Получение позитрон-излучающих радионуклидов и РФП для ПЭТ

Основные позитрон-излучающие PH, которые нашли применение в ПЭТ-диагностикс или имеют такую перспективу, приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4.

Радионуклиды — излучатели позитронов

Из них наиболее широко используются так называемые органические или биогенные PH (^ПС, ^l3N, ¹⁵0), способные включаться в состав биомолекул или соединений, не меняя их структуры и химических свойств [14]. В эту же группу можно внести с некоторыми оговорками.

ISt;

и F, имеющий соизмеримую величину вандерваальсова радиуса с группой ОН. Ядерные реакции получения биогенных PH приведены в табл. 4.5 [5].

Немаловажным преимуществом этих четырех изотопов является то, что их можно производить на сравнительно дешевых, неперестраиваемых по энергии циклотронах с невысокой энергией протонов (от 10 до 20 МэВ). В странах с развитой ПЭТ-диагностикой суммарный объем их производства составляет несколько Ки в неделю. Еще одним достоинством органических изотопов является то, что их позитронное излучение имеет относительно небольшой пробег в ткани, что облегчает проведение исследований участков с небольшими линейными размерами (истончённая сердечная перегородка, атеросклеротические бляшки, тромбы, мелкие новообразования и т. п.).

Таблица 4.5.

Получение «биогенных» УКЖ радионуклидов

Общая схема получения УКЖ PH-препаратов приведена на рис. 4.15.

В связи с коротким периодом полураспада УКЖ PH общая продолжительность цикла от момента их получения до введения пациенту готового РФП должна быть минимальной, что требует полной автоматизации процессов на всех стадиях и компактного сосредоточения всего технологического и медицинского оборудования в едином комплексе, включающем ускоритель, защитное оборудование, блоки радиохимического синтеза с системой дозировки и контроля качества РФП, горячие камеры и пр. (рис. 4.16).

Рис. 4.15. Схема получения меченых соединений для ПЭТ-исследований

Рис. 4.16. Структурная схема ПЭТ-комплекса

Важнейшим звеном технологии является блок радиохимического синтеза, который должен обеспечивать высокую воспроизводимость получения РФП с одновременной гарантией их качества. Все это требует абсолютной стандартизации методик и проведения технологических приемов без ручного вмешательства со стороны оператора.

Существуют две основные концепции автоматизации процессов синтеза РФП [8]. Первая состоит в использовании полностью автоматизированных и компьютеризованных модулей «черных ящиков», заряжаемых одноразовыми картриджами, содержащими полный набор всех компонентов синтеза: предшественники, реагенты, растворы и пр. (например, FDG-модуль фирмы GE Healthcaht, Швеция, показанный на рис. 4.17).

Рис. 4.17. Модуль кассетного типа FASTlab для получения [^1НР]ФДГ.

Вторая концепция предполагает использование программируемого под заданный синтез робототехнического устройства. Преимуществом этого пути является высокая технологическая гибкость и возможность применения устройства в исследовательских программах по синтезу новых РФП.

Применимость ¹³N и ^{, 5}0 в ПЭТ-диагностике ограничено главным образом исследованиями миокардиального и церебрального кровотока с наиболее простыми трейсерами: [^I3N]NH₄⁺ и [¹⁵0]Н₂0. Более долгоживущие ^ПС и ¹⁸F используются значительно чаще, поскольку их периоды полураспада дают запас времени для проведения радиохимического синтеза более сложных соединений и для более детального изучения поведения фармпрепаратов в организме.

К числу достаточно распространенных РФП на основе ^ПС относятся: С — пальмитиновая кислота, С-метионин, С-глюкоза, С — бензамидные соединения, ¹ С — жирные кислоты (кардиологические исследования). Кроме того, часто непосредственно используются газообразные изотопные соединения углерода ^пСО, ^ПС02, С¹⁵0, С¹ С>2.

Следует отметить, что углерод-11, стабилизированный в химической форме [^ПС]СС>2, широко применяется в реакциях карбоксилирования, где субстратом обычно служит реактив Гриньяра (CH₃MgCl — метилмагний хлорид). В качестве примера такого синтеза на рис. 4.18 приведена реакция получения 1-[^пС] ацетата, который используется для оценки окислительного метаболизма в миокарде, а также в последнее время и при диагностике различных видов опухолей, в том числе рака предстательной железы. Образующийся в результате реакции промежуточный меченый комплекс разлагают водой или водным раствором соляной кислоты, а препарат выделяют очисткой на одноразовых катионообменных (PS-H⁺) и анионообменных (SAX-СГ) картриджах [6, Красикова Р.Н.].

Рис. 4.18. Схема синтеза 1-[" С]ацетата [6]

Для обеспечения клинических потребностей в данном РФП разработаны современные автоматизированные модули, где процесс ^пС-карбоксилировация проводят в реакторе очень малого объема, представляющего собой петлю из фторопластовой трубки, на внутреннюю поверхность которой нанесен реактив Гриньяра. Преимуществом этой технологии является быстрота синтеза (порядка 8−10 мин), использование малых объемов реагентов, возможность полной автоматизации с использованием стерильных одноразовых компонентов (трубок). Помимо приведенного примера реакция карбоксилирования применяется для введения метки в молекулы жирных кислот, бега-аминокислот и некоторых других соединений, содержащих углерод-11 в карбоксильной группе.

Другим широко распространенным методом введения метки ^ИС в различные молекулы являются реакции N-, Оили S-мстилирования с помощью меченого метилиодида, [^ПС]СН₃1. Этот метилирующий агент получают двумя способами. Первый, так называемый мокрый метод, основан на реакции восстановления [ С]СОг литий алюминий гидридом (LiAllI4) с последующим преобразованием промежуточного комплекса в [^ПС]СН₃1 путем нагревания с 57% иодистоводородной кислотой (HI) (рис. 4.19) или другими твердыми иодирующими агентами — производными фосфора.

Рис. 4.19. Схема получения [" С]СН₃1 «мокрым» методом.

Рассмотренный метод был использован в первых работах по синтезу Ь-[^пС-мстил] метионина, наиболее распространенного РФП класса аминокислот для диагностики опухолей мозга. Метод обеспечивает высокий радиохимический выход продукта, однако применение агрессивных реагентов (HI) осложняет его автоматизацию.

Альтернативным методом получения метилирующих агентов является «газофазный» метод, где целевой продукт [^пС]СНз1 образуется в результате реакции «С-метана, полученного либо в реакции [^ПС]ССЬ с водородом, либо непосредственно в мишени циклотрона с кристаллическим йодом, находящимся при температуре реакции (730 °С) в виде паров.

Рис. 4.20. Схема получения [" С]СН, 1 газофазным методом

Для увеличения выхода продукта процесс многократно повторяют путем циркуляции при непрерывном извлечении полученного меченого продукта адсорбцией на твердом носителе типа Porapak при температуре-196 °С.

Еще более эффективным метилирующим агентом, чем [^мС]СНз1, является мстилтрифлат- [" CJCHjOTf, получаемый в реакции [^пС]СНз1 с трифлатом серебра. Взаимодействие этого агента с большинством субстратов протекает при комнатной температуре, что существенно упрощает условия проведения синтеза РФП с одновременным снижением количества дорогостоящих субстратов. В настоящее время практически все коммерческие модули для ¹ С-метилирования снабжены дополнительным нагревательным блоком для онлайн-трансформации [^пС]СНз1 в [" C]CH, OTf.

Наиболее часто используемым соединением на основе F является 18 18 F-фтордезоксиглюкоза (ФДГ). Применяются также 6- F-L-ДОФА (визуализация дофаминовых рецепторов) и др.

Короткое время жизни УКЖ PH обусловливает ряд особенностей проведения синтеза РФП. Чаще всего радионуклид вводится в молекулу РФП по возможности на завершающих стадиях процесса мечения. При этом стратегия многостадийных синтезов оказывается не всегда пригодной (за исключением относительно долгоживущего ^l8F), хотя в лите;

II,-,.

ратуре имеются примеры таких синтезов и с С.

В большинстве случаев РФП перед введением пациенту должен быть отделен от компонентов реакционной смеси. С этой целью широко применяются экспрессные методы твердофазной экстракции, высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) или комбинация этих двух методов. Выделение целевого соединения из элюента ВЭЖХ и кондиционирование его в подходящем разбавителе проводят либо методами твердофазной экстракции, либо путем удаления остатков растворителя в вакууме или нагреванием.

Методы синтеза препаратов на основе F зависят от химической формы получаемого F, которая, в свою очередь, зависит от исходного материала мишени и способа выделения PH. Для проведения реакций электрофильного введения фтора (на электронно-избыточные позиции) применяют газообразные мишени ^|хОз или ²⁰Ne. В первом случае мишень представляет собой трубку с посеребренными внутренними стенками, из которой кислород после облучения выдувают, а 'г смывают со стенок водой или же газообразной смесью (Кг +1% F2). Во втором случае в качестве мишени используется газовая смесь (^2ONe+0,5% F₂) в никелевом корпусе. Облучаемый газ циркулирует через раствор, погло;

• — Решающий г.
• 18

Для получения нуклеофильных (электрон-избыточных) ионов F.

е- 18,-, тт 18 т;

мишенью служит вода, ооогашенная по О. Для отделения F от матрицы обычно используется метод ионообменной хроматографии с последующим получением нуклеофильных фторирующих агентов. При этом введение PH в структуру фторируемых соединений осуществляют при каталитическом участии аминополиэфира, криптанда или криптофикса (метод предложен Хамахсром с соавторами в 1986 г.).

В качестве примера проведения такого синтеза рассмотрим процесс 18.

получения F-фтордезоксиглюкозы (см. схему рис. 4.21).

Методика применяется в лаборатории радиохимии Института мозга человека РАН (Санкт-Петербург). Препарат является фторированным аналогом Д-глюкозы (2-фтор, F-2-дезокси-Д-глюкоза) и используется для оценки жизнеспособности миокарда, а также при диагностике опухолей различных органов.

В основе синтеза препарата лежит нуклеофильное радиофторирование субстрата 1,3,4,6-тетра-0-ацетил-2−0-трифторметансульфонил-(}- D-маннопиранозы (ТАТМ) в присутствии межфазового катализатора, циклического аминополиэфира (криптофикса 2.2.2) и карбоната калия. Второй этап синтеза представляет собой гидролиз полученного ацетилированного производного глюкозы под действием раствора щелочи.

Перед введением фторид-аниона, ^1SF в ТАТМ его предварительно отделяют от мишенной воды на микроколонке, заполненной смолой.

QMA Accel Waters или другой анионообменной смолой с аналогичными свойствами. Десорбцию фторида с колонки осуществляют элюенгом следующего состава: 0,025 мМ криптофикса 2.2.2; 0,012 мМ карбоната калия; 95 мкл деионизованной воды и 2 мл ацетонитрила. В результате получают комплекс фторид-иона с катализатором (криптофиксом 2.2.2) в смеси ацетонитрил/вода, который перед проведением фторирования отгоняют в виде азеотропной смеси в токе азота.

Рис. 4.21. Схема нуклеофильного синтеза 2-фтор,¹⁸F- 2-дезокси-Д-глюкозы.

Реакция замещения трифлатной группы в ТАТМ на ион фтор-18 проводится в растворе ацетонитрила (1…2 мл) при температуре 80 °C. Радиоактивным продуктом ее является 1,3,4,6-тетра-0-ацетил-2-^кчР-РD-глюкопираноза (см. схему рис. 4.21).

Гидролиз реакционной массы проводят при щелочном катализе (раствор 0,3 М NaOH) при 40…45 °С в течение 2 мин. При этом получается искомый продукт 2-фтор, ¹⁸Р-2-дезокси-Д-глюкоза. После нейтрализации смеси 0,5 М раствором НС1 ее нагревают в реакционном сосуде до 120 °C и в токе азота удаляют следы ацетонитрила в течение 3. .4 мин.

Разбавленную водой реакционную массу переносят на очистительную колонку, заполненную катионообменной смолой Supelclean LC-SCX, Supelco и нейтральным оксидом алюминия. После очистки изотоничность полученного препарата достигают его смешиванием с водным раствором натрия хлорида такой концентрации, чтобы содержание NaCl в 1 мл готового РФП составляло 8… 10 мг. Затем проводят его стерилизацию путем пропускания через стерилизующий фильтр Millipore с диаметром пор 0,22 мкм. Все перечисленные химические операции могут быть выполнены с помощью лабораторного робота RB-86 Anatcch (Scanditronix, Швеция).

В настоящее время достигнут такой высокий уровень автоматизации при синтезе [^|8Р]ФДГ, что весь процесс можно проводить в одноразовой кассете с заранее упакованными в асептических условиях реагентами и картриджами. Задача оператора сводится к установке кассеты.

в аппарат и подсоединению к линии доставки F из мишени. Для управления синтезом не нужен высококвалифицированный радиохимик, а достаточно обычного технолога. Вместе с тем следует отметить, что в целом производство [¹⁸Р]ФДГ на модулях кассетного типа является более дорогостоящим. Однако эти затраты окунаются практически гарантированным высоким радиохимическим выходом и качеством РФП, поскольку весь процесс полностью соответствует требованиям GMP. Тем не менее, контроль качества РФП до введения пациенту является обязательным, а выпуск партии препарата находится под контролем радиофармацевта.

Один из первых модулей кассетного типа, получивший широкое признание, был разработан небольшой французской фирмой Coincidence. В настоящее время создан более современный, но и более дорогой модуль GE FastLab, стоимость одноразовой кассеты для которого составляет около 300 евро. Кроме того, многие радиохимические лаборатории имеют собственные разработки в области автоматизации. Подробнее с особенностями различных модулей можно ознакомиться на сайтах фирм-производителей: GE Healthcare (Швеция), BIOSCAN Inc. (США), IBA Molecular Imaging (Бельгия) и т. д.

Хотя спектр физиологических процессов, которые могут быть изучены с биогенными PH, весьма широк, в некоторых случаях бывает необходимым применение других позитрон-излучающих PH. Так, например, in vivo — исследования потоков катионов требуют катионных трейсеров, например ⁸²Rb⁺, как аналога К¹. Точно так же при исследовании медленных биохимических процессов, работе с моноклональными антителами, изучении дифференциации стволовых клеток, мониторинге радиоиммуннотсрапии и генной терапии применение долгоживущих изотопов, таких как ⁵²Mn (Tiq = 5,6 сут.), ⁵⁵Со (17,5ч), ⁷²As (l, 08 сут.), ^7hBr (16,2 ч) и др., может оказаться более предпочтительным.

Начиная с 90-х годов прошлого века исследуется возможность получения высокочистого позитронного эмиттера Тс, имеющего период полураспада Тп = 52 мин, энергию? р+ = 2,47 МэВ и выход частиц р¹" - 70%. Этот PH, с учетом изученности химического и биологического поведения технеция и наличия большого количества реагентов для синтеза различных препаратов на основе аналога — «^П1Тс, имеет большие перспективы для позитронной томографии. Наработка технеция-94м может быть проведена на циклотроне по реакции ^Ч4Мо (/>, /г)^94п1Тс с использованием высокообогащенного изотопа ⁹⁴Мо (~ 94%). Максимальное сечение реакции 480 мб наблюдается при энергии протонов 12 МэВ. Выход из толстой мишени составляет 2 ГБк (54 мКи)/мкА • ч.

Некоторые катионные радионуклиды (рубидий-82, медь-62, галлий-68, марганец-52/и, индий-110) могут быть получены из генераторов., транспортируемых на значительные расстояния от мест их производства. Использование таких генераторов создает возможность для организации мобильных ПЭТ-центров (не «привязанных» к циклотрону). Так, например, генераторную пару «Sr (25,6 сут.) —* «Rb (1,27 мин), приготовленную на ЗАО «Циклотрон» (г. Обнинск) с использованием реакции ' Rb (/j, 4и) «Sr (?р = 70 МэВ), доставляют в Лос-Аламос (США), где после заправки ⁸²Sr в генераторные устройства их поставляют в госпитали Северной Америки и Европы. В России подобный генератор разработан в ЦНИРРИ (г. С.-Петербург). Для изготовления 'S/ «Rbгенератора «SrCl адсорбируют на гидратированном диоксиде олова Sn0₂. Элюирование генератора проводят 0,9% раствором NaCl. При этом скорость элюирования регулируется автоматически по активности выделенной дозы. В таком автоматичееком режиме пациенту может.

быть введено до 2 ГБк «Rb каждые 5… 10 мин. Препарат используется для ПЭТ-исследований миокарда.

Весьма перспективным представляется применение галлия-68 (Г|/2 = 68,1 мин), являющегося дочерним нуклидом гсрмания-68 (Г|/2 = 288 сут.). Радионуклид ⁶⁸Ga является практически чистым позитронным излучателем (p^f — 90%, ?р+ = 1190 кэВ). Он образует различные комплексы без присутствия восстанавливающего агента и поэтому является удобной меткой для изготовления РФП, которые применяются для сцинтиграфии мозга, диагностики эндокринных опухолей (DOTATATE, ⁶⁸Ga, DOTATOC, ⁶⁸Оа и др.), визуализации скелета (хелатные комплексы), исследования функции печени, почек и других органов.

Принципиальная схема генератора показана на рис. 4.22.

Рис. 4.22. Схема генератора⁶* Ge /¹⁶⁸ Ga:

1 — верхняя крышка; 2 — воронка для подачи элюента; 3 — генераторная колонка; 4 — нижняя крышка; 5 -линия элюата; 6-угловая игла

Материнский изотоп германий-68 может быть получен на циклотроне по реакциям:

Для его отделения от галлиевой мишени может быть использован метод экстракции. С этой целью галлий выплавляют из подложки при температуре 30 °C, растворяют в 5 М HNO3, вводят НС1 до концентрации 8…9 М и проводят экстракцию германия четыреххлористым углеродом ССЦ. Экстракт промывают 8 М НС1, а ⁶⁸0е реэксграгируют 0,2 М соляной кислотой. Радионуклидная чистота полученного продукта составляет более 99%.

В соответствии с другим способом, облученную мишень растворяют в соляной кислоте, а радионуклид отгоняют в виде хлорида GeCL*. Возможно также его отделение путем добавления в солянокислый раствор ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота) до концентрации.

0. 005. М при pH = 7. За тем проводят сорбцию ^h8Ge на хроматографическои колонке с оксидом алюминия, получая тем самым Ое/ Оагенератор.

Срок годности генератора ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga превышает I год, что, в принципе, обеспечивает возможность работы ПЭТ-скансра даже в отсутствие циклотрона. Первый такой генератор был разработан Greene и Tucker. В качестве его основного недостатка отмечалось падение выхода ⁶⁸Ga в элюате от 70 до 10… 15 % после шести месяцев эксплуатации колонки. В этой связи в последующем были испытаны генераторы с различными сорбентами: силикагелем (элюент 10 М НС1), Zr0₂ и ТЮ₂/ 5% Zr0₂ (0,1 М НС1), p-Sn0₂ (1 М НС1), a-Fc₂0₃ (0,01 М НС1) и др. В настоящее время за счет соответствующей подготовки сорбентов удалось создать генератор, обеспечивающий выход ⁶⁸Ga на уровне 60−90% на начало эксплуатации и около 40 % — к концу срока годности. Такой генератор на основе оксида А1₂0₃, создан, например, в ИЯФ АН РУз (г. Ташкент). Сорбент предварительно обрабатывают 0,1 М раствором NaOH с последующей его промывкой 0,1 М НС1. Адсорбцию ⁶⁸Ge проводят из щелочного раствора (pH 10… 12). Элюирование ⁶⁸Ga из генератора осуществляют путем пропускания через колонку 0,1 М раствора НС1. Полученный продукт собирают во флакон-сборник, подсоединенный к угловой игле.

В России генераторы галлия-68 серийно производит ЗАО «Циклотрон». Здесь в качестве сорбента используют модифицированную двуокись титана. Выход галлия-68 в 5 мл элюага (0,1 М НС1) составляет не менее 70% в начальный период работы и не менее 45% через 3 года или после 400 элюирований генератора. Генераторы поставляются с номинальной активностью германия-68 от 10 до 100 мКи.