Summary
הסינתזה של פלואור-18 (18F) radiopharmaceuticals שכותרתו עבור טומוגרפיה של פליטת פוזיטרון דורשת בדרך כלל חודשים של ניסיון. כאשר משולבים לתוך מכשיר רדיוקל, מוטיב הסיליקון-פלואוריד (SiFA) המוטיב מאפשר רק 18F-התיוג הפרוטוקול כי הוא עצמאי של ציוד יקר הכנה, תוך הפחתת כמות מקודמת הדרוש וניצול תנאי תגובה מתון.
Abstract
מוטיב מבניים של הפרה-טרט-מבנה מבנית הידוע בשם הסיליקון-פלואור (sifa) הוא תג שימושי בערכת הכלים של הרדיוכימאי לשילוב רדיואקטיבי [18F] פלואוריד לתוך מתגים לשימוש בטומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים. בהשוואה לאסטרטגיות רדיוולאבילינג קונבנציונאלי, החלפת איזונושא של פלואור-19 מ SiFA עם [18F] פלואוריד מבוצע בטמפרטורת החדר ודורש משתתפים תגובה מינימלית. היווצרות של המוצרים הוא אפוא זניח, וטיהור הוא מאוד פשוט. עם זאת, בעוד המולקולה קודמן המשמש תיוג המוצר הסופי רדיויניום הם isotopically דיסקרטית, הם זהים כימית והם בלתי נפרד במהלך הליכי טיהור. תג SiFA הוא גם פגיע השפלה תחת התנאים הבסיסיים הנובעים עיבוד וייבוש של [18F] פלואוריד. שיטת "4 ירידה", שבה רק 4 טיפות הראשון של השפלה [18F] פלואוריד משמשים החילוץ בשלב מוצק, מפחית את כמות הבסיס בתגובה, מקלה על כמויות שן טוחנת נמוך של הקודמן, ומפחית את ההשפלה.
Introduction
פלואור-18 (109-דקה מחצית חיים, 97% פליטת פוזיטרון) הוא בין רדיונוקלידות החשובים ביותר עבור טומוגרפיה של פליטת פוזיטרון (PET), שיטת דימות לא פולשנית ההדמיה וככמת את התפלגות הביו-הפצה של מלחיים מחלות שונות1. פפטידים וחלבונים קשה במיוחד כדי לתייג עם [18F] פלואוריד כי הם דורשים אבני בניין נוצר על ידי syntheses רב השלבים2. כדי להקטין את המורכבות של 18F-רדיווללינג, לאיקטור סיליקון-פלואוריד (sifa) הוצג לאחרונה ככלים אמינים3. הקבוצה SiFA מורכב אטום סיליקון מרכזי המחובר שני קבוצות שליבוטיל בובוהן, פניקסיל moiety, ו אטום פלואור שאינו רדיואקטיבי. קבוצות שליבוטיל מהקנות יציבות הידרוליטית לקשר הסיליקון-פלואוריד, שהיא תכונה קריטית ליישומים vivo של SiFA מצוערים כסוכני הדמיה.
כאשר מחוברים למולקולה קטנה או ביואואכאלי, אבני הבניין SiFA לאגד רדיואקטיבי [18F] פלואוריד האניונים על ידי החלפת פלואור-19 עבור פלואור-18 בריכוזים nanomolar ללא יצירת כמויות משמעותיות של מוצרים צדדיים רדיואקטיביים4. יתר על כן, תפוקת רדיוכימיה גבוהה מושגת במהירות על ידי תיוג sifa moiety ב קשר קואורדינטיבי aprotic ממיסים בטמפרטורות נמוכות. זה בניגוד מיוחד תגובות החליפין הקלאסי איזונושא, אשר מייצרים רדיומשדרים של פעילות ספציפית נמוכה5. במקרים אלה, כמויות גדולות של הקודמן (בטווח של מיליגרם) יש להשתמש כדי לקבל התאגדות סבירה של [18F] פלואוריד. Isotopic החליפין תגובות באמצעות sifas הם הרבה יותר יעיל, כפי שאושר על ידי מחקרים קינטית וצפיפות חישובים פונקציונליות תפקודית6,7. התווית SiFAs מטוהרים בקלות על ידי מיצוי השלב מוצק מאז הן תרכובות Sifas מתויג ובלתי מתויג זהים כימית. דבר זה שונה מהמשדרים המסורתיים של הרדיו, כאשר המולקולה הקודמן והמוצר המסומן בתווית הם שני מינים כימיים שונים, ויש להפריד אותם לאחר רדיויניום באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים. באמצעות sifa בניין אבני, קטן מולקולות, חלבונים, פפטידים ניתן לתייג בהצלחה עם [18F] פלואוריד על ידי אחד ושניים-צעד פרוטוקולים תיוג נטול הליכי טיהור מסובכים (איור 1)4,8,9. יתר על כן, כמה תרכובות SiFA התווית הם אמינים סוכני הדמיה vivo עבור זרימת הדם וגידולים10. הפשטות של כימיה SiFA מאפשרת אפילו חוקרים לא מאומנת להשתמש [18F] פלואוריד עבור סינתזה ופיתוח הרדיו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
התראה: יש לזכור כי 18F הוא איזוטופ רדיואקטיבי, ולכן יש צורך לבצע את כל ההליכים מאחורי הגנה נאותה. הגנה מפני עופרת מתאימה לסוג זה של קרינה. הקפידו לענוד תגי זיהוי קרינה בכל הליך זה. בנוסף, מיד להיפטר כפפות לפני נגיעה כל דבר לאחר סינתזה, כפי שהם עשויים להיות מזוהמים בפעילות רדיואקטיבית. לנצל את מסכי כף הרגל, כמו גם הפנקייק גייגר מונים כדי לבדוק זיהום של שרוולים, ידיים, וכפות רגליים.
1. הייבוש עזאוטרופי של 18F-anion
הערה: איור 2a מציג גרף זרימת עבודה של הליך זה, שלוקח ~ 10 דקות.
- מתנאי הבית השני מתיל (לוח חומרים) על ידי העברת 0.5 M K2CO3 (10 ml) דרך המחסנית, ואחריו מים מוכי (10 ml).
- להעביר פתרון מימית של [18F] F-/[18O] H2o (100 למעלה-500 mbq) דרך מחסנית qma ממוזג ברוורס, באמצעות מתאם זכר לזכר. להיפטר [18O] H2o.
הערה: ניתן לבצע שלבים אלה באמצעות מודול סינתזה אוטומטי, או על-ידי שימוש במגן נוסף על המזרק. - Elute ארבע טיפות הראשון של קבוע [18F] פלואוריד מחסנית qma לתוך פתרון מוכן של [2.2.2] הקריפטונים (לוח החומרים) (10 מ"ג), 0.2 M K2CO3 (50 μl, 10 μm), ו acetonitrile (1 mL) ב-v בקבוקון עבה חומה, ולאטום את הבקבוקון.
הערה: רק ארבעת הטיפות הראשונות משמשות כרוב הרדיואקטיבי [18F] פלואוריד מוריד את qma בטיפות אלה. פעולה זו מקטינה את כמות הבסיס הנישא קדימה בפתרון מלאי הפלואוריד של [18F], הנחוץ כדי למנוע השפלה של Moiety sifa. - חותם את הבקבוקון והמקום באמבט שמן מינרלי ב90 ° c הממוקם על צלחת חמה. הכניסו מחט אוורור ומחט המחוברת לזרם של גז הארגון לתוך המחיצה של כובע הבקבוקון. לחכות 5 דקות להתאדות ממיסים תחת זרם עדין של ארגון. להסיר את העקבות הנותרים של מים על ידי הוספת 1 מ ל של acetonitrile כדי להקל אזיאוטרופי שיתוף אידוי. חזור על שלב 2x זה כדי להבטיח יובש.
- לאחר הממס הוא הוסר בעליל, להפסיק את זרימת הארגון, ולהסיר את המזרקים ממכסה המבחנה, ולהסיר את הבקבוקון מאמבט שמן.
- השהה מחדש את היבשים [18F] פלואוריד בתוך ממיס התגובה של הבחירה.
הערה: במקרה זה, מתווסף ליצירת פתרון מניות של תגובתי מאוד [18F-] F-(100- 500 קילו). פתרון זה יכול לשמש כעת לתיוג.
2. אחד-צעד SiFA-ליגותיוג
הערה: איור 2B מציג גרף זרימת עבודה של הליך זה, שלוקח ~ 15 דקות.
- תנאי מחסנית C-18 (טבלת חומרים) על ידי שטיפה של אתנול (10 מ ל) ומים מזוקקים (10 מ ל).
- הוסף את התמיסה [18F-] פלואוריד כדי מבחנה תגובה המכילה מבשר המסומן בתווית Sifa (100 μl, 20-100 nmol). אפשר תגובת תיוג להמשיך 5 דקות בטמפרטורת החדר מבלי לערבב את הפתרון.
הערה: ניתן להוסיף את פתרון המניה כולו או aliquot, בהתאם לכמות הפעילות הרצויה עבור התגובה. - לצייר את תערובת התגובה במזרק 20 מ ל המכיל 0.1 M פוספט מאגר (9 מ ל) ולהעביר את הפתרון דרך מחסנית C-18 מראש כדי ללכוד את מעקב התווית.
- רוחצים את המיכל עם מים מזוקקים (5 מ ל), ולאחר מכן לכוד מעקב מתוך מחסנית C-18 עם אתנול (300 μL), ולדלל עם מאגר פוספט סטרילי להזרקה (3 מ ל).
- להעביר את מטוהרים [18F] מעקב sifa דרך מסנן סטרילי.
הערה: כדי לקבל PET ברור לדמיין עבור הדמיה בעלי חיים קטנים, את המינון החולה למחיצות צריך להיות בין 5-8:8 MBq. לשימוש האדם, המינון המטופל למחיצות צריך להיות בין 200-300 MBq. - הכנס מעקב קטן (~ 4 MBq) של מכשיר המעקב הטהור [18F] במערכת הניתוח המצויד בעמודת C-18 בשלב היפוך כדי לאשר שהטוהר הרדיוכימי גדול מ-95%.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
החליפין הפשטני SiFA איזונושא יכול להשיג מידה גבוהה של התאגדות רדיוכימית של [18F] פלואוריד (60-90%) עם כמות מינימלית של מורכבות סינתטית (איור 1). רוב המולקולות יכול להיות רדיויניום עם [18F] פלואוריד בשלב אחד ללא הקשורות לצורך טיהור (איור 2). מכשירי רדיו יכולים לשמש למטרות בקרת איכות, שבה השיא האולטרה סגול (UV) ספיגת המוצר הסופי צריך להיות חופפים עם שיא הרדיו שלה גדול יותר מ 95% באזור שיא הכולל (איור 3). אם רדיו-כרומאטוגרם מגלה היווצרות משמעותי של UV פעילים או רדיואקטיביים, הקודמן לא יכול להיות יציב תחת התנאים הבסיסיים רדיואולבלינג בסיסיים. פתרון מדלל של חומצה אוקסלית המומסת בממס אורגני ניתן להוסיף את התמיסה [18F] המניה לפני התוספת sifa קודמן במאמץ להנמיך את העיר בסיסה; עם זאת, הפחתת העיר בסיסה יותר מדי יהיה להפחית את הnucleophilicity של [18F] פלואוריד anion. לפיכך, הכמות הטוחנת של החומצה האוקסלית הדרושה צריכה להיקבע באופן מראש. לחילופין, SiFA-ligand מתויג יכול להיות מטוהרים על-ידי ה2.3 לאחר שלב הפעולה, אם היווצרות של זיהומים הוא משמעותי אך לניהול. שלבים 2.4 ומעבר להם עדיין יהיה צורך לאחר ביולוגיה של טיהור על מנת להסיר את הממיסים מהטהורה הנקראת SiFA-ligand.
אם ה [18F] הפלואוריד אינו משולב בקלות לתוך sifa-ligand, ייתכנו בעיות עם מסיסות ועוד הממס aprotic הבחירה ניתן להשתמש במקום של acetonitrile עבור התגובה. ממיסים protic, כגון אתנול, שימשו בהצלחה, אך עשויים לדרוש חימום. ניטור התגובה על ידי רדיו דק שכבה כרומטוגרפיה (רדיו-אהבה) יכול במהירות עוזר בזיהוי התוצאה של כל שינוי שנעשו פרוטוקול תיוג כמו לא משולב [18F] פלואוריד יהיה לדבוק את הבסיס על הצלחת סיליקה חום רגיל.
אם התווית SiFA-ligand עוברת דרך מחסנית סי18 בשלב 2.3, כפי שמצוין על-ידי החלק העיקרי של הפעילות המופיעה בפתרון החומק ולא במחסנית, ייתכן שיהיה צריך לשנות את השלב של המחסנית שבשימוש. SiFA הקוטב ליגנדס עשוי להזדקק מחסנית סי18 גדולה יותר או מחסנית בשלב כפול המכיל שרף סי18 עם כמה מאפיינים הידרופילי.
ניתן להשתמש בתווית SiFA-ליגנדס גם ביישומים vivo כגון PET. למשל, המולקולה הקטנה המסומנת בתווית [18F] sifa-psma (איור 4א) שימש לדמות השתלת גידול מושתל מבע מודל העכבר (איור 4ב). מעקב SiFA הציג את ספיגת הגידול חיובית על 60 דקות, אשר יכול להיות חסום על ידי מעכב תחרותי (איור 4ג). יותר מרשימה, ה- 18פפטיד מתויג[18f] sifaלין-טייט(איור 5A) שימש לגידולים גרורות נוירואנדוקרינים בחולה סרטן דרך PET (איור 5B) ו PET/CT (איור 5ג)11.
איור 1: סקירה של זרימת העבודה של הסיפה 18F-רדיויניום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: הפרוטוקול הטיפוסי של SiFA 18F-רדיולינגולינג. (א) אזיאוטרופי ייבוש של [18F] פלואוריד. (ב) sifa תיוג תגובה וטיהור באמצעות הפקת שלב מוצק. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: הסופי רדיו-כרומטוגרם לאחר טיהור החילוץ שלב מוצק של [18F] SIFA-psma, נלקח עבור בקרת איכות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: יישום התווית SiFA-ליגנדס. (A) מבנה של [18F] SIFA-psma מעקב. (ב) תמונה משוחזרת של העכבר נושאת הגידול של האינקאפ מבע מעל כתף שמאל, 60 דקות הזרקת הודעה (חוקר פרטי) עם [18F] sifa-psma. (ג) זמן פעילות עקומות עבור [18F] SIFA-psma ספיגה ברקמות הגידול והשרירים מעל 60 דקות, עם או בלי הממשל הקודם של 300 Μg dcfpyl כסוכן חסימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: יישום התווית SiFA-ליגנדס. (א) מבנה של מכשיר המעקב הצילומי של הסיפא-טייט. (ב) משוחזר התמונה PET של חולה סרטן האדם עם גידולים האנדוקרינית גרורות עם [18F] sifa-טייט. (ג) תמונות מחמד/CT של אותו מטופל במישורים רוחבי ו משונן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
SiFA תיוג כימיה מייצג אחד הראשונים 18F-תיוג שיטות העסקת תגובת החליפין איזונושא יעיל במיוחד שניתן לבצע בטמפרטורת החדר. תגובת רדיוכימית טיפוסית מסתמכת על היווצרות של קשר פחמן פלואור באמצעות התגובה של [18F] פלואוריד עם פונקציונליות של פלואוריד, דרך חיסול או מסלול החלפה. תנאי התגובה הללו קשים לעתים קרובות, מבוצעים ב-pH או בטמפרטורה גבוהה, והם מלאים בתוצרי לוואי או בתגובה שחייבים להסיר תוך שימוש בטכניקות מפרך וגוזלת זמן, כגון כיצד להשתמש בציוד. עם הטכניקה SiFA תיוג, תיוג מקודמן ו 18F מתחם התווית הם זהים כימית. כמו-כן, אין מוצרים צדדיים הנצפים בדרך כלל מאז התגובה ממשיכה בתנאים מאוד קלים. תכונות אלה מאפשרות לתייג מולקולות מורכבות יותר (כלומר, חלבונים, גנרטורים רדיקלים חופשיים, מתכת-כלטים, fluorophores, מראש ביולומיארזורי) זה עשוי בדרך כלל להתפרק או epimerize תחת תנאים תגובתי יותר או טמפרטורות גבוהות. בנוסף, 18F התווית sifa המכילים תרכובות ניתן לטהר במהירות באמצעות טכניקות החילוץ פשוטה בשלב אחיד.
זו מתודולוגיה תיוג מנצל את ' 4 שחרור שיטה ', שבו רק את 4 טיפות הראשון של הפתרון הבסיסי משמשים כאשר משחררי לכוד [18F] פלואוריד מתוך מחסנית qma. שינוי זה נעשה כדי להפחית את כמות הבסיס בפתרון המניה של [18f] הפלואוריד כפי שהוא לבזות את sifa moiety אם המניה [18f] פלואוריד הכיל את כל הבסיס מהפתרון להתחמק. בעבר, חומצה אוקסלית נוספה לפתרון מניות [18F] הפלואוריד כדי להפחית את העיר בסיסה, או מנורה קטנה של המניה שימש במקום הפתרון כולו, אשר היה בזבזני. שיטת ' 4 שחרור ' מייצגת את האיטראציה העדכנית ביותר של פרוטוקול תיוג SiFA.
כמו מולקולה קודמן והמוצר הסופי שכותרתו הם זהים כימית, הם לא יכולים להיות מופרדים זה מזה במהלך הטיהור ואת הפעילות הטוחנת של זריקות הסופי הוא ובכך תלוי לחלוטין בכמות הקודמן המשמש את החליפין איזוטרופי. מאחר שחלק גבוה מדי של שבריר של מבשר בלתי מסומן בפתרון הסופי יקטין את ההזדמנות של SiFA-ligand כדי לאגד את היעד המולקולרי שלה בשל התחרות עם הקודמן הבלתי מסומן. כך, הפעילות הטוחנת תלויה לחלוטין בכמות הקודמן המשמש לתיוג. בדרך כלל, 20 ל-100 nmol מקודמן נדרש לתגובות תיוג התגובה, וכמעט 5 nmol של מקודמן מסומן בהצלחה כדי להשיג פעילות טוחנת של 80 GBq/μמול ומעלה.
מולקולות קטנות ופפטידים ללעג עם בלוק SiFA בניין (למשל, SiFA-octreotate) ניתן לתייג עם [18F] פלואוריד בשלב אחד; עם זאת, תיוג SiFA של חלבונים דורש פרוטוקול שני שלבים. קבוצת SiFA-תותבת קטנה, מאוד תגובתי (למשל, [18F] sifa) צריך להיות מוכן והגיב עם החלבון הנתון, ואת החלבון שכותרתו צריך להיות מטוהר על ידי ביולוגיה.
מתודולוגיה לתיוג SiFA משאיל את עצמה היטב לradiopharmaceutical kit כגון טיהור ומניפולציה התגובה הנרחבת אינם נחוצים בדרך כלל. פשוט ' טלטול ואופים ' ערכות סגנון עם מינון יחיד המינון כמויות של SiFA-ligand יכול להיות מטופל בקלות על ידי טכנאים radiopharmacy – דורש עקומת למידה הרבה יותר קטן זמן/עבודה עלות מאשר עם יחידת סינתזה אוטומטית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
. למחברים אין תודות
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| [18F]F-/H2[18O]O | (Cyclotron produced) | - | - |
| [2.2.2]Cryptand | Aldrich | 291110 | Kryptofix 2.2.2 |
| Acetonitrile anhydrous | Aldrich | 271004 | - |
| Deionized water | Baxter | JF7623 | - |
| Ethanol, anhydrous | Commercial Alcohols | - | |
| Potassium carbonate | Aldrich | 209619 | - |
| QMA cartridge | Waters | 186004540 | QMA SepPak Light (46 mg) cartridge |
| Equipment | |||
| C-18 cartridge | Waters | WAT023501 | C-18 SepPak Light cartridge |
| C18 column | Phenomenex | 00G-4041-N0 | HPLC Luna C18 250 x 10 mm, 5 µm |
| HPLC | Agilent Technologies | - | HPLC 1200 series |
| micro-PET Scanner | Siemens | - | micro-PET R4 Scanner |
| Radio-TLC plate reader | Raytest | - | Radio-TLC Mini Gita |
| Sterile filter 0.22µm | Millipore | SLGP033RS | - |
References
- Wahl, R. L., Buchanan, J. W. Principles and practice of positron emission tomography. , Lippincott Williams & Wilkins. Philadelphia, PA. (2002).
- 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).
- Schirrmacher, R., et al. 18F-labeling of peptides by means of an organosilicon-based fluoride acceptor. Angewandte Chemie International Edition. 45, 6047-6050 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Iovkova, L., et al. para-Functionalized aryl-di-tert-butylfluorosilanes as potential labeling synthons for 18F radiopharmaceuticals. Chemistry. 15, 2140-2147 (2009).
- 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).
- 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).
