Az L-[[metil-11C]]metionin hatóanyag-tartalmú radiogyógyszerelőállítása
Oktatási segédanyag aRadioaktív gyógyszerek előállítása és minőségellenőrzése (TKML0435) gyakorlathozradiokémikus szakirányú vegyész MSc hallgatók számára
Összeállította:
Miklovicz Tünde
Debreceni Egyetem Nukleáris Medicina Intézet Radiokémiai Központ
Debrecen 2014
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása
Tartalomjegyzék
1. A gyakorlat célja ................................................................................................................3 2. Elméleti áttekintés ..............................................................................................................3 2.1. Pozitronemissziós tomográfia (PET) ................................................................................3 2.2. L-[metil-11C]metionin ......................................................................................................4 2.2.1. Általános információ.....................................................................................................4 2.2.2. Előállítás ......................................................................................................................4 3. A gyakorlaton elvégzendő feladatok ..................................................................................14 4. Kérdések önálló felkészüléshez .........................................................................................14 5. Felhasznált és ajánlott irodalom .......................................................................................14
2
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása 1. A gyakorlat célja AzL-[metil-11C]metionin műveletek megismerése
tartalmú
radiogyógyszerelőállításával
kapcsolatos
gyártási
2. Elméleti áttekintés 2.1. Pozitronemissziós tomográfia (PET) A PET az egyik legmodernebb funkcionális képalkotó eljárás a gyógyászatban. Műtéti beavatkozást nem igénylő (non-invazív) eljárás, melynek segítségével háromdimenziós képet nyerhetünk a test egy adott területéről. A CT-vel kombinált PET berendezés jelenti ma a képalkotó diagnosztika egyik legfejlettebb technikáját. A PET és más hagyományos képalkotó eljárások (pl. fMRI, SPECT) sajátossága, hogy nem az anatómiai viszonyokat, hanem a szervek, szövetek különböző funkcionális jellemzőjét (pl. véráramlás, anyagcsere) jelenítik meg egy adott pillanatban. Mivel a betegség kialakulása először a szervek, szövetek funkcionális jellemzőiben okoz elváltozást, és ezt általában másodlagosan kíséri az anatómiai megváltozás, így érthető, hogy a funkcionális képalkotó eljárások jóval hamarabb, még az anatómiai elváltozások kialakulása előtt képesek jelezni a betegséget, azaz a betegség nagyon korai stádiumában nyújtanak hasznos információt. A pozitronemissziós tomográfia működése azon alapul, hogy pozitront sugárzó izotópokkal jelölt molekulák segítésével képes a szervezet biokémiai folyamatait ábrázolni. Ma már a PET-kamerát CT-készülékkel egybe is tudják építeni, így teremtve meg a lehetőségét annak, hogy a PET-tel nyert funkcionális képek és a CT morfológiai információkat azonos anatómiai „szeletekben”, egymásra tudják vetíteni. A PET/CT kombinációs technológia forradalmi változásokat hozott az onkológiai, kardiológiai és neurológiai diagnosztikában.Az eljárás lényege, hogy a vizsgált szervbe pozitron kibocsátással bomló radioaktív izotópot tartalmazó molekulát juttatnak (a leggyakrabban használt izotópok:18F, 15O, 13N,11C).A különböző radiofarmakonokkal különböző funkciók működése mérhető fel, attól függően, hogy az illető molekula a szervezeten belül milyen folyamatokban vesz részt. Elméletileg az élő szervezet anyagcseréjében résztvevő bármilyen szerves molekula jelölhető PET izotóppal, és a módszer segítségével szinte mindegyik biokémiai, élettani folyamat leképezhető, illetve aktivitása mérhető. A leggyakrabban használt radiofarmakon a [18F]FDG, amia fokozott glükózmetabolizmusú sejtekben (agy, szívizomzat, rosszindulatú tumorok, aktivált granulociták és limfociták) halmozódik fel, s mivel nem metabolizálódik, ezért ugyanebben a formában a vesén keresztül a vizeletbe választódik ki (ellentétben a glükózzal). A szervezetbe juttatott marker szöveti eloszlását a PET kamera (egy gyűrű alakú detektor) segítségével lehet detektálni a pozitron-kibocsátást kísérő gamma sugárzás észlelésén keresztül. A vizsgálat során nyert adatokból számítógép segítségével történik a képek rekonstruálása. A vizsgálattal elsődlegesen a test hossztengelyére merőleges szeletek nyerhetők (a CT-hez hasonlóan), akár az egész testről. Később a szeletekből tetszőleges irányú, akár háromdimenziós képek állíthatók elő. A bejuttatott radiofarmakon szöveti eloszlása a különböző (fiziológiás, illetve kóros) funkcionális állapotokban egymástól jelentős mértékben eltér, így ennek alapján a kóros folyamatok felismerhetők és lokalizálhatók.APETizotópok jellemzője, hogy fizikai felezési idejük nagyon rövid (2-110 perc), 90 perccel a beadást követően az injektált aktivitás 40%-a már távozott a vizelettel, így alkalmazásuk a beteg számára kisebb sugárterheléssel jár. Emellett nagy hátránya az
3
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása eljárásnak, hogy a használt radioaktív izotópok olyan gyorsan elbomlanak, hogy közvetlenül a vizsgálat előtt, a helyszínen kell őket előállítani, ami jelentősen növeli a berendezés árát. [1] Tipikus PET/CT kamera
PET felvétel azemberi agyról
2.2. L-[metil-11C]metionin 2.2.1. Általános információ Kémiai név:L-[metil-11C]metionin Struktúra: OH S O
11
C H3
NH2 Molekulaképlet: C5H11NO2S Molekulatömeg: 148,21 g/mol
2.2.2. Előállítás A Nukleáris Medicina Intézet Radiokémiai Központjában rutinszerűen gyártott L-[metil-11C]metioninelőállítási, tisztítási lépéseit, illetve a minőségellenőrzéstaz alábbiak tartalmazzák. 11
C radionuklidelőállítása
[11C]radionuklid fizikai jellemzői: [11C] fizikai felezési idő:20,4 perc 11 [ C] izotóp bomlása 0,96 MeV energiájú pozitron kibocsájtásával (e+=99.8%) megy végbe, kis részben elektronbefogással (EC: 0.2%). A pozitronok annihilálódásakor keletkező γsugárzás energiája: 511 keV .A 11Cradionuklid a GE PETtrace típusú ciklotron segítségével kapható nitrogén (6.0)/ oxigén (1 %, 6.0) gázkeverék protonokkal történő besugárzásával. A 11C izotóp a 14N(p,α)11C magreakcióban keletkezik. A gázkeverékben lévő oxigén azt biztosítja, hogy a keletkező 11 11 C CO2 formában álljon elő a besugárzás végén. Az előállítás paramétereit az alábbi táblázat tartalmazza.
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása Műveleti paraméterek: Ciklotron
PETTRACE 2132402
Nyaláb energia
16,4 MeV
Nyalábáram
30-60µA
Besugárzási idő
20-40 perc
A besugárzandó nitrogén/oxigén gáz térfogata és 70 ml 10 bar nyomása
A céltárgy (target) specifikációja: paraméter
GE C-11
Target térfogata
70 cm3
Targettest anyaga
alumínium
Targetablak összetétele
Havar fólia (25 µm)
A target gáz besugárzása zárt térben a target kamrában történik, melynek nyomását nyomásmérővel ellenőrizzük. A művelet teljesen automatikusan zajlik le, az operátornak csak a besugárzás időtartamát és az áramerősséget kell megadnia. A besugárzás paramétereit az igényelt aktivitás nagysága, valamint a magreakció hozama szabja meg. A besugárzás leggyakoribb paraméterei: 20 perc, 45 µA. Ha nagyobb C-11 hozamot szeretnék elérni, leginkább a besugárzás idejét növeljük meg, a nyalábáram növelése a target nagyobb igénybevételét, idő előtti károsodását vonhatja maga után. Így a maximális (60 µA) alatt 10-15 µA-raltekintjük biztonságosnak és kíméletesnek a besugárzást. A besugárzást követően vékony (3mm külső átmérő) rozsdamentes acélcsövön jut el a nyalábvégtől a radiokémiai laborba, illetve a metionin termelő sugárvédett vegyifülkébe (forrófülke, hot cell). A hatóanyag szintézise és tisztítása A besugárzott targetgázból a GE cég MeI szintézis rendszere [11C]metiljodidot (MeI) állít elő teljesen automatikusan. Reakcióegyenletek: [11C]CO2 + 4H2→ [11C]CH4 + I2→
[11C]CH4 + 2 H2O [ 11C]CH3I + HI
Az automatikus program a szintézist az alábbi fontosabb lépéseknek megfelelően hajtja végre:
5
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása -
A targetből kiáramló gáz 11CO2 tartalmát egy adszorbens (megfelelő pórusméretű molekuláris szűrő) köti meg. Az adszorbenshez a kemencébe töltés előtt nikkel port keverünk, amely a metán konverzió katalizátora.
-
A megkötött 11CO2 hidrogén gáz hozzákeverése után nikkel katalizátor jelenlétében 360 oC-on11CH4-ná alakul. A MeI szintézispanelben egy rozsdamentes acélcsőben helyezkedik el az adszorbens + nikkel keverék, mely egyben kemenceként is funkcionál és a konverzióhoz szükséges 360 oC-ra fűthető. A konverziót követően sűrített levegővel visszahűthető, ugyanis az adszorbens szobahőmérséklet körüli hőfokon köti meg leghatékonyabban a széndioxidot.
-
A következő lépésben a 11CH4 egy 720oC hőmérsékletű kemencében elemi jóddal reagál és [11C]metiljodid keletkezik, amely egy másik adszorbensen (Porapak N) kötődik meg. (A metán többször áthalad a jódos oszlopon – recirkuláció - a jobb konverzió érdekében, ugyanis a metán és jód reakciója egyensúlyi folyamat, mely eltolható a felső nyíl irányába a termék mennyiségének csökkentésével, vagyis a metiljodidrecirkulációs körből történő kivonásával, a Porapakon való megkötésével).
-
A folyamat végén a MeI szintézis panel aPorapak N adszorbens190 oC-ra történő hevítésével felszabadítja a [11C]metiljodid gázt, ami bekerül a saját fejlesztésű metionin panel 2,5 ml-es térfogatú steril fecskendőjébe. Ebből az előkészítés során a dugattyút eltávolítjuk és bemérjük a 20 mg alumínium- oxidra felvitt kálium-fluorid katalizátort, majd a2 mg prekurzor (L-homocisztein) 1 ml abszolút etanolos oldatát.
-
6
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása A metiljodid szintézis egyes lépései a GE MeIMicrolab szintézis panelen:
7
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása A GE MeI szintézispanel sémája
8
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása A metionin gyártás alapját jelentő reakcióegyenlet: OH
OH SH
O
11
CH3I
S O
NH2
11
CH3
HI
NH2
L-homocisztein (L-HC) L-[metil-11C]metionin A metiljodid, mint reaktív kismolekula a prekurzorként használt L-homocisztein Smetilezésével eredményez metionint. A nukleofil szubsztitúciós reakció melléktermékeként HI keletkezik. -
A [11C]metiljodid átbuborékol a prekurzor oldaton 2 perc alatt, majd ezt az oldatot a 12 ml fiziológiás sóoldatot tartalmazó 20 ml-es fecskendőbe juttatjuk át. Ezzel felhígítjuk az alkoholos oldatot és beállítjuk a humán vizsgálatra alkalmas fiziológiás koncentrációt. A termék tehát 13 ml térfogatú és 1 ml etilalkolholt tartalmaz, mint gyártási segédanyag. A metilezési reakció ugyanis vízmentes körülményeket igényel, a prekurzor oldásához ezért használjuk a vízmentes etilakoholt.
A metionin gyártás sémája a saját fejlesztésű szintézispanelen
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása
A metionin gyártóberendezés a tisztatér forrófülkéjében -
Innen a tisztító patronokon át a terméket gyűjtő üvegedénybe juttatjuk. Tisztító oszlopok: különböző módosított felületű adszorbenssel töltött patronok.
Az L-[metil-11C]-metioningyártása folyamán intermedierek és melléktermékek keletkezhetnek. Ezek elválasztása, illetve eltávolítása egyszer használatos kompakt patronokkal végzett szilárdfázisú extrakció segítségével történik. A felhasznált töltetek (WatersSep Pak, vagy ezzel azonos minőség) típusai a következők: Sep Pak Cartridge C18 Plus – hosszú (C-18) szénláncú, telített szénhidrogén-vegyületet tartalmazó töltet, tisztításkor a 11C-metiljodid maradékát távolítja el a rendszerből. Ezek a patronok a felületi oktadecil láncoknak köszönhetően nagy hatékonysággal adszorbeálják az apoláris karakterű anyagokat. • Sep Pak CartridgeAlumina N light – alumínium-oxidot tartalmaz, a végtermék tisztításakor a KF/Al2O3 segédanyagból származó fluorid iont köti meg. Az alumina töltet poláris anyagok adszorpcióját végzi. Az oszlopokat felhasználás előtt aktiválni, kondicionálni kell, melynek során kimossuk a töltetből a gyártási maradék szemcséket illetve adszorpcióra képes állapotba hozzuk. Ez a C18 patron esetében víz, 96 % alkohol és ismét víz alkalmazását jelenti. Az alkohollal a felületre borult alkilláncokat „fésüljük” fel, vagyis létrehozunk egy nagy apoláris felületet. A vízzel pedig az alkohol maradékát távolítjuk el. Az alumina (Al2O3) töltetű patronokat vizes mosással kondicionáljuk. •
Ezek az adszorbensek többféle üzemmódban használhatók. Vagy a hatóanyagot, főterméket kötik meg, mely egy mosást követően a patronról tisztán leoldható a megfelelő polaritású oldószerrel, vagy a szennyeződéseket kötik meg és a tiszta főtermék a patron után elhelyezett gyűjtőedénybe távozik.
10
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása
A metionin előállítás mechanizmusa alumina/KF katalizátor használata mellett:
A metionin gyártás folyamatábrája:
11
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása
N2 + 0,2% O2
GE PETtrace ciklotron
Besugárzás 14
N(p+,α)11C → 11CO
11
CO2 elválasztása a target gázból
H2
11 11
CO2 átalakítása CH4-ná He, I2
A11CH4 konvertálása 11 CH3I-dá
GE MeI Microlab Waste1
He Waste2
He
A 11CH3I reagáltatása az L-homociszteinnel
Metionin panel Waste3
0,9 % NaCl oldat
He
A 11C-metionin tisztítása (Sep Pak patronok) He
A 11C-metionin steril szűrése és letöltése
Osztóberendezés
Dozírozás: steril ampullákbatörténő letöltés A termék előállításának utolsó mozzanata a 13 ml térfogatú metionin oldat steril ampullákba történő letöltése, melyet egy külön osztófülkében elhelyezett berendezéssel végzünk. Az ALI (AmpuleLoadInstrument) szintén saját fejlesztésnek tekinthető, mert intézetünk munkatársa, a Radiokémiai Központ vezetője, Dr. Mikecz Pál ötletei alapján készítette el egy debreceni székhelyű orvostechnikai cég. A berendezés 9 db 20 ml térfogatú ampulla befogadását teszi lehetővé, amelyekbe előre megadott tetszőleges folyadékmennyiség tölthető. A 10. pozíció a buborékpont-teszt (bubblepoint test) elvégzésére alkalmas, mely a steril szűrő intaktságának ellenőrzésére szolgál. Ehhez egy vízzel tele töltött ampullát használunk, a letöltési ciklus végén beleszúr az osztó és levegőztető tű és adott hélium nyomást ráadva ellenőrizzük, hogy megjelennek-e buborékok vagy sem. Az ALI fényképe:
12
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása
levegőztető tű a steril szűrővel osztótű a steril szűrővel
10 ml-es steril fecskendő
3 utas steril csap
steril visszacsapó szelep
hélium bemenet a buborékpontteszthez
Gyakorlati segédanyag: L-[[metil-11C]]metionin előállítása 3. A gyakorlaton elvégzendő feladatok A gyakorlat során a hallgatók részt vesznek a metionin szintézispanel előkészítésében, mely jelenti • • • • •
a vezetékek mosását 70 %-os etilalkohollal, majd az alkohol maradékának eltávolítását steril vízzel. Tisztító patronokkondícionálása szükséges anyagok és oldatok bemérése, feloldása, a panel megfelelő helyre juttatása a tisztatérben történő MeI szintézis követése, majd az aktív MeI gáz fogadása a kísérleti laboratórium forrófülkéjében a metionin szintézis követése, a termék aktivitásának, mérési időnek és tömégének meghatározása
A kapott eredményeket és tapasztalatokat jegyzőkönyv formájában szükséges leadni a gyakorlat végéig.
4. Kérdések önálló felkészüléshez • • • •
A PET elve C-11 izotóp sugárfizikai tulajdonságai Radioszintézis elve, lépései és főbb paraméterei Tisztító patronok működésének elve, használatuk lehetőségei
5. Felhasznált és ajánlott irodalom [1] [2] [3]
http://en.wikipedia.org/wiki/PET. Megtekintve: 2014.02.17. KörnyeiJózsef: A nukleárismedicinafizikai, kémiaialapjai, Bevezetésaz in vivo izotópalkalmazásba, Debrecen, 1997. G. Stöcklin, V.W. Pike: Radiopharmaceuticals for Positron Emission Tomography, Kluwer Academic Publishers, 1993.
14
