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

We danken de UCLA Biomedical Cyclotron Facility en Dr. Roger Slavik en Dr. Giuseppe Carlucci voor het royaal leveren van [18F]fluoride voor deze studies en het UCLA NanoLab voor ondersteuning met apparatuur voor chipfabricage.

LET OP: Dit protocol omvat de behandeling van radioactieve stoffen. Experimenten mogen niet worden uitgevoerd zonder de nodige training en persoonlijke beschermingsmiddelen en goedkeuring van het stralingsveiligheidsbureau van uw organisatie. Experimenten moeten worden uitgevoerd achter stralingsafscherming, bij voorkeur in een geventileerde hete cel
1. Fabricage van multi-reactie chips
OPMERKING: Partijen multi-reaction microdroplet chips worden vervaardigd uit 4" si...

<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>

Vanwege beperkingen van conventionele radiochemiesystemen die slechts één of een klein aantal reacties per dag toestaan en een aanzienlijke hoeveelheid reagentia per gegevenspunt verbruiken, kan slechts een klein deel van de totale reactieparameterruimte in de praktijk worden onderzocht en worden vaak resultaten gerapporteerd zonder herhalingen (n =1). In vergelijking met conventionele systemen maakt dit multi-reaction droplet radiosyntheseplatform het praktisch om uitgebreidere en rigoureuzere studies van radiosynthes...

Positron-emissie tomografie (PET) radiofarmaceutica worden veel gebruikt als onderzoeksinstrumenten om specifieke in vivo biochemische processen te monitoren en ziekten te bestuderen, en voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen en therapieën. Bovendien is PET een cruciaal hulpmiddel voor het diagnosticeren of ensceneren van ziekten en het monitoren van de respons van een patiënt op therapie1,2,3. Vanwege de korte halfwaardetijd van PET-radio-isotopen (bijv. 110 minuten voor fluor-18-gelabelde radiofarmaceutica) en stralingsgevaar, worden deze verbindingen bereid met behulp van gespecialiseerde geautomatiseerde systemen die achter stralingsafscherming werken en moeten ze vlak voor gebruik worden voorbereid.
De huidige systemen die worden gebruikt om radiofarmaceutica te synthetiseren, zijn ontworpen om grote batches te produceren die zijn verdeeld in veel individuele doses om de productiekosten te delen. Hoewel de huidige systemen geschikt zijn voor de productie van veelgebruikte radiotracers zoals [18F]FDG (omdat meerdere patiëntscans en onderzoeksexperimenten in één dag kunnen worden gepland), kunnen deze systemen verspillend zijn voor de productie van nieuwe radiotracers tijdens de vroege ontwikkeling, of minder vaak gebruikte radiotracers. Volumes die conventionele systemen gebruiken, bevinden zich meestal in het bereik van 1-5 ml en de reacties vereisen precursorhoeveelheden in het bereik van 1-10 mg. Bovendien is het gebruik van conventionele radiosynthesizers over het algemeen omslachtig tijdens optimalisatiestudies, omdat het apparaat na gebruik besmet raakt en de gebruiker moet wachten tot de radioactiviteit vergaat voordat het volgende experiment wordt uitgevoerd. Afgezien van de kosten van apparatuur kunnen de kosten van radio-isotoop en reagentia daarom zeer aanzienlijk worden voor studies die de productie van meerdere partijen vereisen. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren tijdens de optimalisatie van syntheseprotocollen voor nieuwe radiotracers om voldoende opbrengst en betrouwbaarheid te bereiken voor initiële in vivo beeldvormingsstudies.
Microfluïdische technologieën worden in de radiochemie steeds vaker gebruikt om te profiteren van verschillende voordelen ten opzichte van conventionele systemen4,5,6. Microfluïdische platforms, waaronder die gebaseerd op 1-10 μL-reactievolumes7,8,9, hebben een significante vermindering van reagensvolumes en consumptie van dure precursoren aangetoond, evenals korte reactietijden. Deze verlagingen leiden tot lagere kosten, snellere verwarmings - en verdampingsstappen, kortere en eenvoudigere downstreamzuivering, een algeheel "groener" chemieproces10, en een hogere molaire activiteit van de geproduceerde radiotracers11. Deze verbeteringen maken het praktischer om uitgebreidere optimalisatiestudies uit te voeren door de reagenskosten van elke synthese te verlagen. Verdere voordelen kunnen worden bereikt door meerdere experimenten uit te voeren vanuit één batch radio-isotoop op één dag. Microfluïdische stroomchemieradiosynthesizers die in de "detectiemodus" werken, kunnen bijvoorbeeld opeenvolgend tientallen reacties uitvoeren, elk met slechts 10s μL-reactievolume12.
Geïnspireerd door deze voordelen werd een multi-reaction droplet array chip ontwikkeld waarbij microvolumereacties beperkt blijven tot een array van oppervlaktespanningsvallen op een siliciumoppervlak, gemaakt met behulp van een Teflon-coating met patroon. Deze chips maken het mogelijk om meerdere reacties op de schaal van 1-20 μL tegelijkertijd uit te voeren, waardoor de mogelijkheid wordt geopend om 10s verschillende reactieomstandigheden per dag te verkennen, elk met meerdere replica's. In dit artikel wordt het nut van deze nieuwe high-throughput aanpak voor het uitvoeren van snelle en goedkope radiochemie optimalisaties aangetoond. Het gebruik van druppelchips met meerdere reacties maakt een gemakkelijke verkenning van de impact van reagensconcentraties en reactieoplosmiddel mogelijk, en het gebruik van meerdere chips kan de studie van reactietemperatuur en -tijd mogelijk maken, terwijl zeer lage hoeveelheden precursor worden verbruikt.

<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

De huidige geautomatiseerde radiosynthesizers zijn ontworpen om grote klinische partijen radiofarmaceutica te produceren. Ze zijn niet geschikt voor reactieoptimalisatie of nieuwe radiofarmaceutische ontwikkeling, omdat elk gegevenspunt een aanzienlijk reagensverbruik met zich meebrengt en besmetting van het apparaat tijd vereist voor radioactief verval vóór het volgende gebruik. Om deze beperkingen aan te pakken, werd een platform ontwikkeld voor het parallel uitvoeren van arrays van miniatuur reacties op basis van druppels, elk opgesloten in een oppervlaktespanningsval op een met polytetrafluorethyleen bedekte silicium "chip". Deze chips maken snelle en gemakkelijke studies van reactieparameters mogelijk, waaronder reagensconcentraties, reactieoplosmiddel, reactietemperatuur en -tijd. Dit platform maakt het mogelijk om honderden reacties in een paar dagen te voltooien met een minimaal reagensverbruik, in plaats van maanden te nemen met behulp van een conventionele radiosynthesizer.

Er werd een representatief experiment uitgevoerd om deze methode te illustreren. Met behulp van 16 reacties werden optimalisatiestudies van de radiofarmaceutica [18F]fallypride uitgevoerd door verschillende precursorconcentraties (77, 39, 19, 9,6, 4,8, 2,4, 1,2 en 0,6 mM) in thexylalcohol:MeCN (1:1, v/v) als reactieoplosmiddel. De reacties werden uitgevoerd bij 110 °C gedurende 7 min. De efficiëntie van de verzameling, de samenstelling van de monsters (d.w.z. de verhoudingen ...

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

Optimization of Radiochemical Reactions using Droplet Arrays

Deze methode beschrijft het gebruik van een nieuwe high-throughput methodologie, gebaseerd op druppelchemische reacties, voor de snelle en economische optimalisatie van radiofarmaceutica met nanomole hoeveelheden reagentia.

Optimalisatie van radiochemische reacties met behulp van droplet arrays

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

Huidige geautomatiseerde radiosynthesizers zijn ontworpen om grote partijen veelgebruikte radiofarmaceutica te produceren, zoals FDG. Vanwege het beperkte aantal syntheses per dag en het relatief hoge reagensverbruik zijn deze systemen echter niet geschikt voor het uitvoeren van syntheseoptimalisatiestudies. Met deze techniek wordt de doorvoer aanzienlijk verhoogd door tot 16 gelijktijdige reacties parallel uit te voeren en wordt het reagensverbruik honderdvoudig verminderd.Bovendien zijn, door parallel reacties uit te voeren, eerlijke partijen radio-isotoop nodig om een studie af te ronden. Verhoogde doorvoer maakt een bredere verkenning van reactieomstandigheden mogelijk met elk een groter aantal replica's in vergelijking met het gebruik van conventionele instrumenten. Hoewel dit protocol de optimalisatie van de precursorconcentratie in de synthese van fallypride laat zien, kan de techniek worden gebruikt om andere omstandigheden en andere radiofarmaceutica te optimaliseren.Begin met het fabriceren van batches van multi-reaction microdroplet chips van vier inch silicium wafers met behulp van standaard fotolithografie technieken. In dit protocol wordt de high-throughput optimalisatie van de precursorconcentratie gedemonstreerd met de synthese van de radiofarmaceutische Fallypride. 16 gelijktijdige reacties kunnen op één chip worden uitgevoerd.De te vergelijken voorwaarden worden in kaart gebracht met de reactielocaties. Bereid een stamoplossing van het reactiemiddel bestaande uit thexylalcohol en acetonitril in een één-op-één volumemengsel. Zorg ervoor dat het volume voldoende is om de geplande verdunningsreeks te maken.Bereid een voorraadoplossing van 30 microliter precursor in het reactieoplosmiddel met de maximaal te onderzoeken concentratie. Voer vanuit de precursorvoorraadoplossing en het reactieoplosmiddel twee keer seriële verdunningen uit in een set microcentrifugebuizen om de verschillende concentraties van de precursoroplossing voor te bereiden. Bereid een andere set microcentrifugebuizen voor om elk ruw reactieproduct te verzamelen met behulp van een permanente marker om elke buis met een uniek nummer te labelen.Zorg ervoor dat het totale aantal microcentrifugebuizen overeenkomt met het aantal omstandigheden vermenigvuldigd met het aantal replica's. Bereid een voorraad van 10 milliliter opvangoplossing voor die bestaat uit negen tot één methanol tot gedeioneerd water. Aliquot 50 microliter van elk in een extra set van 16 microcentrifugebuizen gelabeld als opvangoplossing.Bereid een fluoridevoorraadoplossing door ongeveer zeven millicuries van de fluoridebron te mengen met 56 microliter tetrabutylammoniumbicarbonaat van 75 millimolar en te verdunnen met DI-water tot 140 microliter. Laad met behulp van een micropipet een druppel fluoridevoorraadoplossing van acht microliter op de eerste reactievlek van een chip met meerdere reacties. Meet de activiteit van de chip door deze in een dosiskalibrator te plaatsen en noteer het tijdstip waarop de meting wordt uitgevoerd.Verwijder de chip uit de dosiskalibrator en laad een druppel fluoridevoorraadoplossing van acht microliter op de tweede reactievlek. Meet de activiteit op de chip en noteer het tijdstip waarop de meting wordt uitgevoerd. Herhaal dit proces voor alle andere reactiesites.Bereken de activiteit die per reactievlek is geladen door de activiteitsmeting uit te voeren na het laden van de radio-isotoop en de vorige meting af te trekken voordat die locatie werd geladen. Om de multi-reactie chip op de kachel uit te lijnen, voegt u een dunne laag thermische pasta toe bovenop de keramische kachel. Plaats de chip voorzichtig op de kachel met een pincet dat de referentiehoek van de chip uitlijnt met de referentiehoek van de kachel.De chip moet de kachel met een kleine hoeveelheid overhangen. Verwarm de chip gedurende één minuut door de kachel in het controleprogramma op 105 graden Celsius te zetten om de druppels te verdampen, waardoor een gedroogd residu van fluoride en tetrabutylammoniumbicarbonaat overblijft. Koel vervolgens de chip af door de kachel op 30 graden Celsius te zetten en de koelventilator in te schakelen met het besturingsprogramma.Voeg met behulp van een micropipet een zes microliteroplossing van fallyprideprecursor toe bovenop het gedroogde residu op de eerste reactieplaats. Herhaal dit voor alle andere reactieplaatsen op de chip. Gebruik het optimalisatieplan om te bepalen welke concentratie van de verdunningsreeks voor elke reactieplaats wordt gebruikt.Verwarm de chip zeven minuten op 110 graden Celsius met behulp van het besturingsprogramma om de radiofluorinatiereactie uit te voeren, koel vervolgens de chip af door de kachel op 30 graden Celsius te zetten en de koelventilator in te schakelen met het besturingsprogramma. Verzamel het ruwe product op de eerste reactieplaats door 10 microliter opvangoplossing uit de daarvoor bestemde microcentrifugebuis toe te voegen. Na vijf seconden wachten, aspireer het verdunde ruwe product en breng het over naar de overeenkomstige verzamelmicrocentrifugebuis.Herhaal dit proces in totaal vier keer met dezelfde pipetpunt en sluit vervolgens de microcentrifugebuis. Herhaal deze stappen om het ruwe product van alle andere reactieplaatsen op de chip te verzamelen. Om de inzamelingsefficiëntie voor de eerste reactie op de chip te bepalen, plaatst u de microcentrifugebuis met het verzamelde ruwe product van de eerste reactievlek in de dosiskalibrator om de activiteit te meten.Noteer de meting en het tijdstip van de meting. Herhaal dit proces voor elk van de verzamelde ruwe producten. Bereken de inzamelingsefficiëntie door de activiteit van het verzamelde ruwe product te delen door de startactiviteit die voor dezelfde reactieplaats wordt gemeten.Herhaal dit voor alle andere reactieplaatsen op de chip. Analyseer vervolgens de samenstelling van elk verzameld ruw product. Teken met een potlood een lijn op 15 millimeter afstand van de onderrand van de TLC-plaat en een andere lijn op 50 millimeter afstand van dezelfde rand.De eerste lijn is de oorsprongslijn en de tweede is de oplosmiddel frontlinie. Teken acht kleine X's langs de oorsprongslijn op vijf millimeter afstand om de monsterspotpositie voor elk van de acht rijstroken te definiëren. Breng met behulp van een micropipet 0,5 microliter van het eerste ruwe product over op de TLC-plaat bij de X voor de eerste rijstrook.Herhaal dit voor extra ruwe producten en wacht tot de vlekken zijn opgedroogd. Ontwikkel elke TLC-plaat met behulp van een mobiele fase van 60% acetonitril in 25 millimol ammoniumformaat met 1%TEA totdat het oplosmiddelfront de voorlijn van het oplosmiddel bereikt. Verwijder op dat moment de TLC-plaat uit de kamer en wacht tot het oplosmiddel op de TLC-plaat is droog, plaats de TLC-plaat vervolgens in het Cerenkov-beeldvormingssysteem en bedek deze met een glazen microscoopschuif.Verkrijg een radioactiviteitsbeeld van elke TLC-plaat door het Cerenkov-beeldvormingssysteem in te stellen op een belichting van vijf minuten, selecteer vervolgens het geproduceerde bestand van het beeld op de TLC-plaat en voer standaard beeldcorrecties uit. Gebruik interessegebiedanalyse voor de eerste rijstrook van de eerste TLC-plaat. Teken regio's rond elke band die zichtbaar is in de rijstrook en bereken vervolgens de fractie van de geïntegreerde intensiteit van elke regio in vergelijking met de totale geïntegreerde intensiteit van alle regio's.Bepaal de fluorinatie-efficiëntie als de fractie van activiteit in de Fallypride-band. Herhaal deze analyse voor alle andere rijstroken op alle TLC-platen. Bereken vervolgens de ruwe radiochemische opbrengst voor elke reactie en kies de optimale precursorconcentratie door de ruwe radiochemische opbrengst te onderzoeken als functie van de precursorconcentratie.Optimalisatiestudies van de radiofarmaceutische Fallypride werden uitgevoerd door verschillende precursorconcentratie in thexylalcoholacetonitril. De reacties werden uitgevoerd bij 110 graden Celsius per zeven minuten. De efficiëntie van de inzameling en de samenstelling van de monsters worden hier weergegeven.De fluorinatie-efficiëntie nam toe met een toenemende precursorconcentratie en de concentratie ongeacteerd fluoride nam af. Er was een kleine hoeveelheid radioactief nevenproduct bij lage precursorconcentraties, die niet werd gevormd bij de hogere precursorconcentraties. De inzamelingsefficiëntie was voor de meeste omstandigheden bijna kwantitatief, hoewel deze bij lage precursorconcentraties licht daalde.De hoogste ruwe radiochemische opbrengst werd bereikt met een precursorconcentratie van 39 millimolar. Bij deze toestand was de fluorinatie-efficiëntie 96%De ruwe RCY was 87% en er was geen waargenomen radioactieve zijproductvorming. Het is van cruciaal belang om een kaartplan te hebben van welke reactietoestand overeenkomt met welke reactiedruppel op de chip en om reagensbuizen en productinzamelingsbuizen met een passend label te hebben die tijdens het experiment dubbel kunnen worden gecontroleerd.De procedure kan worden gebruikt voor de optimalisatie van andere reactieomstandigheden, zoals de hoeveelheid basis, het type oplosmiddel of het reactievolume. Het kan ook worden gebruikt om de synthese van andere radiofarmaceutica te optimaliseren.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Microgolf-geassisteerde Intramoleculaire dehydrogenerende Diels-Alder reacties voor de synthese van gefunctionaliseerde naftalenen / Solvatochromic Kleurstoffen

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 Koppeling Reacties - Een Catalytic Toegang tot 1,2-Unsymmetrical Diolen

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 Biologische Katalyse: Isothermisch titratiecalorimetrie om enzymatische reacties karakteriseren

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 monitoring van de reacties uitgevoerd met behulp van continue flow Verwerking: De Bereiding van 3-acetylcumarine als een voorbeeld

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

Optimalisatie van synthetische eiwitten: Identificatie van interpositioneel afhankelijkheden Indicating structureel en / of functioneel verbonden Residuen

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

Gordijn Flow Column: Optimalisatie van efficiëntie en gevoeligheid

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

Verbeterde Heterojunction Kwaliteit in Cu<sub&gt; 2</sub&gt; O-gebaseerde zonnecellen door het optimaliseren van de atmosferische druk Ruimtelijke Atomic Layer Afgezet<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

Een protocol voor veilige lithiering Reacties Met behulp van organolithiumchemie

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

Synthese van Platinum-nikkel Nanowires en optimalisatie voor zuurstof vermindering van prestaties

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

Enzymatische Cascade reacties voor de synthese van chirale Amino alcoholen van L-lysine

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