Radiosynthese van 1-(2-[18F]Fluoroethyl)-L-tryptofaan met behulp van een eenpot, tweestapsprotocol
Summary
Hier beschrijven we de radiosynthese van 1-(2-[18F]Fluoroethyl)-L-tryptofaan, een positronemissietomografiebeeldvormingsmiddel voor het bestuderen van tryptofaanmetabolisme, met behulp van een eenpotstrategie in twee stappen in een radiochemisch synthesesysteem met goede radiochemische opbrengsten, hoge enantiomeerovermaat en hoge betrouwbaarheid.
Abstract
De kynurenine route (KP) is een primaire route voor tryptofaan metabolisme. Er zijn sterke aanwijzingen dat metabolieten van de KP een vitale rol spelen bij tumorproliferatie, epilepsie, neurodegeneratieve ziekten en psychiatrische ziekten vanwege hun immuunmodulerende, neuromodulerende en neurotoxische effecten. Het meest gebruikte positronemissietomografiemiddel (PET) voor het in kaart brengen van tryptofaanmetabolisme, α-[11C]methyl-L-tryptofaan ([11C]AMT), heeft een korte halfwaardetijd van 20 minuten met moeizame radiosyntheseprocedures. Een cyclotron op locatie is nodig om [11C]AMT radiosynthetiseren. Slechts een beperkt aantal centra produceert [11C]AMT voor preklinische studies en klinische onderzoeken. Daarom is de ontwikkeling van een alternatief beeldvormingsmiddel met een langere halfwaardetijd, gunstige in vivo kinetiek en gemakkelijk te automatiseren dringend nodig. Het nut en de waarde van 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptofaan, een fluor-18-gelabeld tryptofaan analoog, is gemeld in preklinische toepassingen in cellijn-afgeleide xenografts, patiënt-afgeleide xenografts en transgene tumormodellen.
Dit artikel presenteert een protocol voor de radiosynthese van 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptofaan met behulp van een eenpotstrategie in twee stappen. Met behulp van dit protocol kan de radiotracer worden geproduceerd in een radiochemische opbrengst van 20 ± 5% (verval gecorrigeerd aan het einde van de synthese, n > 20), met zowel radiochemische zuiverheid als enantiomeer van meer dan 95%. Het protocol bevat een kleine hoeveelheid precursor met niet meer dan 0,5 ml reactieoplosmiddel in elke stap, een lage belasting van potentieel toxisch 4,7,13,16,21,24-hexaoxa-1,10-diazabicyclo[8.8.8]hexacosaan (K222) en een milieuvriendelijke en injecteerbare mobiele fase voor zuivering. Het protocol kan eenvoudig worden geconfigureerd om 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptofaan te produceren voor klinisch onderzoek in een commercieel verkrijgbare module.
Introduction
Bij mensen is tryptofaan een essentieel onderdeel van de dagelijkse voeding. Tryptofaan wordt voornamelijk gemetaboliseerd via de kynurenine route (KP). De KP wordt gekatalyseerd door twee snelheidsbeperkende enzymen, indoolamine 2, 3-dioxygenase (IDO) en tryptofaan 2, 3-dioxygenase (TDO). Meer dan 95% van tryptofaan wordt omgezet in kynurenine en zijn stroomafwaartse metabolieten, waardoor uiteindelijk nicotinamide adenine dinucleotide wordt gegenereerd, wat essentieel is voor cellulaire energietransductie. De KP is een belangrijke regulator van het immuunsysteem en een belangrijke regulator van neuroplasticiteit en neurotoxische effecten1,2. Abnormaal tryptofaanmetabolisme is betrokken bij verschillende neurologische, oncologische, psychiatrische en metabole stoornissen; daarom zijn radioactief gelabelde tryptofaan analogen uitgebreid gebruikt in klinisch onderzoek. De twee meest voorkomende klinisch onderzochte tryptofaan radiotracers zijn 11C-α-methyl-L-tryptofaan ([11C]AMT) en 11C-5-hydroxytryptophan (11C-5-HTP)3.
In de jaren 1990, 11C-5-HTP werd gebruikt om serotonine-afscheidende neuro-endocriene tumoren4 te visualiseren en om de behandeling van gemetastaseerd hormoon-refractair prostaat adenocarcinoom5 te diagnosticeren en te controleren. Later werd het gebruikt als een beeldvormingsinstrument voor de kwantificering van het serotonerge systeem in de endocriene pancreas6. 11 C-5-HTP is ook een veelbelovende tracer voor niet-invasieve detectie van levensvatbare eilandjes in intraportal eilandjestransplantatie en type 2 diabetes7,8. In de afgelopen twee decennia zijn veel radioactief gelabelde aminozuren gevorderd tot klinisch onderzoek9,10. In het bijzonder heeft het koolstof-11-gelabelde tryptofaan analoog [11C] AMT uitgebreide aandacht gekregen voor het in kaart brengen van de serotoninesynthese in de hersenen11,12,13,14 en voor het lokaliseren van epileptische foci, epileptogene tumoren, tubereuze sclerosecomplex, gliomen en borstkanker15,16,17,18,19,20 ,21,22,23,24,25,26. [11C] AMT heeft ook een hoge opname in verschillende laag- en hooggradige tumoren bij kinderen27. Bovendien is kinetische traceranalyse van [11C]AMT bij menselijke proefpersonen gebruikt om verschillende tumoren te differentiëren en te rangschikken en glioom te onderscheiden van door straling geïnduceerd weefselletsel15. [11C] AMT-geleide beeldvorming toont significante klinische voordelen bij hersenaandoeningen3,25. Vanwege de korte halfwaardetijd van koolstof-11 (20 min) en de moeizame radiosyntheseprocedures is [11C] AMT-gebruik echter beperkt tot de weinige PET-centra met een cyclotron op locatie en een radiochemische faciliteit.
Fluor-18 heeft een gunstige halfwaardetijd van 109,8 min, vergeleken met de 20 min halfwaardetijd van koolstof-11. In toenemende mate zijn de inspanningen gericht op de ontwikkeling van fluor-18-gelabelde radiotracers voor tryptofaanmetabolisme3,28. Een totaal van 15 unieke fluor-18 radioactief gelabelde tryptofaan radiotracers zijn gemeld in termen van radiolabeling, transportmechanismen, in vitro en in vivo stabiliteit, biodistributie en tumoropname in xenografts. Snelle in vivo defluorinatie werd echter waargenomen voor verschillende tracers, waaronder 4-, 5- en 6-[18F]fluorotryptofaan, wat verdere klinische translatie uitsloot29. 5-[18F]Fluoro-α-methyltryptophan (5-[18F]FAMT) en 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptofaan (L-[18F]FETrp, ook bekend als (S)-2-amino-3-(1-(2-[18F]fluoroethyl)-1H-indol-3-yl)propaanzuur, molecuulgewicht 249,28 g/mol), zijn de twee meest veelbelovende radiotracers met gunstige in vivo kinetiek in diermodellen en een groot potentieel om [111] te overtreffen C]AMT voor de evaluatie van klinische aandoeningen met gedereguleerd tryptofaanmetabolisme28. 5-[18F]FAMT toonde een hoge opname in IDO1-positieve tumor xenografts van immuungecompromitteerde muizen en is specifieker voor het in beeld brengen van de KP dan [11C]AMT28,30. De in vivo stabiliteit van 5-[18F]FAMT blijft echter een potentieel punt van zorg, aangezien er geen in vivo defluorinatiegegevens zijn gemeld na 30 minuten na injectie van de tracer30.
Een preklinische studie in een genetisch gemanipuleerd medulloblastoommuismodel toonde aan dat in vergelijking met 18F-fluorodeoxyglucose (18F-FDG), L-[18F]FETrp een hoge accumulatie had in hersentumoren, verwaarloosbare in vivo defluorinatie en lage achtergrondopname, wat een superieure target-to-nontarget ratio aantoont31,32. Stralingsdosimetriestudies bij muizen gaven aan dat L-[18F]FETrp een ongeveer 20% lagere gunstige dosimetrieblootstelling had dan de klinische 18F-FDG PET-tracer33. In overeenstemming met de bevindingen van andere onderzoekers leveren preklinische studiegegevens substantieel bewijs ter ondersteuning van de klinische vertaling van L-[18F]FETrp voor het onderzoek naar abnormaal tryptofaanmetabolisme bij mensen met hersenaandoeningen zoals epilepsie, neuro-oncologie, autisme en tubereuze sclerose28,31,32,33,34,35,36 . Een algemene vergelijking tussen de drie meest onderzochte tracers voor tryptofaanmetabolisme, 11C-5-HTP, [11C] AMT, en L-[18F] FETrp, wordt weergegeven in tabel 1. Zowel 11C-5-HTP en [11C] AMT hebben een korte halfwaardetijd en moeizame radiolabelprocedures. Een protocol voor de radiosynthese van L-[18F]FETrp met behulp van een eenpotige, tweestapsbenadering wordt hier beschreven. Het protocol omvat het gebruik van een kleine hoeveelheid radiolabelprecursor, een klein volume reactie-oplosmiddelen, lage belasting van toxische K222 en een milieuvriendelijke en injecteerbare mobiele fase voor zuivering en eenvoudige formulering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tryptofaan is een essentieel aminozuur voor de mens. Het speelt een belangrijke rol bij de regulatie van stemming, cognitieve functie en gedrag. Radioactief gelabelde tryptofaanderivaten, met name de koolstof-11-gelabelde [11C] AMT, zijn uitgebreid bestudeerd vanwege hun unieke rol bij het in kaart brengen van serotoninesynthese38,39, het detecteren en beoordelen van tumoren40, het begeleiden van epilepsiechirurgie41,42 en het evalueren van de behandel…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het Diagnostic & Research PET/MRI Center en door de afdelingen Biomedisch Onderzoek en Radiologie van 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 |
References
- Cetina Biefer, H. R., Vasudevan, A., Elkhal, A. Aspects of tryptophan and nicotinamide adenine dinucleotide in immunity: A new twist in an old tale. International Journal of Tryptophan Research. 10, 1178646917713491 (2017).
- Savitz, J. The kynurenine pathway: a finger in every pie. Molecular Psychiatry. 25 (1), 131-147 (2020).
- Zlatopolskiy, B. D., et al. 11C- and 18F-labelled tryptophans as PET-tracers for imaging of altered tryptophan metabolism in age-associated disorders. Russian Chemical Reviews. 89 (9), 879-896 (2020).
- Eriksson, B., et al. Positron emission tomography (PET) in neuroendocrine gastrointestinal tumors. Acta Oncologica. 32 (2), 189-196 (1993).
- Kälkner, K. M., et al. Positron emission tomography (PET) with 11C-5-Hydroxytryptophan (5-HTP) in patients with metastatic hormone-refractory prostatic adenocarcinoma. Nuclear Medicine and Biology. 24 (4), 319-325 (1997).
- Eriksson, O., et al. Quantitative imaging of serotonergic biosynthesis and degradation in the endocrine pancreas. Journal of Nuclear Medicine. 55 (3), 460-465 (2014).
- Carlbom, L., et al. 11C]5-hydroxy-tryptophan pet for assessment of islet mass during progression of type 2 diabetes. Diabetes. 66 (5), 1286-1292 (2017).
- Eriksson, O., et al. Positron emission tomography to assess the outcome of intraportal islet transplantation. Diabetes. 65 (9), 2482-2489 (2016).
- Jager, P. L., et al. Radiolabeled amino acids: Basic aspects and clinical applications in oncology. Journal of Nuclear Medicine. 42 (3), 432-445 (2001).
- Langen, K. J., Galldiks, N. Update on amino acid pet of brain tumours. Current Opinion in Neurology. 31 (4), 354-361 (2018).
- Chugani, D. C., Muzik, O., Chakraborty, P., Mangner, T., Chugani, H. T. Human brain serotonin synthesis capacity measured in vivo with α-[C-11]methyl-L-tryptophan. Synapse. 28 (1), 33-43 (1998).
- Chugani, D. C., Muzik, O. Alpha[C-11]methyl-L-tryptophan PET maps brain serotonin synthesis and Kynurenine pathway metabolism. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 20, 2-9 (2000).
- Diksic, M., Nagahiro, S., Sourkes, T. L., Yamamoto, Y. L. A new method to measure brain serotonin synthesis in vivo. I. Theory and basic data for a biological model. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 10 (1), 1-12 (1990).
- Diksic, M., Young, S. N. Study of the brain serotonergic system with labeled α-methyl-L-tryptophan. Journal of Neurochemistry. 78 (6), 1185-1200 (2001).
- Alkonyi, B., et al. Accurate differentiation of recurrent gliomas from radiation injury by kinetic analysis of α-11C-methyl-L-tryptophan PET. Journal of Nuclear Medicine. 53, 1058-1064 (2012).
- Bagla, S., et al. A distinct microRNA expression profile is associated with α[11C]-methyl-L-tryptophan (AMT) PET uptake in epileptogenic cortical tubers resected from patients with tuberous sclerosis complex. Neurobiology of Disease. 109, 76-87 (2018).
- Alkonyi, B., et al. Increased tryptophan transport in epileptogenic dysembryoplastic neuroepithelial tumors. Journal of Neuro-oncology. 107 (2), 365-372 (2012).
- Chugani, D. C. α-methyl-L-tryptophan: Mechanisms for tracer localization of epileptogenic brain regions. Biomarkers in Medicine. 5 (5), 567-575 (2011).
- Chugani, D. C., et al. Imaging epileptogenic tubers in children with tuberous sclerosis complex using α-[11C]methyl-L-tryptophan positron emission tomography. Annals of Neurology. 44 (6), 858-866 (1998).
- Chugani, H. T., et al. α-[11C]-Methyl-L-tryptophan-PET in 191 patients with tuberous sclerosis complex. Neurology. 81 (7), 674-680 (2013).
- Jeong, J. W., et al. Multi-modal imaging of tumor cellularity and tryptophan metabolism in human Gliomas. Cancer Imaging. 15 (1), 10 (2015).
- Juhász, C., et al. Quantitative PET imaging of tryptophan accumulation in gliomas and remote cortex. Clinical Nuclear Medicine. 37 (9), 838-842 (2012).
- Juhász, C., et al. Tryptophan metabolism in breast cancers: Molecular imaging and immunohistochemistry studies. Nuclear Medicine and Biology. 39 (7), 926-932 (2012).
- Juhász, C., et al. Successful surgical treatment of an inflammatory lesion associated with new-onset refractory status epilepticus. Neurosurgical Focus. 34, 5 (2013).
- Kumar, A., Asano, E., Chugani, H. T. α-[11C]-methyl-L-tryptophan PET for tracer localization of epileptogenic brain regions: Clinical studies. Biomarkers in Medicine. 5 (5), 577-584 (2011).
- Tiwari, V. N., Kumar, A., Chakraborty, P. K., Chugani, H. T. Can diffusion tensor imaging (DTI) identify epileptogenic tubers in tuberous sclerosis complex? Correlation with α-[11C]methyl-L-tryptophan ([11C]AMT) positron emission tomography (PET). Journal of Child Neurology. 27 (5), 598-603 (2012).
- Juhász, C., et al. In vivo uptake and metabolism of α-[11C]methyl-L-tryptophan in human brain tumors. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 26 (3), 345-357 (2006).
- John, F., Muzik, O., Mittal, S., Juhász, C. Fluorine-18-labeled PET radiotracers for imaging tryptophan uptake and metabolism: a systematic review. Molecular Imaging and Biology. 22 (4), 805-819 (2020).
- Zlatopolskiy, B. D., et al. Discovery of 7-[ 18 F]fluorotryptophan as a novel positron emission tomography (PET) probe for the visualization of tryptophan metabolism in vivo. Journal of Medicinal Chemistry. 61 (1), 189-206 (2018).
- Giglio, B. C., et al. Synthesis of 5-[18F]fluoro-α-methyl tryptophan: New trp based PET agents. Theranostics. 7 (6), 1524-1530 (2017).
- Yue, X., et al. Comparison of 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptophan and FDG for the detection of medulloblastoma in a transgenic mouse model. Journal of Nuclear Medicine. 60, 545 (2019).
- Xin, Y., et al. PET imaging of medulloblastoma with an 18F-labeled tryptophan analogue in a transgenic mouse model. Scientific Reports. 10 (1), 3800 (2020).
- Michelhaugh, S. K., et al. Assessment of tryptophan uptake and kinetics using 1-(2-18F-fluoroethyl)-L-tryptophan and α-11C-methyl-L-tryptophan PET imaging in mice implanted with patient-derived brain tumor xenografts. Journal of Nuclear Medicine. 58 (2), 208-213 (2017).
- Xin, Y., Cai, H. Improved radiosynthesis and biological evaluations of L- and D-1-[18F]fluoroethyl-tryptophan for PET imaging of IDO-mediated kynurenine pathway of tryptophan metabolism. Molecular Imaging and Biology. 19 (4), 589-598 (2017).
- Henrottin, J., et al. Fully automated radiosynthesis of N1-[18F]fluoroethyl-tryptophan and study of its biological activity as a new potential substrate for indoleamine 2,3-dioxygenase PET imaging. Nuclear Medicine and Biology. 43 (6), 379-389 (2016).
- Xin, Y., et al. Evaluation of l-1-[18F]Fluoroethyl-tryptophan for PET imaging of cancer. Molecular Imaging and Biology. 21 (6), 1138-1146 (2019).
- Yue, X., et al. Automated production of 1-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tryptophan for imaging of tryptophan metabolism. Applied Radiation and Isotopes. 156, 109022 (2020).
- Booij, L., et al. Brain serotonin synthesis in adult males characterized by physical aggression during childhood: A 21-year longitudinal study. PLoS ONE. 5 (6), 11255 (2010).
- Chandana, S. R., et al. Significance of abnormalities in developmental trajectory and asymmetry of cortical serotonin synthesis in autism. International Journal of Developmental Neuroscience. 23 (2-3), 171-182 (2005).
- Juhász, C., Dwivedi, S., Kamson, D. O., Michelhaugh, S. K., Mittal, S. Comparison of amino acid positron emission tomographic radiotracers for molecular imaging of primary and metastatic brain tumors. Molecular Imaging. 13 (6), 1-10 (2014).
- Rubí, S., et al. Positron emission tomography with α-[11C]methyl-L-tryptophan in tuberous sclerosis complex-related epilepsy. Epilepsia. 54 (12), 2143-2150 (2013).
- Chugani, H. T., et al. Clinical and histopathologic correlates of 11C-alpha-methyl-L-tryptophan (AMT) PET abnormalities in children with intractable epilepsy. Epilepsia. 52 (9), 1692-1698 (2011).
- Muzik, O., Burghardt, P., Yi, Z., Kumar, A., Seyoum, B. Successful metformin treatment of insulin resistance is associated with down-regulation of the kynurenine pathway. Biochemical and Biophysical Research Communications. 488 (1), 29-32 (2017).
- Sun, T., et al. Radiosynthesis of 1-[18F]fluoroethyl-L-tryptophan as a novel potential amino acid PET tracer. Applied Radiation and Isotopes. 70 (4), 676-680 (2012).
- Mock, B. H., Winkle, W., Vavrek, M. T. A color spot test for the detection of Kryptofix 2.2.2 in [18F]FDG preparations. Nuclear Medicine and Biology. 24 (2), 193-195 (1997).
- Kim, D. W., Jeong, H. J., Lim, S. T., Sohn, M. H. Recent trends in the nucleophilic [18F]-radiolabeling method with no-carrier-added [18F]fluoride. Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 44 (1), 25-32 (2010).
