Физические основы производства радионуклидов. Лекция 4, Алиев Р.А.
Получение радионуклидов и РФП для ПЭТ. РФП на основе C–11. Лекция 5, Красикова Р.Н.
1. 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
2. Лекция
РФП для позитронной эмиссионной томографии. Особенности синтеза
РФП для ПЭТ. Получение соединений, меченных, меченных углеродом11, по реакциям карбоксилирования или метилирования. Примеры
синтеза РФП.
2
4. Преимущества углерода-11
период полураспада 20 мин позволяет проводить повторные
ПЭТ исследования одному и тому же пациенту, что является
принципиально важным для рецепторных исследований;
С помощью стандартных технологий метилирования и
карбонилирования можно получать множество РФП на одном
и том же модуле; делать синтезы разных РФП через короткие
промежутки времени;
Удобный и очень дешевый способ получения
больших активностей 11С в форме 11CO2 или
11CH в газовой мишени циклотрона;
4
Минимальный сервис мишени, замена фольги – один
раз в 10-20 лет, простота и надежность в эксплуатации
Возможность получения радиотрейсеров – «истинных»
аналогов природных субстратов
4
5. Важнейшие РФП на основе углерода-11
РФП
Реакция
получения
Изучаемый
процесс
Диагностическое
применение
L-[11Сметил]метионин
S-метилирование
Транспорт
аминокислот
Опухоли мозга и
шейного отдела
[N-метил-11С]холин
N-метилирование
Пролиферация
клеток
Опухоли мозга;
РПЖ
1-[11С]ацетат
Карбоксилирован
ие
Окислительный
метаболизм в
миокарде
Инфаркт
миокарда; РПЖ;
опухоли
гинекологического
тракта
[11С]пальмитат и др.
жирные кислоты
Карбоксилирован
ие
Энергетический
метаболизм
миокарда
Жизнеспособность
миокарда
L-[1-11C]тирозин
Реакция с
[11C]HCN и
щелочной
гидролиз
Транспорт
аминокислот;
синтез белка
Опухоли мозга;
Опухоли ЖКТ
Различные
рецепторные
радиолиганды
S-, N-, О-
метилирование
5
6. Синтез различных радиотрейсеров на модуле
Tracer Lab FX C-Pro
Shao X. et al. J Label Cpds Radiopharm 2011; DOI: 10.1002/jlcr.1937
6
11. Получение углерода-11 в различных химических формах
14N(p,)11C
N2/H2 (5%)
N2/O2 (1%)
[11С]CО2
1) LiAlH4
2) HI (57%)
[11С]CH3I
Ni, H2,360oC
Co3O4,500oC
I2,720oC
[11С]CH4
NH3,
Pt,900oC
[11С]HCN
11
12. Получение 11С-метилиодида из 11СО2 («мокрый» метод)
Метод разработан в 1976 г. Французским ученым D. Comar и
применяется до сих пор
11CO
2
LiAlH4
HI 57%, 130oC
11CH OH
3
11CH I
3
Используется в синтезе L-[11С-метил]метионина, N-[11C-метил] холина и
других РФП, где удельная мольная активность не является критичной;
Недостатком метода является использование агрессивных реагентоа (HI),
разрушающих вентили, соединительные узлы и другие компоненты
модуля;
Высокий выход достигается при использовании свежеприготовленного
растовра литий алюмогидрида в сухом тетргидрофране (ТГФ)
12
13. Выделение [11С]CO2 из газовой мишени
• конденсация [11С]CO2 в петлеобразной ловушке, погруженной
в жидкий азот (t -196oC);
• улавливание [11С]CO2 в ловушке, заполненной молекулярными
ситами, при комнатной температуре с последующей десорбцией
при нагревании
• перед использованием молекулярные сита нагревают в токе
газа с тем, чтобы удалить адсорбированные вещества с
поверхности, а затем охлаждают непосредственно перед
улавливанием [11С]CO2
13
14. Синтез 11С-метилиодида из 11СО2 (газофазный метод)
Метод разработан в 1997 г. шведскими и датскими учеными (совместно)
и защищен патентом GEHC; суть патента - циркуляция 11С-метана через
трубку, содержащую пары йода, при высокой температуре
11CO
2
Ni / H2
I2, 730oC
11CH
4
11CH I
3
1) [11С]СO2 + H2 = [11C]CH4 - реакция двух газов на
катализаторе Shimalite-Ni при темп. 360оС.
2) [11C]CH4 + I2 = [11C]CH3I - реакция меченого метана с
кристаллическим йодом при температуре 700оС в режиме
циркуляции
11CO
2
Ni / H2
I2, 730oC
11CH
4
11CH I
3
14
15. Получение 11С-метил иодида газофазным методом для
синтеза рецепторных радиолигандов
•
•
Larsen P., Ulin J. and Dahlstrom K. (1995) A new method for production of 11Clabelled 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
трифлатом серебра
11С-метилтрифлат
реакцией с
• Мольная активность радиолигандов, полученных
методом метилирования, составляет 5-100 Ки/µМоль
15
16. Сравнение «мокрого» и «сухого» методов получения
11С-метил йодида
Параметры
«мокрый» метод
«сухой» метод
Радиохимический выход
> ≈ в 2 раза
< ≈ в 2 раза
Время синтеза
<
>
Удельная активность
1–5 Ки/мкМоль
На каждый синтез свежие HI
и LiAlH4, ТГФ, они не должны
содержать следов влаги и
CO2
Относительно низкая
>60 Ки/мкМоль
Заправка сорбентов и I2 на
несколько синтезов сразу
Требования к реагентам
Стоимость реагентов
Процедура очистки модуля
Автоматизация
Высокая
стоимость
сорбентов и катализатора
для конверсии
После
каждого
синтеза, упрощена, есть возможность
линии и реактор должны повторной процедуры без
быть чистыми и сухими
очистки
Сложно автоматизировать
Легко
встраивается
в
11Смодули
для
метилирования
16
17. Удельная мольная активность
(Specific radioactivity - SRA)
высокая удельная активность необходима для рецепторных исследований и
при использовании потенциально токсичных соединений
17
20. Кинетические аспекты реакций с участием углерода-11
Прекерсор + [11C]синтон
[11C]продукт
• Время реакции должно быть как можно меньше;
• В идеале «практический» радиохимический выход должен достигаться
за время, не превышающее 1-2 периода полураспада;
Для увеличения скорости реакций используют:
• Большой избыток прекерсора по сравнению с
11С-синтоном;
• Высокую концентрацию прекерсора в малом объеме (закон действия
масс);
• Реакции в герметично закрытых сосудах, что позволяет применять
высокие температуры и давление;
• Микроволновой нагрев или ультразвуковое перемешивание реагентов;
• Реакции в режиме on-line (на картриджах, в петле хроматографа и др);
• Микрореакторные технологии - реакции в узких капиллярах при высоких
давлениях
20
21. Радиохимический выход на разных этапах производства РФП
Получение
11С
в мишени циклотрона
Радиосинтез
EOB
< 3 T1/2
Очистка ВЭЖХ/ТФЭ
Получение
инъекционной формы
EOS
< 20 мин
Анализ (QC)
Инъекция пациенту
TOI
21
22. Изотопное и неизотопное мечение
При изотопном мечении 11С замещает в молекуле
стабильный 12С/13C; биологическая активность молекулы
при этом не меняется;
При неизотопном мечении в молекулу субстрата вводится
функциональная группа, содержащая 11С; при этом
образуется молекула другого соединения с отличными от
исходной химическими свойствами и биологической
активностью;
Число возможных РФП на основе углерода-11 практически не ограничено;
оно определяется возможностями радиохимического синтеза
23
24. Радиохимия углерода-11: реакции 11С-метилирования:
S-, O-, N- метилирование
• Метилирующие агенты: [11С]CH3 I (метил
йодид) и [11C]CH3OTf (метил трифлат);
• Реакции в полярных растворителях (ДМСО,
ДМФ) в присутствии основания;
• Эффективно протекают за короткое время
25
25. Примеры РФП на основе C-11, полученные путем O-,Sили N- метилирования.
1) Pittsburg Compound B используется для
диагностики заболевания
Альцгеймера.
2) Raclopride и [11C]N-methylspiperone для
визуализации дофаминовых рец-в
3) [11C]N-methylpiperidin-4-yl propinoate
для отображения активности
ацетилхолинэстеразы у пациентов с
Альцгеймером.
4) [11C]Flumazanil для визуализации
бензодиазепиновых рецепторов
5) [11C]Carfentanil лиганд для опиоидных
рецепторов
26
26. Радиотрейсеры на основе меченых аминокислот в
диагностике опухолей мозга
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
определение границ опухоли
дифференцирование опухоли и
метастаз
мониторинг терапии
дифференцирование опухоли и
очага воспаления
определение стадии
злокачественности (более сложно,
чем в случае ФДГ)
наиболее распространеным РФП
класса аминокислот является
метионин-11С (T1/2 = 20.4 мин)
27
28. Комбинированное ПЭТ исследование: РФП с
различным механизмом накопления
MRI
[11C]Methionin
[18F]FDG
Опухоль мозга, астроцитома III
[18F]FLT
29
29. Синтез L-[11С-метил]метионина на основе
«мокрого» метода получения метил йодида
11CO
2
H2N
11CH OH
3
11CH I
3
H
O
S
HI 57%, 130oC
LiAlH4
H2N
OHHS
H
COOH
[11C]CH3I
H2N
H
11CH
3
S
COOH
D. Сomar, 1976
B. Langstrom, 1976
30
30. Проведение реакции метилирования в синтезе L[11С-метил]метионина на твердофазном носителе
H2N
H
O
S
H2N
OHHS
H
[11C]CH3I
COOH
H2N
H
11CH
3
S
COOH
Использование Sep-Pak-картриджей фирмы «Waters»,
заполненных кремнийорганическим обращенно-фазовым
сорбентом C18 (силикагель с сильной гидрофобностью), для
получения и одновременной очистки препарата.
За 14 мин – готовый препарат!
РХВ: 83% от [11C]CH3I
РХ чистота: >99%
Активность препарата до 1,2 Ku
(3-4 диагностические дозы)
31
31. Выход [11C]MET при получении метил йодида «мокрым»
методом и метилировании в режиме on-line
РХВ (EOS): 55-65 % от [11C]CH3I , 10-15 % от [11C]CО2
РХВ – радиохимический выход;
EOS : End Of Synthesis
Причины потерь:
40-45 % активности за счет р/а распада (время синтеза 15-17 мин.;)
потери на различных этапах синтеза:
- неполное поглощение [11C]CО2 в растворе LiAlH4 в ТГФ;
- следы влаги или растворителей в трубках, приводящие к преждевременному
гидролизу реагента LiAlH4 в ТГФ;
- использование некачественного LiAlH4 в ТГФ
- неполное удаление растворителя (ТГФ), и , как следствие, неэффективный HIгидролиз;
- низкий выход реакции [11C]CH3I с лактоном
32
32. Анализ радиохимической чистоты L-[11Сметил]метионина методом радио ВЭЖХ
• ВЭЖХ колонка
YMC-Pack Pro C18,
• элюент 0.05M
NaH2PO4,
• поток 1 мл/мин
• УФ 213 нм
А. Bogni et al., 2003
33
33. Энантиомерная чистота препарата
[11C]МЕТ существует в форме двух энантиомеров – L и D.
В ПЭТ используется L- [11C]МЕТ, т.к. он включается в
процессы метаболизма.
Норма: содержание L- [11C]МЕТ не менее 90% !
D- [11C]МЕТ не влияет на качество ПЭТ томограммы, но не
несет диагностической информации, следствие – превышение
дозовой нагрузки на пациента.
Причиной образования нежелательного изомера является
рацемизация в процессе метилирования в щелочных
условиях – необходим тщательный контроль за протеканием
реакции метилирования, в особенности, при метилировании
на картридже, где все реагенты сконцентрированы в малом
объеме
2,5 мг лактона в 0,2 мл 0,5 М NaOH в
растворе этанол/вода (35/65)
34
34. Зависимость энантиомерной чистоты [11C]МЕТ от состава раствора
№
[NaOH], M
EtOH/H2O, V
%
L-изомера
1
0,5
50:50
89,5
2
0,4
50:50
90
3
0,3
50:50
90,5
4
0,3
40:60
91,5
5
0,5
30:70
93,2
6
0,5
35:65
93,7
2,5 мг лактона в 0,2 мл 0,5 М NaOH в растворе этанол/вода
(35/65)
Активность препарата 4-5,7 ГБк
РХВ: 75% от [11C]CH3I
РХ чистота: 99,7%
Энантиомерная чистота: 93,7%
Срок годности: 40 мин.
35
35. Анализ энантиомерной чистоты L-[11С-метил]метионина
методом хиральной радио ВЭЖХ
• колонка Chirobiotic T
(4.6х250 мм, Astec);
• элюент: вода/метанол
50/50,
•поток 1 мл/мин,
• 220 нм;
36
36. Модуль синтеза L-11C-метионина (ИМЧ РАН, 2009)
Wet method; алкилирование on-line;
Полная автоматизация;
Программная платформа Scintomix;
Автоматическая промывка
шприцевым насосом Scintomix;
Два реактора - два синтеза;
Управление потоками - ручным
реулятором
Производительность:
40-160 мКи за синтез
(20 мин/35 µА)
3-6 пациентов
Гомзина НА, Кузнецова ОФ
Биоорг. химия 2011
37
37. Радиотрейсеры на основе холина
OH CH2
CH3
CH2 N CH3
(+) CH
3
• Холин - предшественник в биосинтезе фосфатидилхолина –
одного из основных фософлипидов клеточных мембран;
• Уровень фосфатидилхолина (лецитина) повышается в
пролиферирующих клетках;
• Скорость накопления холина прямо пропорциональна скорости
синтеза клеток мембраны, т.е. скорости деления клеток, не
зависящей от снабжения кислородом
38
39. Меченые аналоги холина - радиотрейсеры в
диагностике РПЖ методом ПЭТ
- Радиоактивные аналоги холина практически не накапливаются
нормальной тканью мозга, что позволяет получать высококонтрастные
изображения опухолей мозга;
- Они являются чрезвычайно перспективными радиотрейсерами для
исследований опухолей и метастаз, особенно опухолей предстательной
железы (РПЖ), которые не визуализируются с помощью [18F]ФДГ
40
40. Диагностика РПЖ: традиционные методы
- Скриниг: определение уровня PSA (prostate specific antigen) в норме – 0;
- Трансректальная биопсия под контролем УЗИ;
- Степень локализации опухоли внутри простаты и за ее пределами (УЗИ,
КТ, МРТ)
- Выявление метастаз в костях (сцинтиграфия с препаратами 99mTc)
(достаточная чувствительность при PSA>16 нг/мл)
- Выявление метастаз в близлежащих лимфатических узлах (???)
- Выявление отдаленных метастаз (????)
- Диагностика рецидива РПЖ у пациентов с повышенным PSA в
послеоперационный период (???)
41
41. Возможности ПЭТ с 11С-холином в определении
лимфогенных метастазов в области малого таза
- КТ, МРТ, УЗИ выявляют лимфогенные метастазы в области малого
таза в 50-60% случаев при размере более 2 см;
- Более точную диагностику дает лимфаденэктомия
(лапароскопически)
- ПЭТ позволяет выявлять метастазы неинвазивно с высокой
точностью
Методом ПЭТ исследованы 15 пациентов с
гистологически подтвержденными
близлежащими метастазами РПЖ:
• у 12 из 15 обнаружены метастазы
• у 3 из 15 метастазы не выявлены (falsenegative)
• у 5 из 12 выявлены отдаленные
метастазы
Чувствительность 80%
Специфичность 96%
Точность 93%
IJ de Jong et al, J Nucl
Med 2003, 44: 331-335
42
42. Синтез [N-метил-11С]холина
CH3
HO
C
H2
C N
H2
CH3
11CH I
3
HO
CH3
C C N
H2 H2
CH3
(+)
11CH
3
ДМАЭ
- cтандартное N-метилирование, протекает с высоким выходом в
режиме on-line на одноразовом картридже С18 SepPak;
- благодаря катионной природе 11С-холина возможна очитска методом
твердофазной экстракции (катионообменный картридж CM Light);
- методы синтеза и очистки отлично автоматизируются
43
43. Синтез [N-метил-11С]холина
ДМАЭ
ДМАЭ играет роль
субстрата, растворителя и
основания одновременнно
Ингибирует процесс
внедрения холина в
клеточные мембраны
ПРОБЛЕМА:
Удаление ДМАЭ из реакционной смеси и контроль
содержания в конечном продукте
44
44. Синтез и очистка [N-метил-11С]холина
Метод Б - on-line
Метод А - в растворе
(Hara, 1999 )
•
•
•
•
Поглощение [11C]CH3I в
реакционном сосуде,
содержащем 0,1 мл ДМАЭ при 0оС
Реакция 130оС, 5 мин
Удаление ДМАЭ в токе азота,
130оС, 2 мин
Растворение остатка в 5 мл воды
(Pascali, 2000 )
•
Нанесение раствора 25-50 мкл
ДМАЭ в 50-100 мкл этанола на
колонку с 0,1-0,5 г смолы tC18
или картридж tC18 Sep Pak;
•
Поглощение [11C]CH3I в ДМАЭ на
колонке tC18; реакция
метилирования
• присоединение катионообменного картриджа SepPak Light Accell
Plus CM (CM);
• промывка картриджей этанолом (1 раз) и водой (2 раза)
• элюирование 11С-холина 0.9% раствором NaCl;
• стерилизация (асептическое фильтрование)
45
45. Результаты синтеза [N-метил-11С]холина на
модуле TracerLab FX-CPro
• радиохимический выход зависит от количества ДМАЭ;
• в настоящее время допустимое содержание ДМАЭ в препарате не
регламентировано;
• современные методы синтеза позоляют снизить содержание ДМАЭ до
<5-10 мкг/мл;
• необходимо создание удобного и простого метода контроля ДМАЭ
46
46. Анализ [N-метил-11С]холина и
содержания ДМАЭ в препартае
методом радио ВЭЖХ
E. Mishani, 2002
• Катионообменная колонка
IC-PAKTM Cation M/D
150*3.9 mm (Waters);
• Элюент: 0.05 М HCl;
• Детектор по
электропроводности;
Холин и ДМАЭ не
детектируются с
использованием
стандартных УФ детекторов;
анализ ДМАЭ можно
проводить методом ГЖХ
ДМАЭ - Диметиламиноэтанол
47
48. [11C]PIB - радиолиганд для визуализации бета амилоидных
aгрегaтoв при болезни Альцгеймера методом ПЭТ
• Аналог
тиофлавина
• Предложен в
Университете
Питтсбурга в 2001 г
• Клинические
испытания –
Уппсала ПЭТ центр
и многие другие
• Патент фирмы
«Амершам»
HO
Klunk et al, Ann Neurol 2004
S
NH11CH3
N
49
49. Синтез рецепторных радиолигандов на основе 11Сметил йодида (газофазный метод): 11С-PIB
CH3OCH2O
S
H
N
H
N
1. NaH / DMF
2. 11CH3I
CH3OCH2O
11CH
3
S
N
H
N
HCl / MeOH
HO
[11C]PIB специфично
связывается с амилоидным
бета-протеином
ПЭТ с [11C]PIB позволяет
выявлять локализацию
амилоидных бляшек и их
плотность
11C H
3
S
N
N
H
[N-methyl-11C]PIB
50
50. Синтез рецепторных радиолигандов на основе 11Сметил йодида (газофазный метод): 11С-раклоприд
• [11C]раклоприд селективно
связывается с D2рецепторами
дофаминергической системы;
• ПЭТ с [11C]раклопридом
используется в диагностике
болезни Паркинсона
51
51. 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 ОФЭКТ
Число ПЭТ трейсеров крайне невелико
52
52. Синтез РФП из 11СО2: карбоксилирование
Карбоксилирование - введение карбоксильной группы в молекулы через СO2
O
11
C
O
ONa
1. CH3MgCl in THF
2. H2O
PS-H+;
SAX-Cl-
3.
4. NaCl 0,9%
H3C
11
C
O
Синтез 1-11С-ацетата реакцией 11СО2 с реактивом Гриньяра (CH3MgCl)
Концентрация и объем реагента: CH3MgCl in THF (0.5 M, 200 µL);
Стадии синтеза:
• Улавливание 11СО2 в течение 4 мин; перемешивание 30 сек;
• Остановка реакции (quenching): 1 мл СН3СООН (1 мМ)
• Перенос реакционной смеси в другой сосуд с 5 мл СН3СООН (1 мМ)
• Очистка на картриджах PS-H+ и PS-Ag+ SepPak (удаление кислоты, магния,
галогенов)
• Улавливание 11С-ацетата на картридже MaxiСlean SAX (Alltech)
• Элюирование 11С-ацетата с картриджа SAX 0.9% раствором NaCl и
стерильное фильтрование
VW Pike, MN Eakins, RM Allan, AP Selwyn. Int J Appl Radiat Isot. 1982; 33: 505-512
53
53. Особенности реакций 11СО2 с реактивом Гриньяра:
источники радиохимических примесей
•при избытке Гриньяра может получиться другой меченый продукт;
• реакция с 11СО2 при комнатной температуре идет очень быстро;
• смесь нельзя нагревать (образование побочных продуктов – димеров)
54
54. Особенности реакций 11СО2 с реактивом Гриньяра: меры
предосторожности
• реактив Гриньяра бурно реагирует с водой со вспышкой
пламени;
• вайл после реакции не мыть сразу водой, если мыть, то
очень осторожно, добавлять воду шприцом по каплям в
очках;
• готовить реактив Гриньяра для синтеза так, чтобы:
• избегать попадания атмосферного СО2 в реакционный
сосуд (использовать перчаточный бокс с азотом или другой
вариант, обеспечивающий инертную атмосферу);
• избегать контакта с влажным воздухом, использовать
очень сухую посуду;
• на выход 11СО2 из реакционного сосуда устанавливать
трубку с аскаритом для предотвращения попадания
радиоактивности в атмосферу
55
55. Диагностические возможности 1-11С-ацетата
• 1-[11С]ацетат - основной РФП для исследований окислительного
метаболизма миокарда методом ПЭТ; синтез разработан в 1982 г.
• Радиотрейсер хорошо экстрагируется кардиомиоцитами; его
активированная форма [11С]ацетил-КоА является исходным
метаболическим субстратом в цикле трикарбоновых кислот (цикл
Кребса), в ходе которого он окисляется до [11С]CО2 и воды;
• Радиоактивная метка элиминирует из миокарда в виде [11С]CО2, и
скорость ее выведения точно отражает скорость митохондриального
окислительного метаболизма в кардиомиоцитах (MVO2);
• В последние годы 1-[11С]ацетат применяется в диагностике рака
предстательной железы (РПЖ) и выявлении близлежащих и
отдаленных метастазов, а также для визуализации опухолей
гинекологического тракта
56
57. Автоматизированный модуль для получения
ацетата-11С
• 1-11С-ацетат получают реакцией 11СО2 с СH3MgСl
c последующим водным гидролизом
• Очистка на одноразовых картриджах
• В контакте с конечным продуктом только
стерильные материалы
• Соответствует требованиям GMP
Фото предоставлено Соловьевым Д., Кембридж, Англия
Isotope Technologies Dresden
58
