물방울 배열을 사용하여 방사성 화학 반응의 최적화
Summary
이 방법은 시약의 나노몰 양을 사용하여 방사성 의약품의 신속하고 경제적 최적화를 위해 액적 화학 반응을 기반으로 하는 새로운 고처리량 방법론의 사용을 설명합니다.
Abstract
현재 자동화된 방사성 합성기는 방사성 의약품의 대규모 임상 배치를 생성하도록 설계되었습니다. 각 데이터 포인트는 상당한 시약 소비를 수반하기 때문에 반응 최적화 또는 새로운 방사성 의약품 개발에 적합하지 않으며, 장치의 오염은 다음 사용 전에 방사성 붕괴에 대한 시간이 필요합니다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 패턴 폴리테트라플루오로틸렌 코팅 실리콘 “칩”에 표면 장력 트랩 내에 각각 좁혀진 소형 물방울 기반 반응의 배열을 수행하기위한 플랫폼이 개발되었다. 이 칩은 시약 농도, 반응 용매, 반응 온도 및 시간을 포함한 반응 매개 변수의 신속하고 편리한 연구를 가능하게합니다. 이 플랫폼은 기존의 방사성 합성기를 사용하는 데 몇 달이 걸리는 대신 최소한의 시약 소비로 며칠 만에 수백 개의 반응을 완료할 수 있습니다.
Introduction
양전자 방출 단층 촬영 (PET) 방사성 의약품널리 생체 내 생화학 프로세스및 연구 질병에서 특정 모니터링및 새로운 약물과 치료의 개발을위한 연구 도구로 사용된다. 더욱이, PET는 질병을 진단하거나 준비하는 중요한 도구이며, 치료1,2,3에대한 환자의 반응을 모니터링한다. PET 방사성 동위원소(예: 불소-18라벨방사성의약품의 경우 110분) 및 방사선 위험의 짧은 반감기로 인해 이 화합물은 방사선 차폐 뒤에 작동하는 특수 자동화 시스템을 사용하여 제조되며 사용하기 직전에 준비해야 합니다.
방사성 의약품을 합성하는 데 사용되는 현재 시스템은 생산 비용을 공유하기 위해 많은 개별 용량으로 나누어 큰 배치를 생성하도록 설계되었습니다. 현재 시스템은[18F] FDG와 같은 널리 사용되는 방사성 추적기의 생산에 적합하지만 (다중 환자 스캔 및 연구 실험은 하루에 예약 될 수 있기 때문에), 이러한 시스템은 초기 단계 개발 중 새로운 방사선 추적기의 생산에 낭비 될 수 있습니다, 또는 덜 일반적으로 사용되는 방사선 추적기. 종래의 시스템이 사용하는 부체는 일반적으로 1-5 mL 범위에서, 반응은 1-10 mg 범위에서 전구체 양을 필요로한다. 더욱이, 종래의 방사성합성기를 사용하는 것은 일반적으로 최적화 연구 중에 번거롭다. 장비 비용 외에도 방사성 동위원소와 시약의 비용은 여러 배치의 생산을 요구하는 연구에 매우 상당한 도움이 될 수 있습니다. 이것은, 예를 들면, 새로운 방사선 추적자를 위한 합성 프로토콜의 최적화 도중 초기 생체 내 화상 진찰 연구 결과에 대한 충분한 수율 및 신뢰성을 달성하기 위하여 생길 수 있습니다.
미세 유체 기술은 기존의시스템4,5,6에비해 몇 가지 장점을 활용하기 위해 방사선 화학에 점점 더 사용되고있다. 1-10 μL 반응량7,8,9를기반으로 하는 미세 유체 플랫폼은 시약 부적 및 고가의 전구체 소비량과 짧은 반응 시간을 크게 감소시켰다. 이러한 감소는 비용 절감, 더 빠른 가열 및 증발 단계, 더 짧고 간단한 다운스트림 정제, 전반적인 “친환경” 화학 공정10,생산된 방사선추적기(11)의더 높은 어금니 활성으로 이어진다. 이러한 개선은 각 합성의 시약 비용을 낮춤으로써 보다 광범위한 최적화 연구를 수행하는 것이 더 실용적입니다. 하루 만에 방사성 동위원소의 단일 배치에서 여러 실험을 수행하 여 추가 이점을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, “발견 모드”에서 작동하는 미세 유체 흐름 화학 방사성 합성기는 각각 10대의 μL 반응부피(12)만을사용하여 수십 개의 반응을 순차적으로 수행할 수 있다.
이러한 장점에서 영감을 얻은 마이크로볼륨 반응이 패턴 테플론 코팅을 사용하여 생성된 실리콘 표면의 표면 장력 트랩 배열에 국한되는 다중 반응 액적 어레이 칩이 개발되었습니다. 이 칩은 1-20 μL 스케일에서 여러 반응을 동시에 수행할 수 있게 하여 하루에 10개의 서로 다른 반응 조건을 탐색할 수 있으며, 각각 여러 개의 복제를 수행할 수 있습니다. 이 논문에서는 신속하고 저비용 방사선 화학 최적화를 수행하기 위한 이 새로운 고처리량 접근법의 유용성을 입증합니다. 다중 반응 물방울 칩을 사용하면 시약 농도 및 반응 용매의 영향을 편리하게 탐색할 수 있으며 여러 칩을 사용하면 반응 온도와 시간을 연구할 수 있으며, 매우 적은 양의 전구체를 소비할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
종래의 방사선화학 시스템의 한계로 인해 하루에 하나 또는 소수의 반응만 허용하고 데이터 포인트당 상당한 양의 시약을 소비하므로 전체 반응 매개 변수 공간의 극히 일부만 실제로 탐색할 수 있으며, 여러 번의 결과는 반복없이 보고됩니다(n=1). 기존의 시스템에 비해, 이 다중 반응 물방울 방합성 플랫폼은 방사성 합성 조건에 대한 보다 포괄적이고 엄격한 연구를 수행하는 동시에 전구체의 시…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 UCLA 생물 의학 사이클로트론 시설과 박사 로저 슬라빅과 박사 주세페 칼루치 관대 이러한 연구에 대한[18F] 불소를 제공하고 칩 제조를위한 장비와 UCLA 나노 랩을 제공 감사드립니다.
Materials
| 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 |
Referências
- Matthews, P. M., Rabiner, E. A., Passchier, J., Gunn, R. N. Positron emission tomography molecular imaging for drug development. British Journal of Clinical Pharmacology. 73 (2), 175-186 (2012).
- Piel, M., Vernaleken, I., Rösch, F. Positron emission tomography in CNS drug discovery and drug monitoring. Journal of Medicinal Chemistry. 57 (22), 9232-9258 (2014).
- Cherry, S. R., Sorenson, J. A., Phelps, M. E. . Physics in Nuclear Medicine. , (2012).
- Knapp, K. -. A., Nickels, M. L., Manning, H. C. The current role of microfluidics in radiofluorination chemistry. Molecular Imaging and Biology. 22 (3), 463-475 (2020).
- Rensch, C., et al. Microfluidics: A groundbreaking technology for PET tracer production. Molecules. 18 (7), 7930-7956 (2013).
- Pascali, G., Watts, P., Salvadori, P. A. Microfluidics in radiopharmaceutical chemistry. Nuclear Medicine and Biology. 40 (6), 776-787 (2013).
- Keng, P. Y., van Dam, R. M. Digital microfluidics: A new paradigm for radiochemistry. Molecular Imaging. 14, 579-594 (2015).
- Wang, J., Chao, P. H., Janet, S., van Dam, R. M. Performing multi-step chemical reactions in microliter-sized droplets by leveraging a simple passive transport mechanism. Lab on a Chip. 17 (24), 4342-4355 (2017).
- Wang, J., Chao, P. H., van Dam, R. M. Ultra-compact, automated microdroplet radiosynthesizer. Lab on a Chip. (19), 2415-2424 (2019).
- Rios, A., Wang, J., Chao, P. H., van Dam, R. M. A novel multi-reaction microdroplet platform for rapid radiochemistry optimization. RSC Advances. 9 (35), 20370-20374 (2019).
- Sergeev, M., et al. Performing radiosynthesis in microvolumes to maximize molar activity of tracers for positron emission tomography. Communications Chemistry. 1 (1), 10 (2018).
- Pascali, G., et al. Optimization of nucleophilic 18F radiofluorinations using a microfluidic reaction approach. Nature Protocols. 9 (9), 2017-2029 (2014).
- Lisova, K., et al. Microscale radiosynthesis, preclinical imaging and dosimetry study of [18F]AMBF3-TATE: A potential PET tracer for clinical imaging of somatostatin receptors. Nuclear Medicine and Biology. 61, 36-44 (2018).
- Wang, J., et al. High-throughput radio-TLC analysis. Nuclear Medicine and Biology. 82-83, 41-48 (2020).
- Dooraghi, A. A., et al. Optimization of microfluidic PET tracer synthesis with Cerenkov imaging. Analyst. 138 (19), 5654-5664 (2013).
- Collins, J., et al. Production of diverse PET probes with limited resources: 24 18F-labeled compounds prepared with a single radiosynthesizer. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (43), 11309-11314 (2017).
- Lazari, M., et al. Fully automated production of diverse 18F-labeled PET tracers on the ELIXYS multireactor radiosynthesizer without hardware modification. Journal of Nuclear Medicine Technology. 42 (3), 203-210 (2014).
- Lisova, K., et al. Rapid, efficient, and economical synthesis of PET tracers in a droplet microreactor: application to O-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tyrosine ([18F]FET). EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry. 5 (1), 1 (2019).
- Wang, J., Holloway, T., Lisova, K., van Dam, R. M. Green and efficient synthesis of the radiopharmaceutical [18F]FDOPA using a microdroplet reactor. Reaction Chemistry & Engineering. 5 (2), 320-329 (2020).
- Lisova, K., Wang, J., Rios, A., van Dam, R. M. Adaptation and optimization of [F-18] Florbetaben ([F-18] FBB) radiosynthesis to a microdroplet reactor. Journal of Labelled Compounds and Radiopharmaceuticals. 62, 353-354 (2019).
- Wang, J., Chao, P. H., Slavik, R., van Dam, R. M. Multi-GBq production of the radiotracer [18F]fallypride in a droplet microreactor. RSC Advances. 10 (13), 7828-7838 (2020).
