Синтез биологически активных соединений, меченных короткоживущими радиоактивными изотопами, - диагностических агентов для позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) Р.Н. Красикова Учреждение Российской Академии наук Институт мозга человека РАН лаборатория радиохимии, Санкт-Петербург
83
Embed
Р.Н. Красикова - lti-gti. · PDF fileЭтапы синтеза радиотрейсера для ПЭТ ... ПЭТ циклотрон и ... ПЭТ в России...
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.
диагностических агентов для позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ)
Р.Н. Красикова
Учреждение Российской Академии наук Институт мозга человека РАН
лаборатория радиохимии, Санкт-Петербург
ПЭТ: функциональнаядиагностика
ПерфузияПотребление кислородаПотребление глюкозы
Транспорт аминокислотРецепторные взаимодействия
Методы томографии• Рентгеновская компьютерная (КТ)
• Магнитно-резонансная (МРТ)
МорфологияАнатомия
1979: нобелевская премия за создание метода томографии
Hounsfield and Cormack
Transmitted
Absorbed
Scattered
Detector
Tube
Принцип методов КТ и МРТ (medical imaging)
KT
МРТ
Совмещенный ПЭТ-КТ- сканер GEMINI-TF (производство фирмы Philips, ИМЧ РАН, 2008)
ПЭТ-КТ позволяет соотносить ПЭТ изображение с анатомической структурой (КТ) с использованием одного и того же математического аппарата для реконструкции изображения
Процесс аннигиляции сопровождается образованием двух гамма-квантов с энергией 511 кэВ, разлетающихся под углом около 180о, регистрируемых внешней системой детекторов,
• Распределение радиотрейсера в органах и тканях детектируется с помощью ПЭТ сканнера в виде ПЭТ изображения
• Если два детектора одновременно зарегистрируют сигнал, можно утверждать, что точка аннигиляции находится на линии, соединяющей детекторы. После реконструкции накопленных данных получается псевдотрехмерное (разделенное на трансаксиальные, т.е. параллельные плоскостям колец датчиков срезы) изображение накопления трейсера. Толщина среза, а также минимальная величина элементарной точки изображения (пиксела) зависят от геометрических размеров и плотности упаковки датчиков ПЭТ-камеры.
Основные циклотронные ПЭТ радионуклиды
15O 13N 11С 18F
2,04 мин 9,96 мин 20,4 мин 109,8 мин
Радиотрейсеры на основе фтора-18 могут поставляться в ПЭТ центры, не имеющие собственного циклотрона и радиохимии
Основные ядерные реакции получения ПЭТ радионуклидов
Ядерная Облучаемый Химическая Носитель
Реакция материал форма
_________________________________________________15О 14N(d,n)15O природный азот 15О2 +
15N(p,n)15O азот-15 15О2 +
13N 16O(p,α)13N Н2О 13NОх -
Н2О+EtOH 13NH3 -
11C 14N(p, α)11C N2 (следы О2) 11CО2 -
14N(p, α)11C N2 + Н2 (5%) 11CН4 -
18F 18O(p,n)18F 18O-Н2О 18F - -
18O(p,n)18F 18O-О2 газ 18F-F2+
20Ne(d,α)18F Ne + F2 (2%) 18F-F2 +
Современные медицинские циклотроны:ускорение отрицательных ионов (Н-, d-);средние энергии (10-19 МэВ)
PETtrace (GEMS)
Cyclon 18/9, IBACC-18/9
НИИЭФА им. Д.В.Ефремова
Настольный циклотрон (micro accellerator, H+)
E = 7.5 MeV
I < 5 µA
Target volume 75 µL
1 mCi [18F]fluoride/min
Microchip technology for the synthesis of FDG
”Dose on demand”
Photo is kindly provided by L. Nutt, ABT Molecular Imaging, USA
• Благодаря малому периоду полураспада используемых радионуклидов (2-120 мин) ПЭТ обладает самой высокой чувствительностью из всех известных методов медицинской визуализации;
• вводимая доза (185 МБк) существенно ниже, чем в ОФЭКТ;
• высокая разрешающая способность ПЭТ (3 - 6 мм) обусловлена малым пробегом позитронов в ткани;
• биоспецифичность метода ПЭТ определяется использованием «истинных» меченых аналогов биологически активных соединений;
• введение радиотрейсеров высoкой мольной активности (до 100 Ки/ µМоль, вводимая масса pM) не вызывает фармакологического или токсического эффекта
• ПЭТ, в отличие от ОФЭКТ, дает количественные характеристики процессов
15O
13N
11C
18F
ПЭТ ОФЭКТ МРТ
• Разрешение (spatial) 3 мм 7 мм < 1 мм
• Разрешение (time) сек мин миллисек
• Чувствительность pM pM mM (MРС)
• Количественная да (да?) нет
информация
ПЭТ и другие методы томографии
Получение радионуклида в
мишени циклотрона
Дозирование (185 МБк 18F)
Этапы синтеза радиотрейсера для ПЭТ
• Синтез радиотрейсера• Очистка методом ВЭЖХ• Анализ • Получение в стерильной инъекционной форме
Доставка в горячие камеры
• Исходная радиоактивность: 0.5 - 15 Ки
• Время синтеза: максимум 2-3 часа
• Масса: пико- нано моли в 1-5 мл раствора
• Экспресс анализ продукта: ВЭЖХ, ТСХ с детекторами по радиоактивности; LC-MS
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 Глут2), и, в большей степени, увеличением активности гексокиназы в неоплазме.
• выявление и определение локализации первичных
опухолей; • определение стадии опухоли (grading) ;• поиск метастазов и продолженного роста;• мониторинг терапии;
• дифференциация радиационного некроза и метастазов
Клинические ПЭТ исследования с 18F-ФДГ
Оценка жизнеспособности миокарда
Локализация эпилептического фокуса
Дифференциация болезни Альцгеймера от других типов деменций
[18F]F-
18F(CH2)X
18F(Ar)X
Прямое введение метки
через синтоны
[18F]AсOF
ПЭТ трейсер
[18F]F2Прямое введение метки
SN2
SNAr
SEAr
без носителя
с носителем
Методы введения фтора-18 в молекулы
Электрофильный
Нуклеофильный
[18F]F2
ПЭТ трейсер
через синтоны
Для реакций нуклеофильного замещения используют [18F]фторид, получаемый при облучении водной мишени циклотрона
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)
Cтереоспецифический нуклеофильный синтез [18F]ФДГ
O
H
AcO
H
AcO
OTf
OAc
HHH
OAc
O
H
HO
H
HO
H
OH
18FHH
OH
1) [18F]KF/K222 or [18F]TBAF
AcN, 100o C
2) OH- or H+
FDG
Hamacher et al. 1986Fuchtner 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
Исходные вещества (прекерсоры) и стандарты для синтеза и анализа (QC) [18F]ФДГ
Стандарты для идентификации [18F]ФДГ и возможных примесей
• 2-фтор-2’-дезокси-D-глюкоза (ФДГ)
• 2-хлор-2’-дезокси-D-глюкоза
• D-манноза (ФДМ)Трифлат маннозы - прекерсор для синтеза [18F]ФДГ
Е.П. Студенцов, О.В. Пискунова, М.Б. Ганина, А.А. Гуляева, В.В. ОрловскаяСанкт-Петербургский государственный технологический институт
(Технический университет)
МОДИФИЦИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ФТОРУГЛЕВОДОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПОЗИТРОННОЙ ЭМИССИОННОЙ ТОМОГРАФИИ (ПЭТ) (2009)
OOAc
CH2OAc
OAc
OAc
O
SO2CF
3
FASTLab, GE Healthcare250 000 Евро
Цена одноразовой кассеты300 Евро
Synthera, IBA
Коммерциализация синтеза 18F-ФДГ: производство в автоматизированных модулях кассетного типа
Микрореакторные технологии – новый подход к автоматизации синтеза РФП для ПЭТ
Microfluidics from ADVION, USA
В течение 5 лет все еще не решена проблемы «стыковки» микросинтеза (микролитры) с большими объемами мишеней циклотрона (миллилитры) и очисткой методом ВЭЖХ; при высоких активностях возможен радиолиз
Низкая специфичность к опухолевым клеткам;
Высокий уровень физиологического накопления в сером веществе мозга;
Низкая контрастность изображения опухолей мозга;
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
Основные классы РФП на основе фтора-18 для ПЭТ диагностики опухолей (кроме FDG)
Аминокислоты (2-FTYR, FET, 6-FDOPA) – транспорт аминокислот;
Нуклеозиды (FLT, FNBG) – степень пролиферации клеток, мониторинг генной терапии;
Синтез FLT, FMISO, FAZA, FET включает те же стадии, что и FDG, но очистка проводится трудоемким методом полупрепаративной ВЭЖХ (не в кассете). Синтез на модулях нуклеофильного фторирования (Nuclear Interface, Scintomics) требует высокой квалификации радиохимиков. Наиболее перспективными являются дорогостоящие системы модульного типа Eckert and Zigler
нитроимидазолов для визуализации гипоксических опухолей
Lim & Berridge 1993
FMISO: [18F]фторомизонидазол: основной гипоксический
радиотрейсер для ПЭТ
K[18F]F/K2CO3 - K222N
N
NO2
OTs
OTHPN
N
NO2
F18
OH1N HCl
Недостатки:
• Высокий уровень неспецифического связывания• Контрастные изображения могут быть получены через 2-3 часа после инъекции• Отношение клетка/кровь = 1.4 через 2 часа
- фосфорилируется по 5’-OH-группе тимидин-киназой TK1
• из-за наличия фтора не инкорпорируется в ДНК
• высокий уровень накопления в профилерирующих клетках
O
18F
HO
N
NH
O
O
ODMTrO
N
N
O
O
ONs
1) fluorination
2) deprotection
DMBn
Прямое введение метки в сложные ароматические субстраты: синтез 18F-MPPF
NN
OCH
N
N3
O
NO2
NN
OCH
NN
O
F18
3K[18F]F/K2CO3 - K222
ДМСО, 140оС, 20 мин
18F-MPPF – радиолиганд для визуализации 5HT1a рецепторов(серотонинергическая система,используется в иссл. депрессии)
Синтез 18F-флюмазенила, радиолиганда для диагностики эпилепсии
N
CH3
O
N
N
COOC2H
5
O2N
N
CH3
O
N
N
COOC2H
5
18F
[K/K2.2.2.]+/18F-
DMF, 160oC, 30 min
Ro 15-2344
Ryzhikov N. et al, Nucl Med Biol 2005
Эффективность 18F-
фторирования - 60%, DMSO, 30 мин, 180oC
Ro 15-2344 was kindly provided by
Hoffmann La Roche, Basel
meta позиция уходящей группы
Радиотрейсеры на основе меченых аминокислот в диагностике опухолей мозга
определение границ опухолидифференцирование опухоли и метастаз мониторинг терапиидифференцирование опухоли и очага воспаленияопределение стадии злокачественности (более сложно, чем в случае ФДГ) наиболее распространеным РФП класса аминокислот является метионин-11С (T1/2 = 20.4 мин)
Меченые аминокислоты представляют собой важнейший класс радиотрейсеров для ПЭТ исследований мозга. Ввиду малого накопления в сером веществе их использование дает более контрастные изображения опухоли по сравнению с ФДГ.
ПЭТ с аминокислотами в исследованиях мозга (ИМЧ РАН, 2008 г.)
• L-11C-MET: 75%
• 18F-ФДГ: 24%
• 15O-H2O: 1%
L-11C-MET: >99% всех исследований опухолей
T1/2 = 20.4 min
ПЭТ камера: PC 2048-15B SCX (для мозга)
Общее число пациентов в 2008 г: 1080
S COOH
NH2
11CH3
Диагностика продолженного роста глиомы с 11С-метионином
(слайд предоставлен Т. Скворцовой, ИМЧ РАН, Ст.-Петербург)
ИН=2,0 ИН=1,6
МРТ ПЭТ-МЕТ
По МРТ – состояние после комбинированного лечения глиобластомы без признаков прогрессии опухоли
Высокое накопление МЕТ четко контурирует рост опухоли в глубокие структуры левого большого полушария
ПЭТ с 11С-метионином выявляет опухоль и ее границы
Сопоставление 18F-ФДГ и L-11C-метионина:
Анапластическая астроцитома левого таламуса
ПЭТ с 18F-ФДГ малоинформативна
18F-фторированные производные тирозина как альтернатива 11С-метионину
NH2
COOH
F18OH
NH2
COOH
OF
18
Coenen HH et al. J Nucl Med (1989) 30:1367
Электрофильный синтез Нуклеофильный синтез
Wester HJ et al. J Nucl Med (1999) 40: 205
Требования к «идеальному» методу синтеза18F-фторированных аналогов аминокислот
• Нуклеофильный метод введения метки фтор-18• Прямое введение метки фтор-18• Доступность прекерсора • Минимальное число стадий синтеза• Минимальное время синтеза (60-80 мин)• Возможность автоматизации в современном модуле• Высокий радиохимический выход• Получение конкретной энантиомерной формы аминокислоты (энантиомерная чистота не менее 95%)
2-[18F]фтор-L-тирозин
~ 21% РХВ
Hess et al., Appl Rad Isot 2002
Электрофильный синтез 2-[18F]фтор-L-тирозина
NHBoc
COOEt
SnMe3
BocONH
2
F18
COOH
OH
1) [18F]F2
2) deprotection
Электрофильное фторирование на основе [18F]F2
Фторирование: теоретический выход 50%
Низкая мольная активность
Газовая мишень, добавление носителя для выделения радионуклида (0.4% F2)
18O(p,n)18F 20Ne(d,α)18F
• Низкая исходная активность
(Max 0.5 - 1 Ки за 2 часа облучения)
• Сложный протокол облучения
Нуклеофильный асимметрический синтез2-[18F]фтор-L-тирозина с МФ катализом S-НОБИНом
NN
N
O
Ni
O
O
H
H
NN
N
O
Ni
O
O
H
CH2
NH2
COOH
F18OH
CHO
NO2
OMe
CHO
F18OMe
CH2OH
F18OMe
CH2Br
F18OMe
F18
OMe
OHNH
2
57% HI
170oC
2-[18F]fluoro-L-tyrosine
[K/K222]+18F-, 180oC NaBH4 aq
Ph3PBr2
CH2Cl2, 5 min
CH2Cl2, NaOH, 20oC, 4 min
1 2
3
4
5
Krasikova et al., Nucl Med Biol 2004
Асимметрический синтез 2-[18F]фтор-L-тирозинас межфазным катализом S - НОБИНом
Krasikova et al., Nucl Med Biol 2004
• Время синтеза - 120 мин
• Радиохимический выход 25% (с поправкой на радиоактивный распад)
• Радиохимическая чистота >99%
• Энантиомерная чистота >96%
• Роботизированная технология (Anatech RB 86 laboratory robot)
Нуклеофильный синтез O-(2’-[18F]фторэтил)-L-тирозина методом 18F-алкилирования
Wester et al., JNM 1999Промежуточная очистка алкилирующего агента
методом ВЭЖХ
TsOOTs
TsOF
18[K+/2.2.2.] 18F-
AcN, 90oC
Tyrosine
(di-Na-salt)
DMSO, 90oC
NH2
COO-
OF
18
Прекерсоры для синтеза 18F-ФЭТ методом прямого нуклеофильного фторирования
Hamacher&Coenen Appl Radiat Isot
2002, 57, 853
NHOTsO
O
O
Ph
Ph
Ph
O
O
NH
O
OO
TsO
O
O
CH3
NHBocO
TsO
Wang H-E et al. Nucl Med Biol. 2005,32, 367
Wang M-V et al. Nucl Sci Tech 2006, 17, 148
Available from ABX
Асимметрический метод синтеза ФЭТ в ИМЧ РАН
• Krasikova et al. Bioorg Med Chem (2008) 16: 4994
Прекерсор, Ni(II) комплекс основания Шиффа (S) -[N-2-(N’-бензилпролил)амино] бензофенона (BPB) с алкилированным (S)-тирозином был предложен в ИНЭОС РАН, Москва, Ю.Н. Белоконь, В.И. Малеев и др.
OXO
H
O
O
Ni N
N
N
HO
Ph
NH2
COOH
OF
18
1) Bu4N+ 18F-
2) 0,5M HCl
or
K/K2.2.2.+ 18F-
X = Tos, Ms, Tf
Синтез прекерсора Ni-(S)-BPB-(S)-Tyr-OCH2CH2OTs
Synthesis was developed at the INEOS RAS, Moscow (Yu N Belokon, V Maleev)
Published in: Krasikova et al, Bioorg Med Chem 2008,16, 4994
OH
H
O
O
Ni N
N
N
HO
Ph
OOH
H
O
O
Ni N
OTsO
H
O
O
Ni N
KOH, Bu4N+ I-
benzeneClCH2CH2OH
CH2Cl2, Et3N
TsCl, 0oC RT
Ni(NO3)2x6H2O +
BPB + (S,R)-Tyr
MeOH, MeONa,
reflux 1h
Контроль за протеканием синтеза ФЭТ методом радиоТСХ
raytest Isotopenmeßgeräte GmbH
file: FET4031 method: F date: 01.01.97 time: 00:13:25
count time: 200 s smoothing constant: 1.0 mm HV: 850 V LL: 300 keV UL: 1000 keV
Elsinga P. Radiopharmaceutical chemistry for positron emission tomography. Methods. 2002; 27: 208-217.
Получение 11С-метил иодида газофазным методом для синтеза рецепторных радиолигандов
Larsen P., Ulin J. and Dahlstrom K. (1995) A new method for production of 11C-labelled methyl iodide from 11C-methane. J. Lab. Comp. Radiopharm. 37, 73-75.
Link J. M., Clarck J. C., Larsen P. and Kcohn K. A. (1995) Production of [11C]methyl iodide by reaction of 11CH4, with I. J. Lab. Comp.Radiopharm. 37, 76-78.
• 11СН4 получают в мишени циклотрона при облучении смеси азота с 5% водорода
• 11СН3I получают реакцией 11СН4 с йодом при температуре 720оС при циркуляции (патент General Electric)
• 11СН3I переводят в 11С-метилтрифлат реакцией с трифлатом серебра
• Мольная активность радиолигандов, полученных методом метилирования, составляет 5-100 Ки/µМоль
Animal PET: высокая разрешающая способность (1 мм) использование генно-модифицированых мышей модели различных заболеваний на мелких животных
Рецепторные ПЭТ исследования в разработке новых лекарственных средств
Модель болезни Паркинсона, ПЭТ с 18F-FECNT
контроль MPTP 2x15 мг/кгMPTP 2x15 мг/кг
Nurr1 активатор 10 мг/кг
S. Ametamey,2005
Молекулярно-клеточные процессы, лежащие в основе болезни Альцгеймера (предположительно)
Амилоидные
бляшки
Нейрофибрил-лярные клубки
1950 1980 2000 2020
Старые Молодые
Старение населения (прогноз по США)
Source: U.S. Census Bureau
Рост числа больных болезнью Альцгеймера
[11C]PIB - радиолиганд для визуализации бета амилоидных aгрегaтoв при болезни Альцгеймера методом ПЭТ
• Аналог тиофлавина
• Предложен в Университете Питтсбурга
• Клинические испытания – Уппсала ПЭТ центр и многие другие
• Патент фирмы «Амершам»
N
SNH11CH3
HO
Klunk et al, Ann Neurol 2004
Синтез [11C]PIB – рецепторного радиолиганда для визуализации бета-амилоидов у больных АЗ
[11C]PIB специфично связывается с амилоидным бета-протеином
ПЭТ с [11C]PIBпозволяет выявлять локализацию амилоидных бляшек и их плотность
CH3OCH
2O S
N
N
H
H
CH3OCH
2O S
N
NH
OH S
N
NH
11C
1. NaH / DMF2. 11CH3I
HCl / MeOH
[N-methyl-11C]PIB
11CH3
H3
Pathophysiology biomarker for AD[11C]NAPD binding to amyloid in the human brain
Alzheimer Patient Healthy Control
Horizonta
lS
agitta
l
Summation images showing uptake between 7 and 90 minutes, corrected to 300MBq injected
0
50
100
150
Slide from Prof. C.Halldin, KI Sweden: Nyberg et al., EJNMMI (2009)
Лучше чем 11C-PIB!
ПЭТ в кардиологии
Основные радиотрейсеры:
18F-ФДГ – оценка жизнеспособности миокарда
11C-ацетат – окислительный метаболизм
13N-NH3 – перфузия миокарда
82RbCl - перфузия миокарда (генераторный
радионуклид)
В кардиодиагностике ПЭТ уступает методу ОФЭКТЧисло ПЭТ трейсеров крайне невелико
Автоматизированный модуль для получения ацетата-11С
1-11С-ацетат получают реакцией 11СО2 с СH3MgСlc последующим водным гидролизом
Очистка на одноразовых картриджах
В контакте с конечным продуктом только Стерильные материалы
Соответствует требованиям GMP
Фото предоставлено Соловьевым Д., Кембридж, Англия
Ravert HT, Madar I, Dannals RF. Radiosynthesis of 3-[18F]-fluoropropyl and 4-[18F]-fluorobenzyl triarylphosphonium ions. J Labelled Compds Radiopharm. 2004;47:469–475.
(CH3)3N CHO F
18CHO
F18
CHO F18
CH2OH
F18
CH2OH F
18CH
2Br
F18
CH2Br P
P
F18
18F-heat
+
+heat
3
3
+
NaBH4
Ph3PBr2
(1)
(2)
(3)
(4)
+
Радиотрейсеры для оценки работы симпатической нервной системы сердца: ОФЭКТ и ПЭТ
В ОФЭКТ более 30 лет эффективно применяется 123I-MIBG меченные углеродом-11 аналоги норэпинефрина практически не используются из-за малого периода полураспада углерода-11 Синтез 18F-аналогов норэпинефрина слишком сложный
Многостадийный нуклеофильный синтез (1R,2S)-4-[18F]фторметараминола с разделением изомеров хиральной ВЭЖХ
OH
F18
NH2
OH
4-[18F]FMR
(1R,2S)
Langer et al., Bioorg Med Chem 2001, 9, 677-694
ПЭТ: перспективы развития
ПЭТ диагностика опухолей будет включать спектр радиотрейсеров для оценки процессов метаболизма, транспорта аминокислот, степени пролиферации, уровня гипоксии, процессов ангиогенеза
Возрастет роль этих исследований в разработке новых технологий лечения рака, например, антиангиогенезной терапии;
Фармацевтические фирмы будут включать ПЭТ исследование как обязательное на стадии доклинических испытаний новых лекарств
Рецепторные ПЭТ исследования перейдут из академической сферы в клинику
Возможно будет разработана гибридная технология ПЭТ-МРТ Внедрение микро реакторных технологий позволит упростить синтез
основных РФП и расширить применение метода в центрах, где нет сильных радиохимических лабораторий
Увеличится спрос на генераторные радионуклиды
Федорова Ольга СталлитовнаГомзина Наталья АнатольевнаКузнецова Ольга ФедоровнаОрловская Виктория ВладимировнаКрасикова Раиса Николаевна