Получение радионуклидов и радиофармпрепаратов для позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) Р.Н. Красикова Зав. лаб. радиохимии ФГБУН Институт мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН Доцент каф. радиохимии химического факультета СПбГУ Курс лекций в рамках подготовки ПЭТ радиохимиков МГУ май 2013 г. 1
48
Embed
Получение радионуклидов и РФП для ПЭТ. РФП на основе F–18. Лекция 3, Красикова Р.Н.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Получение радионуклидов и радиофармпрепаратов для позитронной
эмиссионной томографии (ПЭТ)
Р.Н. Красикова
Зав. лаб. радиохимии ФГБУН Институт мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН Доцент каф. радиохимии химического факультета СПбГУ
Курс лекций в рамках подготовки ПЭТ радиохимиков МГУ май 2013 г.
1
Лекция РФП для позитронной эмиссионной томографии. Особенности синтеза РФП для ПЭТ. РФП на основе фтора-18; влияние введения фтора-18 в структуру молекул на биохимическое поведение (концепция блокированного метаболизма). Нуклеофильные и электрофильные методы введения фтора-18 в структуры молекул. Удельная мольная активность РФП в зависимости от метода синтеза. Хроматографические экспресс методы очистки РФП для ПЭТ.
С 70-х годов 20 века фтор-18 интенсивно используется в ПЭТ исследованиях
T1/2 110 мин 96.9% +
Emax 0.635 МэВ
4
Преимущества фтора-18
высокое разрешение ПЭТ изображения
возможность проводить сложные синтезы начиная с 20 Ки 18F
доставкаРФП в клиники, не имеющие циклотрона
T1/2 110 мин
EMAX 0.635 МэВ
Пробег позитронов 2.4 мм
идеально подходит для ПЭТ исследований
высокая удельная активность
удобный способ получения больших активностей 18F-фторида в водной мишени циклотрона
5
Влияет ли введение фтора-18 в состав молекулы на ее биологическую активность?
• замена водорода или гидроксила на 18F приводит к минимальным структурным изменениям исходной молекулы;
• высокая реакционная способность фтора-18 позволяет получать широкий спектр радиотрейсеров, принадлежащих к разным классам соединений;
• получение «истинных» аналогов возможно при введении фтора-18 в структуру фторсодержащих лекарственных средств (18F-флюмазенил и др.)
Метаболизм меченых фтором-18 молекул блокируется на ранних стадиях
vdW радиус [Å]:1.35 (водород: 1.20)
6
Методы получения фтора-18 (T1/2 109.7 мин)
Ядерная реакция Облучаемый материал
Химическая форма
Носитель
18O(p,n)18F H218O 18F-фторид No
18O(p,n)18F 18O2 + F2
(0.5-1%)
18F2 Yes
20Ne(d,α)18F 20Ne + F2
(0.5-1%)
18F2 Yes
Наиболее широко применяется метод получения фтора-18 в водной мишени циклотрона; полученный в виде 18F-фторида он используется в реакциях нуклеофильного замещения
высокая удельная активность необходима для рецепторных исследований и при использовании потенциально токсичных соединений
9
[18F]F-
18F(CH2)X
18F(Ar)X
Прямое введение метки
через синтоны
[18F]AсOF
ПЭТ трейсер
[18F]F2 Прямое введение метки
SN2
SNAr
SEAr
без носителя
с носителем
Методы введения фтора-18 в молекулы
Электрофильный
Нуклеофильный
[18F]F2
ПЭТ трейсер
через синтоны
10
Выделение [18F]фторида из облученной воды для реакций нуклеофильного фторирования
18O(p,n)18F
1. Дистилляция с последующим удалением следов воды азеотропной отгонкой с ацетонитрилом (в присутствии основания)
2. Сорбция на анионообменной
смоле 3. Электрохимическое выделение
• объем мишени 1- 2.5 мл; • облученная вода током гелия доставляется на вход модуля синтеза
11
Активация фтора-18 для участия в реакциях нуклеофильного замещения
Coenen. et al, 1989 Kilbourn et al, 1990
Комплекс с криптофиксом (К222) применяется благодаря хорошей растворимости и слабому образованию ионных пар с 18F-
Сильно гидратированный фторид-ион с малой реакционной способностью
Комплекс с К222 хорошо растворим в органических растворителях; высокая реакционная способность
Другие агенты для активации фтора-18:
Rb2CO3
K2CO3
TBAOH
18F без сольватной оболочки часто называют «naked fluoride»
12
•
Реакции нуклеофильного замещения с участием [18F]фторида: получение активированного комплекса
Coenen. et al, 1989 Kilbourn et al, 1990
18F-
[K/K222]+18F-
18O(p,n)18F в 1-3 мл H2O
Адсорбция на картридже QMA или PHCO3
Элюирование с картриджа K222 и K2CO3 в смеси MeCN:H2O 96:4
Удаление растворителей в токе азота или вакууме при нагреве
[K/K2.2.2]+18F-
13
Введение метки методом прямого нуклеофильного радиофторирования: стадии процесса
• получение 18F-фторид-иона в водной мишени циклотрона
• сорбция 18F фторида на смоле QMA и элюирование
• получение высокореакционного комплекса 18F с криптофиксом или ТБАК (удаление растворителя досуха)
• фторирование (алифатическое или ароматическое)
• гидролиз/снятие защиты
• очистка (твердофазная экстракция или ВЭЖХ)
• нейтрализация (pH 5-7)
• стерильное фильтрование (on-line)
14
Алифатическое нуклеофильное фторирование
• введение метки путем замещения «уходящей» группы 18F-фторидом в составе активированного комплекса; • «уходящая» группа (LG - Leaving Group); • SN2-механизм: инверсия Вальдена (обращение конфигурации); • необходим строгий контроль щелочности среды, чтобы избежать реакций элиминирования; • реакции в апротонных растворителях в отстутствие воды (ацетонитрил, ДМСО); • протекают с высоким выходом при температурах 80-100оС
Большинство РФП для рутинных клинических ПЭТ исследований получают именно реакцией алифатического замещения уходящей группы 18F-фторидом
• «уходящая группа» - тозил (Ts); • реакция в ацетонитриле или ДМСО; • выход около 40%;
16
Алифатическое нуклеофильное фторирование: различные «уходящие» группы
17
Алифатическое нуклеофильное фторирование: реакционная способность «уходящих» групп
Синтез 18F-фторалкил МК801 18
Первый синтез 2-[18F]-2-дезокси-D-глюкозы ([18F]ФДГ)
Впервые [18F]ФДГ была получена в середине 1970-х в Брукхейвенской национальной лаборатории, США . Синтез проводили реакцией электрофильного радиофторирования с использованием меченного ацетилгипофторида, тогда как радионуклид был получен в результате ядерной реакции 20Ne(d, α)18F, протекающей при облучении газовой мишени. В реакции с 3,4,6-три-О-ацетил-D-глюкалью был получен [18F]3,4,6-три-О-ацетил-2-дезокси-2-фтор-D-глюкопиранозил фторид, гидролиз которого в кислых условиях приводил к образованию [18F]ФДГ. Радиохимический выход реакции составил >96%. Но, несмотря на подтвержденное уже в первых экспериментах высокое накопление в опухолевых тканях, в то время радиотрейсер не нашел широкого применения из-за очень сложного и трудоемкового метода синтеза, который выполнялся практически вручную на обычном химическом оборудовании из стекла.
O
OH
OH
OH
O
OH
OH
OH
F18
OH
1) [18F]CH3COOF, H2O
2) HCl
19
Cтереоспецифический нуклеофильный синтез [18F]ФДГ
Hamacher et al. 1986 Fuchtner et al. 1996
• Прямое введение метки в молекулу алифатического субстрата (трифлата маннозы) с высоким и стабильным выходом на стадии радиофторирования (до 90%)
• Щелочной гидролиз on-line на одноразовом картридже С18 SepPak
• Очистка на картриджах, без применения ВЭЖХ
• Высокая степень автоматизации в современных модулях
O
H
AcO
AcO
AcO
H
OTf
H
H
OAc
O
H
OH
OH
OH
H
H
F18
H
OH
1) [18F]KF/K2.2.2 or [18F]TBAF AcN, 80oC
2) OH- or H+
20
Cтереоспецифический нуклеофильный синтез [18F]ФДГ Hamacher et al. 1986
В 1986 году немецкими учеными был предложен наиболее оптимальный метод синтеза [18F]ФДГ [21], который был основан на более ранних работах по методам введения фтора-18 в алифатические субстраты реакцией нуклеофильного замещения «уходящей» группы в присутствии межфазных катализаторов [20]. В синтезе [18F]ФДГ было предложено использовать реакцию нуклеофильного замещения фторид-ионом трифлатной «уходящей» группы в молекуле 1,3,4,6-тетра-О-ацетил-2-О-трифторметансульфонил-β-D-маннопиранозы, аналога маннопиранозы с «защищенными» гидроксильными группами. Реакция протекает стереоспецифично с инверсией Вальдена. Радионуклид в форме фторид-иона получают по ядерной реакции 18О(p,n)18F в мишени циклотрона, заполненной водой, обогащенной кислородом-18. Переход [18F]F- из водной фазы в органическую фазу достигается путем добавления межфазного катализатора (МФК) – криптофикса 2.2.2, противоионом служит ион калия в составе карбоната. Наличие следов воды является критичным на данной стадии, комплекс криптофикса с [18F]фторид-ионом подвергается дополнительной осушке путем последовательного добавления и упаривания небольших порций ацетонитрила, образующего азеотропную смесь с водой. Полученный реакционноспособный комплекс [K/K2.2.2]+I8F- и является фторирующим агентом, участвующим в реакции замещения трифлатной группы в молекуле трифлата маннозы Реакция также крайне чувствительна к следам кислот, поэтому для приготовления раствора трифлата маннозы в ацетонитриле нужно использовать безкислотный растворитель с очень низким содержанием воды.
21
Cтереоспецифический нуклеофильный синтез [18F]ФДГ Hamacher et al. 1986
Гидролиз: по окончании реакции фторирования и удаления растворителя проводят кислотный гидролиз полученного промежуточного продукта 2-[18F]фтор-1,3,4,6-тетра-О-ацетил-D-глюкозы при 120-130°С, в результате чего происходит удаление
защитных ацетильных групп с образованием [18F]ФДГ.
Этот метод, часто называемый методом Хамахера, положен в основу технологии синтеза [18F]ФДГ во всех современных автоматизированных модулях синтеза. Предложенная позднее замена кислотного гидролиза 18F-фторированного интермедиата на щелочной [Fuchtner et al.], который протекает легко при комнатной температуре, позволила сократить время синтеза и существенно увеличить выход продукта. Важным преимуществом варианта щелочного гидролиза является возможность проведения реакции на одноразовом картридже C18 или tC18 Sep-Pak (Waters) или аналогичных в режиме on-line, что и было использовано в кассетных вариантах модулей синтеза.
Основная радиохимическая примесь [18F]фторид (не более 5%)
23
Основные этапы синтеза [18F]ФДГ
• получение 18F-фторид-иона в водной мишени циклотрона
• сорбция 18F фторида на смоле QMA и элюирование
• получение высокореакционного комплекса 18F с криптофиксом или ТБАК (удаление растворителя досуха)
• фторирование (алифатическое)
• щелочной гидролиз/снятие защиты на картридже С18
• очистка (твердофазная экстракция)
• смыв буфером (цитратный буфер)
• стерильное фильтрование (on-line)
24
Особенности синтеза и анализа РФП для ПЭТ
- малый период полураспада
основного ПЭТ радионуклида – фтора-18 (110 мин) требует использования экспресс методов синтеза и анализа; - анализ препарата нужно проводить до введения пациенту
- метод радиоТСХ с детектором радиоактивности отвечает этим требованиям
Радио ТСХ сканнер фирмы raytest, Germany (установлен в ИМЧ РАН)
ТСХ – тонкослойная хроматография
25
Анализ радиохимической чистоты [18F]ФДГ
методом радиоТСХ
raytest Isotopenmeßgeräte GmbH
file: FDG0305 method: F date: 03.05.07 time: 12:14:12
count time: 200 s smoothing constant: 2.0 mm HV: 850 V LL: 300 keV UL: 1000 keV
raytest Isotopenmeßgeräte GmbHfile: FDG0305 method: F date: 03.05.07 time: 12:14:12 count time: 200 s smoothing constant: 2.0 mm HV: 850 V LL: 300 keV UL: 1000 keVorigin: 0.0 mm solvent front: 99.9 mm
No Name Max.Pos Pos rf_center rf_max %s
mm mm-mm %
1 Fluoride 9.5 5.0-15.0 0.10 0.10 4.22
2 FDG 48.2 38.0-62.0 0.50 0.48 95.78
Total 129.13
Sum 100.00
Rem 29.13
Comment:
• Определение примеси [18F]фторида стандартными методами обращенно-фазовой ВЭЖХ затруднительно ввиду сорбции фторида на колонке;
• Метод ТСХ рекомендован для анализа [18F]ФДГ
Американской и Европейской фармакопеей
Анализ [18F]ФДГ
в ИМЧ РАН, Ст-Петербург
26
Концепция блокированного метаболизма в ПЭТ исследованиях с 18F-ФДГ
ПЭТ с ФДГ позволяет количественно определять регионарную скорость потребления глюкозы в тканях
Злокачественные клетки характеризуются более активными процессами гликолиза, что обусловлено повышенным уровнем белков, транспортирующих глюкозу (транспортеров глюкозы Глут1 1 и Глут 2), и, в большей степени, увеличением активности гексокиназы в неоплазме.
O
H
HO
H
HO
H
OH
18FHH
OH
27
Низкая специфичность к опухолевым клеткам; Высокий уровень физиологического накопления в сером веществе мозга; Сложность диагностики опухолей с низкой скоростью гликолиза; Высокое накопление в очагах воспаления Высокое накопление в мочевом пузыре
Недостатки и ограничения ФДГ
Высокое накопление в очагах воспаления - наиболее частая причина ложно положительных заключений в диагностике опухолей мозга 28
Приоритетные РФП на основе фтора-18 для диагностики опухолей (кроме ФДГ) программа МАГАТЭ 2009-2014 г.
Класс
радиотрейсеров
Функция/ применение
РФП Метод синтеза
Аминокислоты Транспорт АК
(опухоли мозга)
ФЭТ (FET) Нуклеофильный
прямой
Транспорт АК (нейроэндокрин.опухоли)
6-ФДОФА
(6-FDOPA)
Электрофильный прямой
Нуклеозиды Метастазы, эффективность терапии
ФЛТ (FLT) Нуклеофильный
прямой
Гипоксические агенты
Гипоксические опухоли
ФАЗА
(FAZA)
Нуклеофильный
прямой
Производные холина
РПЖ, опухоли мозга
ФМеХол
(FMeChol)
Нуклеофильный
двустадийный 29
Синтез 3’-дезокси -3’-[18F]фтортимидина (FLT)
O
ONs
N
N
O
O
DMBn
DMTrO ON
N
O
OOH
H
F18
1) [18F]KF/K2.2.2, AcN, 100oC
2) NaOH 0,5%
• фосфорилируется по 5’-OH-группе тимидин-киназой TK1 • из-за наличия фтора не инкорпорируется в ДНК • накапливается в пролиферирующих клетках • применяется для выявления метастаз, в оценке эффективности лечения
• гипоксия характеризуется дефицитом кислорода; • гипоксические клетки опухоли обладают повышенной (3-5 раз) резистентностью к радиотерапии; 18F-FAZA накапливается в гипоксических клетках; • недостаток: высокий уровень неспецифического связывания
18F-FAZA: гипоксический агент
O
CH2
TsO
OAc
AcO
N
N
NO2
O
CH2
F18
OH
OH
N
N
NO21) [18F]KF/K2.2.2, DMSO
2) NaOH
Piert et al, J Nucl Med 2005
31
Ароматическое нуклеофильное фторирование:
• нуклеофильная атака по атому углерода в sp2 конфигурации (в положении «уходящей» группы);
• обязательно наличие активирующей (EWG) –группы в орто- или пара-положении;
• EWG-грппы: CHO, CN, COOR, NO2;
• «уходящие группы» (LG): NO2, Br, I, Cl, N+Me3
• реакции протекают в апротонных полярных растворителях;
• высокий выход достигается при температуре 160-180оС за 20-30 мин;
•
32
N
X
N
F18
K[18F]F/K2CO3 - K222
DMSO
X=I, Cl, NO2, N(Me)3+ TfO-
Dolle et al, 2004
Введение метки в [18F]фторгетероарены методом прямого нуклеофильного фторирования
33
Ароматические аминокислоты: выбор метода синтеза зависит от положения метки