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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10263 (2022) Citare questo articolo

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Il crescente numero di traccianti per tomografia a emissione di positroni (PET) in fase di sviluppo per favorire lo sviluppo di farmaci e creare nuova diagnostica ha portato a una maggiore necessità di sviluppo e ottimizzazione della radiosintesi. Gli attuali strumenti di radiosintesi sono progettati per produrre lotti clinici su larga scala e spesso si limitano a eseguire una singola sintesi prima di dover essere decontaminati attendendo il decadimento del radionuclide, seguito da un'accurata pulizia o smaltimento dei componenti del sintetizzatore. Sebbene con alcuni radiosintetizzatori sia possibile eseguire alcune radiosintesi sequenziali in un giorno, nessuno consente radiosintesi parallele. La produttività di uno o più esperimenti al giorno non è adatta per esperimenti di ottimizzazione rapida. Per combattere queste limitazioni, sfruttiamo i vantaggi della radiochimica delle goccioline per creare una nuova piattaforma per la sperimentazione ad alto rendimento in radiochimica. Questo sistema contiene una serie di 4 riscaldatori, ciascuno utilizzato per riscaldare una serie di 16 reazioni su un piccolo chip, consentendo 64 reazioni parallele per la rapida ottimizzazione delle condizioni in qualsiasi fase di un processo di radiosintesi multifase. Ad esempio, studiamo la sintesi di diversi radiofarmaci marcati con 18F ([18F]Flumazenil, [18F]PBR06, [18F]Fallypride e [18F]FEPPA), eseguendo > 800 esperimenti per esplorare l'influenza dei parametri tra cui il tipo di base, quantità di base, quantità di precursore, solvente, temperatura di reazione e tempo di reazione. Gli esperimenti sono stati condotti in soli 15 giorni di esperimento e il piccolo volume (~ 10 μL rispetto alla scala di ~ 1 ml degli strumenti convenzionali) ha consumato circa 100 volte in meno di precursore per punto dati. Questo nuovo metodo apre la strada a studi di ottimizzazione più completi in radiochimica e riduce sostanzialmente i tempi di sviluppo dei traccianti PET.

Il campo dell'imaging molecolare ha creato la tomografia a emissione di positroni (PET) e la tomografia computerizzata a emissione di fotone singolo (SPECT)1 per la visualizzazione e la quantificazione dei processi biochimici nei soggetti viventi. L'uso di molecole biologicamente attive contrassegnate con radionuclidi a vita breve consente di eseguire tale imaging in modo non invasivo a livello dell'intero corpo. La PET viene utilizzata in un'ampia gamma di ricerche su piccoli animali e esseri umani per aiutare a comprendere i percorsi della malattia2,3, misurare la farmacocinetica, confermare gli effetti biologici di nuovi composti terapeutici4,5, monitorare la progressione della malattia o monitorare la risposta al trattamento6,7,8 . I radioisotopi comuni utilizzati nella PET includono C-11 (t1/2 = 20,4 min), F-18 (t1/2 = 109,8 min) e Ga-68 (t1/2 = 67,7 min), tra gli altri.

I radiofarmaci vengono generalmente preparati utilizzando sintetizzatori automatizzati per limitare l'esposizione alle radiazioni del personale e migliorare la riproducibilità9. La preparazione di un lotto di radiofarmaco è costosa a causa del costo elevato del radiosintetizzatore, della schermatura contro le radiazioni, dei reagenti, del radioisotopo e del personale qualificato. Questi costi vengono notevolmente moltiplicati per gli studi di ottimizzazione, che richiedono l'esecuzione di molte sintesi in condizioni diverse. Inoltre, la maggior parte dei radiosintetizzatori sono progettati solo per una o poche radiosintesi consecutive al giorno, quindi gli studi di ottimizzazione possono richiedere settimane o mesi, il che aumenta ulteriormente il costo della manodopera, l'utilizzo delle risorse e il costo dei radioisotopi.

Recentemente sono stati descritti molteplici approcci per migliorare significativamente la produttività degli esperimenti di radiochimica. Zhang et al. hanno eseguito reazioni senza radioattività, ma hanno imitato le concentrazioni ultrabasse associate ai radionuclidi e hanno sfruttato l'elevata sensibilità dell'analisi LC-MS/MS per valutare la resa del prodotto10. Anche se evitare l'uso della radioattività ha aumentato la produttività degli esperimenti, fare affidamento sui volumi di reazione convenzionali ha comunque consumato molto tempo e reagenti per ottenere ciascun punto dati. In alternativa, le piattaforme microfluidiche e le tecniche radiochimiche miniaturizzate forniscono strade promettenti per aumentare la produttività riducendo al minimo il consumo di reagenti11,12,13,14 prendendo in prestito concetti dalla sperimentazione ad alto rendimento in chimica organica15,16,17. Diversi gruppi hanno dimostrato che dozzine di reazioni radiochimiche su piccola scala (ovvero 10 µL ciascuna, rispetto ai ~ 0,5–2,0 ml utilizzati nelle configurazioni convenzionali) possono essere eseguite in sequenza utilizzando piattaforme di reattori capillari per chimica a flusso con prodotti grezzi raccolti e analizzati offline18 ,19,20,21. Mentre parametri come la temperatura e le velocità di flusso dei reagenti possono essere facilmente studiati in modo ad alto rendimento, altri, come il solvente di reazione o le condizioni per l'essiccazione/attivazione del fluoruro [18F], non possono farlo. Un'altra piattaforma di ottimizzazione utilizzava un chip microfluidico di polidimetilsilossano (PDMS) per preparare lotti ultrapiccoli (~ 100 nL ciascuno) per lo screening delle condizioni di radiomarcatura delle proteine ​​acquose, ma era limitata a rapporti di reagenti e pH variabili22,23.