Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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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Protocol
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.
- Coloque wafer de silicone no mandril do spin-coater, garantindo que ele esteja centrado. Deposite 3 mL de solução de politetrafluoroetileno no centro do wafer com pipeta de transferência e wafer de casaco a 1000 rpm por 30 s (rampa de 500 rpm/s).
- Para solidificar o revestimento, coloque o wafer em uma placa de 160 °C por 10 minutos e depois transfira para uma placa de 245 °C por 10 minutos.
- Resfrie o revestimento em um forno de alta temperatura a 340 °C por 3,5 h sob atmosfera de nitrogênio, seguido de resfriamento a 70 °C em uma rampa de 10 °C/min.
- Coloque o wafer de silicone no mandril do spin-coater, garantindo que ele esteja centrado. Despeje 2 mL de fotoresist positivo no centro do wafer usando uma pipeta de transferência e, em seguida, realize o revestimento a 3000 rpm por 30 s (rampa de 1000 rpm/s).
- Solidifique o fotoresist, realizando um cozimento macio do wafer em uma placa de 115 °C por 3 min.
- Instale o wafer e a máscara em um alinhador de máscaras e realize uma exposição de 14 s a intensidade de lâmpada de 12 mW/cm2 e comprimento de onda de 356 nm no modo de contato rígido. Esta etapa utiliza uma máscara de transparência contendo o padrão final de politetrafluoroetileno negativo, ou seja, um padrão de diâmetro de 4" de 4 cópias do chip de 16 reações, com locais de reação transparentes e todas as outras regiões em cor opaca.
- Submergir o wafer usando 20 mL de solução de desenvolvedor fotoresist em um recipiente de vidro por 3 minutos com leve agitação para desenvolver o padrão exposto.
- Enxágüe a solução em desenvolvimento submergindo o wafer em um recipiente de vidro com 20 mL de água DI por 3 min com leve agitação. Seque o wafer com uma arma de nitrogênio.
- Remova as regiões de politetrafluoroetileno expostas através de gravura reativa (RIE) com plasma de oxigênio nas seguintes condições: exposição de 30 s, pressão de 100 mTorr, potência de 200 W e fluxo de oxigênio de 50 sccm.
- Pique o wafer em chips individuais (7 total por wafer) usando um cortador de bolacha de silício.
- Submergir cada chip em acetona por 1 minuto para remover o fotoresist, depois isopropanol por 1 min. Finalmente, seque cada chip com uma arma de nitrogênio.
- Coloque lascas secas em um recipiente de vidro e cubra com papel alumínio para armazenamento até o uso.
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.
- Selecione os parâmetros de reação a serem variados, os valores específicos a serem utilizados e o número de réplicas.
- Calcule o número de chips necessários para realizar o experimento.
- Para cada chip, prepare um mapa de quais condições de reação serão usadas em cada local de reação para auxiliar na preparação do reagente e na realização das reações de gotículas.
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.
- Prepare uma solução de estoque do solvente de reação, consistindo de álcool texíl e acetonitrilo em uma mistura de 1:1 por volume. Certifique-se de que o volume é suficiente para criar a série de diluição planejada. Neste exemplo de otimização, ~30 μL é suficiente.
- Prepare uma solução de estoque de 30 μL de precursor (tosyl-falípride) no solvente de reação com a concentração máxima a ser explorada (77 mM). Certifique-se de que o volume é suficiente para realizar o experimento planejado. Neste exemplo de otimização, ~30 μL é suficiente.
- A partir da solução de estoque precursor e solvente de reação, realize diluições seriais 2x para preparar as diferentes concentrações da solução precursora. Certifique-se de que o volume de cada diluição é suficiente para executar o número desejado de réplicas para cada condição. Neste exemplo de otimização, ~15 μL de cada concentração é suficiente.
- Prepare tubos de microcentrifuuagem para coletar cada produto de reação bruta usando um marcador permanente para rotular cada tubo com um número único. Certifique-se de que o número total de tubos de microcentrifuuagem corresponda ao número de condições multiplicadas pelo número de réplicas (8 x 2 = 16).
- Prepare um estoque de solução de coleta (10 mL) compreendendo 9:1 água metanol:DI (v/v). Alíquota de 50 μL em cada um dos 16 tubos adicionais de microcentrifuuge rotulados (um por local de reação no chip).
- Prepare uma solução de estoque de flúor de18F em um tubo de microcentrifuuge de 500 μL misturando [18F]fluoreto/[18O]H2O (~260 MBq [7 mCi]) com solução TBAHCO3 de 75 mM (56 μL) e diluindo com água DI até 140 μL. 8 μL desta solução será carregado em cada local de reação (contendo ~15 MBq [0,40 mCi] de atividade, e 240 nmol de TBAHCO3).
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).
- Carga [18F]solução de estoque de flúor (com catalisador de transferência de fase).
- Usando uma micropipette, carregue uma gotícula de 8 μL de [18F]solução de estoque de flúor no primeiro ponto de reação de um chip de reação. Meça a atividade do chip colocando-o em um calibrador de dose e regise o tempo em que a medição é realizada.
- Remova o chip do calibrador de dose e, em seguida, carregue uma gotícula de 8 μL da solução de estoque de flúor de8F no segundo ponto de reação. Meça a atividade no chip colocando-a mais uma vez no calibrador de dose e regise o tempo em que a medição é realizada.
- Repita para todos os outros sites de reação no chip.
- Calcule a atividade carregada por ponto de reação, tomando a medição de atividade após carregar o radioisótopo e subtrair a medição anterior (corrigida pela decadência) antes que o local fosse carregado.
- Alinhe o chip de multi-reação no aquecedor.
- Adicione uma fina camada de pasta térmica em cima do aquecedor de cerâmica.
- Coloque cuidadosamente o chip em cima do aquecedor usando pinças para evitar o derramamento das gotículas, alinhando o canto de referência do chip com o canto de referência do aquecedor (como mostrado na Figura 3B). O chip vai sobrepá-lo sobrevoando o aquecedor em uma pequena quantidade.
- Seque o fluoreto de18F e o catalisador de transferência de fase.
- Aqueça o chip por 1 min, colocando o aquecedor a 105 °C no programa de controle para evaporar as gotículas até a secura deixando um resíduo seco de [18F]fluoreto e TBHACO3. Depois de 1 min, esfrie o chip desligando o aquecedor e ligando o ventilador de resfriamento com o programa de controle.
- Adicione a solução precursora.
- Usando uma micropipette, adicione uma solução de 6 μL de precursor de falido em cima do resíduo seco no primeiro local de reação.
- Repita para todos os outros sites de reação no chip. Use o plano de otimização para determinar qual concentração da série de diluição é usada para cada local de reação.
- Faça reação de fluoretação.
- Aqueça cada chip a 110 °C por 7 minutos usando o programa de controle para realizar a reação de radiofluorinação. Depois, esfrie o chip desligando o aquecedor e ligando o ventilador de resfriamento com o programa de controle.
- Colete os produtos brutos dos locais de reação.
- Colete o produto bruto no primeiro local de reação adicionando 10 μL de solução de coleta do tubo de microcentrifuuge designado via micropipette. Depois de esperar por 5 s, use a micropipette (com a mesma ponta instalada) para aspirar o produto bruto diluído e transferir para o tubo de microcentrifuge de coleta etiquetada correspondente.
- Repita este processo um total de 4 vezes usando a mesma dica de pipeta para todas as operações.
- Repita o processo de coleta para todos os outros locais de reação no chip.
5. Análise de síntese para determinar o desempenho da reação e as condições ideais
- Determine a "eficiência de coleta" para a primeira reação no chip.
- Coloque o tubo de microcentrifutura com o produto bruto coletado do primeiro ponto de reação no calibrador de dose para medir a atividade. Regisso da medição e do tempo da medição.
- Calcule a eficiência da coleta dividindo a atividade do produto bruto coletado pela atividade inicial medida para o mesmo local de reação (corrigindo os valores de atividade para o mesmo ponto de tempo).
- Repita para todos os outros sites de reação no chip.
- Analisar a composição (eficiência de fluoretação) de cada produto bruto coletado.
NOTA: Para tornar prática a análise de todas as amostras em um curto espaço de tempo, a eficiência da fluoretação é analisada usando uma abordagem de cromatografia de camada radiofina de alta produção (radio-TLC) descrita anteriormente14. Esta técnica permite que até oito amostras sejam processadas em paralelo, detectando lado a lado (5 mm de arremesso, 0,5 μL por ponto) em uma única placa TLC, desenvolvendo-se em conjunto, e realizando leituras juntas usando imagens cerenkov14,15. Para a otimização de exemplo com 16 reações paralelas, são necessárias 2 placas TLC. Outra opção é usar cromatografia líquida de alto desempenho (radio-HPLC) para análise, embora o tempo de separação, limpeza e equilíbrio possa limitar o número de amostras que podem ser analisadas.- Para cada placa TLC (50 mm x 60 mm), com um lápis, desenhe uma linha a 15 mm de distância de uma borda de 50 mm (inferior), e outra linha a 50 mm da mesma borda. A primeira linha é a linha de origem; o segundo é a linha de frente solvente. Desenhe 8 pequenos "X" ao longo da linha de origem em espaçamento de 5 mm para definir a posição de mancha de amostra para cada uma das 8 "pistas".
- Usando uma micropipette, transfira 0,5 μL do primeiro produto bruto para a placa TLC na placa "X" para a primeira faixa. Repita para produtos brutos adicionais (até 8 por placa TLC). Aguarde que as manchas brutas do produto sequem na placa TLC.
- Para cada placa TLC, desenvolva-se usando uma fase móvel de 60% de MeCN em 25 mM NH4HCO2 com 1% de TEA (v/v) até que a frente solvente atinja a linha de frente do solvente. Aguarde que o solvente na placa TLC seque e depois cubra com um slide de microscópio de vidro (76,2 mm x 50,8 mm, 1 mm de espessura).
- Obtenha uma imagem de radioatividade de cada placa TLC colocando a placa em um sistema de imagem Cerenkov para uma exposição de 5 minutos. Executar correções de imagem padrão (subtração de corrente escura, correção de campo plano, filtragem mediana e subtração de fundo).
- Use a análise da região de interesse (ROI) para a primeira faixa da primeira placa TLC. Desenhe regiões ao redor de cada faixa visível na pista. O software calculará a fração de intensidade integrada de cada região (banda) em comparação com a intensidade total integrada de todas as regiões (bandas).
- Com esta fase móvel, são esperadas as seguintes bandas nos fatores de retenção indicados: Rf = 0,0: Fluoreto não redigido [18F]; Rf = 0,9: [18F]falido; Rf = 0,94: Produto lateral. Determine a eficiência de fluoretação como a fração de atividade na faixa falida de18F.
- Repita esta análise para todas as outras faixas em todas as placas TLC.
NOTA: Se uma câmara de imagem Cerenkov não estiver disponível, um pequeno sistema de imagem óptica inclínica em vivo pode ser usado para fotografar as placas TLC. Alternativamente, um scanner TLC bidimensional pode ser usado. Alternativamente, se apenas um scanner TLC de 1 dimensão estiver disponível, as placas TLC podem ser analisadas cortando em tiras com tesouras (1 por pista) e escaneando cada tira individualmente.
- Determine o rendimento radioquímico bruto (RCY bruto) para cada local de reação.
- Determine o RCY bruto para o primeiro produto bruto multiplicando a eficiência de coleta pela eficiência de fluoretação.
- Repita para todos os outros locais de reação.
- Analise os resultados
- Valores agregados para quaisquer experimentos de replicação em um desvio médio e padrão.
- Traçar a eficiência da coleta, a eficiência da fluorinação e o RCY bruto em função do parâmetro que foi variado (concentração precursora neste exemplo).
- Selecione as condições ideais com base nos critérios desejados. Normalmente, este é o RCY bruto máximo. Além disso, o ponto é frequentemente escolhido em uma região onde a inclinação do gráfico é relativamente plana, indicando que é insensível a pequenas mudanças no parâmetro, fornecendo um protocolo mais robusto.
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Representative Results
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 redigido [18F]e produto lateral) são tabulados na Tabela 1 e são resumidos graficamente na Figura 4.
O estudo mostrou que a eficiência da fluoretação (proporção de [18F]falido) aumenta com o aumento da concentração precursora, e que o restante não redigido [18F]fluoreto variou inversamente (Figura 4A). Houve uma pequena quantidade de produto lateral radioativo em baixas concentrações precursoras, mas a proporção diminuiu para quase zero nas concentrações precursoras mais elevadas(Figura 4A). A eficiência da coleta foi quase quantitativa para a maioria das condições, embora tenha caído ligeiramente em baixas concentrações precursoras.
A partir desses resultados, o maior RCY pode ser alcançado com ~230 nmol de precursor (ou seja, concentração de 39 mM em uma gotícula de 6 μL). Nesta condição, a eficiência da fluoretação foi de 96,0 ± 0,5% (n=2) e a RCY bruta foi de 87,0 ± 2,7 (n=2), e não houve formação de produto lateral radioativo observado. Embora o uso de 77 mM precursor tenha apresentado resultados semelhantes, em geral é desejável usar uma quantidade menor de precursor para reduzir custos e simplificar as etapas de purificação a jusante.
Figura 1: Fabricação de chips de microdroplet de multi-reação via fotolithografia. (A) Fotografia de chip de microdroplet multi-reação com 4 x 4 conjunto de locais de reação. O chip consiste em silício revestido de politetrafluoroetileno com regiões circulares de politetrafluoroetileno gravado para criar os locais de reação hidrofílica. (B) Esquema do procedimento de fabricação. Um wafer de silício é revestido com solução Teflon e assado para solidificar o revestimento. Em seguida, o fotoresist é revestido de spin e padronizado via fotolitografia para produzir uma máscara de etch. O fotoresist é desenvolvido com uma solução fotoresistista em desenvolvimento. O Teflon exposto é então removido através de gravura seca com plasma de oxigênio. O wafer é cortado em chips individuais, e o fotoresist é despojado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Procedimento para reações paralelas. Procedimento experimental para a realização de 16 sínteses paralelas da radiofarmacêutica [18F]falido em um chip de multi-reação. Neste exemplo, a concentração precursora é variada para cada reação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Mapa de condições em locais de reação. (A) Design experimental para explorar a influência da concentração precursora na radiofluorinação de falípede de tosyl usando um único chip de 16 reações (vista superior). Foram exploradas oito concentrações diferentes, cada uma com réplicas n=2. Outras condições de reação foram mantidas constantes (temperatura: 110 °C; tempo: 7 min; solvente: álcool tál:MeCN; a quantidade de TBAHCO3: 240 nmol). Cada reação foi realizada com ~14 MBq de atividade. (B) Fotografia de um chip de 16 reações instalado na plataforma do aquecedor durante o experimento. As linhas vermelhas representam o canto de referência do chip usado para alinhamento com o canto de referência do aquecedor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Influência da concentração precursora na síntese de microdroplet de [18F]falícolo. (A) Proporção de espécies radioativas presentes no produtode reação bruta coletada, ou seja, [18F]falípara, produto lateral ou fluoreto não redigido . (B) Desempenho da síntese. Eficiência de coleta, eficiência de fluorinação e RCY bruto são plotados em função da concentração precursora. Em ambos os gráficos, os pontos de dados representam a média das réplicas n=2, e as barras de erro representam o desvio padrão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Concertação precursora (mM) | Eficiência de coleta (%) | Eficiência de fluorinação (%) | RCY bruto (%) | Flúor não redigido [18F](%) | Produto lateral (%) |
| 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 |
Tabela 1: Dados obtidos a partir do estudo de concentração precursora. Todos os valores são médias ± desvios padrão calculados a partir de réplicas n=2.
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Discussion
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 rigorosos de condições de radiossíntese, consumindo muito pouco tempo e quantidade de precursor, potencialmente permitindo novas percepções sobre parâmetros que impactam o rendimento do produto e a formação de produtos laterais. As informações podem ser usadas para escolher as condições que resultam no maior rendimento do produto ou na síntese mais robusta. O baixo consumo precursor pode ser especialmente útil no desenvolvimento precoce de novos radiotracers quando apenas uma pequena quantidade de precursor pode estar disponível ou quando o precursor é caro. Embora a natureza aberta dos chips contribua para o tempo de síntese rápida e facilidade de acesso via pipeta, pode levar a perdas substanciais de moléculas voláteis e pode não ser prático ao otimizar a síntese de radiofarmacêuticos que têm precursores voláteis, intermediários ou produtos.
Devido ao risco de exposição à radiação, deve-se reiterar que esses experimentos devem ser realizados apenas com treinamento e aprovações adequados e devem ser realizados por trás da proteção por radiação, preferencialmente em uma célula quente ventilada. Devido à curta meia-vida dos radioisótopos, é importante realizar os experimentos de forma rápida e eficiente. Os reagentes de pipetação para o chip e a coleta de produtos do chip devem ser praticados em condições não radioativas para se familiarizar com o acesso e visibilidade reduzidos em uma célula quente. Da mesma forma, a instalação e remoção do chip e a realização de medições do chip com o calibrador de dose também devem ser praticadas. Além disso, é fundamental ser organizado, com um mapa de experimento detalhado (ou seja, condições específicas de reação em cada local do chip). Também é útil preparar com antecedência uma tabela de resultados a serem preenchidos à medida que as medidas são feitas. Para garantir a reprodutibilidade, especialmente com a possibilidade de erro humano, devem ser realizadas múltiplas réplicas de cada conjunto de condições. É importante ter especialmente cuidado durante a etapa de coleta das amostras brutas do chip para evitar derramar líquido fora do local de reação e causar contaminação cruzada com locais de reação adjacentes. Se algum erro for notado, é importante sinalizar esses locais de reação para que os dados possam ser excluídos da eventual análise.
Neste estudo de exemplo, a quantidade precursora consumida por 16 pontos de dados foi de 1,1 mg (~70 μg cada), em comparação com 4 mg por ponto de dados usando um radiosintesor convencional. Além disso, todas as 16 reações foram concluídas em 25 min, todas em um único experimento. Em comparação, a síntese de falesina bruta [18F]em um radiosinthesizer convencional requer ~15-20 min por reação16,17.
Este experimento representativo demonstrou a utilidade de um chip de microdroplet de várias reações com 16 reações para otimizar condições para a radiosíntese da radiofarmacêutica [18F]falido explorando 8 concentrações precursoras diferentes (n=2 replica-se para cada condição) de forma rápida e econômica. Outras variáveis que podem ser convenientemente otimizadas usando um chip de várias reações incluem a quantidade de radioatividade, tipo de catalisador de transferência de fase, quantidade de catalisador de transferência de fase, condições de evaporação/secagem (por exemplo, número de etapas de secagem azeotrópica), solvente de reação, etc. Usando vários chips de várias reações, também é possível explorar a influência da temperatura de reação e do tempo de reação, além de condições como evaporação/secagem temperatura e tempo. Tais estudos precisariam ser realizados sequencialmente usando o aquecedor único ou poderiam ser paralelos operando vários aquecedores ao mesmo tempo.
O método de síntese de gotículas subjacente mostrou-se compatível com uma ampla gama de radiofarmacêuticos com 18f-label, tais como [18F]falypride10, [18F]FET18, [18F]FDOPA19, [18F]FBB20 e pode ser usado para a otimização da maioria dos outros 18compostos e compostos rotulados com outros isótopos. Além disso, as reações otimizadas baseadas em gotículas intrinsecamente aproveitam as vantagens da radioquímica microvolume, incluindo consumo precursor reduzido, tempos de processo mais rápidos e instrumentação compacta, e podem oferecer essas mesmas vantagens para a produção rotineira de grandes lotes. Lotes maiores simplesmente requerem aumentar a quantidade de atividade inicialmente carregada no início da reação. Para preparar um rastreador adequado para uso em ensaios in vitro ou in vivo, o produto bruto deve ser purificado (por exemplo, usando HPLC em escala analítica) e formulado (por exemplo, via troca de solventes evaporativos ou de fase sólida21) Alternativamente, pode ser possível adaptar as condições ideais da escala de gotícula a um radiosinsynthesizer convencional baseado em frasco. A investigação dessa possibilidade está em andamento.
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Disclosures
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).
Acknowledgments
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.
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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