Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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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Protocol
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.
- Posizionare il wafer di silicio sul mandrino spin-coater, assicurandosi che sia centrato. Depositare 3 mL di soluzione di politetrafluoroetilene al centro del wafer con una pipetta di trasferimento e un wafer di rivestimento a 1000 giri/min per 30 s (rampa 500 giri/s).
- Per solidificare il rivestimento, posizionare il wafer su una piastra calda a 160 °C per 10 minuti e quindi trasferirlo su una piastra calda da 245 °C per 10 min.
- Ricottura del rivestimento in forno ad alta temperatura a 340 °C per 3,5 h in atmosfera di azoto, seguita dal raffreddamento a 70 °C a una rampa di 10 °C/min.
- Posizionare il wafer di silicio sul mandrino spin-coater, assicurando che sia centrato. Versare 2 mL di fotoresist positivo al centro del wafer utilizzando una pipetta di trasferimento, quindi eseguire il rivestimento a 3000 giri/min per 30 s (rampa 1000 giri/min).
- Solidificare il fotoresist eseguendo una cottura morbida del wafer su una piastra calda a 115 °C per 3 min.
- Installare il wafer e la maschera fotografica in un allineatore maschera ed eseguire un'esposizione di 14 s a 12 mW / cm2 intensità della lampada e lunghezza d'onda di 356 nm in modalità di contatto duro. Questo passaggio utilizza una maschera di trasparenza contenente il modello finale negativo di politetrafluoroetilene, cioè un modello di diametro di 4" di 4 copie del chip a 16 reazioni, con siti di reazione trasparenti e tutte le altre regioni in colore opaco.
- Immergere il wafer utilizzando 20 mL di soluzione per sviluppatori fotoresist in un contenitore di vetro per 3 minuti con leggera agitazione per sviluppare il modello esposto.
- Risciacquare la soluzione in via di sviluppo immergendo il wafer in un contenitore di vetro con 20 mL di acqua DI per 3 minuti con leggera agitazione. Asciugare il wafer con una pistola azotati.
- Rimuovere le regioni esposte di politetrafluoroetilene mediante incisione reattiva degli ioni (RIE) con plasma di ossigeno nelle seguenti condizioni: esposizione di 30 s, pressione di 100 mTorr, potenza di 200 W e flusso di ossigeno di 50 sccm.
- Tagliare a dadini il wafer in singoli trucioli (7 totali per wafer) utilizzando una fresa al wafer di silicio.
- Immergere ogni truciolo in acetone per 1 minuto per rimuovere il fotoresist, quindi isopropanolo per 1 minuto. Infine, asciugare ogni truciolo con una pistola azotati.
- Posizionare i trucioli secchi in un contenitore di vetro e coprire con un foglio di alluminio per la conservazione fino all'uso.
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.
- Selezionare i parametri di reazione da variare, i valori specifici da utilizzare e il numero di repliche.
- Calcolare il numero di chip necessari per eseguire l'esperimento.
- Per ogni chip, preparare una mappa di quali condizioni di reazione verranno utilizzate in ogni sito di reazione per assistere nella preparazione del reagente ed eseguire le reazioni delle goccioline.
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.
- Preparare una soluzione stock del solvente di reazione, costituita da alcol di lino e acetonitrile in una miscela 1:1 per volume. Assicurarsi che il volume sia sufficiente per creare la serie di diluizione pianificata. In questo esempio l'ottimizzazione, ~30 μL è sufficiente.
- Preparare una soluzione stock di 30 μL di precursore (tosil-fallipride) nel solvente di reazione con la concentrazione massima da esplorare (77 mM). Assicurarsi che il volume sia sufficiente per eseguire l'esperimento pianificato. In questo esempio l'ottimizzazione, ~30 μL è sufficiente.
- Dalla soluzione del materiale precursore e dal solvente di reazione, eseguire diluizioni seriali 2x per preparare le diverse concentrazioni della soluzione precursore. Assicurarsi che il volume di ogni diluizione sia sufficiente per eseguire il numero desiderato di repliche per ogni condizione. In questo esempio l'ottimizzazione, ~15 μL di ogni concentrazione è sufficiente.
- Preparare tubi a microcentrifugo per raccogliere ogni prodotto di reazione grezzo utilizzando un marcatore permanente per etichettare ogni tubo con un numero univoco. Assicurarsi che il numero totale di tubi a microcentrifugo corrisponda al numero di condizioni moltiplicate per il numero di repliche (8 x 2 = 16).
- Preparare una soluzione di raccolta (10 mL) composta da 9:1 metanolo:ACQUA DI (v/v). Aliquota 50 μL in ciascuno dei 16 tubi microcentrifugi etichettati aggiuntivi (uno per sito di reazione sul chip).
- Preparare una soluzione di calcio al fluoro[18F]in un tubo di microcentrifugo da 500 μL mescolando[18F]fluoruro/[18O]H2O (~260 MBq [7 mCi]) con soluzione TBAHCO3 da 75 mM (56 μL) e diluindo con acqua DI fino a 140 μL. 8 μL di questa soluzione saranno caricati in ogni sito di reazione (contenente ~15 MBq [0,40 mCi] di attività e 240 nmol di TBAHCO3).
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).
- Carico[18F]soluzione stock di fluoruro (con catalizzatore di trasferimento di fase).
- Utilizzando una micropipetta, caricare una goccia da 8 μL di soluzione di fluoruro[18F] sul primo punto di reazione di un chip multireazione. Misurare l'attività del chip posizionandolo in un calibratore di dose e registrare il momento in cui viene effettuata la misurazione.
- Rimuovere il chip dal calibratore di dose e quindi caricare una goccia da 8 μL di soluzione di fluoruro[18F] sul secondo punto di reazione. Misurare l'attività sul chip posizionandolo ancora una volta nel calibratore di dose e registrare il momento in cui viene effettuata la misurazione.
- Ripetere per tutti gli altri siti di reazione sul chip.
- Calcolare l'attività caricata per punto di reazione prendendo la misurazione dell'attività dopo aver caricato il radioisotopo e sottraendo la misurazione precedente (corretta per decadimento) prima del caricamento del sito.
- Allineare il chip multireazione sul riscaldatore.
- Aggiungere un sottile strato di pasta termica sopra il riscaldatore in ceramica.
- Posizionare con cura il truciolo sopra il riscaldatore utilizzando una pinzetta per evitare lo sversamento delle goccioline, allineando l'angolo di riferimento del chip con l'angolo di riferimento del riscaldatore (come mostrato nella figura 3B). Il chip sovrasta il riscaldatore di una piccola quantità.
- Asciugare il catalizzatoredi fluoruroe trasferimento di fase [ 18 F].
- Scaldare il truciolo per 1 minuto impostando il riscaldatore a 105 °C nel programma di controllo per evaporare le goccioline alla secchezza lasciando un residuo essiccato di[18F]fluoruro e TBHACO3. Dopo 1 minuto raffreddare il truciolo spegnendo il riscaldatore e accendendo la ventola di raffreddamento con il programma di controllo.
- Aggiungere la soluzione precursore.
- Utilizzando una micropipetta, aggiungere una soluzione da 6 μL di precursore di fallypride sopra il residuo essiccato sul primo sito di reazione.
- Ripetere per tutti gli altri siti di reazione sul chip. Utilizzare il piano di ottimizzazione per determinare quale concentrazione della serie di diluizione viene utilizzata per ogni sito di reazione.
- Eseguire la reazione di fluorinazione.
- Riscaldare ogni chip a 110 °C per 7 minuti utilizzando il programma di controllo per eseguire la reazione di radiofluorizzazione. Successivamente, raffreddare il chip spegnendo il riscaldatore e accendendo la ventola di raffreddamento con il programma di controllo.
- Raccogliere i prodotti grezzi dai siti di reazione.
- Raccogliere il prodotto grezzo nel primo sito di reazione aggiungendo 10 μL di soluzione di raccolta dal tubo di microcentrifugo designato tramite micropipetta. Dopo aver atteso 5 s, utilizzare la micropipetta (con la stessa punta installata) per aspirare il prodotto grezzo diluito e trasferirlo al corrispondente tubo di microcentrifugo di raccolta etichettato.
- Ripetere questo processo per un totale di 4 volte utilizzando la stessa punta della pipetta per tutte le operazioni.
- Ripetere il processo di raccolta per tutti gli altri siti di reazione sul chip.
5. Analisi di sintesi per determinare le prestazioni di reazione e le condizioni ottimali
- Determinare l'"efficienza di raccolta" per la prima reazione sul chip.
- Posizionare il tubo di microcentrifugo con il prodotto grezzo raccolto del primo punto di reazione nel calibratore di dose per misurare l'attività. Registrare la misurazione e il tempo della misurazione.
- Calcolare l'efficienza di raccolta dividendo l'attività del prodotto grezzo raccolto per l'attività iniziale misurata per lo stesso sito di reazione (correggendo i valori di attività allo stesso punto di tempo).
- Ripetere per tutti gli altri siti di reazione sul chip.
- Analizzare la composizione (efficienza di fluorinazione) di ogni prodotto grezzo raccolto.
NOTA: Per rendere pratica l'analisi di tutti i campioni in breve tempo, l'efficienza di fluorinazione viene analizzata utilizzando un approccio di cromatografia a strato radiosottile ad alta produttività precedentemente descritto (radio-TLC)14. Questa tecnica consente di elaborare fino a otto campioni in parallelo individuando poi fianco a fianco (passo di 5 mm, 0,5 μL per punto) su una singola piastra TLC, quindi sviluppandosi insieme ed eseguendo la lettura insieme utilizzando cerenkov imaging14,15. Per l'ottimizzazione dell'esempio con 16 reazioni parallele, sono necessarie 2 piastre TLC. Un'altra opzione è quella di utilizzare la cromatografia liquida ad alte prestazioni radio (radio-HPLC) per l'analisi, anche se il tempo per la separazione, la pulizia e l'equilibrazione può limitare il numero di campioni che possono essere analizzati.- Per ogni piastra TLC (50 mm x 60 mm), con una matita, disegnare una linea a 15 mm di distanza da un bordo di 50 mm (in basso) e un'altra linea a 50 mm di distanza dallo stesso bordo. La prima riga è la linea di origine; il secondo è la linea frontale del solvente. Disegnare 8 piccole "X" lungo la linea di origine a una spaziatura di 5 mm per definire la posizione di avvistamento del campione per ciascuna delle 8 "corsie".
- Utilizzando una micropipetta, trasferire 0,5 μL del primo prodotto grezzo sulla piastra TLC alla "X" per la prima corsia. Ripetere per ulteriori prodotti grezzi (fino a 8 per piastra TLC). Attendere che i punti del prodotto grezzo si asciughino sulla piastra TLC.
- Per ogni piastra TLC, sviluppare utilizzando una fase mobile del 60% MeCN in 25 mM NH4HCO2 con 1% TEA (v/v) fino a quando la parte anteriore del solvente raggiunge la prima linea del solvente. Attendere che il solvente sulla piastra TLC si asciughi e quindi coprire con un vetrino da microscopio (76,2 mm x 50,8 mm, spessore 1 mm).
- Ottenere un'immagine di radioattività di ogni piastra TLC posizionando la piastra in un sistema di imaging Cerenkov per un'esposizione di 5 minuti. Eseguire correzioni standard dell'immagine (sottrazione di corrente scura, correzione del campo piatto, filtro mediano e sottrazione di sfondo).
- Utilizza l'analisi della regione di interesse (ROI) per la prima corsia della prima piastra TLC. Disegna le regioni intorno a ogni banda visibile nella corsia. Il software calcola la frazione di intensità integrata di ogni regione (banda) rispetto all'intensità totale integrata di tutte le regioni (bande).
- Con questa fase mobile, sono attese le seguenti bande ai fattori di ritenzione indicati: Rf = 0,0: Non rieatta[18F]fluoruro; Rf = 0,9: [18F]fallypride; Rf = 0,94: Prodotto laterale. Determinare l'efficienza di fluorinazione come frazione di attività nella banda di fallypride[18F].
- Ripeti questa analisi per tutte le altre corsie su tutte le piastre TLC.
NOTA: Se una camera di imaging Cerenkov non è disponibile, un piccolo animale (preclinico) sistema di imaging ottico in vivo può essere utilizzato per immaginare le piastre TLC. In alternativa, è possibile utilizzare uno scanner TLC bidimensionale. In alternativa, se è disponibile solo uno scanner TLC 1-dimensionale, le piastre TLC possono essere analizzate tagliando a strisce con forbici (1 per corsia) e scansionando ogni striscia singolarmente.
- Determinare la resa radiochimica grezza (RCY grezzo) per ogni sito di reazione.
- Determinare l'RCY grezzo per il primo prodotto grezzo moltiplicando l'efficienza di raccolta per l'efficienza di fluorinazione.
- Ripetere per tutti gli altri siti di reazione.
- Analizzare i risultati
- Aggregare i valori per qualsiasi esperimento di replica in una deviazione media e standard.
- Tracciare l'efficienza di raccolta, l'efficienza di fluorinazione e l'RCY grezzo in funzione del parametro che è stato variato (concentrazione precursore in questo esempio).
- Selezionare le condizioni ottimali in base ai criteri desiderati. In genere, questo è il RCY grezzo massimo. Inoltre, il punto viene spesso scelto in una regione in cui la pendenza del grafico è relativamente piatta, indicando che è insensibile alle piccole modifiche nel parametro, fornendo un protocollo più robusto.
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Representative Results
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]prodotto di fallypride, il fluoruro non reatto[18F], e il prodotto collaterale) sono tabulate nella tabella 1 e sono riassunte graficamente nella figura 4.
Lo studio ha dimostrato che l'efficienza di fluorinazione (proporzione di[18F]fallypride) aumenta con l'aumentare della concentrazione del precursore e che il restante fluoruro non reatto[18F]è variato inversamente(figura 4A). C'era una piccola quantità di un prodotto collaterale radioattivo a basse concentrazioni precursori, ma la proporzione è scesa quasi a zero alle concentrazioni più elevate di precursori (figura 4A). L'efficienza di raccolta era quasi quantitativa per la maggior parte delle condizioni, anche se è leggermente diminuita a basse concentrazioni precursori.
Da questi risultati, il più alto RCY può essere ottenuto con ~ 230 nmol di precursore (cioè, concentrazione di 39 mM in una goccia da 6 μL). A questa condizione, l'efficienza di fluorinazione era del 96,0 ± 0,5% (n=2) e l'RCY grezzo era di 87,0 ± 2,7 (n=2), e non vi era alcuna formazione di prodotto collaterale radioattivo osservata. Mentre l'uso del precursore da 77 mM ha mostrato risultati simili, in generale è auspicabile utilizzare una minore quantità di precursore per ridurre i costi e semplificare le fasi di purificazione a valle.
Figura 1: Fabbricazione di chip di microdroplet multireazione tramite fotolitografia. (A) Fotografia di chip microdroplet multireazione con 4 x 4 array di siti di reazione. Il chip è costituito da silicio rivestito in politetrafluoroetilene con regioni circolari di politetrafluoroetilene incise per creare i siti di reazione idrofila. (B) Schema della procedura di fabbricazione. Un wafer di silicio è rivestito a spin con soluzione di Teflon e cotto per solidificare il rivestimento. Successivamente, il fotoresist viene rivestito a spin e modellato tramite fotolitografia per produrre una maschera di incisione. Il fotoresist è sviluppato con una soluzione di sviluppo fotoresist. Il teflon esposto viene quindi rimosso tramite incisione a secco con plasma di ossigeno. Il wafer viene a cubetti in singoli chip e il fotoresist viene spogliato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Procedura per reazioni parallele. Procedura sperimentale per eseguire 16 sintesi parallele del radiofarmaco [18F]fallypride su un chip multi-reazione. In questo esempio, la concentrazione del precursore è varia per ogni reazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Mappa delle condizioni nei sitidi reazione. (A) Progettazione sperimentale per esplorare l'influenza della concentrazione precursore sulla radiofluorizzazione del tosil fallypride utilizzando un singolo chip a 16 reazioni (vista dall'alto). Sono state esplorate otto diverse concentrazioni, ognuna con repliche n=2. Altre condizioni di reazione sono state tenute costanti (temperatura: 110 °C; tempo: 7 min; solvente: alcol di tesile:MeCN; la quantità di TBAHCO3: 240 nmol). Ogni reazione è stata eseguita con ~14 MBq di attività. (B) Fotografia di un chip a 16 reazioni installato sulla piattaforma del riscaldatore durante l'esperimento. Le linee rosse rappresentano l'angolo di riferimento del chip utilizzato per l'allineamento con l'angolo di riferimento del riscaldatore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Influenza della concentrazione precursore sullasintesi di microgocce di [18F]fallypride. (A) Percentuale di specie radioattive presenti nel prodotto di reazione grezzo raccolto, cioè[18F]fallypride, prodotto collaterale o fluoruro non reatto[18F]. (B) Prestazioni di sintesi. L'efficienza di raccolta, l'efficienza di fluorinazione e l'RCY grezzo sono tracciati in funzione della concentrazione precursore. In entrambi i grafici, i punti dati rappresentano la media delle repliche n=2 e le barre di errore rappresentano la deviazione standard. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Concertazione precursore (mM) | Efficienza di raccolta (%) | Efficienza di fluorinazione (%) | RCY grezzo (%) | Fluoruro non rievocato (%) | Prodotto laterale (%) |
| 77 | 91.8 ± 2.1 | 96.7 ± 2.0 | 88.8 ± 3.9 | 3.3 ± 2.0 | 0,0 ± 0,0 |
| 39 | 90.6 ± 2.4 | 96.0 ± 0,5 | 87.0 ± 2.7 | 4.0 ± 0,5 | 0,0 ± 0,0 |
| 19 | 91.1 ± 0,5 | 81.1 ± 0.3 | 73.9 ± 0,7 | 8.4 ± 1.2 | 10.5 ± 2.0 |
| 9.6 | 90.9 ± 0,6 | 62.7 ± 0,9 | 57.0 ± 0,5 | 23.3 ± 2.1 | 14.0 ± 0,9 |
| 4.8 | 88.4 ± 0,8 | 37.0 ± 1.5 | 32.8 ± 1.6 | 47.3 ± 0,8 | 15.7 ± 1.0 |
| 2.4 | 87.6 ± 2.0 | 21.0 ± 2.1 | 18.4 ± 2.2 | 67.4 ± 2.1 | 11.6 ± 1.0 |
| 1.2 | 82.3 ± 1.6 | 12.7 ± 0.3 | 10.4 ± 0.1 | 72.8 ± 0,7 | 14.5 ± 1.0 |
| 0.6 | 81.2 ± 3.7 | 6.3 ± 0,8 | 5.1 ± 0,5 | 84.3 ± 0,2 | 9.4 ± 1.0 |
Tabella 1: Dati ottenuti dallo studio della concentrazione dei precursori. Tutti i valori sono medie ± deviazioni standard calcolate da n=2 repliche.
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Discussion
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 sulle condizioni di radiosintesi, consumando pochissimo tempo e quantità di precursore, consentendo potenzialmente nuove intuizioni sui parametri che hanno un impatto sulla resa del prodotto e sulla formazione di prodotti collaterali. Le informazioni possono essere utilizzate per scegliere le condizioni che si traducono nella più alta resa del prodotto o nella sintesi più robusta. Il basso consumo di precursori può essere particolarmente utile nello sviluppo precoce di nuovi radiotraccianti quando può essere disponibile solo una piccola quantità di precursore o quando il precursore è costoso. Mentre la natura aperta dei chip contribuisce a un rapido tempo di sintesi e alla facilità di accesso tramite pipetta, può portare a perdite sostanziali di molecole volatili e potrebbe non essere pratica quando si ottimizza la sintesi di radiofarmaci che hanno precursori, intermedi o prodotti volatili.
A causa del rischio di esposizione alle radiazioni, va ribadito che questi esperimenti devono essere eseguiti solo con un'adeguata formazione e omologazione e devono essere condotti dietro la schermatura delle radiazioni, preferibilmente in una cella calda ventilata. A causa della breve emipità dei radioisotopi, è importante eseguire gli esperimenti in modo rapido ed efficiente. I reagenti di pipettaggio al chip e la raccolta di prodotti dal chip dovrebbero essere praticati in condizioni non radioattive per familiarizzare con l'accesso ridotto e la visibilità in una cella calda. Allo stesso modo, si dovrebbe anche praticare l'installazione e la rimozione del chip e effettuare misurazioni del chip con il calibratore di dose. Inoltre, è fondamentale essere organizzati, con una mappa dettagliata dell'esperimento (cioè condizioni di reazione specifiche in ogni sito sul chip). È anche utile preparare in anticipo una tabella dei risultati da compilare man mano che vengono effettuate le misurazioni. Per garantire la riproducibilità, specialmente con la possibilità di errore umano, devono essere eseguite più repliche di ogni insieme di condizioni. È importante prestare particolare attenzione durante la fase di raccolta dei campioni grezzi dal chip per evitare di versare liquido al di fuori del sito di reazione e causare contaminazione incrociata con siti di reazione adiacenti. Se vengono notati errori, è importante contrassegnare questi siti di reazione in modo che i dati possano essere esclusi dall'analisi finale.
In questo studio di esempio, la quantità di precursore consumata per 16 punti dati era di 1,1 mg (~70 μg ciascuno), rispetto a 4 mg per punto dati utilizzando un radiosintesinte tradizionale. Inoltre, tutte e 16 le reazioni sono state completate in 25 minuti in un unico esperimento. In confronto, la sintesi di grezzo [18F]fallypride su un radiosintesintesizzatore convenzionale richiede ~ 15-20 min per reazione16,17.
Questo esperimento rappresentativo ha dimostrato l'utilità di un chip microdroplet multi-reazione con 16 reazioni per ottimizzare le condizioni per la radiosintesi del radiofarmaco[18F]fallypride esplorando 8 diverse concentrazioni precursori (n=2 repliche per ogni condizione) in modo rapido ed economico. Altre variabili che possono essere convenientemente ottimizzate utilizzando un chip multi-reazione includono la quantità di radioattività, il tipo di catalizzatore di trasferimento di fase, la quantità di catalizzatore di trasferimento di fase, le condizioni di evaporazione / asciugatura (ad esempio, il numero di fasi di essiccazione azeotropica), il solvente di reazione, ecc. Utilizzando più chip multi-reazione, è anche possibile esplorare l'influenza della temperatura di reazione e del tempo di reazione, oltre a condizioni come la temperatura e il tempo di evaporazione / asciugatura. Tali studi dovrebbero essere eseguiti in sequenza utilizzando il singolo riscaldatore o potrebbero essere parallelizzati dal funzionamento di più riscaldatori contemporaneamente.
Il metodo di sintesi delle goccioline sottostante si è dimostrato compatibile con un'ampia gamma di radiofarmaci con etichetta F 18,come [18F]fallypride10, [18F]FET18, [18F]FDOPA19, [18F]FBB20 e può essere utilizzato per l'ottimizzazione della maggior parte di altri composti e composti etichettati F etichettaticon altri isotopi. Inoltre, le reazioni ottimizzate basate sulle goccioline risultanti sfruttano intrinsecamente i vantaggi della radiochimica microvolume, tra cui un consumo ridotto di precursori, tempi di processo più rapidi e strumentazione compatta, e possono offrire questi stessi vantaggi per la produzione di routine di grandi lotti. I lotti più grandi richiedono semplicemente un ridimensionamento della quantità di attività inizialmente caricata all'inizio della reazione. Per preparare un tracciante adatto all'uso in test in vitro o in vivo, il prodotto grezzo deve essere purificato (ad esempio, utilizzando HPLC su scala analitica) e formulato (ad esempio tramite scambio di solventi evaporativi o in fase solida21)In alternativa, può essere possibile adattare le condizioni ottimali dalla scala delle goccioline a un radiosintesitivo convenzionale a base di fiale. Le indagini su questa possibilità sono in corso.
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Disclosures
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).
Acknowledgments
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.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2,3-dimethyl-2-butanol (thexyl alcohol) | Sigma-Aldrich | 594-60-5 | 98% |
| Acetone | KMG Chemicals | Cleanroom LP grade | |
| Ammonium formate (NH4HCO2) | Sigma-Aldrich | 540-69-2 | 97% |
| Anhydrous acetonitrile (MeCN) | Sigma-Aldrich | 75-05-8 | 99.80% |
| Ceramic heater | Watlow | Utramic CER-1-01-0093 | 25 mm x 25 mm |
| Cerenkov imaging chamber | Custom built | Other instruments can be used for TLC plate readout including: small animal in vivo optical imaging system, 2D radio-TLC scanner, 1D radio-TLC scanner | |
| DI water | Sigma-Aldrich | 7732-18-5 | |
| Disposable transfer pipets, 3 mL | Falcon | 13-680-50 | |
| Dose calibrator | Capintec, Inc. | CRC-25 PET | |
| Fallypride | ABX Advanced Biochemical Compounds | 1560.0010.000 | Fallypride reference standard, >95% |
| [18F]fluoride in [18O]H2O | UCLA Ahmanson Biomedical Cyclotron Facility | Due to short half-life this must be obtained from local radiochemistry lab or commercial radiopharmacy | |
| Glass cover plates (76.2 mm x 50.8 mm x 1 mm thick) | C&A Scientific | 6101 | |
| Headway spin coater | Headway Research, Inc. | PWM50-PS-R790 Sipinner system | PWM50-control box, PS-motor, R790-bowl |
| High temperature oven | Carbolite | HTCR 6 28 | |
| Hot plate | Thermo Scientific | Super-Nuova HP133425 | |
| Isopropanol (IPA) | KMG Chemicals | Cleanroom LP grade | |
| Mask aligner | Karl Suss | MA/BA6 | |
| Methanol (MeOH) | Sigma-Aldrich | 67-56-1 | ≥99.9% |
| Microcentrifuge tube | Eppendorf | 0030 123.301 | 500 µL, colorless, polypropylene |
| Micropipette (0.5-10 µL) | Labnet | BioPette P3940-10 | |
| Micropipette (100-1000 µL) | Labnet | BioPette P3940-1000 | |
| Micropipette (10-100 µL) | Labnet | BioPette P3940-100 | |
| Micropipette tips (0.1-10 µL) | USA Scientific Inc Tips | 11113810 | |
| Micropipette tips (2-200 µL) | BrandTech | 13-889-143 | |
| Micropipette tips (50-1000 µL) | BrandTech | 13-889-145 | |
| Photoresist developer solution | MicroChem | MEGAPOSIT MF-26A | |
| Positive photoresist | MicroChem | MEGAPOSIT 220-7.0 | |
| Reactive-ion etcher (RIE) | Oxford Instruments | Plasma Lab 80 Plus | |
| Silicon wafer cutter | Euro Tool | CSCB-431.00 | |
| Silicon wafer; 4" diameter | Silicon Valley Microelectronics Inc. | 0017227-048 | P type, boron doped, thickness 525 ± 25 µm |
| Teflon AF 2400 | Chemours | D14896765 | 1% solids |
| Tetrabutylammonium bicarbonate (TBAHCO3) | ABX Advanced Biochemical Compounds | 808 | Aqueous solution stabilized with ethanol, 0.075 M |
| Themal conducting paste | OMEGA | OT-201-2 | |
| TLC plates | Merck KGaA | 1.05554.0001 | Silica gel 60 F254, 50 mm x 60 mm, aluminum back |
| Tosyl-fallypride | ABX Advanced Biochemical Compounds | 1550.004.000 | Fallypride precursor, >90% |
| Trimethylamine (TEA) | Sigma-Aldrich | 75-50-3 | ≥ 99% |
| Tweezers | Cole-Parmer | UX-07387-08 | Stainless steel, fine tip |
References
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