Name: optimization of radiochemical reactions using droplet arrays
Uploaded: 2021-02-12T14:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Optimization of Radiochemical Reactions using Droplet Arrays at JoVE.com

Vi takker UCLA Biomedical Cyclotron Facility og Dr. Roger Slavik og Dr. Giuseppe Carlucci for generøst at give [18F] fluor for disse undersøgelser og UCLA NanoLab for støtte med udstyr til chip fabrikation.

ADVARSEL: Denne protokol indebærer håndtering af radioaktive materialer. Eksperimenter bør ikke udføres uden den nødvendige uddannelse og personlige værnemidler og godkendelse fra strålingssikkerhedskontoret i din organisation. Forsøg skal udføres bag strålingsafskærmning, helst i en ventileret varmcelle
1. Fremstilling af multireaktionschips
BEMÆRK: Partier af multireaktions-mikrodråber fremstilles af 4" siliciumskiver ved hjælp af standardfotolitografi...

<ol>
	<li>Matthews, P. M., Rabiner, E. A., Passchier, J., Gunn, R. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Positron+emission+tomography+molecular+imaging+for+drug+development.">Positron emission tomography molecular imaging for drug development.</a> British Journal of Clinical Pharmacology. 73 (2), 175-186 (2012).</li><li>Piel, M., Vernaleken, I., R&#246;sch, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Positron+emission+tomography+in+CNS+drug+discovery+and+drug+monitoring.">Positron emission tomography in CNS drug discovery and drug monitoring.</a> Journal of Medicinal Chemistry. 57 (22), 9232-9258 (2014).</li><li>Cherry, S. R., Sorenson, J. A., Phelps, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Physics in Nuclear Medicine. , (2012).</li><li>Knapp, K. -. A., Nickels, M. L., Manning, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+current+role+of+microfluidics+in+radiofluorination+chemistry.">The current role of microfluidics in radiofluorination chemistry.</a> Molecular Imaging and Biology. 22 (3), 463-475 (2020).</li><li>Rensch, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics:+A+groundbreaking+technology+for+PET+tracer+production.">Microfluidics: A groundbreaking technology for PET tracer production.</a> Molecules. 18 (7), 7930-7956 (2013).</li><li>Pascali, G., Watts, P., Salvadori, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics+in+radiopharmaceutical+chemistry.">Microfluidics in radiopharmaceutical chemistry.</a> Nuclear Medicine and Biology. 40 (6), 776-787 (2013).</li><li>Keng, P. Y., van Dam, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digital+microfluidics:+A+new+paradigm+for+radiochemistry.">Digital microfluidics: A new paradigm for radiochemistry.</a> Molecular Imaging. 14, 579-594 (2015).</li><li>Wang, J., Chao, P. H., Janet, S., van Dam, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performing+multi-step+chemical+reactions+in+microliter-sized+droplets+by+leveraging+a+simple+passive+transport+mechanism.">Performing multi-step chemical reactions in microliter-sized droplets by leveraging a simple passive transport mechanism.</a> Lab on a Chip. 17 (24), 4342-4355 (2017).</li><li>Wang, J., Chao, P. H., van Dam, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-compact,+automated+microdroplet+radiosynthesizer.">Ultra-compact, automated microdroplet radiosynthesizer.</a> Lab on a Chip. (19), 2415-2424 (2019).</li><li>Rios, A., Wang, J., Chao, P. H., van Dam, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+multi-reaction+microdroplet+platform+for+rapid+radiochemistry+optimization.">A novel multi-reaction microdroplet platform for rapid radiochemistry optimization.</a> RSC Advances. 9 (35), 20370-20374 (2019).</li><li>Sergeev, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performing+radiosynthesis+in+microvolumes+to+maximize+molar+activity+of+tracers+for+positron+emission+tomography.">Performing radiosynthesis in microvolumes to maximize molar activity of tracers for positron emission tomography.</a> Communications Chemistry. 1 (1), 10 (2018).</li><li>Pascali, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+nucleophilic+18F+radiofluorinations+using+a+microfluidic+reaction+approach.">Optimization of nucleophilic 18F radiofluorinations using a microfluidic reaction approach.</a> Nature Protocols. 9 (9), 2017-2029 (2014).</li><li>Lisova, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microscale+radiosynthesis,+preclinical+imaging+and+dosimetry+study+of+[18F]AMBF3-TATE:+A+potential+PET+tracer+for+clinical+imaging+of+somatostatin+receptors.">Microscale radiosynthesis, preclinical imaging and dosimetry study of [18F]AMBF3-TATE: A potential PET tracer for clinical imaging of somatostatin receptors.</a> Nuclear Medicine and Biology. 61, 36-44 (2018).</li><li>Wang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+radio-TLC+analysis.">High-throughput radio-TLC analysis.</a> Nuclear Medicine and Biology. 82-83, 41-48 (2020).</li><li>Dooraghi, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+microfluidic+PET+tracer+synthesis+with+Cerenkov+imaging.">Optimization of microfluidic PET tracer synthesis with Cerenkov imaging.</a> Analyst. 138 (19), 5654-5664 (2013).</li><li>Collins, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+diverse+PET+probes+with+limited+resources:+24+18F-labeled+compounds+prepared+with+a+single+radiosynthesizer.">Production of diverse PET probes with limited resources: 24 18F-labeled compounds prepared with a single radiosynthesizer.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (43), 11309-11314 (2017).</li><li>Lazari, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+automated+production+of+diverse+18F-labeled+PET+tracers+on+the+ELIXYS+multireactor+radiosynthesizer+without+hardware+modification.">Fully automated production of diverse 18F-labeled PET tracers on the ELIXYS multireactor radiosynthesizer without hardware modification.</a> Journal of Nuclear Medicine Technology. 42 (3), 203-210 (2014).</li><li>Lisova, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid,+efficient,+and+economical+synthesis+of+PET+tracers+in+a+droplet+microreactor:+application+to+O-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tyrosine+([18F]FET).">Rapid, efficient, and economical synthesis of PET tracers in a droplet microreactor: application to O-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tyrosine ([18F]FET).</a> EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry. 5 (1), 1 (2019).</li><li>Wang, J., Holloway, T., Lisova, K., van Dam, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Green+and+efficient+synthesis+of+the+radiopharmaceutical+[18F]FDOPA+using+a+microdroplet+reactor.">Green and efficient synthesis of the radiopharmaceutical [18F]FDOPA using a microdroplet reactor.</a> Reaction Chemistry &amp; Engineering. 5 (2), 320-329 (2020).</li><li>Lisova, K., Wang, J., Rios, A., van Dam, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptation+and+optimization+of+[F-18]+Florbetaben+([F-18]+FBB)+radiosynthesis+to+a+microdroplet+reactor.">Adaptation and optimization of [F-18] Florbetaben ([F-18] FBB) radiosynthesis to a microdroplet reactor.</a> Journal of Labelled Compounds and Radiopharmaceuticals. 62, 353-354 (2019).</li><li>Wang, J., Chao, P. H., Slavik, R., van Dam, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-GBq+production+of+the+radiotracer+[18F]fallypride+in+a+droplet+microreactor.">Multi-GBq production of the radiotracer [18F]fallypride in a droplet microreactor.</a> RSC Advances. 10 (13), 7828-7838 (2020).</li></ol>

På grund af begrænsninger i konventionelle radiokemisystemer, der kun tillader et eller et lille antal reaktioner om dagen og forbruger en betydelig mængde reagenser pr. datapunkt, kan kun en lille del af det samlede reaktionsparameterrum undersøges i praksis, og mange gange rapporteres resultater uden gentagelser (n = 1). Sammenlignet med konventionelle systemer gør denne multireaktionsdråberadiosynteseplatform det praktisk at udføre mere omfattende og stringente undersøgelser af radiosynteseforhold, mens der fo...

Positronemissionstomografi (PET) radiofarmaceutiske lægemidler anvendes i vid udstrækning som forskningsværktøjer til overvågning af specifikke in vivo biokemiske processer og studiesygdomme og til udvikling af nye lægemidler og terapier. Desuden er PET et kritisk redskab til diagnosticering eller iscenesættelse af sygdomme og overvågning af en patients reaktion på behandling1,2,3. På grund af den korte halveringstid for PET-radioisotoper (f.eks. 110 min for fluor-18-mærkede radioaktive lægemidler) og strålingsfare fremstilles disse forbindelser ved hjælp af specialiserede automatiserede systemer, der opererer bag strålingsafskærmning og skal fremstilles lige før brug.
Nuværende systemer, der anvendes til at syntetisere radioaktive lægemidler er designet til at producere store partier, der er opdelt i mange individuelle doser til at dele produktionsomkostningerne. Mens de nuværende systemer er velegnede til produktion af udbredte radiotracere som [18F] FDG (fordi flere patientscanninger og forskningseksperimenter kan planlægges på en enkelt dag), kan disse systemer være spild til produktion af nye radiotracere i den tidlige fase udvikling, eller mindre almindeligt anvendte radiotracers. Mængder, som konventionelle systemer bruger, er typisk i 1-5 mL-området, og reaktionerne kræver prækursormængder i 1-10 mg-området. Desuden er det generelt besværligt at anvende konventionelle radiosynteseapparater under optimeringsundersøgelser, da apparatet bliver forurenet efter brug, og brugeren skal vente på, at radioaktiviteten forfalder, før det næste forsøg udføres. Bortset fra udstyrsomkostninger kan omkostningerne ved radioisotop og reagenser derfor blive meget betydelige for undersøgelser, der kræver produktion af flere partier. Dette kan f.eks. forekomme under optimering af synteseprotokoller for nye radiotracere for at opnå tilstrækkeligt udbytte og pålidelighed til indledende in vivo-billeddiagnostiske undersøgelser.
Mikrofluidiske teknologier er i stigende grad blevet brugt i radiokemi til at udnytte flere fordele i forhold til konventionelle systemer4,5,6. Mikrofluidiske platforme, herunder platforme baseret på 1-10 μL reaktionsvolumen7,8,9, har vist en betydelig reduktion af reagensmængder og forbrug af dyre prækursorer samt korte reaktionstider. Disse reduktioner fører til lavere omkostninger, hurtigere opvarmnings- og fordampningstrin, kortere og mere ligetil downstream-rensning, en samlet "grønnere" kemiproces10og højere molaraktivitet hos de producerede radiotracere11. Disse forbedringer gør det mere praktisk at udføre mere omfattende optimeringsundersøgelser ved at sænke reagensomkostningerne for hver syntese. Yderligere fordele kan opnås ved at udføre flere eksperimenter fra et enkelt parti radioisotop på en enkelt dag. For eksempel kan mikrofluidiske flowkemiradiosynteser, der opererer i "opdagelsestilstand", sekventielt udføre snesevis af reaktioner, der hver kun bruger 10'ere af μL-reaktionsvolumen12.
Inspireret af disse fordele blev der udviklet en multireaktionsdråbe arraychip, hvor mikrovolumereaktioner er begrænset til en række overfladespændingsfælder på en siliciumoverflade, skabt ved hjælp af en mønstret Teflon-belægning. Disse spåner gør det muligt at udføre flere reaktioner på 1-20 μL-skalaen samtidigt, hvilket åbner mulighed for at udforske 10'erne af forskellige reaktionsforhold om dagen, hver med flere replikater. I dette papir, nytten af denne nye high-throughput tilgang til at udføre hurtige og billige radiokemi optimeringer er påvist. Brug af multireaktionsdråbechips giver mulighed for bekvem udforskning af virkningen af reagenskoncentrationer og reaktionsmiddel, og brugen af flere chips kan gøre det muligt at studere reaktionstemperatur og tid, alt sammen mens der forbruges meget lave mængder prækursorer.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>2,3-dimethyl-2-butanol (thexyl alcohol)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>594-60-5</td>
			<td>98%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>KMG Chemicals</td>
			<td></td>
			<td>Cleanroom LP grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium formate (NH4HCO2)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>540-69-2</td>
			<td>97%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anhydrous acetonitrile (MeCN)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>75-05-8</td>
			<td>99.80%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ceramic heater</td>
			<td>Watlow</td>
			<td>Utramic CER-1-01-0093</td>
			<td>25 mm x 25 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cerenkov imaging chamber</td>
			<td>Custom built</td>
			<td></td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DI water</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>7732-18-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable transfer pipets, 3 mL</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>13-680-50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dose calibrator</td>
			<td>Capintec, Inc.</td>
			<td>CRC-25 PET</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fallypride</td>
			<td>ABX Advanced Biochemical Compounds</td>
			<td>1560.0010.000</td>
			<td>Fallypride reference standard, &#62;95%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>[18F]fluoride in [18O]H2O</td>
			<td>UCLA Ahmanson Biomedical Cyclotron Facility</td>
			<td></td>
			<td>Due to short half-life this must be obtained from local radiochemistry lab or commercial radiopharmacy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass cover plates (76.2 mm x 50.8 mm x 1 mm thick)</td>
			<td>C&#38;A Scientific</td>
			<td>6101</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Headway spin coater</td>
			<td>Headway Research, Inc.</td>
			<td>PWM50-PS-R790 Sipinner system</td>
			<td>PWM50-control box, PS-motor, R790-bowl</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High temperature oven</td>
			<td>Carbolite</td>
			<td>HTCR 6 28</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot plate</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>Super-Nuova HP133425</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropanol (IPA)</td>
			<td>KMG Chemicals</td>
			<td></td>
			<td>Cleanroom LP grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mask aligner</td>
			<td>Karl Suss</td>
			<td>MA/BA6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol (MeOH)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>67-56-1</td>
			<td>&#8805;99.9%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcentrifuge tube</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>0030 123.301</td>
			<td>500 &#181;L, colorless, polypropylene</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette (0.5-10 &#181;L)</td>
			<td>Labnet</td>
			<td>BioPette P3940-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette (100-1000 &#181;L)</td>
			<td>Labnet</td>
			<td>BioPette P3940-1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette (10-100 &#181;L)</td>
			<td>Labnet</td>
			<td>BioPette P3940-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette tips (0.1-10 &#181;L)</td>
			<td>USA Scientific Inc Tips</td>
			<td>11113810</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette tips (2-200 &#181;L)</td>
			<td>BrandTech</td>
			<td>13-889-143</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette tips (50-1000 &#181;L)</td>
			<td>BrandTech</td>
			<td>13-889-145</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoresist developer solution</td>
			<td>MicroChem</td>
			<td>MEGAPOSIT MF-26A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Positive photoresist</td>
			<td>MicroChem</td>
			<td>MEGAPOSIT 220-7.0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reactive-ion etcher (RIE)</td>
			<td>Oxford Instruments</td>
			<td>Plasma Lab 80 Plus</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon wafer cutter</td>
			<td>Euro Tool</td>
			<td>CSCB-431.00</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon wafer; 4&#34; diameter</td>
			<td>Silicon Valley Microelectronics Inc.&#160;</td>
			<td>0017227-048</td>
			<td>P type, boron doped, thickness 525 &#177; 25 &#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Teflon AF 2400</td>
			<td>Chemours&#160;</td>
			<td>D14896765</td>
			<td>1% solids</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrabutylammonium bicarbonate (TBAHCO3)</td>
			<td>ABX Advanced Biochemical Compounds</td>
			<td>808</td>
			<td>Aqueous solution stabilized with ethanol, 0.075 M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Themal conducting paste</td>
			<td>OMEGA</td>
			<td>OT-201-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TLC plates</td>
			<td>Merck KGaA</td>
			<td>1.05554.0001</td>
			<td>Silica gel 60 F254, 50 mm x 60 mm, aluminum back</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tosyl-fallypride</td>
			<td>ABX Advanced Biochemical Compounds</td>
			<td>1550.004.000</td>
			<td>Fallypride precursor, &#62;90%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trimethylamine (TEA)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>75-50-3</td>
			<td>&#8805; 99%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tweezers</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>UX-07387-08</td>
			<td>Stainless steel, fine tip</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optimization of radiochemical reactions using droplet arrays

Nuværende automatiserede radiosyntese er designet til at producere store kliniske partier af radioaktive lægemidler. De er ikke velegnede til reaktionsoptimering eller ny radioaktiv udvikling, da hvert datapunkt indebærer betydeligt reagensforbrug, og forurening af apparatet kræver tid til radioaktivt henfald før næste brug. For at imødekomme disse begrænsninger blev der udviklet en platform til at udføre arrays af miniature dråbebaserede reaktioner parallelt, hver begrænset i en overfladespændingsfælde på en mønstret polytetrafluorethylenbelagt silicium "chip". Disse spåner muliggør hurtige og bekvemme undersøgelser af reaktionsparametre, herunder reagenskoncentrationer, reaktionsmiddel, reaktionstemperatur og tid. Denne platform tillader færdiggørelse af hundredvis af reaktioner i et par dage med minimal reagens forbrug, i stedet for at tage måneder ved hjælp af en konventionel radiosyntese.

Der blev udført et repræsentativt eksperiment for at illustrere denne metode. Ved hjælp af 16 reaktioner blev optimeringsundersøgelser af det radioaktive lægemiddel [18F]fallypride udført ved varierende prækursorkoncentration (77, 39, 19, 9,6, 4,8, 2,4, 1,2 og 0,6 mM) i thexylalkohol:MeCN (1:1, v/v) som reaktionsmiddel. Reaktionerne blev udført ved 110 °C i 7 min. Indsamlingseffektivitet, prøvesammensætning (dvs. andele af [18F]fallypride-produkt, ureagere...

Watch this Scientific Journal Video about Optimization of Radiochemical Reactions using Droplet Arrays at JoVE.com

Optimization of Radiochemical Reactions using Droplet Arrays

Denne metode beskriver brugen af en ny højoverførselsmetode baseret på dråbekemiske reaktioner til hurtig og økonomisk optimering af radioaktive lægemidler ved hjælp af nanomolemængder af reagenser.

Optimering af radiokemiske reaktioner ved hjælp af dråbesystemer

Current automated radiosynthesizers are designed to produce large clinical batches of radiopharmaceuticals. They are not well suited for reaction ...

Nuværende automatiserede radiosynteser er designet til at producere store partier af udbredte radioaktive lægemidler, såsom FDG. På grund af det begrænsede antal synteser, der er mulige pr. dag, og det relativt høje forbrug af reagenser er disse systemer imidlertid ikke velegnede til at udføre synteseoptimeringsundersøgelser. Med denne teknik øges gennemløbet betydeligt ved at udføre op til 16 samtidige reaktioner parallelt, og reagensforbruget reduceres hundrede gange.Ved at udføre reaktioner parallelt er der desuden behov for rimelige partier af radioisotop for at gennemføre en undersøgelse. Øget gennemløb muliggør bredere udforskning af reaktionsforhold med et større antal replikater hver i forhold til brugen af konventionelle instrumenter. Mens denne protokol viser optimering af prækursorkoncentrationen i syntesen af fallypride, kan teknikken bruges til at optimere andre forhold og andre radioaktive lægemidler.Begynd med at fremstille partier af multi-reaktion microdroplet chips fra fire tommer silicium wafers ved hjælp af standard fotolitografi teknikker. I denne protokol demonstreres højoverførselshastighedsoptimeringen af prækursorkoncentrationen med syntesen af det radioaktive fallypride. 16 samtidige reaktioner kan udføres på en enkelt chip.De betingelser, der skal sammenlignes, er kortlagt til reaktionsstederne. Der fremstilles en stamopløsning af reaktionsopløsningen bestående af thexylalkohol og acetonil i en blanding på 1 til 1 i volumen. Sørg for, at lydstyrken er nok til at oprette den planlagte fortyndingsserie.Forbered en 30 mikroliter lageropløsning af prækursor i reaktionsopløsningen med den maksimale koncentration, der skal undersøges. Fra prækursorlageropløsningen og reaktionsopløsningen udfører opløsningsmiddel to gange serielle fortyndinger i et sæt mikrocentrifugerør for at forberede de forskellige koncentrationer af prækursoropløsningen. Forbered et andet sæt mikrocentrifuge rør til at indsamle hver rå reaktion produkt ved hjælp af en permanent markør til at mærke hvert rør med et unikt nummer.Sørg for, at det samlede antal mikrocentrifugerør svarer til antallet af betingelser ganget med antallet af replikater. Der fremstilles en 10 milliliter opsamlingsopløsning bestående af 9-1 methanol til deioniseret vand. Aliquot 50 mikroliter af hver i et ekstra sæt af 16 mikrocentrifuge rør mærket som indsamling løsning.Forbered en fluorbestandsopløsning ved at blande omkring syv millicuries af fluorkilden med 56 mikroliter på 75 millimolar tetrabutylammoniumbicarbonat og fortyndes med DI-vand op til 140 mikroliter. Brug en mikropipette til at indlæse en otte mikroliterdråbe fluorbestandopløsning på det første reaktionspunkt på en multireaktionschip. Mål chippens aktivitet ved at placere den i en dosiskalibrator og registrere det tidspunkt, hvor målingen udføres.Spånen fjernes fra dosiskalibratoren, og der indlæses en otte mikroliterdråbe fluoropløsning på det andet reaktionspunkt. Mål aktiviteten på chippen, og registrer det tidspunkt, hvor målingen udføres. Gentag denne proces for alle andre reaktionssteder.Beregn den aktivitet, der er indlæst pr. reaktionspunkt, ved at tage aktivitetsmålingen efter indlæsning af radioisotopen og fratrække den tidligere måling, før dette sted blev indlæst. For at justere multireaktionschippen på varmeapparatet skal du tilføje et tyndt lag termisk pasta oven på den keramiske varmelegeme. Placer forsigtigt chippen oven på varmeapparatet ved hjælp af pincet, der justerer referencehjørnet på chippen med varmeapparatets referencehjørne.Chippen skal overhænge varmeapparatet med en lille mængde. Varm chippen i et minut ved at indstille varmeapparatet til 105 grader Celsius i kontrolprogrammet for at fordampe dråberne, hvilket efterlader en tørret rest af fluor og tetrabutylammoniumbicarbonat. Derefter afkøles chippen ved at indstille varmeapparatet til 30 grader Celsius og tænde køleventilatoren med kontrolprogrammet.Ved hjælp af en mikropipette tilsættes en seks mikroliter opløsning af fallypride prækursor oven på den tørrede rest på det første reaktionssted. Gentag dette for alle andre reaktionssteder på chippen. Brug optimeringsplanen til at bestemme, hvilken koncentration af fortyndingsserien der bruges til hvert reaktionssted.Varm chippen op til 110 grader Celsius i syv minutter ved hjælp af kontrolprogrammet til at udføre radiofluorinationsreaktionen, afkøles derefter chippen ved at indstille varmeapparatet til 30 grader Celsius og tænde køleventilatoren med kontrolprogrammet. Opsamles råproduktet på det første reaktionssted ved at tilsætte 10 mikroliter opsamlingsopløsning fra det udpegede mikrocentrifugerør. Efter at have ventet i fem sekunder, aspirere den fortyndede rå produkt og overføre det til den tilsvarende samling mikrocentrifuge rør.Gentag denne proces i alt fire gange ved hjælp af den samme pipettespids, og luk derefter mikrocentrifugerøret. Gentag disse trin for at indsamle råproduktet fra alle andre reaktionssteder på chippen. For at bestemme indsamlingseffektiviteten for den første reaktion på chippen skal mikrocentrifugerøret placeres med det opsamlede råprodukt fra det første reaktionspunkt i dosiskalibratoren for at måle aktiviteten.Registrer målingen og tidspunktet for målingen. Gentag denne proces for hver af de indsamlede råprodukter. Opregn indsamlingseffektiviteten ved at dividere aktiviteten af det indsamlede råprodukt med den startaktivitet, der måles for det samme reaktionssted.Gentag dette for alle andre reaktionssteder på chippen. Derefter analysere sammensætningen af hvert indsamlet råprodukt. Med en blyant tegnes en linje 15 millimeter væk fra den nederste kant af TLC-pladen og en anden linje 50 millimeter væk fra samme kant.Den første linje er oprindelseslinjen, og den anden er opløsningsmiddelfronten. Tegn otte små X'er langs oprindelseslinjen med fem millimeter afstand for at definere prøvespottingspositionen for hver af de otte baner. Ved hjælp af en mikropipette overføres 0,5 mikroliter af det første råprodukt til TLC-pladen ved X for den første vognbane.Gentag dette for yderligere råprodukter, og vent derefter på, at pletterne tørrer. Udvikle hver TLC plade ved hjælp af en mobil fase på 60% af acetonitrile i 25 millimolar ammonium format med 1%TEA, indtil opløsningsmiddel front når opløsningsmiddel frontlinjen. På det tidspunkt skal du fjerne TLC-pladen fra kammeret og vente på, at opløsningsmidlet på TLC-pladen tørrer, og derefter placere tlc-pladen i Cerenkov-billedsystemet og dække den med et glasmikroskopdias.Få et radioaktivitetsbillede af hver TLC-plade ved at indstille Cerenkov-billedsystemet til en fem minutters eksponering, vælg derefter den producerede fil af billedet til TLC-plade og udfør standardbilledkorrektioner. Brug region af interesse analyse for den første vognbane af den første TLC plade. Tegn områder omkring hvert bånd synligt i banen, og beregning derefter brøkdelen af den integrerede intensitet i hver region sammenlignet med den samlede integrerede intensitet i alle regioner.Fluorinationseffektiviteten bestemmes som den brøkdel af aktiviteten i Fallypride-båndet. Gentag denne analyse for alle andre baner på alle TLC-plader. Derefter beregnes det rå radiokemiske udbytte for hver reaktion, og den optimale prækursorkoncentration vælges ved at undersøge det rå radiokemiske udbytte som funktion af prækursorkoncentrationen.Optimeringsundersøgelser af det radioaktive fallypride blev udført ved varierende prækursorkoncentration i thexylalkoholacetonid. Reaktionerne blev udført ved 110 grader Celsius pr. syv minutter. Indsamlingseffektivitet og prøvesammensætning er vist her.Fluorinationseffektiviteten steg med stigende prækursorkoncentration, og koncentrationen af ureageret fluor faldt. Der var en lille mængde radioaktivt sideprodukt ved lave prækursorer, som ikke blev dannet ved de højere prækursorkoncentrationer. Indsamlingseffektiviteten var næsten kvantitativ for de fleste forhold, selv om den faldt en smule ved lave prækursorkoncentrationer.Det højeste rå radiokemiske udbytte blev opnået med en 39 millimolar prækursorkoncentration. På denne betingelse, var fluorination effektivitet 96% Den rå RCY var 87%, og der var ingen observeret radioaktive side produktdannelse. Det er afgørende at have en kortplan over, hvilken reaktionstilstand der svarer til hvilken reaktionsdråbe på chippen og at have passende mærkede reagensrør og produktopsamlingsrør, der kan dobbelttjekkes under forsøget.Proceduren kan bruges til optimering af andre reaktionsbetingelser, såsom mængden af base, type opløsningsmiddel eller reaktionsvolumen. Det kan også bruges til at optimere syntesen af andre radioaktive lægemidler.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Microwave-assisted Intramolecular Dehydrogenative Diels-Alder Reactions for the Synthesis of Functionalized Naphthalenes/Solvatochromic Dyes

Mikrobølgeassisteret intramolekylære Dehydrogenative Diels-Alder reaktioner til syntese af Funktionaliserede naphthalener / Solvatochromic Farvestoffer

Functionalized naphthalenes have applications in a variety of research fields ranging from the synthesis of natural or biologically active molecules to ...

Retropinacol/Cross-pinacol Coupling Reactions - A Catalytic Access to 1,2-Unsymmetrical Diols

Retropinacol / Cross-pinacol koblingsreaktioner - en katalytisk Adgang til 1,2-usymmetriske Dioler

Unsymmetrical 1,2-diols are hardly accessible by reductive pinacol coupling processes. A successful execution of such a transformation is bound to a clear ...

Hot Biological Catalysis: Isothermal Titration Calorimetry to Characterize Enzymatic Reactions

Hot Biologisk katalyse: Isothermal Titrering kalorimetri at karakterisere enzymatiske reaktioner

Isothermal titration calorimetry (ITC) is a well-described technique that measures the heat released or absorbed during a chemical reaction, using it as ...

Real-time Monitoring of Reactions Performed Using Continuous-flow Processing: The Preparation of 3-Acetylcoumarin as an Example

Real-time overvågning af reaktioner udført Brug af kontinuerlig flow Behandler: fremstilling af 3-acetylcoumarin som et eksempel

By using inline monitoring, it is possible to optimize reactions performed using continuous-flow processing in a simple and rapid way. It is also possible ...

Optimization of Synthetic Proteins: Identification of Interpositional Dependencies Indicating Structurally and/or Functionally Linked Residues

Optimering af syntetiske Proteiner: Identifikation af Interpositional Afhængigheder Angivelse Strukturelt og / eller funktionelt knyttet Rester

Protein alignments are commonly used to evaluate the similarity of protein residues, and the derived consensus sequence used for identifying functional ...

Curtain Flow Column: Optimization of Efficiency and Sensitivity

Curtain Flow Klumme: Optimering af effektivitet og følsomhed

Active Flow Technology (AFT) is a form of column technology that increases the separation performance of a HPLC column through the use of a specially ...

Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO

Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO

Forbedret heterojunction Kvalitet i Cu<sub&gt; 2</sub&gt; O-baserede solceller gennem optimering af Atmosfærisk tryk Spatial Atomic Layer Deponeret<br /&gt; Zn<sub&gt; 1-x</sub&gt; Mg<sub&gt; x</sub&gt; O

Atmospheric pressure spatial atomic layer deposition (AP-SALD) was used to deposit n-type ZnO and Zn1-xMgxO thin films onto p-type thermally oxidized Cu2O ...

A Protocol for Safe Lithiation Reactions Using Organolithium Reagents

En protokol for sikker lithiering Reaktioner Brug organolithiumreagenser

Organolithium reagents are powerful tools in the synthetic chemist&#39;s toolbox. However, the extreme pyrophoric nature of the most reactive reagents ...

Synthesis of Platinum-nickel Nanowires and Optimization for Oxygen Reduction Performance

Syntese af Platinum-nikkel Nanowires og optimering for ilt reduktion ydeevne

Platinum-nickel (Pt-Ni) nanowires were developed as fuel cell electrocatalysts, and were optimized for the performance and durability in the oxygen ...

Enzymatic Cascade Reactions for the Synthesis of Chiral Amino Alcohols from L-lysine

Enzymatisk Cascade reaktioner til syntese af Chiral Amino alkoholer fra L-lysin

Amino alcohols are versatile compounds with a wide range of applications. For instance, they have been used as chiral scaffolds in organic synthesis. ...