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Novel approaches for improved PET-radiotracer synthesis and quality control
Sarah Pfaff
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)
Betreuer*in
Wolfgang Wadsak
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17736.42723.605761-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Radiotracer für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) sind ein effizientes Werkzeug in der Bildgebung mit weiterhin steigender klinischer Relevanz für Diagnosestellungen in vielen Anwendungsgebieten, wie dem „Staging“ von Tumoren, bei der Ermittlung der kardialen Perfusion, bei neuropsychiatrischen Störungen, und vielem mehr. Die wichtigsten Nuklide für Radiomarkierungen solcher Bildgebungsvektoren sind Kohlenstoff-11, Fluor-18 und Gallium-68. Durch die Einschränkung des Arbeitens mit radiochemischen Substanzen aufgrund ihrer Halbwertszeit, setzt dieses spezialisierte Gebiet der Chemie bestimmte Bedingungen voraus: kurze Reaktionszeiten, standardisierte und rasche Qualitätskontrolle, sowie Anwendung von Strahlenschutzmaßnahmen während des gesamten Arbeitsvorgangs. In dieser Hinsicht sind viele radiochemische Synthesen und die daran anschließende Qualitätskontrolle anspruchsvoll und würden von einer Verbesserung profitieren. Deswegen stellt die Optimierung von radiochemischen Synthesen und der Qualitätskontrolle immer noch einen wichtigen Forschungsschwerpunkt dar, um eine angenehme klinische Anwendbarkeit zu gewährleisten.
Diese Doktorarbeit umfasst Studien zur Verbesserung von Radiosynthesen und der anschließenden Qualitätskontrolle. Dazu wurden einige Modellsysteme und Radiotracer aus klinischen Studien und klinischer Routine untersucht. Im Speziellen wurden 68Ga-Markierungen von DOTA-NOC, PSMA-11 und NODAGA-RGDyk in HEPES Puffer unter der Verwendung von einem „continuous flow“ mikrofluiden System und einer speziellen PET-Labormikrowelle vorgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass mikrofluide 68Ga-Markierungen erfolgreich mit hohen radiochemischen Ausbeuten durchgeführt werden können. Genauso erzielten Synthesen mittels Mikrowelle exzellente radiochemische Umsetzungsraten; insbesondere im Fall von [68Ga]Ga-PSMA-11 and [68Ga]Ga-NODAGA-RGDyk. Damit zeigt diese Arbeit die hohe Effizienz von unkonventionellen mikrofluiden und Mikrowellen gestützten 68Ga-Markierungen auf. Als Folge dieser experimentellen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass diese Methoden für die Behandlung spezieller Problemstellungen als auch für Routineproduktionen anwendbar sind.
Methoden für die Qualitätskontrolle mittels DC laut Europäischem Arzneibuch (Ph. Eur.) und HPLC für die vorgeschriebene HEPES Quantifizierung wurden evaluiert und optimiert. Eine neue DC Methode wurde entwickelt, welche durch Veränderung (1) der Auftragungsmethode, (2) mobilen Phase, (3) Referenzlösung, (4) der Anfärbemethode und (5) der Verwendung eines frei-erhältlichem, Software-basiertem Auswertungsprogramms für eine quantitative Bestimmung optimiert wurde. Eine visuelle Quantifizierung von HEPES mittels DC laut aktueller Ph. Eur. war weder konklusiv noch reproduzierbar. Die HPLC Methode nach Antunes et al. zeigte eine gute Linearität der erhaltenen Kalibrationskurve. Zusätzlich wurde eine neue DC Methode entwickelt, welche die bisherige Methode nach der Ph. Eur. hinsichtlich der Linearität, Verlässlichkeit und Schlüssigkeit in hohem Maße übertrifft. Die Brauchbarkeit und wissenschaftliche Qualität dieser verbesserten Analysemethode kann daran abgelesen werden, dass diese Methode für eine Publikation in der Ph. Eur. in der Monographie für [68Ga]Ga-PSMA-11 vorgeschlagen wurde.
Des Weiteren wurde der Einfluss von HEPES auf die Zellviabilität in drei verschiedenen PC3 Zelllinien mittels MTT-Assay getestet. Synergistische Effekte von HEPES und [68Ga]Ga-PSMA-11 wurden durch Inkubation des Radiotracers in Gegenwart von verschiedenen HEPES-Konzentrationen in PSMA-exprimierenden PC3 B9 Zellen untersucht. Diese in vitro Evaluierung ergab, dass HEPES bis zu Konzentrationen, die das vorgeschriebene Limit um mehr als einen Faktor von 103 übertreffen, keinen Einfluss zeigte. Erste Ergebnisse zeigten eine ähnliche Aufnahme von [68Ga]Ga-PSMA-11 in PC3 B9 Zellen in Gegenwart von verschiedenen HEPES Konzentrationen.
Ein weiteres herausforderndes experimentelles Setting stellen Radiomarkierungen mit Kohlenstoff-11 dar, da dieses Nuklid eine kurze Halbwertszeit von 20 min aufweist. Deswegen wurde die 11C-Markierung von (+)-HNO durch Überspringen von Heiz- und Kühlschritten während der Radiosynthese verbessert. Eine (+)-[11C]PHNO Synthese ohne Heizen und Kühlen resultierte in einer beachtlichen Reduktion der Synthesezeit von rund 5 min, wodurch ein Produktverlust aufgrund des radioaktiven Zerfalls von ungefähr 13% verhindert werden kann. Zusätzlich wurden in dieser Studie Neben- und Zwischenprodukte der (+)-[11C]PHNO Synthese gezielt hergestellt und die zugehörigen Chromatogramme verglichen, um eine umfangreiche und detaillierte Analyse nach Fehlsynthesen durchführen zu können. Dies ermöglicht die Untersuchung des Einfluss der Reagenzien auf die Entstehung von Nebenprodukten und diente zur Generierung eines generalisierbaren Entscheidungsbaums, der die Fehlersuche vereinfacht.
Insgesamt umfasst diese Dissertation folgende Punkte:
(1) Der Einsatz von mikrofluiden und Mikrowellen unterstützten Systemen in der Präparation von 68Ga-Radiopharmaka konnte erfolgreich demonstriert werden.
(2) Die Entwicklung einer neuen DC Methode für HEPES Quantifizierung schafft eine Erleichterung für die Anwender durch eine verlässliche und gut anwendbaren Ablauf.
(3) In vitro Untersuchungen zeigten auf, dass das derzeitige HEPES Limit immens niedrig ist und überdacht werden sollte, weil HEPES offenkundig in den applizierten Konzentrationen nicht toxisch ist und vermutlich keinen Einfluss auf die [68Ga]Ga-PSMA-11 Aufnahme hat.
(4) Es konnte eine erhebliche Verbesserung der (+)-[11C]PHNO Aktivitätsausbeute durch Reduktion der Synthesezeit erreicht werden.
(5) Es wurde ein Entscheidungsbaum, der eine aufwendige Fehleranalyse nach einer Fehlsynthese vereinfacht, entwickelt.
Insgesamt konnten in dieser Arbeit spezielle Abläufe der PET-Tracer Synthesen mit Berücksichtigung der Qualitätskontrolle optimiert werden, welche aber auch noch weitere Fragen aufwerfen (insbesondere über die Rationale des vorgeschriebenen HEPES Limits), welche in zukünftigen Studien zu bearbeiten sein werden.
Abstract
(Englisch)
Radiotracers for positron emission tomography (PET) are a powerful imaging tool with ever increasing clinical relevance for diagnosis in versatile applications comprising tumor staging, cardiac perfusion, neuropsychiatric disorders among others. Most relevant PET-nuclides for radiolabeling of those imaging vectors are carbon-11, fluorine-18 and gallium-68. Since radiochemical procedures are constrained by radioactive decay, this small niche of chemistry requires special prerequisites like a short reaction time as well as an optimized radiopharmaceutical quality control and precaution regarding radiation protection during all operative steps. In this light, many chemical synthesis procedures and respective quality control assays of radiopharmaceuticals emerge as rather sophisticated, cumbersome or even unsuitable. Thus, an improvement of those processes is beneficial. Consequently, research is requested to put emphasis on the optimization of radiochemical syntheses and quality control procedures for a suitable application within a standardized clinical setting.
This doctoral thesis comprises of the improvement of radiosynthesis and quality control using a couple of model systems and radiotracers out of clinical trials and routine. In particular, 68Ga-labeling of [68Ga]Ga-DOTA-NOC, [68Ga]Ga-PSMA-11 and [68Ga]Ga-NODAGA-RGDyk using a HEPES buffered system was performed by means of continuous flow microfluidic- and microwave assisted synthesis.
Microfluidic 68Ga-labeling was performed successfully in high radiochemical yields. Likewise, microwave assisted synthesis showed excellent radiochemical conversion rates, especially for the radiotracers, [68Ga]Ga-PSMA-11 and [68Ga]Ga-NODAGA-RGDyk. Hence, this study revealed high efficiency of unconventional microfluidic and microwave assisted 68Ga-labeling, showing that those devices are perfectly feasible for challenging 68Ga-labeling in particular situations as well as routine production.
Quality control procedures via TLC according to the European Pharmacopoeia (Ph. Eur.) and HPLC for prescribed HEPES quantification were evaluated and a novel, improved TLC assay was developed by changing (1) the spotting method, (2) mobile phase, (3) reference solution, (4) staining method and (5) using a free software for quantitative analysis.
Visual quantification of HEPES by TLC according to the Ph. Eur. was neither conclusive nor reproducible. An HPLC assay according to Antunes et al. achieved a good linearity of the created calibration curve. Furthermore, a novel TLC method was developed which is tremendously outperforming the TLC assay currently published in the Ph. Eur. in terms of limit of linearity, reliability and conclusiveness. The optimized procedure, developed within this PhD thesis, is considered for publication Ph. Eur. monograph for [68Ga]Ga-PSMA-11, highlighting its reproducibility, feasibility and scientific quality.
Additionally, the influence of HEPES on cell viability in three different PC3 cell lines was assessed by means of an MTT assay. Synergistic effects of HEPES and [68Ga]Ga-PSMA-11 were investigated by incubation of the radiotracer in presence of different HEPES concentrations in PSMA expressing PC3 B9 cells. The in vitro evaluation of HEPES’ influence on cell viability resulted in a non-toxic behavior up to a concentration that exceeds the currently prescribed limit by more than a factor of 103. Preliminary results showed similar [68Ga]Ga-PSMA-11 uptake in PC 3 B9 cells in the presence of different HEPES concentrations and no influence on the uptake at higher HEPES amounts present.
Another challenging experimental setting is radiolabeling using carbon-11 due to its short half-life of 20 min. In this context, sophisticated 11C-labeling of (+)-HNO was significantly improved by omitting heating and cooling procedures during radiosynthesis and therefore, accelerating the whole process.
Skipping heating and cooling during (+)-[11C]PHNO synthesis resulted in a remarkable reduction of synthesis duration of about 5 min counteracting radioactive decay of about 13%. Moreover, byproducts and intermediates of (+)-[11C]PHNO synthesis were synthesized on purpose and chromatograms thereof were compared for facilitated failure analysis after unsuccessful syntheses. The investigation of the influence of reagents on byproduct formation enabled the creation of a decision tree facilitating troubleshooting in a generalized way.
In summary, within this thesis the following achievements were made:
(1) Microfluidic and microwave assisted 68Ga-labeling was proven to be feasible in the preparation of several radiopharmaceuticals.
2A novel TLC assay for HEPES quantification was developed helping operators for a reliable and good applicable procedure.
(3) In vitro investigations showed that the HEPES limit is dramatically low and should be reconsidered, as HEPES is probably not toxic in the applied concentrations and is assumed to have no impact on [68Ga]Ga-PSMA-11 uptake.
(4) (+)-[11C]PHNO activity yield was dramatically improved due to a reduction of the synthesis procedure.
(5) A decision tree for troubleshooting in the radiosynthesis of (+)-[11C]PHNO was developed that will tremendously facilitate a demanding error search in case of failed syntheses.
Ultimately, this successful work optimized particular procedures within PET-tracer synthesis and quality control. It evoked several questions that need further attention, especially about the reasonability of the currently prescribed HEPES limit and HEPES quantification.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
PET mikrofluidic Synthesis mikrowave/ radiolabeling PSMA-11 DOTA-NOC NODAGA-RGD gallium-68 carbon-11 (+)-[11C]PHNO
Schlagwörter
(Deutsch)
PET mikrofluide Synthesen Mikrowelle Radiomarkierung PSMA-11 DOTA-NOC NODAGA-RGD Gallium-68 Kohlenstoff-11 (+)-[11C]PHNO
Autor*innen
Sarah Pfaff
Haupttitel (Englisch)
Novel approaches for improved PET-radiotracer synthesis and quality control
Paralleltitel (Deutsch)
Neue Ansätze für Verbesserte PET-Radiotracer Synthesen und Qualitätskontrolle
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
x, 131 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Thomas Mindt ,
Gerhard Reischl
Klassifikation
35 Chemie > 35.15 Radiochemie
AC Nummer
AC15355788
Utheses ID
50344
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |