Радиофармацевтическая химия презентация

Технеций
Искусственный радиоактивный элемент, не имеющий стабильных изотопов (известно более 20 радиоактивных изотопов с Т1/2 > 1 мин)

Правило Маттауха−Щукарева
В природе не могут существовать два стабильных изобара, заряды ядра которых отличаются на единицу. Другими словами, если у какого-либо химического элемента есть устойчивый изотоп, то его ближайшие соседи по таблице не могут иметь устойчивых изотопов с тем же массовым числом.

История открытия

История открытия

Химия технеция
Tc: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d65s1
Возможные степени окисления: от +7 до -1
Склонность к диспропорционированию, образованию кластерных соединений и комплексообразованию (к.ч. от 4 до 9)
Наиболее устойчивая степень окисления +7

Радионуклидные генераторы:
99Mo/99mTc
Большинство коммерческих генераторов используют хроматографическую колонку, в которой 99Mo адсорбирован на оксиде алюминия
Количество сорбента зависит от удельной активности 99Mo. Обычно 99Mo фиксируют на оксидном носителе в форме молибдат - (MoO42–) или фосформолибдат-ионов (H4[P(Mo2O7)6]3–). В слабокислом растворе молибдат-анионы полимеризуются, образуя МоxОyn– – гомополимеры. В присутствии катионов Al3+ образуется устойчивый гетерополимер. ПОЕ сорбента при сорбции из раствора молибдата с рН = 2,5 - 3,5 составляет 15 - 20 мг Мо/г, из раствора с рН = 6,0 - 0,8 мг Мо/г, из раствора Na2MoO4⋅Na3PO4 – 70-80 мг Мо/г.

Химия технеция. Tc(VII)
Tc2O7 + H2O = 2 HTcO4
Tc2S7, ТсХ6 (X = Cl, F)
ТсО3Х (X = Cl, F)
HTcO4 – сильная кислота
TcO4- абсолютно устойчив в отсутствие восстановителей

РФП c 99mTc
Химия РФП на основе 99mTc начинается с водного раствора Na99mTcO4, в форме которого 99mTc элюируется из генератора. Ион 99mTcO4- заряжен отрицательно, и эффективных методов присоединения его к органическим молекулам не существует. Таким образом, необходимо восстановить семивалентный 99mTc до более низкой степени окисления, чтобы создать стабильный комплекс с пептидом.
Как правило, для получения РФП с 99mTc используют два методических подхода. Первый – это одностадийная реакция, в которой полученный из генератора элюат добавляют во флакон с соответствующим лигандом/ами и восстанавливающим агентом. После этого сосуд выдерживают при комнатной или повышенной температуре необходимое количество времени. Другой подход состоит в первоначальном восстанавлениии 99mTcO4- в присутствии слабого лиганда, который только стабилизирует технеций в необходимой степени окисления, а затем этот промежуточный комплекс вводят во взаимодйствие с «сильными» лигандами. В результате образуется термодинамачески стабильный комплекс Тс в заданной степени окисления. Такой процесс называют «трансхелатированием» или «обменным мечением». Этот вариант получения РФП менее удобен для использования в клинических условиях, но иногда является единственно возможным, например, в случае мечения с помощью трикарбонилтехнеция.
TcO4- + Sn2+ TcX+ + SnO2, X = 4, 5.
TcO4- + Sn2+ TcO2*nH2O + SnO2

Химия технеция. ОВР
3 Tc(V) Tc(VII) + 2 Tc(IV)
3 Tc(VI) 2 Tc(VII) + Tc(IV)
TcO4- + [H] Tc(IV)
TcO4- + Sn2+ TcX+ + SnO2,
X = 4, 5.
TcO4- + Sn2+ TcO2*nH2O + SnO2

Восстановление пертехнетата, 99mTc
восстановление пертехнетата, 99mTc в присутствии лиганда, при этом, как правило, природа лиганда определяет получаемое валентное состояние 99mTc, а процесс восстановления может протекать ступенчато;
лиганд одновременно выполняет функции восстановителя и комплексующего агента (например, сульфгидрильные соединения);
стадии восстановления и комплексообразования разделены во времени, благодаря чему пертехнетат в присутствии вспомогательного лиганда сначала превращается в устойчивое, но легко вступающее в реакцию обмена лигандов соединение; на второй стадии происходит обменная реакция комплекса с целевым лигандом.

Приготовление РФП c 99mTc
Растворение
хлористого олова
Получение комплекса
Sn(II)
Корректировка рН
Фильтрация
Стерилизация
Упаковка, маркирование
SnCl2
HCl
Раствор комплексообразующего агента
NaOH, Na2HPO4, NaHCO3
Фасование
Лиофилизация и
герметизация
Готовый продукт

Химия технеция. Tc(IV)
TcO2
[TcCl6]2-
[TcO3]2+
TcO4*2H2O
TcCl4
[Tc(OH)6]2-
Cl6, HCl
H2O
H+

РФП с Tc-99m
99mTc
99mTc

Alberto, R. // Technetium, Compr. Coord. Chem. 2004, vol. 2, N 5, pp. 127–270.
Liu, S. // Chem. Soc. Rev., 2004, vol. 33, pp. 445–461.
Abram U., Alberto R. // J. Braz. Chem. Soc., 2006, vol. 17, N. 8, pp. 1486–1500.

Присоединение 99mTc к биомолекулам
(III, IV)
(V)
(V)
(V)
(VI)
(I)
(V)

Бифункциональные хелатирующие агенты
способны как связывать Тс-99m, так и присоединяться к биомолекулам

Бифункциональные хелатирующие агенты
ДАДТПА
MAG3
HYNIC

Химия технеция. Tc(I)
[Tc(CN)6]5-
[Tc(RCN)6]+
Tc2(CO)10
[Tc (CO)4I]2
Tc(CO)5Cl
[Tc3(μ-OH)3(μ3-OH)(CO)9]-
[Tc4(μ3-OH)4(CO)12]-
[TcCl3(CO)3]+
[Tc(H2O)3(CO)3]+

Карбонилы технеция

[H. Braband, M. Benz, Y. Tooyama, R. Alberto. Nuclear Medicine and Biology, 2014 41(7):613. ]
[99mTcVIIO3]+

Пертехнетат, 99mTc
TcO4-

Основные подходы
Пептидные молекулы
Органические лиганды
Коллоиды
99mTc

Препараты для сцинтиграфии скелета (остеосцинтиграфии)
Хелатирующие агенты для визуализации скелета
Гидрокси-
апатит

Препараты для сцинтиграфии скелета (остеосцинтиграфии)
Комплексы Tc с ОЭДФ:
Tc (IV)-ОЭДФ; Tc(IV)-ОЭДФ2 ; Tc(IV)-НОЭДФ; Tc(IV)-НОЭДФ2; Tc(IV)-Н2ОЭДФ2
Накопление в костях обратно пропорционально длине цепи полифосфата!

99mTc-MDP vs. 18F-

Пирофосфат, 99mТс – альтернативное применение
Вентрикуло-графия: эритроциты, меченные 99mTc -пиро-фосфатом
in vivo.

Пентатех – фукнция почек
Диэтилентриаминпентауксусная кислота = ДТПА

Теоксим - Ceretec
Гексаметиленпропиленаминоксим = ГМПАО = HMPAO

Тс(VII) в коллоидах.
TcO2
Tc2S7
TcO4- + Sn2+ TcO2*nH2O + SnO2
Микросферы альбумина

Вторая часть Марлезонского балета

Радиофармацевтическая химия 68Ga
Антон Алексеевич Ларенков
к.х.н., Зав. Лабораторией Технологии и Методов Контроля Радиофармпрепаратов
Москва -2017

68Gа В ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЕ
68Ga был одним из первых радионуклидов, использованных для визуализации методом позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), в то время, когда сам по себе термин «ПЭТ» был очень малоизвестен… задолго до первых предположений об использовании в данном методе 18F… (!)

68Gа В ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЕ
Одним из первых исследований по диагностическому применению 68Ga, является работа [1], где на биологической модели было изучено накопление 68Ga-цитрата в костях и других тканях организма, а также влияние изотопного носителя на биораспределение. А в ещё более ранних исследованиях [2] было уже отмечено, что в отличии от 67Ga-цитрата, 68Ga-цитрат не имеет чёткого накопления, а распределяется по всему организму в виду низкого выведения из кровяного русла и мягких тканей.
Скенограмма CFN крысы через 1 час после введения 300 μКи 68Ga-цитрата, содержащего 5 мг Ga на 1 кг массы тела. Молярное соотношение цитрат/ Ga – 3:1 [1]
Сцинтиграмма пациента с глиобластомой, полученная в позитронно-сцинтилляционной камере после введения 68Ga-ЭДТА [3]

Радионуклидные генераторы:
68Ge/68Ga
Первый генератор 68Ge/68Ga медицинского назначения, созданный Юкио Яно и Хэлом Энджером

Коммерчески доступные генераторы 68Gе/ 68Ga
ЗАО «Циклотрон (г. Обнинск, Россия)
Eckert & Ziegler (Германия)
itG – itm Group (Германия)

БХА для 68Ga

БХА для 68Ga

68Ga-DOTA

Биоконьюгаты, меченные 68Ga
Применение в онкологии:
диагностика нейроэндокринных опухолей (инсулинома, гастринома, карциноиды, мелкоклеточный рак легкого, опухоли гипофиза, медуллярный рак щитовидной железы, рак молочной железы, меланома и др.) методом ПЭТ, мониторинг эффективности химио- и радионуклидной терапии онкологических заболеваний
По сравнению с широко используемой ОФЭКТ-диагностикой с препаратом 111In-октреотид, ПЭТ с 68Ga обладает лучшим пространственным разрешением, что позволяет визуализировать мелкие опухоли и метастазы, а также получать количественные данные о биокинетике препарата
ПЭТ с 68Ga-октреотид
ОФЭКТ с 111In-октреотид

68Ga-РФП

Соматостатин

Биоконъюгаты DOTA-ssr

Преимущество ПЭТ с 68Ga-DOTATATE
в диагностике нейроэндокринных опухолей

Преимущества мечения 68Ga

Требования к элюату 68Ga
Низкая кислотность
Высокая объёмная активность
Низкое относительное содержание примесей
Влияние примесей на выход реакции мечения:
(68Ga-DOTATATE)
Ag+ ; Hf4+; Hg2+; Sr2+; Zr4+ - практически не влияют, в присутствии данных катионов в количествах до 10 µM, сумма радиохимических примесей (РХП) в препарате не превышает 10%;
Ga3+; Y3+ - влияют в количестве 1-10 µM, сумма РХП ≥ 10 %, что неприемлемо для получения качественного препарата;
Cd2+; Co2+; Cu2+; In3+; Fe2+; Fe3+; Lu3+; Ni2+; Zn2+ - присутствие данных примесей в количестве 1 µM неприемлемо для получения качественного препарата

Использование генератора 68Ge/68Ga для синтеза 68Ga-РФП в повседневной медицинской практике
Наличие конкурирующих (примесных) металлических катионов в элюате препятствуют образованию комплексов 68Ga3+. Проскок материнского изотопа 68Ge через колонку с сорбентом имеет порядок 10-3 % от общей активности 68Ge в генераторе на момент элюирования. Также элюат сам по себе содержит критические примеси, такие как Fe(III), Mn(II), Zn(II). Кроме того Ti(IV) и Sn(IV), в зависимости от типа генератора, также могут элюироваться из генератора в относительно высоких концентрациях. Таким образом, очистка и концентрирование элюата генератора 68Ga являются обязательными процедурами перед собственно реакцией мечения биоконьюгатов.

Автоматизированные модули синтеза 68Ga-РФП

Автоматизация процедуры очистки и концентрирования элюата генератора 68Gе/68Ga
Автоматизированный модуль
ModularLab PharmTracer производства Eckert&Ziegler Eurotope GmbH (Германия)
Модифицированная одноразовая кассета для синтеза РФП
Рабочие растворы, готовые к использованию в синтезе

Автоматизированная система
Изделие медицинского назначения:
ФСР 2012/13966
Система 68Ge/68Ga генераторная вспомогательная для диагностики методом ПЭТ по ТУ 9452-001-07545903-2011

Химия галлия

Metods of purification: fractionation
Generator 68Ge/68Ga
Labeling reation
ml
A
1-2 ml
Breeman W.A.P., de Jong M., Blois E. Radiolabelling DOTA-peptides with 68Ga.// Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. – 2005. – Vol. 33. – P. 478-485

Metods of purification: anion exchange
Generator 68Ge/68Ga
Anion exchanger
Conc. HCl
(5,5-8 М)
Water
Labeling reation
Waste
Meyer, G. J., H. Macke, J. Schuhmacher, W. H. Knapp and M. Hofmann. 68Ga-labelled DOTA-derivatised peptide ligands, Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging (2004)

Formation of chloride complexes

Metods of purification: cation exchange
Generator 68Ge/68Ga
Cation exchanger
HCl
0,05 M 98%
acetone
Labeling reaction
Waste
Solid phase extraction
Zhernosekov K.P., Filosofov D.V., F. Rosch et al. Processing of generator-produced 68Ga for medical application. J. Nucl. Med. – 2007. – Vol. 10. – P. 1741-1748.

M.K. Schultz et al. / Applied Radiation and Isotopes 76 (2013) 46–54

Metods of purification: cation and anion exchange
Generator 68Ge/68Ga
Cation exchanger
HCl
4 M
Labeling reaction
Waste
McAlister D. R., Horwitz E.P. Automated two column generator systems for medical radionuclides. Applied Radiation and Isotopes 67 (2009) 1985–1991.
HCl
0,1 M
Anion exchanger

Очистка и концентрирование 68Ga:
Наилучшие результаты могут быть достигнуты при комбинировании анионного и катионного обменов!

Purification via combination of cation and anion exchange processes
Generator 68Ge/68Ga
Cation exchanger
HCl
0,5 M 50%
acetone
Labeling reaction
Waste
Anion exchanger
HCl
2 M
44%
acetone
HCl
0,02-0,1 M
Finished RPs!
process time 20 min

Purification via combination of cation and anion exchange processes: Results

Purification via combination of cation and anion exchange processes: Results
Production of purified and concentrated solution of 68Ga chloride complexes in 0,01 - 0,1 M hydrochloric acid significantly simplifies the process of synthesis of the RPs, as it becomes possible to use freeze-dried forms of precursor, without any subsequent purification such as solid phase extraction and others.
1 ml concentrated and purified solution of 68Ga (293 MBq) obtained by the presented method was added to the freeze-dried composition consisting 10 mg sodium acetate and 20 μg of the DOTA-TATE peptide. The vial was thermostated at 95°C for 10 min. The labeling reaction yield (i.e. RCP) was more than 99% (radio-TLC and HPLC data).

Purification via combination of cation and anion exchange processes: Results

Генератор 68Ge/68Ga фармацевтического качества
“Eckert & Ziegler receives approval for gallium-68 generator for cost-effective diagnosis of cancer
Berlin, December 4, 2014.
Eckert & Ziegler Radiopharma GmbH has received approval from the Federal Institute for Drugs and Medical Devices (BfArM) for its pharmaceutical 68Ge/68Ga generator for the German market. Germanium penetration, an essential factor for patient safety, is < 0.001% over its entire one-year shelf life…”
*http://www.ezag.com/home/press/press-releases

Генератор 68Ge/68Ga фармацевтического качества
*http://www.ezag.com/home/press/press-releases

DOTA-конъюгированные производные октреотида
все могут связывать sst2 и ss5, только DOTA-NOC демонстрирует хорошее сродство к sst3

68Ga-DOTA-TATE, -TOC, -NOC
Чувствительность 90 – 98 %
Специфичность 92 – 98 %
Накопление коррелирует с количеством соматостатиновых рецепторов
стадирование/рестадирование опухолевого процесса
отбор пациентов для рецепторной радионуклидной терапии
контроль эффективности тирапии
Преимущества перед РФП метаболического типа:
более высокий уровень обнаружения (хорошо дифференцированные опухоли)
информация по экспрессии соматостатиновых рецепторов
простой и экономичный метод синтеза
Преимущества перед сцинтиграфией соматостатиновых рецепторов:
высокое разрешение
низкое физиологическое накопление в печени и кишечнике
дружественна к пациенту (2 часа против 4-24 часов)
хорошая дозиметрия
низкая цена
Подготовка пациента – не требуется!
Вводимая активность － 110 МБк (75-250)
Время накопления – 60 мин (45-90)

68Ga-DOTA-пептиды не участвуют в метаболизме клеток (по сравнению, например, с 18F-DOPA), могут быть легко синтезированы и предоставляют значимую информацию об экспрессии sst, имеющую непосредственное значение для выбора терапии.
Было обнаружено, что применение в ПЭТ 68Ga-DOTA-TATE гораздо более информативно для оценки хорошо дифференцированных НЭО, чем 18F-FDG
68Ga-DOTA-TATE характеризуется очень высоким сродством к sst2, значительно большим, чем у 111In-DTPA-октреотида
68Ga-DOTA-TATE также сравнивали с 18F-DOPA и получили схожие результаты: у 25 исследованных пациентов с хорошо дифференцированными НЭО при исследовании с обоими агентами полученная чувствительность для 68Ga-DOTA-TATE была выше (96 % против 56 %).
Ларенков А.А., Брускин А.Б., Кодина Г.Е. Радионуклиды галлия в ядерной медицине: радиофармацевтические препараты на основе изотопа 68Ga // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2011. Т. 56-73. № 5.

68Ga-DOTA-TATE и 18F-DOPA
ПЭТ 56-летнего мужчины с первичной НЭО поджелудочной железы и метастазами в печени
18F-DOPA SUVmax = 3,9
68Ga-DOTA-TATE SUVmax = 7,2

Бифункциональные хелатирующие агенты

DOTA
*Vojtech Kubı´cek et al. Inorg. Chem. 2010, 49, 10960–10969
Подходит для комплексобразования с различными радионуклидами
Т реакции ~ 95°C

Бифункциональные хелатирующие агенты
log KML(Ga-NOTA) = 31 log KML(Ga-DOTA) = 21,3

Бифункциональные хелатирующие агенты
*Šimeček J. et al.. How is 68Ga Labeling of Macrocyclic Chelators Influenced by Metal Ion Contaminants in 68Ge/68Ga Generator Eluates? // ChemMedChem. 2013. Vol. 8. pp. 95-103

Тераностика
Первичная диагностика с 68Ga-DOTA-(TOC, TATE, BOC)
Пептидная рецепторная радионуклидная терапия с 90Y/177Lu-(TOC, TATE, BOC)
Мониторинг эффективности и корректировка дальнейшего лечения с 68Ga-DOTA-(TOC, TATE, BOC)
*Courtesy: Dr Richard P. Baum
(Sangeeta Ray Banerjee Applied Radiation and Isotopes 76 (2013) 2–13)
68Ga vs 177Lu
Тераностика???

Влияние природы металла на сродство производных октреотида к различным типам соматостатиновых рецепторов
*P. Antunes et al. Eur J Nucl Med Mol Imaging (2007) 34:982–993

Применение препаратов 68Ga с предварительным/одновременным введением комплексов natFe(III):
68Ga-Citr + natFe(III)-Citr
ПЭТ-сцинтиграмма мыши с моделью остеомиелита, полученная через 60 минут после введения 68Ga-цитрата без раствора блокады
ПЭТ-сцинтиграмма мыши с моделью остеомиелита (с опорожненным мочевым пузырем), полученная после введения 68Ga-цитрата с трехвалентным железом в составе препарата

Модификация вектора

PSMA

PSMA

Влияние хелатора

Влияние хелатора

Влияние хелатора

Влияние линкера

Влияние линкера

PSMA

PSMA – 99mTc?

PSMA – 68Ga-177Lu!