uma quantidade significativa de reagentes por ponto de dados, apenas uma pequena parte do espaço geral do parâmetro de reação pode ser explorada na prática, e muitas vezes os resultados são relatados sem repetições (n=1). Em comparação com sistemas convencionais, esta plataforma de radiossíntese de gotículas de várias reações torna-se prático realizar estudos mais abrangentes e rigoroso...
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Os Regentes da Universidade da Califórnia licenciaram a tecnologia para a Sofie, Inc. que foi inventada pelo Dr. van Dam, e tomaram capital na Sofie, Inc. como parte da transação de licenciamento. Dr. van Dam é um fundador e consultor da Sofie, Inc. Os demais autores não declaram conflitos de interesse. Este trabalho foi apoiado em parte pelo Instituto Nacional do Câncer (R33 240201).
Agradecemos ao Centro De Ciclotron Biomédico da UCLA e ao Dr. Roger Slavik e ao Dr. Giuseppe Carlucci por fornecerem generosamente fluoreto de18F para esses estudos e o UCLA NanoLab por apoio com equipamentos para fabricação de chips.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 2,3-dimetil-2-butanol (álcool thexyl) | Sigma-Aldrich | 594-60-5 | 98% |
| Acetona | KMG Chemicals | Sala limpa LP grau | |
| formato de amônio (NH4< / sub>HCO2< / sub>) | Sigma-Aldrich | 540-69-2 | 97% |
| Acetonitrila anidra (MeCN) | Sigma-Aldrich | 75-05-8 | 99,80% |
| Aquecedor cerâmico | Watlow | Utramic CER-1-01-0093 | de 25 mm x 25 mm |
| Construído | Outros instrumentos podem ser usados para leitura de placas TLC, incluindo: sistema de imagem óptica in vivo de pequenos animais, scanner 2D rádio-TLC, scanner 1D rádio-TLC | ||
| DI água | Sigma-Aldrich | 7732-18-5 | |
| Pipetas de transferência descartáveis, 3 mL | Falcon | 13-680-50 | |
| Calibrador de dose | Capintec, Inc. | CRC-25 PET | |
| Fallypride | ABX Compostos Bioquímicos Avançados | 1560.0010.000 | Padrão de referência Fallypride, >95% |
| [18F]fluoreto em [18O]H2O | UCLA Ahmanson Biomedical Cyclotron Facility | Devido à meia-vida curta, isso deve ser obtido no laboratório de radioquímica local ou na radiofarmácia comercial | |
| Placas de cobertura de vidro (76,2 mm x 50,8 mm x 1 mm de espessura) | C& Um | 6101 | |
| Headway | Research, Inc. | PWM50-PS-R790 Sistema Sipinner | Caixa de controle PWM50, PS-motor, R790-bowl |
| Forno de alta temperatura | Carbolite | HTCR 6 28 | |
| Placa quente | Thermo Scientific | Super-Nuova HP133425 | |
| Isopropanol (IPA) | KMG Chemicals | Sala Limpa LP grau | |
| Máscara alinhador | Karl Suss | MA/BA6 | |
| Metanol (MeOH) | Sigma-Aldrich | 67-56-1 | ≥ 99,9% |
| Tubo de microcentrífuga | Eppendorf | 0030 123.301 | 500 µ L, incolor, polipropileno |
| Micropipeta (0,5-10 µ L) | Labnet | BioPette P3940-10 | |
| Micropipeta (100-1000 µ L) | Labnet | BioPette P3940-1000 | |
| Micropipeta (10-100 µ L) | Pontas | Labnet BioPette P3940-100 | |
| (0.1-10 µ L) | USA Scientific Inc Pontas | 11113810 | |
| Pontas de Micropipeta (2-200 µ L) | BrandTech | 13-889-143 | |
| Pontas de Micropipeta (50-1000 µ L) | BrandTech | 13-889-145 | |
| Solução de desenvolvedor de fotorresistência | MicroChem | MEGAPOSIT MF-26A | |
| Fotorresistente positivo | MicroChem | MEGAPOSIT 220-7.0 | |
| Gravador de íons reativos (RIE) | Oxford Instruments | Plasma Lab 80 Plus | |
| Cortador de wafer de silício | Euro Tool | CSCB-431.00 | |
| Wafer de silício; 4" de diâmetro | Silicon Valley Microelectronics Inc. | 0017227-048 | Tipo P, boro dopado, espessura 525 ± 25 µ m |
| Teflon AF 2400 | Chemours | D14896765 | 1% de sólidos |
| Bicarbonato de tetrabutilamônio (TBAHCO3) | ABX Compostos Bioquímicos Avançados | 808 | Solução aquosa estabilizada com etanol, 0,075 M |
| Pasta condutora Themal | OMEGA | OT-201-2 | |
| Placas TLC | Merck KGaA | 1,05554.0001 | Gel de sílica 60 F254, 50 mm x 60 mm, fundo |
| de alumínioTosyl-fallypride | ABX Advanced Biochemical Compounds | 1550.004.000 | Precursor de fallipida, >90% |
| Trimetilamina (TEA) | Sigma-Aldrich | 75-50-3 | ≥ 99% |
| Pinças | Cole-Parmer | UX-07387-08 | Aço inoxidável, ponta fina |
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