Радиофармацевтическая химия 99 m Tc Антон Алексеевич Ларенков

Радиофармацевтическая химия 99 m. Tc Антон Алексеевич Ларенков к. х. н. , Зав. Лабораторией Технологии и Методов Контроля Радиофармпрепаратов Москва -2017

2

Технеций Искусственный радиоактивный элемент, не имеющий стабильных изотопов (известно более 20 радиоактивных изотопов с Т 1/2 > 1 мин) Массовое число 92 93 m 93 94 m 94 95 m 95 96 m 96 97 m 97 98 99 m 99 101 102 m 104 105 Период полураспада 4, 3 мин 43, 5 мин 2, 75 ч 52, 5 мин 4, 9 ч 61 сут 20 час 52 мин 4, 3 сут 90, 5 сут 2, 6× 106 лет 1, 5× 106 лет 6, 04 ч 2, 12× 105 лет 14, 2 мин 4, 5 мин 18, 3 мин 7, 6 мин Тип распада β+, электронный захват Электронный захват (18%), изомерный переход (82%) Электронный захват (85%), β+ (15%) Электронный захват (21%), изомерный переход (24%), β+ (55%) β+ (7%), электронный захват (93%) Электронный захват, изомерный переход (4%), β+ Электронный захват Изомерный переход Электронный захват β− Изомерный переход β− β− β− / γ/β− β− β−

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 5

История открытия 6

Химия технеция • Tc: 1 s 22 p 63 s 23 p 63 d 104 s 24 p 64 d 65 s 1 • 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 7

Радионуклидные генераторы: 99 Mo/99 m. Tc Большинство коммерческих генераторов используют хроматографическую колонку, в которой 99 Mo адсорбирован на оксиде алюминия Количество сорбента зависит от удельной активности 99 Mo. Обычно 99 Mo фиксируют на оксидном носителе в форме молибдат - (Mo. O 42–) или фосформолибдат-ионов (H 4[P(Mo 2 O 7)6]3 –). В слабокислом растворе молибдат-анионы полимеризуются, образуя Моx. Оyn– – гомополимеры. В присутствии катионов Al 3+ образуется устойчивый гетерополимер. ПОЕ сорбента при сорбции из раствора молибдата с р. Н = 2, 5 - 3, 5 составляет 15 - 20 мг Мо/г, из раствора с р. Н = 6, 0 - 0, 8 мг Мо/г, из раствора Na 2 Mo. O 4 Na 3 PO 4 – 70 -80 мг Мо/г.

Химия технеция. Tc(VII) • Tc 2 O 7 + H 2 O = 2 HTc. O 4 • Tc 2 S 7, Тс. Х 6 (X = Cl, F) • Тс. О 3 Х (X = Cl, F) • HTc. O 4 – сильная кислота • Tc. O 4 - абсолютно устойчив в отсутствие восстановителей 9

РФП c 99 m. Tc Химия РФП на основе 99 m. Tc начинается с водного раствора Na 99 m. Tc. O 4, в форме которого 99 m. Tc элюируется из генератора. Ион 99 m. Tc. O 4 - заряжен отрицательно, и эффективных методов присоединения его к органическим молекулам не существует. Таким образом, необходимо восстановить семивалентный 99 m. Tc до более низкой степени окисления, чтобы создать стабильный комплекс с пептидом. Как правило, для получения РФП с 99 m. Tc 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 99 m. Tc. O 4 - 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. Tc. O 4 - + Sn 2+ Tc. X+ + Sn. O 2, X = 4, 5. Tc. O 4 - + Sn 2+ Tc. O 2*n. H 2 O + Sn. O 2

Химия технеция. ОВР • 3 Tc(V) 3 Tc(VI) Tc(VII) + 2 Tc(IV) 2 Tc(VII) + Tc(IV) • Tc. O 4 - + [H] Tc(IV) Tc. O 4 - + Sn 2+ Tc. X+ + Sn. O 2, X = 4, 5. Tc. O 4 - + Sn 2+ Tc. O 2*n. H 2 O + Sn. O 2 11

Восстановление пертехнетата, 99 m. Tc • восстановление пертехнетата, 99 m. Tc в присутствии лиганда, при этом, как правило, природа лиганда определяет получаемое валентное состояние 99 m. Tc, 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. 12

Приготовление РФП c Sn. Cl 2 HCl Раствор комплексообразующего агента Na. OH, Na 2 HPO 4, Na. HCO 3 99 m. Tc Растворение хлористого олова Получение комплекса Sn(II) Корректировка р. Н Фасование Фильтрация Лиофилизация и герметизация Стерилизация Готовый продукт Упаковка, маркирование 13

Химия технеция. Tc(IV) H+ Tc. O 2 [Tc(OH)6]2 - Cl 6, HCl [Tc. Cl 6 2] H 2 O Tc. O 4*2 H 2 O [Tc. O 3 2+ ] Tc. Cl 4 14

РФП с Tc-99 m РФП первого поколения Ионные соединения РФП второго поколения Комплексные соединения РФП третьего поколения Комплексные соединения с биомолекулами Na. Tc. O 4 99 m. Tc 15

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. 16

Присоединение 99 m. Tc к биомолекулам (III, IV) (V) (VI) (V) (I) (V) 17

Бифункциональные хелатирующие агенты способны как связывать Тс-99 m, так и присоединяться к биомолекулам 18

Бифункциональные хелатирующие агенты ДАДТПА HYNIC MAG 3 19

Химия технеция. Tc(I) [Tc(CN)6 5] [Tc(RCN)6]+ Tc 2(CO)10 [Tc (CO)4 I]2 Tc(CO)5 Cl [Tc 3(μ-OH)3(μ 3 -OH)(CO)9][Tc 4(μ 3 -OH)4(CO)12][Tc. Cl 3(CO)3]+ [Tc(H 2 O)3(CO)3]+ 20

21

Карбонилы технеция 22

23

24

[99 m. Tc. VIIO 3]+ [H. Braband, M. Benz, Y. Tooyama, R. Alberto. Nuclear Medicine and Biology, 2014 41(7): 613. ] 26

27

28

29

30

31

Пертехнетат, 99 m. Tc Tc. O 4 - 32

Основные подходы Органические лиганды Коллоиды 99 m. Tc Пептидные молекулы 33

Препараты для сцинтиграфии скелета (остеосцинтиграфии) Гидроксиапатит Хелатирующие агенты для визуализации скелета пирофосфат (х = 2) триполифосфат (х = 3) полифосфат (х = n) MDP (метилендифосфонат) (R 1 = H, R 2 = H) EHDP (этилидендифосфонат) (R 1 = СH 3, R 2 = ОH) HMDP (гидроксиметилидендифосфонат) (R 1 = H, R 2 = ОH) 34

Препараты для сцинтиграфии скелета (остеосцинтиграфии) Комплексы Tc с ОЭДФ: Tc (IV)-ОЭДФ; Tc(IV)-ОЭДФ 2 ; Tc(IV)-НОЭДФ 2; Tc(IV)-Н 2 ОЭДФ 2 Накопление в костях обратно пропорционально длине цепи полифосфата! 35

99 m. Tc-MDP vs. 18 F-

37

Пирофосфат, 99 m. Тс – альтернативное применение Вентрикулография: эритроциты, меченные 99 m. Tc -пирофосфатом in vivo. 38

Пентатех – фукнция почек Диэтилентриаминпентауксусная кислота = ДТПА 39

Теоксим - Ceretec Гексаметиленпропиленаминоксим = ГМПАО = HMPAO 40

Тс(VII) в коллоидах. Tc. O 2 Tc. O 4 - + Sn 2+ Tc. O 2*n. H 2 O + Sn. O 2 Tc 2 S 7 Микросферы альбумина 41

42

43

44

Вторая часть Марлезонского балета 45

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

68 Gа В ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЕ 68 Ga 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 18 F… (!) 47

68 Gа В ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЕ Одним из первых исследований по диагностическому применению 68 Ga, является работа [1], где на биологической модели было изучено накопление 68 Ga-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 67 Ga-цитрата, 68 Ga-цитрат не имеет чёткого накопления, а распределяется по всему организму в виду низкого выведения из кровяного русла и мягких тканей. Сцинтиграмма пациента с глиобластомой, полученная в позитронно-сцинтилляционной камере после введения 68 Ga-ЭДТА [3] Скенограмма CFN крысы через 1 час после введения 300 μКи 68 Gaцитрата, содержащего 5 мг Ga на 1 кг массы тела. Молярное соотношение цитрат/ Ga – 3: 1 [1] Hayes R. L. , Canton J. E. and Byrd B. L. Bone Scanning with Gallium-68: A Carrier Effect // J. Nucl. Med. 1965. Vol. 6. pp. 605 -610. [2] Bruner H. D. , Hayes R. L. and Perkinson J. D. A study of gallium-72 -X. Preliminary data on gallium-67. // Radiology. 1953. Vol. 61. pp. 602 -603. [3] Schaer L. R. , Anger H. O. , Gottschalk A. Gallium Edetate 68 Ga Experiences in Brain-Lesion Detection With the Positron Camera // JAMA. 1966. Vol. 198. No. 8. pp. 811 -813. 48

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

Коммерчески доступные генераторы 68 Gе/ 68 Ga ЗАО «Циклотрон (г. Обнинск, Россия) Eckert & Ziegler (Германия) it. G – itm Group (Германия) 50

БХА для 68 Ga

БХА для 68 Ga

68 Ga-DOTA

Биоконьюгаты, меченные 68 Ga По сравнению с широко используемой ОФЭКТдиагностикой с препаратом 111 Inоктреотид, ПЭТ с 68 Ga обладает лучшим пространственным разрешением, что позволяет визуализировать мелкие опухоли и метастазы, а также получать количественные данные о биокинетике препарата 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 ПЭТ с 68 Ga-октреотид ОФЭКТ с 111 In-октреотид

68 Ga-РФП

Соматостатин

Биоконъюгаты DOTA-ssr

Преимущество ПЭТ с 68 Ga-DOTATATE в диагностике нейроэндокринных опухолей 68 Ga-DOTATATE 18 F-FDG

Преимущества мечения 68 Ga

Требования к элюату 68 Ga Низкая кислотность Высокая объёмная активность Низкое относительное содержание примесей Влияние примесей на выход реакции мечения: (68 Ga-DOTATATE) • Ag+ ; Hf 4+; Hg 2+; Sr 2+; Zr 4+ - практически не влияют, в присутствии данных катионов в количествах до 10 µM, сумма радиохимических примесей (РХП) в препарате не превышает 10%; • Ga 3+; Y 3+ - влияют в количестве 1 -10 µM, сумма РХП 10 %, что неприемлемо для получения качественного препарата; • 100 Sr Fe Lu Hf Lu Cd Выход, % • • • Zn 50 Cd 2+; Co 2+; Cu 2+; In 3+; Fe 2+; Fe 3+; Lu 3+; Ni 2+; Zn 2+ - присутствие данных примесей в количестве 1 µM неприемлемо для получения качественного препарата 0 0 60 Концентрация, мкмоль/л 120

Использование генератора 68 Ge/68 Ga для синтеза 68 Ga-РФП в повседневной медицинской практике Наличие конкурирующих (примесных) металлических катионов в элюате препятствуют образованию комплексов 68 Ga 3+. Проскок материнского изотопа 68 Ge через колонку с сорбентом имеет порядок 10 -3 % от общей активности 68 Ge 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 68 Ga являются обязательными процедурами перед собственно реакцией мечения биоконьюгатов.

Автоматизированные модули синтеза 68 Ga -РФП

Автоматизация процедуры очистки и концентрирования элюата генератора 68 Gе/68 Ga Модифицированная одноразовая кассета для синтеза РФП Автоматизированный модуль Modular. Lab Pharm. Tracer производства Eckert&Ziegler Eurotope Gmb. H (Германия) Рабочие растворы, готовые к использованию в синтезе 63

Автоматизированная система Изделие медицинского назначения: ФСР 2012/13966 Система 68 Ge/68 Ga генераторная вспомогательная для диагностики методом ПЭТ по ТУ 9452 -001 -07545903 -2011 64

Химия галлия

Metods of purification: fractionation Generator 68 Ge/68 Ga A ml 1 -2 ml Breeman W. A. P. , de Jong M. , Blois E. Radiolabelling DOTA-peptides with 68 Ga. // Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. – 2005. – Vol. 33. – P. 478485 Labeling reation

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

Formation of chloride complexes

Metods of purification: cation exchange HCl 0, 05 M 98% acetone Generator 68 Ge/68 Ga Cation exchanger Labeling reaction Waste Solid phase extraction Zhernosekov K. P. , Filosofov D. V. , F. Rosch et al. Processing of generatorproduced 68 Ga 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 70

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

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

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

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 68 Ga 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 68 Ga (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 100 90 reaction yield, % 80 70 60 50 Purified solution 40 Original eluate 30 20 10 0 20 15 10 Amount of peptidу (μg) 5

77

Генератор 68 Ge/68 Ga фармацевтического качества “Eckert & Ziegler receives approval for gallium-68 generator for cost-effective diagnosis of cancer Berlin, December 4, 2014. Eckert & Ziegler Radiopharma Gmb. H has received approval from the Federal Institute for Drugs and Medical Devices (Bf. Ar. M) for its pharmaceutical 68 Ge/68 Ga 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-releases 78

Генератор 68 Ge/68 Ga фармацевтического качества *http: //www. ezag. com/home/press-releases 79

DOTA-конъюгированные производные октреотида все могут связывать sst 2 и ss 5, только DOTA-NOC демонстрирует хорошее сродство к sst 3 80

68 Ga-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) 81

68 Ga-DOTA-пептиды не участвуют в метаболизме клеток (по сравнению, например, с 18 F-DOPA), могут быть легко синтезированы и предоставляют значимую информацию об экспрессии sst, имеющую непосредственное значение для выбора терапии. Было обнаружено, что применение в ПЭТ 68 Ga-DOTA-TATE гораздо более информативно для оценки хорошо дифференцированных НЭО, чем 18 F-FDG 68 Ga-DOTA-TATE характеризуется очень высоким сродством к sst 2, значительно большим, чем у 111 In-DTPA-октреотида 68 Ga-DOTA-TATE также сравнивали с 18 F-DOPA и получили схожие результаты: у 25 исследованных пациентов с хорошо дифференцированными НЭО при исследовании с обоими агентами полученная чувствительность для 68 Ga-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 68 Ga // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2011. Т. 56 -73. № 5. 82

68 Ga-DOTA-TATE и 18 F-DOPA SUVmax = 3, 9 68 Ga-DOTA-TATE SUVmax = 7, 2 ПЭТ 56 -летнего мужчины с первичной НЭО поджелудочной железы и метастазами в печени 83

Бифункциональные хелатирующие агенты 84

DOTA Подходит для комплексобразования с различными радионуклидами Т реакции ~ 95°C *Vojtech Kubı´cek et al. Inorg. Chem. 2010, 49, 10960– 10969 85

Бифункциональные хелатирующие агенты log KML(Ga-NOTA) = 31 log KML(Ga-DOTA) = 21, 3 86

Бифункциональные хелатирующие агенты *Šimeček J. et al. . How is 68 Ga Labeling of Macrocyclic Chelators Influenced by Metal Ion Contaminants in 68 Ge/68 Ga Generator Eluates? // Chem. Med. Chem. 2013. Vol. 8. pp. 95 -103 87

Тераностика • Первичная диагностика с 68 Ga-DOTA-(TOC, TATE, BOC) • Пептидная рецепторная радионуклидная терапия с 90 Y/177 Lu-(TOC, TATE, BOC) • Мониторинг эффективности и корректировка дальнейшего лечения с 68 Ga-DOTA-(TOC, TATE, BOC) *Courtesy: Dr Richard P. Baum (Sangeeta Ray Banerjee Applied Radiation and Isotopes 76 (2013) 2– 13) 68 Ga vs 177 Lu Тераностика? ? ? 88

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 89

Применение препаратов 68 Ga с предварительным/одновременным введением комплексов nat. Fe(III): 68 Ga-Citr + nat. Fe(III)-Citr ПЭТ-сцинтиграмма мыши с моделью остеомиелита, полученная через 60 минут после введения 68 Ga-цитрата без раствора блокады ПЭТ-сцинтиграмма мыши с моделью остеомиелита (с опорожненным мочевым пузырем), полученная после введения 68 Ga -цитрата с трехвалентным железом в составе препарата 90

Модификация вектора 91

PSMA

PSMA

Влияние хелатора 94

95

Влияние хелатора 96

Влияние хелатора 97

Влияние линкера 98

Влияние линкера 99

PSMA

PSMA – 99 m. Tc?

PSMA – 68 Ga-177 Lu!

Ну, вот и всё…на сегодня