Optimización de reacciones radioquímicas utilizando matrices de gotitas
Summary
Este método describe el uso de una nueva metodología de alto rendimiento, basada en reacciones químicas de gotitas, para la optimización rápida y económica de radiofármacos utilizando cantidades de nanomoles de reactivos.
Abstract
Los radiosíntesis automatizados actuales están diseñados para producir grandes lotes clínicos de radiofármacos. No son adecuados para la optimización de la reacción o el desarrollo de nuevos radiofármacos, ya que cada punto de datos implica un consumo significativo de reactivos, y la contaminación del aparato requiere tiempo para la desintegración radiactiva antes del siguiente uso. Para abordar estas limitaciones, se desarrolló una plataforma para realizar matrices de reacciones en miniatura basadas en gotas en paralelo, cada una confinada dentro de una trampa de tensión superficial en un “chip” de silicio recubierto de politetrafluoroetileno estampado. Estos chips permiten estudios rápidos y convenientes de los parámetros de reacción, incluidas las concentraciones de reactivos, el disolvente de reacción, la temperatura y el tiempo de reacción. Esta plataforma permite completar cientos de reacciones en pocos días con un consumo mínimo de reactivos, en lugar de tomar meses utilizando un radiosíntesis convencional.
Introduction
Los radiofármacos de tomografía por emisión de positrones (PET) se utilizan ampliamente como herramientas de investigación para monitorear procesos bioquímicos específicos in vivo y estudiar enfermedades, y para el desarrollo de nuevos fármacos y terapias. Además, la TEP es una herramienta crítica para diagnosticar o estadificar la enfermedad y monitorizar la respuesta de un paciente a la terapia1,2,3. Debido a la corta vida media de los radioisótopos PET (por ejemplo, 110 min para radiofármacos marcados con flúor-18) y al peligro de radiación, estos compuestos se preparan utilizando sistemas automatizados especializados que operan detrás del blindaje contra la radiación y deben prepararse justo antes de su uso.
Los sistemas actuales utilizados para sintetizar radiofármacos están diseñados para producir grandes lotes que se dividen en muchas dosis individuales para compartir el costo de producción. Mientras que los sistemas actuales son adecuados para la producción de radiosondas ampliamente utilizadas como [18F] FDG (porque se pueden programar múltiples exploraciones de pacientes y experimentos de investigación en un solo día), estos sistemas pueden ser un desperdicio para la producción de nuevos radiosondas durante el desarrollo en etapas tempranas, o radiosondas menos comúnmente utilizadas. Los volúmenes que utilizan los sistemas convencionales están típicamente en la gama de 1-5 mL, y las reacciones requieren cantidades del precursor en la gama del magnesio 1-10. Además, el uso de radiosíntesis convencionales es generalmente engorroso durante los estudios de optimización, ya que el aparato se contamina después de su uso y el usuario debe esperar a que la radiactividad se descomponga antes de realizar el siguiente experimento. Aparte del costo del equipo, el costo del radioisótopo y los reactivos puede, por lo tanto, llegar a ser muy sustancial para los estudios que requieren la producción de múltiples lotes. Esto puede ocurrir, por ejemplo, durante la optimización de los protocolos de síntesis para nuevos radiosondas para lograr un rendimiento y una fiabilidad suficientes para los estudios iniciales de imágenes in vivo.
Las tecnologías microfluídicas se han utilizado cada vez más en radioquímica para capitalizar varias ventajas sobre los sistemas convencionales4,5,6. Las plataformas microfluídicas, incluidas las basadas en volúmenes de reacción de 1-10 μL7,8,9,han mostrado una reducción significativa de los volúmenes de reactivos y el consumo de precursores costosos, así como tiempos de reacción cortos. Estas reducciones conducen a costos más bajos, pasos de calentamiento y evaporación más rápidos, una purificación más corta y directa aguas abajo, un proceso químico general “más verde”10,y una mayor actividad molar de los radiosondadores producidos11. Estas mejoras hacen que sea más práctico realizar estudios de optimización más extensos al reducir el costo del reactivo de cada síntesis. Se pueden lograr otros beneficios mediante la realización de múltiples experimentos a partir de un solo lote de radioisótopos en un solo día. Por ejemplo, los radiosíntesis de química de flujo microfluídico que operan en “modo de descubrimiento” pueden realizar secuencialmente docenas de reacciones, cada una utilizando solo 10s de volumen de reacción de μL12.
Inspirado por estas ventajas, se desarrolló un chip de matriz de gotas multirrea reacción en el que las reacciones de microvolúmenes se limitan a una matriz de trampas de tensión superficial en una superficie de silicio, creadas con un recubrimiento de teflón estampado. Estos chips permiten realizar múltiples reacciones en la escala de 1-20 μL simultáneamente, abriendo la posibilidad de explorar 10s de diferentes condiciones de reacción por día, cada una con múltiples réplicas. En este documento, se demuestra la utilidad de este nuevo enfoque de alto rendimiento para realizar optimizaciones de radioquímica rápidas y de bajo costo. El uso de chips de gotas multirrea reacción permite una exploración conveniente del impacto de las concentraciones de reactivos y el disolvente de reacción, y el uso de múltiples chips podría permitir el estudio de la temperatura y el tiempo de reacción, todo mientras se consumen cantidades muy bajas de precursor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Debido a las limitaciones de los sistemas de radioquímica convencionales que permiten solo una o un pequeño número de reacciones por día y consumen una cantidad significativa de reactivos por punto de datos, solo se puede explorar en la práctica una pequeña porción del espacio total de parámetros de reacción, y muchas veces los resultados se informan sin repeticiones (n = 1). En comparación con los sistemas convencionales, esta plataforma de radiosíntesis de gotas multirrea reacción hace que sea práctico rea…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a la Instalación de Ciclotrón Biomédico de UCLA y al Dr. Roger Slavik y al Dr. Giuseppe Carlucci por proporcionar generosamente[18F]fluoruro para estos estudios y al NanoLab de UCLA por el apoyo con equipos para la fabricación de chips.
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 |
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