Summary

Radiosintesi di 1-(2-[18F]Fluoroetil)-L-triptofano utilizzando un protocollo One-pot, Two-step

Published: September 21, 2021
doi:

Summary

Qui, descriviamo la radiosintesi di 1-(2-[18F]Fluoroetil)-L-triptofano, un agente di imaging tomografico ad emissione di positroni per studiare il metabolismo del triptofano, utilizzando una strategia one-pot, in due fasi in un sistema di sintesi radiochimica con buone rese radiochimiche, alto eccesso enantiomerico e alta affidabilità.

Abstract

La via della chinurenina (KP) è una via primaria per il metabolismo del triptofano. L’evidenza suggerisce fortemente che i metaboliti del KP svolgono un ruolo vitale nella proliferazione tumorale, nell’epilessia, nelle malattie neurodegenerative e nelle malattie psichiatriche a causa dei loro effetti immunomodulatori, neuromodulatori e neurotossici. L’agente più ampiamente utilizzato per la tomografia ad emissione di positroni (PET) per la mappatura del metabolismo del triptofano, α-[11C]metil-L-triptofano ([11C]AMT), ha una breve emivita di 20 minuti con laboriose procedure di radiosintesi. È necessario un ciclotrone in loco per radiosintetizzare [11C]AMT. Solo un numero limitato di centri produce [11C]AMT per studi preclinici e indagini cliniche. Quindi, è urgentemente necessario lo sviluppo di un agente di imaging alternativo che abbia un’emivita più lunga, una cinetica in vivo favorevole ed è facile da automatizzare. L’utilità e il valore di 1-(2-[18F]fluoroetil)-L-triptofano, un analogo del triptofano marcato con fluoro-18, è stato riportato in applicazioni precliniche in xenotrapianti derivati dalla linea cellulare, xenotrapianti derivati dal paziente e modelli tumorali transgenici.

Questo documento presenta un protocollo per la radiosintesi di 1-(2-[18F]fluoroetil)-L-triptofano utilizzando una strategia one-pot, two-step. Utilizzando questo protocollo, il radiotracciante può essere prodotto in una resa radiochimica del 20 ± 5% (decadimento corretto al termine della sintesi, n > 20), con purezza radiochimica ed eccesso enantiomerico di oltre il 95%. Il protocollo presenta una piccola quantità di precursore con non più di 0,5 mL di solvente di reazione in ogni fase, un basso carico di 4,7,13,16,21,24-esaooxa-1,10-diazabiciclo potenzialmente tossico[8.8.8]esacosano (K222) e una fase mobile ecologicamente benigna e iniettabile per la purificazione. Il protocollo può essere facilmente configurato per produrre 1-(2-[18F]fluoroetil)-L-triptofano per l’indagine clinica in un modulo disponibile in commercio.

Introduction

Nell’uomo, il triptofano è un componente essenziale della dieta quotidiana. Il triptofano viene metabolizzato principalmente attraverso la via della chinurenina (KP). Il KP è catalizzato da due enzimi limitanti la velocità, indoleamina 2, 3-diossigenasi (IDO) e triptofano 2, 3-diossigenasi (TDO). Più del 95% del triptofano viene convertito in chinurenina e nei suoi metaboliti a valle, generando in definitiva nicotinamide adenina dinucleotide, che è essenziale per la trasduzione dell’energia cellulare. Il KP è un regolatore chiave del sistema immunitario e un importante regolatore della neuroplasticità e degli effetti neurotossici1,2. Il metabolismo anormale del triptofano è implicato in vari disturbi neurologici, oncologici, psichiatrici e metabolici; pertanto, gli analoghi del triptofano radiomarcati sono stati ampiamente utilizzati nelle indagini cliniche. I due radiotraccianti di triptofano clinicamente studiati più comuni sono 11C-α-metil-L-triptofano ([11C]AMT) e 11C-5-idrossitriptofano (11C-5-HTP)3.

Nel 1990, 11C-5-HTP è stato utilizzato per visualizzare i tumori neuroendocrini secernenti serotonina4 e per diagnosticare e monitorare la terapia dell’adenocarcinoma prostatico refrattario all’ormone metastatico5. Successivamente, è stato utilizzato come strumento di imaging per la quantificazione del sistema serotoninergico nel pancreas endocrino6. 11 anni C-5-HTP è stato anche un tracciante promettente per il rilevamento non invasivo di isole vitali nel trapianto di isole intraportali e diabete di tipo 27,8. Negli ultimi due decenni, molti amminoacidi radiomarcati sono passati all’indagine clinica9,10. In particolare, l’analogo del triptofano marcato con carbonio-11 [11C]AMT ha ricevuto ampia attenzione per la mappatura della sintesi della serotonina cerebrale11,12,13,14 e per la localizzazione di focolai epilettici, tumori epilettogeni, complesso di sclerosi tuberosa, gliomi e tumori al seno15,16,17,18,19,20 ,21,22,23,24,25,26. [11C] L’AMT ha anche un elevato assorbimento in vari tumori di basso e alto grado nei bambini27. Inoltre, l’analisi cinetica del tracciante di [11C]AMT in soggetti umani è stata utilizzata per differenziare e classificare vari tumori e differenziare il glioma dal danno tissutale indotto dalle radiazioni15. [11C] L’imaging guidato da AMT mostra significativi benefici clinici nei disturbi cerebrali3,25. Tuttavia, a causa della breve emivita del carbonio-11 (20 min) e delle laboriose procedure di radiosintesi, l’uso di [11C]AMT è limitato ai pochi centri PET con un ciclotrone in loco e una struttura di radiochimica.

Fluorine-18 ha un’emivita favorevole di 109,8 min, rispetto all’emivita di 20 min del carbonio-11. Sempre più spesso, gli sforzi si sono concentrati sullo sviluppo di radiotraccianti marcati con fluoro-18 per il metabolismo del triptofano3,28. Un totale di 15 unici radiotraccianti di triptofano con fluoro-18 sono stati riportati in termini di radioetichettatura, meccanismi di trasporto, stabilità in vitro e in vivo, biodistribuzione e assorbimento tumorale negli xenotrapianti. Tuttavia, è stata osservata una rapida defluorurazione in vivo per diversi traccianti, tra cui 4-, 5-, e 6-[18F]fluorotriptofano, precludendo un’ulteriore traduzione clinica29. 5-[18F]Fluoro-α-metiltriptofano (5-[18F]FAMT) e 1-(2-[18F]fluoroetil)-L-triptofano (L-[18F]FETrp, noto anche come acido (S)-2-ammino-3-(1-(2-[18F]fluoroetil)-1H-indol-3-il)propanoico, peso molecolare 249,28 g/mole), sono i due radiotraccianti più promettenti con cinetica in vivo favorevole nei modelli animali e grande potenziale di superamento [11 C]AMT per la valutazione delle condizioni cliniche con metabolismo del triptofano deregolato28. 5-[18F]FAMT ha mostrato un elevato assorbimento negli xenotrapianti tumorali IDO1-positivi di topi immunocompromessi ed è più specifico per l’imaging del KP rispetto a [11C]AMT28,30. Tuttavia, la stabilità in vivo di 5-[18F]FAMT rimane una potenziale preoccupazione in quanto non sono stati riportati dati di defluorurazione in vivo oltre 30 minuti dopo l’iniezione del tracer30.

Uno studio preclinico in un modello murino di medulloblastoma geneticamente modificato ha mostrato che, rispetto al 18F-fluorodesossiglucosio (18F-FDG), L-[18F]FETrp aveva un elevato accumulo nei tumori cerebrali, una defluorizzazione in vivo trascurabile e un basso assorbimento di fondo, dimostrando un rapporto target-non target superiore31,32. Gli studi di dosimetria delle radiazioni nei topi hanno indicato che L-[18F]FETrp aveva un’esposizione dosimetrica favorevole inferiore di circa il 20% rispetto al tracciante clinico 18F-FDG PET33. In accordo con le scoperte di altri ricercatori, i dati degli studi preclinici forniscono prove sostanziali a sostegno della traduzione clinica di L-[18F]FETrp per lo studio del metabolismo anormale del triptofano negli esseri umani con disturbi cerebrali come epilessia, neuro-oncologia, autismo e sclerosi tuberosa28,31,32,33,34,35,36 . Un confronto complessivo tra i tre traccianti più ampiamente studiati per il metabolismo del triptofano, 11C-5-HTP, [11C]AMT e L-[18F]FETrp, è mostrato nella Tabella 1. Sia 11C-5-HTP e [11C]AMT hanno una breve emivita e laboriose procedure di radioelabazione. Un protocollo per la radiosintesi di L-[18F]FETrp utilizzando un approccio one-pot, two-step è descritto qui. Il protocollo prevede l’uso di una piccola quantità di precursore di radioetichettatura, un piccolo volume di solventi di reazione, un basso carico di K222 tossico e una fase mobile ecologicamente benigna e iniettabile per la purificazione e la facile formulazione.

Protocol

ATTENZIONE: Il protocollo coinvolge materiali radioattivi. Qualsiasi dose aggiuntiva di materiali radioattivi potrebbe portare ad un aumento proporzionale della possibilità di effetti avversi sulla salute come il cancro. I ricercatori devono seguire le pratiche di dose “il più basso ragionevolmente ottenibile” (ALARA) per guidare il protocollo di radiosintesi con un’adeguata protezione nella cella calda o nel cappuccio di piombo. Ridurre al minimo il tempo di contatto diretto, utilizzare uno scudo di piombo e mantenere…

Representative Results

Lo schema di reazione è mostrato nella Figura 1. La radioetichettatura comprende le seguenti due fasi: 1) la reazione del precursore della radioetichettatura tosilato con il fluoruro [18F] fornisce l’intermedio marcato 18F e 2) la deprotezione dei gruppi terz-butilossicarbonile e terz-butil-protettivo nell’intermedio offre il prodotto finale L-[18F]FETrp. Entrambe le fasi di reazione continuano a 100 °C per 10 minuti. <p class="jove_co…

Discussion

Il triptofano è un aminoacido essenziale per l’uomo. Svolge un ruolo importante nella regolazione dell’umore, della funzione cognitiva e del comportamento. I derivati del triptofano radiomarcati, in particolare il carbon-11-labeled [11C]AMT, sono stati ampiamente studiati grazie al loro ruolo unico nella mappatura della sintesi della serotonina38,39, nel rilevamento e nella classificazione dei tumori40, nella guida della chirur…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato dal Diagnostic & Research PET/MRI Center e dai Dipartimenti di Ricerca Biomedica e Radiologia del Nemours/Alfred I. duPont Hospital for Children.

Materials

[18F]Fluoride in [18O]H2O PETNET Solutions Inc. N/A
4,7,13,16,21,24-hexaoxa-1,10-diazabicyclo[8.8.8]hexacosane ACROS 291950010 Kryptofix 222 or K222, 98%
Acetic acid ACROS 222142500 99.8%
Acetonitrile Sigma-Aldrich 271004 anhydrous, 99.8%
Agilent 1260 HPLC system Agilent Technologies Agilent 1260 Agilent 1260 series
Analytcial chiral HPLC column Sigma-Aldrich 12024AST Astec CHIROBIOTIC T, 25 cm × 4.6 mm
Carbon dioxide, 60 LBS Airgas REFR744R200S 99.99%
D-FETrp standard reference Affinity Research Chemicals Inc N/A Custom synthesis
Empty sterile vial Jubilant HollisterStier 7515 20 mm closure, 10 mL
Ethanol Decon Labs 2716 200 proof, USP grade. ≥99.9%
Fisherbrand 13 mm Syringe Filter, 0.22 µm, PVDF, sterile Fisher Scientific 09-720-3
Hydrochloric acid Sigma-Aldrich 30721 ≥37%
Isopropanol Decon Labs 8316 70%, sterile
L-[18F]FETrp radiolabeling precursor Affinity Research Chemicals Inc N/A Custom synthesis
L-FETrp standard reference Affinity Research Chemicals Inc N/A Custom synthesis
Light C8 cartridge Waters WAT036770 Sep-Pak  C8 plus light cartridge
Needle, 20 G x 1 Becton-Dickinson & Co. 305175
Needle, 20 G x 1 ½ Becton-Dickinson & Co. 305176
Needle, 21 G x 2 Becton-Dickinson & Co. 305129
Neutral aluminum oxide Waters WAT023561 Sep-Pak alumina N plus light
Nylon membrane (0.20 µm ) MilliPore GNWP04700 47 mm
Pall Acrodisc 25 mm syringe sterile filter Pall Corporation 4907
PETCHEM radiochemistry synthesis system PETCHEM Solutions Inc. Pinckney, MI N/A Radiosynthesizer
pH strips 2.0 – 9.0 EMD Millipore 1.09584.0001
Potassium carbonate Sigma-Aldrich 367877 99.995%
Quaternary methylammonium light cartridge Waters 186004051 Sep-Pak QMA light
Semi-preparative C18 HPLC column Phenomenex 00D-4253-N0 100 × 10 mm
Semi-preparative chiral HPLC column Sigma-Aldrich 12034AST Astec CHIROBIOTIC T, 25 cm × 10 mm
Sodium chloride injection 23.4% APP Pharmaceutical, LLC 18730 USP grade
Sodium chloridei injection 0.9% Hospira NDC 0409-4888-10 USP grade
Sodium hydroxide Honeywell 306576 99.99%
Spinal needle, 20 G x 3 ½ Becton-Dickinson & Co. 405182
Sterile alcohol prep pads BioMed Resource Inc. PC661
Sterile empty vials, 2 mL Hollister Stier 7505ZA 13 mm closure
Sterile empty vials, 30 mL Jubilant HollisterStier 7520ZA 20 mm closure
Syringe PP/PE, 3 mL, Luer Lock Air-Tite 4020-X00V0
Syringe PP/PE, 5 mL, Luer Lock Becton-Dickinson & Co. 309646
Syringe,  PP/PE, 10 mL, NORM-JECT Air-Tite 4100-000V0
Syringe, 1 mL, Luer Slip Becton-Dickinson & Co. 309659
Syringe, 3 mL, Luer-Lock Becton-Dickinson & Co. 309657
Ultra high purity argon Airgas AR UHP300 99.999%
Ultrapure water MilliporeSigma ZRQSVP300 Direct-Q 3 tap to pure and ultrapure water purification system

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Yue, X., Nikam, R. M., Kecskemethy, H. H., Kandula, V. V. R., Falchek, S. J., Averill, L. W., Langhans, S. A. Radiosynthesis of 1-(2-[18F]Fluoroethyl)-L-Tryptophan using a One-pot, Two-step Protocol. J. Vis. Exp. (175), e63025, doi:10.3791/63025 (2021).

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