Метод твердофазной экстракции для получения меченного фтором-18 флюмазенила, радиофармпрепарата для позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.14, кандидат наук Насир Задех Мортеза

• Насир Задех Мортеза
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Насир Задех Мортеза

Содержание

ГЛАВА 1. Введение

1.1. Актуальность темы

1.2. Цель работы

1.3. Задачи работы

1.4. Научная новизна

1.5. Практическая ценность работы

1.6. Методология и методы исследования

1.7. Положения, выносимые на защиту

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод твердофазной экстракции для получения меченного фтором-18 флюмазенила, радиофармпрепарата для позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ)»

1.8. Апробация работы 9

1.9. Структура и объем диссертации 10 ГЛАВА 2. Обзор литературы 11

2.1. Позитронная эмиссионная томография 11 2.1.1. Принцип ПЭТ 12

2.2. Радиоизотоп фтор-18 14 2.2.1. Получение фтора-18 в мишени циклотрона 15

2.3. Методы получения соединений, меченных изотопом фтор-18, для использования в ПЭТ 17

2.3.1. Электрофильное радиофторирование 18

2.3.2. Нуклеофильное радиофторирование как основной метод введения метки фтор-18 в органические молекулы 19

2.4. Автоматизация радиохимического синтеза [^]РФП для ПЭТ 28

2.5. Методы выделения меченых соединений, используемых в качестве РФП для ПЭТ 31

2.5.1. Твердофазная экстракция 32 2.5.1.1. Механизмы удерживания на сорбентах в ТФЭ 33

2.5.2. Использование ТФЭ для получения РФП для ПЭТ 38

2.5.2.1. Использование ТФЭ для получения РФП, меченных изотопом углерод-11 38

2.5.2.2. Использование ТФЭ для получения РФП, меченных изотопом фтор-18 40

2.6. Исследование рецепторов гамма-аминомасляной кислоты методом ПЭТ

47

2.6.1. Рецепторы гамма-аминомасляной кислоты, ГАМК 48

2.6.2. Механизм действия ГАМКА-рецепторов 49

2.6.3. Радиоактивные аналоги флюмазенила 51

2.6.4. Радиосинтез [^]ФМЗ методом нуклеофильного замещения 54 ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 59

3.1. Получение радионуклида фтор-18 59

3.2. Получение радиофторирующего реакционноспособного комплекса [К+/МФК]188Р- 60

3.3. Получение [^]ФМЗ реакцией нуклеофильного радиофторирования нитромазенила 62

3.3.1. Изучение реакции нуклеофильного радиофторирования нитромазенила 62

3.3.2. Анализ реакционных смесей 63

3.3.3. Реакция радиофторирования в присутствии акцептора радикалов TEMPO 65

3.4. Использование ТФЭ для получения [^]ФМЗ, радиолиганда для рецепторных исследований мозга 66

3.4.1. Удаление [^]фторида и других гидрофильных примесей 66

3.4.2. Фракционное элюирование для выделения [^]ФМЗ на обращено-фазных сорбентах 68

3.4.3. Использование основания для разложения (дериватизации) субстрата после реакции 70

3.4.4. Двухступенчатая процедура выделения [^]ФМЗ с использованием двух видов сорбентов 73

3.5. Разработка автоматизированной радиохимической технологии получения [^]ФМЗ 74

3.6. Система контроля качества[18F]ФМЗ: разработка аналитических методик 80

ГЛАВА 4. Результаты и обсуждение 84

4.1. Изучение реакции радиофторирования нитромазенила. Выбор оптимальных параметров реакции 84

4.1.1. Влияние природа растворителя и МФК на выход радиофторирования нитромазенила 84

4.1.2. Влияние температуры и времени реакции на выход радиофторирования нитромазенила 85

4.1.3. Влияние количества нитромазенила на выход радиофторирования нитромазенила 87

4.1.4. Влияние количества основания на выход радиофторирования нитромазенила 89

4.1.5. Влияние акцептора свободных радикалов на выход радиофторирования нитромазенила 90

4.2. Выбор условий для разделения [18F^M3 и нитромазенила методом ТФЭ на обращено-фазных сорбентах 91

4.2.1. Разделение [^]ФМЗ и нитромазенила на Oasis HLB 92

4.2.2. Эффект добавления метоксида калия к реакционной смеси после

фторирования 94

4.2.3. Оптимизация процесса выделения и очистки [^]ФМЗ с использованием двух видов сорбента 97

4.3. Автоматизированный метод получения [^]ФМЗ 97 4.3.1. Сравнение результатов методов ТФЭ и полу-препаративной ВЭЖХ в

синтезе рецепторного радиолиганда [^]ФМЗ 98

ГЛАВА 5. Выводы 102

ГЛАВА 6. Список литературы 103

ГЛАВА 1. Введение 1.1. Актуальность темы

Позитронная эмиссионная томография (ПЭТ) является в настоящее время единственным методом, позволяющим изучать нейрохимические процессы в центральной нервной системе (ЦНС) живых организмов (in vivo) [1, 2, 3]. Для этой цели в ПЭТ используют меченые позитронными эммитерами углерод-11 (Т1/2=20.4 мин) и фтор-18 (Т1/2=109.8 мин) соединения, специфично связывающиеся с отдельными типами рецепторов ЦНС. С помощью этих соединений (рецепторных радиолигандов) получают ценную информацию о механизмах рецепторных взаимодействий и количественные характеристики плотности и распределения самих рецепторов в различных отделах мозга. Большой интерес вызывают ПЭТ исследования ГАМК-эргической системы, реализующей биохимическое действие ГАМК (гамма-аминомасляной кислоты), основного тормозного нейромедиатора ЦНС. Ключевую роль во многих заболеваниях (эпилепсия, тревожные состояния, депрессии, деменции, алкоголизм и др.) играют участки связывания (сайты) ГАМКа рецепторов c бензодиазепинами. Иногда эти участки называют центральными бензодиазепиновыми рецепторами (цБЗР).

В ПЭТ в качестве радиолигандов для определения плотности цБЗР используют меченые углеродом-11 и фтором-18 (атом фтора входит в состав немеченой молекулы) аналоги флюмазенила (8-фтор-имидазо[1,5-а][1,4]бензодиазепин-3-карбоксил этиловый эфир) [4]. При этом [18Р]флюмазенил ([18Р]ФМЗ) является наиболее перспективным лигандом: относительно большой период полураспада фтора-18 позволяет получать в одном синтезе несколько клинических доз препарата, варьировать в широких пределах время сканирования, а также доставлять препарат в клиники, не имеющие собственного циклотронно-радиохимического комплекса. Относительно низкая энергия позитронного излучения и, соответственно, небольшой пробег позитрона в ткани до аннигиляции с электроном обеспечивает

высокую разрешающую способность при получении контрастных ПЭТ изображений при минимальной дозовой нагрузке. Современные циклотроны позволяют получать фтор-18 по ядерной реакции с большой активностью (до 25 Кюри) и с высокой удельной мольной активностью (до 104 ГБк/мкмоль), что особенно важно при ПЭТ изучении взаимодействий радиолигандов с рецепторами, концентрация которых находится на уровне пикомолей.

Метод синтеза [18Р]ФМЗ, основанный на реакции ароматического нуклеофильного радиофторирования, был разработан в ИМЧ РАН в 2005 г. [5], в настоящее время его используют в некоторых ПЭТ центрах Европы, Канады, Японии и Австралии. Основным фактором, тормозящим широкое клиническое применение [18Р]ФМЗ, является использование метода полупрепаративной высокоэффективной жидкостной радиохроматографии (радио-ВЭЖХ) для выделения радиолиганда из реакционной смеси. Длительная (30-40 мин), сложная и трудоемкая процедура ВЭЖХ сопряжена с большими потерями радиоактивного продукта, кроме того, работа с высокими уровнями активности требует полной автоматизации процесса, но не все системы синтеза снабжены ВЭЖХ. Широко распространенным альтернативным методом является твердофазная экстракция (ТФЭ). Замена ВЭЖХ на ТФЭ для получения радиофармпрепаратов (РФП) с параметрами качества, удовлетворяющими клиническому применению, является краеугольным камнем в разработке радиохимической технологии РФП для ПЭТ.

Решение проблемы разделения соединений-аналогов, одно из которых радиоактивное соединение, полученное без добавления носителя, имеет большое значение во многих областях радиохимии. Выделение методом ТФЭ радиофторированного соединения из реакционной смеси, содержащей субстрат нитро-аналог, является нетривиальной задачей, на поиски решения которой направлены усилия многих ученых, работающих в области получения РФП для ПЭТ.

1.2. Цель работы

Целью настоящей работы является разработка метода ТФЭ для разделения [^]ФМЗ и его нитро-аналога, а также создание для получения [^]ФМЗ, радиофармпрепарата для визуализации ГАМКа рецепторов методом ПЭТ, новой эффективной радиохимической технологии, основанной на экспресс-методе ТФЭ.

1.3. Задачи работы:

Для реализации указанной цели нужно было решить следующие основные задачи:

• Изучить влияние параметров реакции радиофторирования на эффективность введения метки в молекулу субстрата;

• Разделить методом ТФЭ вещества (субстрат и продукт) с близкими физико-химическими свойствами;

• Создать автоматизированную технологию получения радиофармпрепарата [^]ФМЗ.

1.4. Научная новизна

Впервые показана принципиальная возможность использования метода ТФЭ в процессе получения [^]ФМЗ. Изучение влияния параметров реакции радиофторирования на эффективность процесса введения метки, а также на выбор параметров ТФЭ было положено в основу методики фракционного элюирования, разработанной для разделения [^]ФМЗ и предшественника. Проведено сравнение разработанного метода ТФЭ и традиционного метода ВЭЖХ для выделения и очистки [^]ФМЗ. Создана новая эффективная радиохимическая технология для получения радиолиганда [^]ФМЗ.

1.5. Практическая ценность работы Радиофармпрепарат [^]ФМЗ незаменим для ПЭТ визуализации эпилептогенного очага при фармакорезистентных формах эпилепсии. Он также используется в клинических исследованиях различных видов депрессий, определении рецепторного статуса мозга после ишемического инсульта и т.д.

Созданная технология, базирующаяся на выделении и очистке целевого продукта методом ТФЭ, позволяет получить за меньшее время в одном синтезе в 2-4 раза больше клинических доз препарата, чем технология с использованием традиционного метода полупрепаративной ВЭЖХ.

1.6. Методология и методы исследования

В процессе работы изучались процессы 18Р-радиофторирования для получения радиолиганда [18Р]ФМЗ; процессы сорбции [18Р]ФМЗ на поверхности сорбентов и десорбции путем фракционного элюирования; разрабатывался метод ТФЭ для выделения [18Р]ФМЗ из реакционной смеси и методы автоматизации его синтеза; определялись критические точки в синтезе радиолиганда и параметры его спецификации; разрабатывались методики контроля качества и состав инъекционной формы препарата; использовались современные методы синтеза, анализа и идентификации РФП.

1.7. Положения, выносимые на защиту:

1. Был предложен метод ТФЭ для разделения соединений с близкими физико-химическими характеристиками: меченного фтором-18 флюмазенила ([18Р]ФМЗ), полученного без добавления изотопного носителя, и его предшественника в реакции радиофторирования - нитромазенила.

2. Разработанный метод позволил получить [18Р]ФМЗ с параметрами качества (высокой радиохимической и химической чистотой, высокой удельной мольной активностью), которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым к радиолигандам для рецепторных исследований мозга методом ПЭТ.

3. Показано, что в процессе получения [18Р]ФМЗ твердофазная экстракция может успешно конкурировать с полу-препаративной ВЭЖХ, традиционным методом выделения радиофторированных соединений.

4. На основе изученных данных может быть разработана новая автоматизированная радиохимическая технология получения радиофармпрепарата [18Р]ФМЗ для диагностических исследований мозга методом ПЭТ

1.8. Апробация работы

По материалам диссертационной работы опубликовано 3 статьи и 6 тезисов докладов на международных и российских конференциях.

1. Насирзадех М., Ваулина Д.Д., Кузнецова О.Ф., Гомзина Н.А. Новый подход к получению [18F]флумазенила, ПЭТ радиолиганда для визуализации бензодиазепиновых рецепторов// Известия академии наук.сер хим. - 2016. - № 3. - С. 794-800

2. Насирзадех М., Ваулина Д.Д., Гомзина Н.А. Новая технология получения [18F]флюмазенила, радиофармпрепарата для рецепторных исследований мозга методом ПЭТ [Электронный ресурс] // Международный научноисследовательский журнал. - 2017. - № 4 (58). С.127-130 doi: 10.23670/IRJ.2017.58.084

3. Vaulina D., Nasirzadeh M., Gomzina N. Automated radiosynthesis and purification of [18F]flumazenil with solid phase extraction/ // J. Appl. Radiat. Isot. - 2018. - V. 135C - P. 110-114.

4. Gomzina N.A., Vaulina D.D., Nasirzadeh M., Kuznetsova O.F. [18F]flumazenil, radioligand of the central benzodiazepine receptors: a systematic study of synthesis and purification parameters// 17th Radiochemical Conference -RadChem 2014, 11-16 May 2014, MarianskeLazne, Czech Republic, P. 438.

5. Vaulina D.D., Nasirzadeh M., Kuznetsova O.F., Gomzina N.A. Approaches to [18F]flumazenil preparation for clinical PET use. XIII Turku PET symposium, Abstracts, 24-27 May 2014, Turku, Finland, P. 28

6. Nasirzadeh M., Vaulina D.D., Gomzina N.A. New approach to production of [18F]flumazenil, radiopharmaceutical for benzodiazepine receptors imaging by PET, IX International Conference "Mendeleev-2015" Saint- Petersburg, April 7-10, 2015, abstracts book., P. 270-271

7. Гомзина Н.А., Ваулина Д.Д, Насирзадех М., Кузнецова О.Ф. Новые подходы к получению ^^Флюмазенила, радиофармпрепарата для клинических рецепторных исследований мозга методом ПЭТ// 1-ой

Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы разработки, производства и применения радиофармацевтических препаратов», РАДИОФАРМА-2015, г. Москва, 17-19 июня 2015 г., стр. 30.

8. Gomzina N., Vaulina D., Nasirzadeh M. New approach to production of [18F]flumazenil for central benzodiazepine imaging by PET. EANM, Hamburg, European J. Nucl. Med. & Mol. Imaging, 2015, V. 42, Suppl.1, S 480.

9. Ваулина Д.Д., Насирзадех М., Киселева М.М. Новый автоматизированный метод синтеза [18F]флюмазенила, ПЭТ радиолиганда для визуализации центральных бензодиазепиновых рецепторов. Сборник тезисов международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2016» , г. Москва, 12-14 апреля 2016 г, стр.35.

1.9. Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения полученных результатов, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Материал работы изложен на 116 страницах печатного текста, включает 52 рисунков и 20 таблиц.

ГЛАВА 2. Обзор литературы 2.1. Позитронная эмиссионная томография

ПЭТ - наиболее информативный метод медицинской визуализации, основанный на использовании в качестве РФП аминокислот, Сахаров, пептидов и других биомолекул [1-3]. Будучи помеченными короткоживущими изотопами с позитронным типом распада, они принимают самое активное участие в большинстве биохимических процессов организма. Использование фармакокинетических моделей поведения биомолекул позволяет описывать эти процессы в живом организме (in-vivo) на молекулярном уровне. Биохимические процессы нарушаются фактически при всех заболеваниях, и эти изменения обычно предшествуют анатомическим поражениям или распространяются за их пределы. ПЭТ дополняет диагностический процесс информацией о физиологических и метаболических расстройствах в очагах поражения, что существенно уточняет характеристику заболевания. В отличие от других видов томографии ПЭТ называют «функциональной томографией». Теоретически методом ПЭТ можно исследовать любую функцию организма, для этого надо только правильно выбрать химическое соединение - критический параметр оценки работы этой функции. ПЭТ является единственным методом, который позволяет in vivo оценить плотность рецепторов мозга и исследовать нейрорецепторные взаимодействия. Существенным преимуществом ПЭТ-радиотрейсеров является возможность их количественного определения даже в ультрамалых «безносительных» количествах посредством измерения радиоактивного излучения, получить картину пространственного распределения радиотрейсера в исследуемом объекте (трех- или двухмерный концентрационный профиль или «имидж»).

В последние годы широкое распространение получила мультимодальная (гибридная) технология получения совмещенных ПЭТ/КТ изображений, впервые концепция была представлена в 2001 г [6]. Компьютерная томография (КТ) предоставляет информацию о структурных изменениях в органе или ткани,

их размере, форме и локализации, а ПЭТ добавляет данные о функциональном нарушении работы органа или ткани, регистрируя в них изменения метаболизма. Результатом является возможность более точной диагностики и/или идентификации сердечнососудистых и неврологических нарушений, новообразований и т.д., чем при использовании отдельно КТ или ПЭТ томографов, что оказывает большое влияние на стратегию лечения. Универсальность метода делает его незаменимым инструментом для научных исследований.

2.1.1. Принцип ПЭТ

В ПЭТ в качестве носителя информации используются ядра ультра-короткоживущих изотопов, в которых количество протонов превышает количество нейтронов (табл.2.1). При переходе ядра в устойчивое состояние (%Х —> 2_-1у + ) излучается позитрон (р ^ п + Д+), свободный пробег которого заканчивается столкновением с электроном и последующей аннигиляцией. Принцип ПЭТ заключается в одновременной регистрации двух у-квантов, образованных при аннигиляции позитрона и электрона ткани, разлетающихся под углом 180о с энергией 511 кэВ. Гамма-кванты регистрируются с помощью системы парных детекторов (кристаллов), расположенных по кольцу томографа. Если два детектора одновременно зарегистрируют сигнал (так называемое "совпадение"), то можно утверждать, что точка аннигиляции (источник излучения) находится на линии, соединяющей детекторы (рис. 2.1). Этот принцип электронной коллимации отличает ПЭТ от других методов томографического изображения. Использование большого числа детекторов, организованных в несколько плотно упакованных колец с минимальным расстоянием, как между датчиками, так и между кольцами, позволяет увеличить эффективность детектирования.

Рис.2.1. Регистрация аннигиляционного излучения (распределения ПЭТ РФП)

Наиболее широко применяемые в ПЭТ радиоизотопы и их ядерно-физические характеристики приведены в табл. 2.1.

Таб.2.1. Ядерно-физические характеристики основных радионуклидов, используемых в ПЭТ [7,

8]

Радионуклид 15О 11С 18р 68Ga

Т1/2, мин 2.04 9.96 20.39 109.77 67.71

Тип распада Р+(99.9%), Е-захват (0.1%) Р+(99.8%), Е-захват (0.2%) Р+(99.8%), Е-захват (0.2%) Р+(96.9%), Е-захват (3.1%) Р+(90.0%), Е-захват (10%)

Макс. энергия Р+, МэВ 1.70 1.20 0.96 0.64 1.89

Макс. пробег, мышца, мм 8.20 5.40 4.10 2.39 9.30

Ядерная реакция 14^^п)150 160(р,а)^ 14^р,а)пС 180(р,п)18Б

Метод получения Циклотрон Изотопный генератор

*Е-захват - электронный захват ( Р+ + е- ^ п + ие, ) конкурирует с позитронным распадом при разнице между энергетическими уровнями материнского и дочернего атомов более 1.022 МэВ.

Основными преимуществами радионуклидов, используемых в методе ПЭТ, являются следующие:

> Элементы, имеющие позитрон-излучающие изотопы, являются элементами- органогенами (за исключением фтора-18 и галия-68), т.е. принимают самое активное участие в большинстве биологических

процессов т-л>гл>о. РФП, меченный таким изотопом, может быть метаболическим субстратом или одной из жизненно важных в биологическом отношении молекул;

> Малый период полураспада радионуклидов позволяет снизить радиационные нагрузки на оператора, медицинский персонал и пациента при проведении единичного исследования, а также проводить повторные исследования;

> Относительно малый пробег позитронов в ткани обуславливает высокое пространственное разрешение метода ПЭТ;

> Возможность получения соединений с чрезвычайно высокой мольной активностью обеспечивает их использование в рецепторных исследованиях (концентрация рецепторов крайне мала, и введение РФП не должно приводить к их насыщению).

2.2. Радиоизотоп фтор-18 Фтор является наиболее электроотрицательным элементом, электроотрицательность - 4.0 (по Сандерсону). Фтор-18, не являясь элементом-органогеном, применяется в ПЭТ в качестве изоэлектронного аналога гидроксильной группы (или водорода), благодаря близости Ван-дер-ваальсовских радиусов. Введение фтора не приводит к существенным нарушениям в геометрии молекулы, однако, влияет на биохимические свойства [9]. Так, фторированный аналог глюкозы 2-[18Р]фтор-2-дезокси-0-глюкоза ([18Р]ФДГ) фосфорилируется гексокиназой, как и сама глюкоза, но дальнейшему метаболизму не подвергается, а остается в клетке в течение ПЭТ исследования, что позволяет измерить концентрацию РФП в ткани. Во-вторых, изотоп фтор-18 обладает наибольшим периодом полураспада среди наиболее распространенных ПЭТ-радионуклидов (табл. 2.1). Это позволяет проводить сложные многостадийные радиохимические синтезы РФП на его основе, изучать длительные биохимические процессы, а также проводить транспортировку полученных препаратов. В-третьих, фтор редко входит в состав природных

молекул, и в течение радиохимического синтеза 18Р-радиотрейсеры практически не разбавляются нерадиоактивным фтором [19Б]. Поэтому ^-соединения можно получить с максимальной удельной активностью (до 104 ГБк/мкмоль), которая имеет решающее значение для использования этих соединений в качестве радиолигандов для рецепторных исследований мозга методом ПЭТ. Кроме того, в современных циклотронах при одновременном облучении двух мишеней фтор-18 получают с высокой активностью (925 ГБк), что позволяет получать много доз препарата в одном радиохимическом синтезе, а также транспортировать РФП, меченные фтором-18 в клиники, не имеющие своего циклотронно-радиохимического комплекса (сателлитная концепция).

В последние годы в ПЭТ диагностике растет применение ПЭТ радиоизотопа 6^а, его преимуществом является возможность получения из коммерчески доступного генератора 6^е/ 6^а непосредственно в медицинском учреждении [10]. Однако более короткий пробег позитрона в ткани в случае 18Р (табл. 2.1) обеспечивает более высокое пространственное разрешение ПЭТ-изображения. Особенно эта разница заметна при использовании ПЭТ-сканеров для животных, где пробег позитрона является лимитирующим фактором [11].

2.2.1. Получение фтора-18 в мишени циклотрона

Фтор-18 может быть получен в мишени циклотрона с помощью протонного облучения естественного стабильного изотопа кислорода-18 по ядерной реакции 180(р,п)18Р, табл.2.2. Если в качестве мишени используют воду [180]Н20, то получают акватированный [18Р]фторид-ион; если облучают газ [180]02, то продуктом является газообразный [18Р^2. [18Р^2 можно получить также при облучении № дейтронами по ядерной реакции (20№ ^,а) 18Р), табл. 2.2. Выбор способа получения радионуклида зависит от его использования в последующих химических превращениях [12]. Основное различия между двумя химическими формами определяется величиной удельной активности изотопа фтор-18. Удельная активность уменьшается при добавлении газа в

качестве носителя для извлечения фтора-18 в форме [18Р^2 из мишени, (с.м.

таб.2.2). При изучении связывания радиолигандов с нейрорецепторами удельная активность становится решающим фактором, поскольку низкая удельная активность может привести к насыщению рецепторов и уменьшение сигнала ПЭТ от специфического связывания и вызвать фармакологические, а иногда и нейротоксические эффекты, [13]. Основным методом получения радиоизотопа фтор-18 является ядерная реакция 180(р,п)^.

Таб.2.2. Наиболее распространенные ядерные реакции получения фтора-18 на циклотронах

средних энергий [12, 14].

Ядерная реакция 18O(p,n)18F 20Ne(d,a) 18F

Мишень [18О]ШО [18О]О2 (50 |mol F2) Ne (200 |mol F2)

Энергия бомбардирующих частиц, МэВ 16 ^ 3 16 ^ 3 14 ^ 0

Сечение (атах) мбарн 700 700 115

Химическая форма фтора-18 18F-(aq) [18F]F2 [18F]F2

Макс. активность, ГБк До 1000 До 50 До 11

Макс. удельная активность [ГБк/мкмоль] До 104 1 0.1

Добавление носителя Нет Да Да

Метод нуклеофильное замещение Электрофильное присоединение

На рис. 2.2 приведены зависимости сечения ядерных реакций 18O(p,n)18F от

энергии протона (функции возбуждения).

800

700 600 f 500

С

О

а 4оо

to со со

2 300 200 100 о

2 4 6 8 10 12 14 16 18 2[

Particle energy (MeV)

Рис.2.2. Зависимость сечения ядерной реакции 18O(p,n)18F от энергии протонов. [15].

2.3. Методы получения соединений, меченных изотопом фтор-18, для

использования в ПЭТ

РФП для ПЭТ должен удовлетворять следующим требованиям: 1- иметь высокие параметры качества а именно высокую радиохимическую чистоту (РХЧ), высокую химическую чистоту которая определяется содержанием предшественника, межфазного катализатора, органического растворителя, и других примесей; 2- раствор РФП должен быть изотоничным, стерильным, апирогенным с низким содержанием эндотоксинов; 3- общее время получения РФП, включающее транспорт радионуклида в «горячую камеру», процедуру синтеза и очистки препарата, а также контроль качества, не должно превышать трех периодов полураспада радионуклида; синтез должен состоять не более чем из двух стадий (желательно), а методы очистки должны быть эффективными и экспрессными одновременно; 4 - возможность автоматизации всех этапов синтеза для работы с высоким уровнем активности для получения стабильного и воспроизводимого радиохимического выхода.

Экстремально высокое стехиометрическое отношение (> 104) концентрации предшественника (субстрата) и радиоактивного фтор-18 в «безносительных» (нано- и пикомолярных) количествах характерно для реакций псевдопервого порядка, протекающих с высокими скоростями:

г = к[А][В] = к'[А], где г -скорость реакции, а [А] и [В] количества радиоизотопа фтор-18 и субстрата, соответственно. Поэтому реакции получения соединений, меченных «безносительным» фтор-18, протекают намного, чем реакции получения их «холодных» аналогов. При использовании микрофлюидных реакторов, систем капиллярных каналов с большой площадью поверхности, реакции получения радиофторированных соединений протекают в течение нескольких секунд практически без нагрева [16].

Фтор-18 может быть введен в состав органических соединений путем реакций электрофильного присоединения фтора-18 или нуклеофильного замещения [18Р]фторидом уходящей группы молекулы субстрата.

2.3.1. Электрофильное радиофторирование

Электрофильное [18Р]фторирование является исторически первым методом введения фтора-18 в органические соединения, поскольку именно этим методом впервые была получена 2-[18Р]-фтор-2-дезокси-Д-глюкоза ([18Р]ФДГ), радиотрейсер метаболизма глюкозы широко используемый в диагностических исследованиях в онкологии, кардиологии и нейрофизиологии [12]. В этом случае радионуклид фтор-18 стабилизируется в химической форме газа ([18Р^2), см табл. 2.3. В настоящее время метод имеет ограниченное применение из-за низкой удельной активности полученных соединений, поскольку используется носитель 0^2), и невысокого радиохимического выхода получаемых соединений: максимальный теоретический выход - 50%, поскольку присоединяется лишь один атом из молекулы газа фтора. В настоящий время единственным [18Р]РФП, который получают электрофильным радиофторированием является 6-[18Р]фтор-3,4-Ь-дигидроксифенилаланин (6-[18Р]-Ь-ФДОФА), радиотрейсер для изучения дофаминергической системы [17, 18], см. рис.2.3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Насир Задех Мортеза, 2020 год

ГЛАВА 6. Список литературы

1. Ter-Pogossian M.M., Phelps M.E., Hoffman E.J., Mullani N.A. A positron-emission transaxial tomograph for nuclear imaging (PET)// j. Radiology. 1975, vol. 114 (1)- P. 89-98

2. Mian M.A. Positron emission tomography (PET) imaging with 18F-based radiotracers// Am J Nucl Med Mol Imaging 2012, vol. 2(1)- P.55-76

3. Wood K.A., Hoskin P.J., Saunders M.I. Positron Emission Tomography in Oncology: A Review// Clinical Oncology 2007 vol. 19-P. 237-255

4. Andersson, J.D., Halldin. C. PET radioligands targeting the brain GABAA/benzodiazepine receptor complex//J. Label Compd. Radiopharm. - 2013. -Vol. 56 -P.196-206.

5. Ryzhikov N.N., Seneca N., Krasikova R.N., Gomzina NA, Shchukin E,Fedorova

05. Vassiliev DA, Gulyas B, Hall H, Savic I, Halldin C. Preparation of highly specific radioactivity [18F] flumazenil and its evaluation in cynomolgus monkey by positron emission tomography.// Nucl Med Biol, 2005, V. 32(2), P. 109-116.

6. Beyer T., Townsend D.W., Brun T., Kinahan P.E., Charron M., Roddy R., Jerin J., Young J., Byars L., Nutt R. A combined PET/CT scanner for clinical oncology// J Nucl Med. 2000, vol. 41(8)- P. 1369-1379.

7. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. // Физические величины: Справочник. М., Энергоатомиздат.1991, 1232 С.

8. Корсаков М.В. РУКОВОДСТВО ПО ПЭТ РАДИОХИМИИ 2002.

9. Varagnolo L., Stokkel M.P.M., Mazzi U., Pauwels E.K.J.; F-18-labeled radiopharmaceuticals for PET in oncology, excluding FDG. //Nucl. Med & Biol., 2000, Vol. 27- P. 103 - 112.

10. Velikyan I. Prospective of 68Ga-Radiopharmaceutical Development. Theranostics 2014, Vol. 4(1)- P. 47-80

11. Sanchez-Crespo A. Comparison of Gallium-68 and Fluorine-18 imaging characteristics in positron emission tomography// Applied Radiation and Isotopes 2013, vol. 76 - P. 55-62

12. Coenen H.H. Fluorine&18 labeling methods: features and possibilities of basic reactions // "PET chemistry: the driving force in molecular imaging", Ernst Schering Research Foundation Workshop 62 / Eds. P.A. Schubiger, L.Lehmann, M. Fribe . -Berlin : Springer&Verlag, 2007. - P. 15-50.

13. Cai, L., Lu, S., Pike, V.W. Chemistry with [18F]Fluoride Ion// Eur. J. Org. 2008, vol. 17- P. 2853 -2873

14. Eberl.S., Eriksson R., Svedberg O., Norling J., Henderson D., Lam P., Fulham M. High Beam Current Operation of a PETtraceTM Cyclotron for 18F Production// Applied Radiation and Isotopes, 2012, Vol. 70 - P. 922-930.

15. Hess E, Takacs S, Scholten B, Tarkanyi F, Coenen HH, Qaim SM. Excitation function of the 18O(p,n)18F nuclear reaction from threshold up to 30 MeV// Radiochim Acta, 2001, vol. 89 P. 357-362

16. Long N, Wong W. The Chemistry of Molecular Imaging // John Wiley & Sons, 2014 - Medical - 408 pages

17. Pretze M., Wängler C., Wängler B. 6-[18F]fluoro-L-DOPA: a well-established neurotracer with expanding application spectrum and strongly improved radiosyntheses//Biomed Res Int. 2014, doi: 10.1155/2014/674063

18. Imani F., Agopian V.G., Auerbach M.S., Walter M.A, Imani F., Benz M.R., Dumont R.A., Lai C.K., Czernin J.G., Yeh M.W. 18F&FDOPA PET and PET/CT Accurately Localize Pheochromocytomas// J. Nucl. Med, 2009, Vol. 50. - P. 513-519.

19. Richter S., Wuest F. 18F-Labeled Peptides: The Future Is Bright// Molecules, 2014, vol. 19 P. 20536-20556

20. Su J.W., Burnette R.R. First principles investigation of noncovalent complexation: a [2.2.2]-cryptand ion-binding selectivity study// ChemPhysChem, 2008, vol. 9- P. 1989-1996

21. Roeda D., Dolle F. Aliphatic nucleophilic radiofluorination// Current Radiopharmaceuticals, 2010, vol. 3(2)- P. 81-108

22. Jacobson O., Kiesewetter D.O., Chen X. Fluorine-18 Radiochemistry, Labeling Strategies and Synthetic Routes// Bioconjugate Chem. 2015, vol. 26- P. 1 -18

23. Hamacher K., Coenen H.H., Stöckling G. Efficient stereospecific synthesis of no-carrieradded 2-[18F]-fluoro-2-deoxy-D-glucose using amino polyether supported nucleophilic substitution// Nucl.Med., 1986, vol. 27 (2)P. 235-238.

24. Brichard L., Franklin I.F. An Efficient Method for Enhancing the Reactivity and Flexibility of [18F]Fluoride Towards Nucleophilic Substitution Using Tetraethylammonium Bicarbonate// Eur. J. Org. Chem 2014, vol. 2014(28) P. 6145614

25. Wester, Hans-Jürgen, Peter, henriksen, Gjermund, weßmann, Sarah, Hedwig. Method for the direct elution of reactive [18f]fluoride from an anion exchange resin in an organic medium suitable for radiolabelling without any evaporation step by the use of alkalimetal and alkaline earth metal cryptates// W0/2011/141410- 2015

26. Gomzina N.A., Zaitsev V.V., Krasikova R.N Optimization of Automated Synthesis of 2-[18F]Fluoro-2-deoxy-D-glucose Involving Base Hydrolysis// Radiochemistry 2002, Vol 44 (4)- P. 403-409

27. Jacobson, O., Chen, X. PET designated fluoride-18 production and chemistry// Curr. Top. Med. Chem. 2010, vol. 10- P. 1048 -1059

28. Grierson J.R., Shields A.F. Radiosynthesis of 3'-deoxy- 3'-[18F]fluorothymidine: [18F]FLT for imaging of cellular proliferation in vivo// Nucl Med Biol. 2000, vol. 27- P. 143-156

29. Гомзина Н.А., Васильев Д.А, Красикова Р.Н. Использование 2-[181Г]фторэтилбромида в синтезе 0-(2'-[18f]фторэтил)-l-тирозина - радиотрейсера для диагностики опухолей мозга методом пэт// Радиохимия. 2007, vol. 49(3)- P. 264-269

30. DeGrado T.R., Coleman R.E., Wang S., Baldwin S.W., Orr M.D., Robertson C.N., Polascik T.J., Price D.T. Price Synthesis and Evaluation of 18F-labeled Choline as an Oncologic Tracer for Positron Emission Tomography: Initial Findings in Prostate Cancer// Cancer Res, 2000, vol. 61- P. 110-117.

31. Attina M., Cacace F., Wolf A.P. Labeled aryl fluorides from the nucleophilic displacement of activated nitro groups by 18F-F- // J. Label. Compd. Radiopharm, 1983, vol. 20- P. 501-514

32. Rengan R., Chakraborty P.K., Kilbourn M.R. Can we predict reactivity for aromatic nucleophilic substitution with F.fluoride ion// J Label Compd Radiopharm. 1993, Vol. 33- P. 563-572

33. Angelini G., Speranza M., Wolf A.P. Nucleophilic aromatic substitution of activated cationic groups by 18F-labeled fluoride. A useful route to no-carrier-added (NCA) 18F-labeled aryl fluorides// J. Fluor. Chem., 1985, vol. 27(2)- P. 177-191

34. Sun H., DiMagno S.G. Competitive demethylation and substitution in N,N,N-trimethylanilinium fluorides// J. Fluorine Chem., 2007, vol. 128(7)- P. 806-812

35. Coenen H.H., Ermert J. Direct nucleophilic 18F-fluorination of electron rich arenes: present limits of no-carrier-added reactions// Current Radiopharmaceuticals, 2010, vol. 3(3)- P. 163-173.

36. Isidro-Llobet A., Alvarez M., Albericio F. Amino acid-protecting groups// Chem Rev. 2009, vol. 109- P. 2455-2504

37. Liu, S.; Chin, FT.; Cheng, Z.; Chen, X. Synthesis of [18F]FPPRGD2. In: Scott, PJH., Hockley, BG., editors. Radiochemical syntheses, Radiopharmaceuticals for positron emission tomography// Hoboken, 2011, P. 51-60

38. Berndt M, Pietzsch J, Wuest F. Labeling of low density lipoproteins: 18F-labeled thio-reactive reagent N-[6-[18F]fluorobenzylidine) aminooxyhexyl]maeimide// Nucl. Med. and Biol, 2007, vol. 34- P. 5-25.

39. Glaser M., Robins E. G. Click labelling' in PET radiochemistry// J. Labelled Compd. Radiopharm, 2009, vol. 52- P. 407-414.

40. Kettenbach K., Schieferstein H., T. L. Ross T.L. 18F-labeling using click cycloadditions// Biomed Res Int, 2014, vol. 2014, ID 361329, 16 pages

41. Tredwell M., Preshlockn S.M., Taylor N.J., Gruber S., Huiban M., Passchier J., Mercier J., Gnicot C., Gouverneur V. A General Copper-Mediated Nucleophilic 18F Fluorination of Arenes// Angew. Chem. 2014, V. 53- P. 7751-7755

42. Mossine A.V., Brooks A.F., Makaravage K.J., Miller J.M., Ichiishi N., Sanford M.S., Scott P.J.H. Synthesis of [18F]Arenes via the Copper-Mediated [18F]Fluorination of Boronic Acids// Org. Lett., 2015, V. 17 (23)- P. 5780-5783

43. Lange C.W., VanBrocklin H.F., Taylor S.E. Photoconjugation of 3-azido-5-nitrobenzyl-[18F]fluoride to an oligonucleotide aptamer. J. Labelled Compd. Radiopharm. 2002;45(3):257-268

44. Li L., Hopkinson M.N., Yona R.L., Bejot R., Gee A.D., Gouverneur V. Convergent 18F radiosynthesis: A new dimension for radiolabelling// Chem Sci, 2011, vol. 2- P. 123-131

45. Deng H., Cobb S.L., Gee A.D., Lockhart A., Martarello L., McGlinchey R.P., O'Hagan D., Onega M. Fluorinase mediated C—F-18 bond formation, an enzymatic tool for pet labelling// Chem. Commun. 2006, P. 652-654

46. Krasikova, R. Synthesis Modules and Automation in F-18 Labeling. In PET Chemistry, Schubiger, P.A.; Lehmann, L.; Friebe, M., Ed.; Springer: Berlin, 2007, pp. 289-316

47. Федорова О.С., Кузнецова О.Ф., Демьянов А.С., Оболенцев В.Ю., Гомзина Н.А., Орловская В.В., Красикова Р.Н. Автоматизация процессов нуклеофильного радиофторирования на примере синтеза ^-фтордезоксиглюкозы для позитронной эмиссионной томографии. Медицинская физика. .№2, С. 61-72, 2010

48. Sachinidis J.I., Poniger S., Tochon-Danguy J.H. Automation for Optimised Production of Fluorine-18-Labelled Radiopharmaceuticals// Current Radiopharmaceuticals, 2010, vol. 3- P. 248-253

49. http://www3.gehealthcare.ru/ruru/products/categories/molecular imaging/petra diopharmacy/tracer center equipment/fastlab 2

50. Р.Н. Красикова. Радиофармпрепараты для ПЭТ: методы синтеза и автоматизации. Стр. 21-40. Глава в монографии «Национальное руководство по радионуклидной диагностике» под редакцией Ю.Б.Лишманова, В.И.Чернова. -Томск: STT, 2010, 688 с; ISBN 980-5-93629-387-0

51. Krasikova R. PET radiochemistry automation: State of the art and future trends in 18F-nucleophilic fluorination. Curr. Org. Chem. 2013; 17 (19); 2097-2107.

52. Ory D., Van den Brande J., de Groot T., Serdons K., Bex M., Declercq L., Cleeren F., Ooms M., Van Laere K., Verbruggen A., Bormans G. Retention of [18F]fluoride on reversed phase HPLC columns// J Pharm Biomed Anal, 2015, vol. 111- P. 209-214

53. Fischer S., Hiller A., Smits R., Hoepping A., Funke U., Wenzel B., Cumming P., Sabri O., Steinbach J., Brust P. Radiosynthesis of racemic and enantiomerically pure (-)-[18F]flubatine--a promising PET radiotracer for neuroimaging of a4ß2 nicotinic acetylcholine receptors// Appl Radiat Isot, 2013, vol. 74- P. 128-136

54. Massaweh G., Schirrmacher S., La Fougere C., Kovacevic M.,.Wangler C., Jolly D., Gravel P., Reader A.J., Thiel A., Schirrmacher R. Improved work-up procedure for the production of [18F]flumazenil and first results of its use with a high-resolution research tomograph in human stroke //Nucl. Med. & Biol., 2009, V.36- P.721-727.

55. Camel V. Solid phase extraction of trace elements// Spectrochim. Acta Part B At. Spectrosc, 2003, V.58- P.1177-1233.

56. Erger C., Schmidt T.C. Disk-based solid-phase extraction analysis of organic substances in water// TrAC Trends Anal. Chem., 2014, V.61- P.74-82.

57. Huck C.W., Bonn G.K. Recent developments in polymer-based sorbents for solid-phase extraction, J. Chromatogr A. 2000, V.885- P.51-72

58. Andrade-Eiroa A., Canle M., Leroy-Cancellieri V., Cerda V. Solid phase extraction of organic compounds: a critical review. part i// TrAC Trends Anal. Chem., 2016, V.80- P.641-654.

59. Fritz JS. Analytical Solid-Phase Extraction. Wiley VCH, New York. 1999, P.224, ISBN: 978-0-471-24667-1.

60. Fontanals N., Maria Marce R., Borrull F. Overview of the novel sorbents available in solid-phase extraction to improve the capacity and selectivity of analytical determinations// contributions to science, 2010, V.6 (2)- P.199-213

61. Chitneni S.K., Serdons K., Evens N., Fonge H., Celen S., Deroose C.M., Debyser Z., Mortelmans L., Verbruggen A.M., Bormans G.M. Efficient purification and metabolite analysis of radiotracers using high-performance liquid chromatography and on-line solid-phase extraction// J. Chromatogr A. 2008, V.1189- P.323-331.

62. Pascali C., Bogni A., Fugazza L., Cucchi C., Crispu O., Laera L., Iwata R., Maiocchi G., Crippa F., Bombardieri E. Simple preparation and purification of ethanol-free solutions of 3' -deoxy-3' -[ 18F]fluorothymidine by means of disposable solidphase extraction cartridges// Nuclear Medicine and Biology. 2012, V.39- P.540-550.

63. Lavena M., Alsberga T., Yub Y., Adolfsson-Ericia M., Sunb H. Serial mixed-mode cation- and anion-exchange solid-phase extraction for separation of basic, neutral and acidic pharmaceuticals in wastewater and analysis by high-performance liquid chromatography quadrupole time-of-flight mass spectrometry// J. Chromatogr A, 2009, V. 1216- P.49-62.

64. Szatkowska P, Koba M., Koliski P., Szablewski M. Molecularly Imprinted Polymers' Applications: A Short Review// Mini-Reviews in Organic Chemistry, 2013, V.10- P.400-408.

65. Schirmer C., Meisel H. Molecularly imprinted polymers for the selective solidphase extraction of chloramphenicol// Anal Bioanal Chem, 2008 V.392- P.223-229

66. Гендриксон о.д., жердев а.в., дзантиев б.б. Молекулярно импринтированные полимеры и их применение в биохимическом анализе// Успехи биологической химии, 2006 V.46- P.149-192.

67. Vasapollo G., Del Sole R., Mergola L., Lazzoi M.R., Scardino A., Scorrano S., Mele G. Molecularly Imprinted Polymers: Present and Future Prospective//Int J Mol Sci. 2011, V.12(9)- P.5908-5945.

68. Nigel J.K. Simpson. Solid-phase extraction: principles, techniques, and applications. CRC Press, Mar 15, 2000 - Science - 528 pages

69. Iwata R., Pascali C., Yuasa M., Yanai K., Takahashi T., Ido T. On-line [11C]methylation using [11C]methyl iodide for the automated preparation of 11C-radiopharmaceuticals// Appl. Radiat. Isot., 1992, V.43- P.1083-1088

70. Pascali C, Bogni A, Iwata R, Cambie M, Bombardieri E. [11C]Methylation on a C18 Sep-Pak cartridge: A convenient way to produce [N-methyl-11C]choline// J Label Compds Radiopharm, 2000, V.43- P.195-203

71. Gomzina N.A., Kuznetsova O.F. L-[Methyl-(11C)]-methionine of high enantiomeric purity production via online-11C-methylation of L-homocysteine thiolactone hydrochloride//Russ. J. Bioorg. Chem, 2011, V.37- P.191-197

72. Гомзина Н. А., Кузнецова О. Ф., Ваулина Д. Д. Метилирование как метод синтеза радиофармацевтических препаратов для позитронной эмиссионной томографии// Известия Академии наук. Серия химическая, 2015, № 7- P.1536-1546

73. Gao M., Wang M., Mock B.H., Miller K.D., Sledge G.W., Hutchins G.D., Zheng Qi.H. synthesis of new carbon-11 labeled cyclofenil derivatives for PET imaging of breast cancer estrogen receptors// Appl. Radiat. Isot, 2008, V.66- P.523-529.

74. Gao M., Wang M., Miller K.D., Hutchins G.D., Zheng Qi.H. Synthesis of carbon-11 labeled celecoxib derivatives as new candidate PET radioligands for imaging of inflammation// Appl. Radiat. Isot., 2009, V.67- P.2019-2024

75. Zheng Q.H., Mock B.H. Purification of carbon-11 PET radiotracers from unlabeled precursors by preparative HPLC and SPE// Biomed Chromatogr. 2005, V.19- P.671-76.

76. Seo J.W, Lee B.S., Lee S.J., Oh S.J., Chi D.Y. Fast and Easy Drying Method for the Preparation of Activated [18F]Fluoride Using Polymer Cartridge// Bull. Korean Chem. Soc, 2011, V.32- P.71-76

77. Kilian k., Pe^gier M., Peckal1 A., Pyrzyn'ska K. Distribution and separation o f metallic and radionuclidic impurities in the production of 18F-fluorodeoxyglucose. J Radioanal Nucl Chem, 2016 V.307- P.1037-1043

78. Mulholland G.K., Mangner T.J., Jewett D.M., Kilbourn M. R. Polymer-supported nucleophilic radiolabeling reactions with [18F]fluoride and [11C]cyanide ion on quaternary ammonium resins. J. Label. Compound. Radiopharm// 1989, V.26-P.378-380.

79. Toorongian S.A., Mulholland G.K., Jewett D.M., Bachelor M.A., Kilbourn M.R. Routine production of 2-deoxy-2-[18F]fluoro-d-glucose by direct nucleophilic exchange on a quaternary 4-aminopyridinium resin. Int. J. Rad. Appl. Instrum. B// 1990, V.17- P.273-279

80. Mathiessen B., Zhuravlev F. Automated solid-phase radiofluorination using polymer-supported phosphazenes// Molecules, 2013, V.18- P.10531-10547.

81. Mathiessen B., Severin G., Zhuravlev F. Towards automated solid phase radiofluorination for dose-on-demand PET: retention of activity by solid support// Radiochim. Acta, 2015 V.103 P.227-232

82. Elizarov A.M. Microreactors for radiopharmaceutical synthesis// Lab Chip, 2009, V.9 -P. 1326-1333

83. Keng P.Y., Ismail R., Machness A., Park K.J. Polymer Monoliths for Solvent Exchange in Continuous Flow Microfluidic Devic.// WO 2013/188446, 2013

84. Zhoua D., Chua W., Penga X., McConathya J., Macha R.H., Katzenellenbogen J.K. Facile purification and click labeling with 2-[18F]fluoroethyl azide using solid phase extraction cartridges// Tetrahedron Lett, 2015, V.56- P.952-954

85. Chitneni S.K., Serdons K., Evens N., Fonge H., Celen S., Deroose C.M., Debyser Z., Mortelmans L., Verbruggen A.M., Bormansa G.M., Efficient purification and metabolite analysis of radiotracers using high-performance liquid chromatography and on-line solid-phase extraction// Chromatography A, 2008, V.1189- P.323-331.

86. Monograph Fludeoxyglucose (18F) Injection. European Pharmacopoeia Ed., V.6 (2009).

87. Государственная Фармакопея РФ, часть 1, Москва 2007, 696 с

88. Lee S.J., Oh S.J., Chi D.Y., Moon D.H, Ryu J.S. High Yielding [18F]Fluorination Method by Fine Control of the Base//Bull. Korean Chem. Soc. 2012, V.33- P.2177-2180

89. Li S., Schmitz A., Lee H., Mach R.H. Automation of the Radiosynthesis of Six Different 18F-labeled radiotracers on the AllinOne// EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry 2016, 1:15 DOI 10.1186/s41181-016-0018-0

90. Osborn N.J., Grigg J. a method for removal of [18f] fluoride alumina comprising washing// Us patent US8053622 B2. Nov 8, 2011

91. Lu S., Pike V.W. Synthesis of [18F]Xenon Difluoride as a Radiolabeling Reagent from [18F]Fluoride Ion in a Micro-reactor and at Production Scale// J Fluor Chem, 2010 V.131- P.1032-1038.

92. Luthra S.K., Brady F., Wadsworth H.J., Gibson A.M, Glaser M.E. solid-phase nucleophilic fluorination. Canadian patent CA2450637 A1. Aug 17, 2010

93. Leo M.L. Nollet. Chromatographic Analysis of the Environment, Third Edition. CRC Press, 2005 - P.1320

94. Lemaire C., Plenevaux A., Aerts J., Del Fiore G., Brihaye C., Le Bars D., Comar D., Luxen A. Solid phase extraction - an alternative to the use of rotary evaporators for solvent removal in the rapid formulation of PET radiopharmaceuticals// J. labelied Cpd. Radiopharm, 1999- V.42- P.63-75.

95. Moon B.S., Kil H.S., Park J.H., Kim J.S., Park ., Chi D.Y., Lee B.C and Kim S.E. Facile aromatic radiofluorination of[18F]flumazenil from diaryliodonium salts with evaluation of their stability and selectivity.// Org. Biomol. Chem., 2011, V.9-P.8346-8355.

96. Tang G., Tang X., Wen F., Wang M., Li B. A facile and rapid automated synthesis of 3'-deoxy-3'-[18F]fluorothymidine// Appl Radiat Isot, 2010, V.68- P.1734-1739

97. Tadino V., Muller M. Process for synthesizing labeled compounds. PCT W02006133732 A1. Dec 21, 2006

98. Lee S.J., Hyun J.S., Oh S.J., Yu K.H, Ryu J.S. Development of a new precursor-minimizing base control method and its application for the automated synthesis and SPE purifi cation of [18F]fluoromisonidazole ([18F]FMISO// J. Label Compd. Radiopharm, 2013, V.56- P.731-735

99. Hongliang W., Kongzhen H., Ganghua T., Tingting H., Xiang L. Simple and efficient automated radiosynthesis of 2-18F-fluoropropionic acid using solid-phase extraction cartridges purification// J. Label Compd. Radiopharm, 2012, V.55- P.366-370

100. Smith G., Bayoudh S., Perollier C., Bhalla R. Rapid Purification of Fluorine-18 Containing Synthons Using Molecularly Imprinted Polymer Cartridges// International Symposium on Radiopharmaceutical Sciences (ISRS), Jeju, Korea, 12-17 May 2013.

101. Perollier C., Alix F., Bayoudh S., Naraghi K. Fast and Selective Purification of a Fluorous Radiotracer using AFFINIMIP® SPE 18F based on Molecularly Imprinted Polymers SPE// 19th International Symposium on Radiopharmaceutical Sciences, Amsterdam, Pays-Bas, from August 28th to September 2nd 2011.

102. Perollier C., Alix F., Bayoudh S., Naraghi K. Fast and Selective Purification of a Fluorous Radiotracer using SPE based on Molecularly Imprinted Polymers// EANM 2012 European Association of Nuclear Medicine, Milan, Italy, October 27-31, 2012.

103. James A. H. Inkster, Didier J. Colin and Yann Seimbille. A n ovel 2-cyanobenzothiazole-based 18F prosthetic group for conjugation to 1,2-aminothiol-bearing targeting vectors// Org. Biomol. Chem., 2015, V.13- P.3667-3676

104. Colin D.J, Inkster J.H, Stéphane Germain S., Seimbille Y. Preclinical validations of [18F]FPyPEGCBTc(RGDfK): a 18F-labelled RGD peptide prepared by ligation of 2-cyanobenzothiazole and 1,2-aminothiol to image angiogenesis// EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry 2016, 1:16 DOI 10.1186/s41181-016-0019-z

105. Ametamey S.M., Honer M., Schubiger P.A. Molecular imaging with PET// Chem Rev, 2008, V.108- P.1501-1516

106. - Heiss W.D., Herholz K. Brain receptor imaging// J Nucl Med, 2006, V.47-P.302-312

107. Gulyas B., Halldin C., Mazière B. In Vivo Imaging of Neurotransmitter Systems with PET in Handbook of Neurochemistry and Molecular Neurobiology 2008 Springer Science+Business Media, NY, USA, Editors:A. Lajtha, E. S. Vizi pp 75-100.

108. Chakravarty R., Hong H., Cai W. Positron Emission Tomography Image-Guided Drug Delivery: Current Status and Future Perspectives// Mol. Pharmaceutics, 2014, V.11- P.3777-3797.

109. Sigel E., Steinmann M.E. Structure, function and modulation of GABAA receptors// J. Biol. Chem, 2012, V.287 P-40224-40231

110. Miller P. S., Smart T. G. Binding, activation, and modulation of Cys loop receptors// Trends Pharmacol. Sci, 2010, V.31- P.161-174.

111. Miller P.S., Aricescu A.R. Crystal structure of a human GABAA receptor// Nature, 2014, V.512 P.270-275.

112. Middendorp S.J., Maldifassi M.C., Baur R., Sigel E. Positive modulation of synaptic and extrasynaptic GABAA receptors by an antagonist of the high affinity benzodiazepine binding site// Neuropharmacology, 2015, V.95- P.459-467.

113. Clayton T., Poe M.M., Rallapalli S., Biawat P., Savic M. M., Rowlett J. K., Gallos G., Emala Ch. W., Kaczorowski C. C., Stafford D. C., Arnold L.A., Cook J. M. A Review of the Updated Pharmacophore for the Alpha 5 GABA(A) Benzodiazepine Receptor Model, International Journal of Medicinal Chemistry, 2015, http://dx.doi.org/10.1155/2015/430248

114. Hunkeler W. Benzodiazepines, the story of the antagonist Flumazenil and the partial agonist Bretazenil// Chimia. 1993, V.47- P.141 -147

115. Maziere M., Prenant C., Sastre J. et al. Etude "in vivo" des récepteurs aux benzodiazépines par tomographie par émission de positons// Compt. Rend. Acad. Sci. Serie III, sciences de la vie. 1983. V. 296. p. 871 -876.

116. Mazière M., Hantraye P., Prenant C., Sastre J, Comar D. Synthesis of ethyl 8 fluoro-5.6-dihydro-5-(11C)methyl-6-oxo-4Himidazol( 1.5-a) benzodiazepine-3-carboxylate (Ro 15-1788): a specific radioligand for in vivo study of central benzodiazepine receptors by positron emission tomography// Int J Appl Radiat Isotop, 1984, V.35, P.973-8.

117. Pike V.W. PET radiotracers: crossing the blood brain barrier and surviving metabolism// Trends Pharmacol Sci, 2009, V.30- P.431-440.

118. Davenport A.P., Russell F.D. Radioligand Binding Assays: Theory and Practice// Current Directions in Radiopharmaceutical Research and Development, 1996, V.30- P.169-179.

119. Magata Y., Mukai T., Ihara M, Nishizawa S., Kitano H., Ishizu K., Saji H., Konishi J, Simple Analytic Method of 11C-Flumazenil Metabolite in Blood. J Nucl Med. 2003 Mar;44(3):417-21

120. Amini N., Nakao R., Schou M., Halldin C. Identification of PET radiometabolites by cytochrome P450, UHPLC /Q-ToF-MS and fast radio-LC: applied to the PET radioliga nds [11C]flumazenil, [18F]FE-PE2I, and [11C]PBR28// Anal Bioanal Chem, 2013, V.405- P.1303-1310

121. Vivash L., Gregoire M., Bouilleret V., BerardA., Wimberley C., Binns D., Roselt P, Katsifis A., Myers D.E., Hicks R.J., O'Brien T.J., Dedeurwaerdere S. In Vivo Measurement of Hippocampal GABAA/cBZR Density with [18F]-Flumazenil PET for the Study of Disease Progression in an Animal Model of Temporal Lobe Epilepsy// PLoS One, 2014, V.9 P.e86722, doi: 10.1371/journal.pone.0086722

122. Juhasz C., Asano E., Shah A., Chugani D.C., Carlos E. Batista A., Muzik O, Sood S, Chugani H.T. Focal decreases of cortical GABA(A) receptor binding remote from the primary seizure focus: What do they indicate// Epilepsia, 2009 V.50-P.240-250

123. Mohler H. The Legacy of the Benzodiazepine Receptor: From Flumazenil to Enhancing Cognition in Down syndrome and Social Interaction in Autism// Advances in Pharmacology, 2015, V.72- P.1-36

124. Quelch D., de Santis V., Strege A., Myers J., Wells L., Nutt D., Lingford-Hughes A., Parker C., Tyacke R. Influence of Agonist Induced Internalization on [3H]Ro15-4513 Binding-An Application to Imaging Fluctuations in Endogenous GABA With Positron Emission Tomography// synapse, 2015, V.69- P. 60-65

125. Lingford-Hughes, A., Reid, A.G., Myers, J., Feeney, A., Hammers, A., Taylor, L.G., Rosso, L., Turkheimer, F., Brooks, D.J., Grasby, P., Nutt, D.J. A [11C]Ro15 4513 PET study suggests that alcohol dependence in man is associated with reduced alpha5 benzodiazepine receptors in limbic regions// J Psychopharmacol, 2012, V.26- P.273-281

126. Kuki I., Kawawaki H., Okazaki S., Inoue T., Nukui M., Tomiwa K., Amou K, Togawa M., Shiomi M. Usefulness of 123I-iomazenil SPECT in pediatric patients with neurological disease// No To Hattatsu, 2012, V.441- P.5-12.

127. Nagamitsu S., Yamashita Y., Tanigawa H., Chiba H., Kaida H., Ishibashi M., i Kakuma T., Croarkin P.E., Matsuishi T. Upregulated GABA Inhibitory Function in ADHD Children with Child Behavior Checklist-Dysregulation Profile: 123I-Iomazenil SPECT Study///Front Psychiatry, 2015, V.2- P.6:84

128. Debets R.M., Sadzot B., Isselt J W., Brekelmans G.J.F., Meiners L.C,, Huffelen A.C, Franck G, Veelen C.W.M. Is 11C-flumazenil PET superior to 18FDG PET and 1231-iomazenil SPECT in presurgical evaluation of temporal lobe epilepsy// Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry, 1997, V.62- P.141-150

129. Imataka G., Ogino M., Sakamoto S., Arisaka O. Presurgical Evaluation of Epileptogenic Focus in Temporal Lobe Epilepsy by 11C-Flumazenil PET and 123I-Iomazenil SPECT: A Case Report// HK J Paediatr (new series) 2013, V.18- P.178-181

130. Fukumura T., Yamaguchi M., Suzuki K. Radiolysis of an aqueous [11C]iomazenil solution. //Radiochim. Acta, 2004, V.92- P.119-123

131. Inoue O., Hosoi R., Kobayashi K., Itoh T., Gee A., Suzuki K. Different sensitivities to competitive inhibition of benzodiazepine receptor binding of 11C-iomazenil and 11C-flumazenil in rhesus monkey brain//Ann Nucl Med, 2001, V.15-P.137-9.

132. Laere K.V., Bormans G., Sandra M. Bohorquez S., de Groot T., Dupont P., De Lepeleire I., de Hoon J., Mortelmans L., Hargreaves R.J., Atack J.R., Burns H.D. In Vivo Characterization and Dynamic Receptor Occupancy Imaging of TPA023B, an a2/a3/a5 Subtype Selective -Aminobutyric Acid-A Partial Agonist// biol psychiatry, 2008, V.64- P.153-161.

133. Bremner J.D., Baldwin R., Horti A., Staib L.H., Ng C.K., Tan P.-Z., Zea-Ponce Y., Zoghbi S., Seibyl J.P., Soufer R. Quantitation of benzodiazepine receptor binding with PET [11C]iomazenil and SPECT [123I]iomazenil: preliminary results of a direct comparison in healthy human subjects //Psychiatry Research: Neuroimaging, 1999, V.91- P.79-91

134. Leveque P., Sanabria-Bohorquez S., Bol A., De Volder A., Labar D., Van Rijckevorsel K., Gallez B. Quantification of human brain benzodiazepine receptors using [18F]fluoroethylflumazenil: a first report in volunteers and epileptic patients// Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2003, V. 30- P.1630-6

135. Chang Y.S., Jeong J.M., Yoon T.Y.H., Kang W.J., Lee S.J, Lee D.S., Chung J.K., Lee M.C. Biological properties of 2V-[18F]fluoroflumazenil for central benzodiazepine receptor imaging// Nuclear Medicine and Biology, 2005, V.32- P.263 - 268

136. Dedeurwaerdere S., Gregoire M.C., Vivash L., Roselt P., Binns D. Invivo imaging characteristics of two fluorinated flumazenil radiotracers in the rat// Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2009, V.36- P.958-965

137. Kang J.I, Park H., Kim S.J., Kim K.R, Lee S.Y., Lee E., An S.K., Kwon J.S., Lee J.D. Reduced Binding Potential of GABA-A/Benzodiazepine Receptors in Individuals at Ultra-high Risk for Psychosis: An [18F]-Fluoroflmazenil Positron Emission Tomography Study//Schizophrenia Bulletin, 2014, V.40- P.548-557

138. Park H, Kim C.H., Park E.S., Park B., Oh S.R., Oh M., Park C.I., Lee J.D. increased GABA-A Receptor Binding and Reduced Connectivity at the Motor Cortex in Children with Hemiplegic Cerebral Palsy: A Multimodal Investigation Using 18F-Fluoroflumazenil PET, Immunohistochemistry, and MR Imaging //J Nucl Med, 2013, V.54- P.1263-1269

139. Рыжиков. Н.Н., Гомзина Н.А., Федорова О.С., Васильев Д.А., Костиков.,Р.Н Красикова А.П., Использование метода изотопного обмена для получения [18F]флюмазенила, потенциального радиолиганда для визуализации центральных бензодиазепиновых рецепторов методом ПЭТ// Радиохимия, 2003, Т.46, № 3, С. 267-271.

140. Delforge J., Spelle L., Bendriem B., Samson Y., Bottlaender M., Papageorgiou S., Syrota A. Quantitation of benzodiazepine receptors in human brain using the partial saturation method// J. Nucl. Med., 1996, V.37- P.5-11

141. Odano I., Halldin C., Karlsson P., Varrone A., Airaksinen A.J., Krasikova R.N., Farde L. [18F]Flumazenil binding to central benzodiazepine receptor studies by PET:-Quantitative analysis and comparisons with [11C] flumazenil// Neuroimage, 2009, V.45- P.891-902

142. Mandap K.S., Ido T., Yasushi Kiyono Y., Kobayashi M., Lohith T.G., Mori T., Kasamatsu S, Kudo T, Okazawa H., Fujibayashi Y. Development of microwave-based automated nucleophilic [18F]fluorination system and its application to the production of [18F]flumazenil// Nucl. Med. Biol, 2009, V.36- P.403-409

143. Moon B.S., Park J.H., Lee H.J., Lee B.C., Kim S.E. Routine production of [18F]flumazenil from iodonium tosylate using a sample pretreatment method: a 2.5-year production report// Mol Imaging Biol, 2014, V.16- P.619-625

144. Preshlock S., Calderwood S., Verhoog S., Tredwell M., Huiban M., Hienzsch A., Gruber S., Wilson T. C., Taylor N. J., Cailly T., Schedler M., Collier T. L., Passchier J., Smits R., Mollitor J., Hoepping A., Mueller M., Genicot C., Mercier J., Gouverneur V. Enhanced copper-mediated (18)F-fluorination of aryl boronic esters provides eight radiotracers for PET applications// J. Chem. Commun, 2016, V.52-P.8361-8364

145. Jackson A., Guilbert B.B., Plant S.D., Goggi J., Battle M.R., Woodcraft J.L., Gaeta A., Jones C.L., Bouvet D.R., Jones P.A., O'Shea D.M., Zheng P.H., Brown S.L., Ewan A.L., Trigg W. The development of potential new fluorine-18 labelled radiotracers for imaging the GABA(A) receptor //Bioorg Med Chem Lett, 2013 V.23-P.821-826

146. Jackson A., Battle M.R., O'Shea D.M., Chau W.F., Gaeta A., Brown S.L., Ewan A.L., Jones C.L., Jones P.A., Woodcraft JL., Bouvet D.R., Guilbert B.B., Trigg W. Evaluation of a novel series of fluorine-18-labeled imidazobenzodiazepines as potential new positron emission tomography radioligands for the GABAA receptor. //Nucl Med Biol, 2014, V.41-P.196-202

147. Lrichter L., Graaf C., sieghart W., Varagic Z., Mörzinger M., Esch I., Gerh Ecker G.F., Ernst M. diazepam-bound GABAA receptor models identify new benzodiazepine binding-site ligands// Nature Chemical Biology, 2012 V.8- P.455-464

148. Nolting D.D., Nickels M.L., Guo N., Pham W. Molecular imaging probe development: a chemistry perspective// Am J Nucl Med Mol Imaging, 2012, V.2-P.273-306.

149. Haka M.S., Kilbourn M.R., Watkins G.L., Toorongian S.A. Aryltrimethylammonium trifluoromethanesulfonates as precursors to aryl[18F]fluorides: improved synthesis of [18F]1GBR-13119// J Label Compds Radiopharm, 1988, V.27- P.823-833.

150. Wang Y., Lima K., Normandina M., Zhaob X., Clineb G.W., Ding Y.S. Synthesis and evaluation of [ 18F]exendin (9-39) as a potential biomarker to measure pancreatic ß-cell mass// Nucl Med Biol, 2012, V.39- P.167-176.

151. Poethko T., Schottelius M., Thumshirn G., Hersel U., Herz M., Henriksen G., Kessler H. Two-Step methodology for high-yield routine radiohalogenation of peptides: 18F-labeled RGD and octreotide analogs// J Nucl Med, 2004, V.45- P.892-902.

152. Bacalum E., Iorgulescu E.E., David V. Enrichment of several benzodiazepines by solid-phase extraction with octyl and phenyl silica based adsorbents// Rev Roum Chim, 2012, V.57- P.715-720

153. Woodcraft J., CJones C., Gaeta A., Trigg W., Jones P., Plant S., Jackson A. Automated radiosynthesis. US8946410 B2. Feb 3, 2015

154. Wong R., Iwata R., Saiki H., Furumoto S., Ishikawa Y., Ozeki E. Reactivity of electrochemically concentrated anhydrous [18F]fluoride for microfluidic radiosynthesis of 18F-labeled compounds Appl. Rad. Isot, 2012, V.70- P.193-199

155. Kiseleva M.M. , Gomzina N.A., Kiselev M.G. Conformational manifold of cryptand K 2.2.2.BB and its complex with potassium ion// Macroheterocycles, 2016, V.9- P.282 - 287

156. Mock B.H., Winkle W., Vaurek M.T. A color spot test for the detection of kryptofix 2.2.2 in [18F]FDG preparations. // Nucl.Med. & Biology, 1997, V.24- P.193-195.

157. Bruce F. Johnson, Donald H. Maylotte, Cheryl L. Sabourin. Method for making 2-[18 F]fluoro-2-deoxy-D-glucose. US patent 5264570 A , 1993 Nov 23

158. Hamacher k., Coenen H. H. No-carrier-added nucleophilic 18F-labelling in an electrochemical cell exemplified by the routine production of [18F]altanserin// Appl. Radiat. Isot, 2006, V.64- P.989-994

159. Dolle F., Hinnen F., Vaufrev F., Tavitian B., Crouzel C. A general method for labeling oligodeoxynucleotides with 18F for in vivo PET imaging// J. Label. Compds Radio- pharm, 1997, V.39- P.319-330.

160. Buschmann H.J. The Macrocyclic and Cryptate Effect. 8. Complex Formation of the Cryptands (222), (222B), (222BB) and (222CC) with Different Cations in Methanol Solutions// Inorganica Chimica Acta, 1987, V.134- P.225-228.

161. М. Насирзадех, Д.Д. Ваулина, О.Ф. Кузнецова, Н.А. Гомзина// Новый подход к получению [18F]флумазенила, ПЭТ радиолиганда для визуализации бензодиазепиновых рецепторов, Известия академии наук.сер хим. - 2016. - № 3. - С. 794-800

162. Suzuki C., Kato K., Tsuji A.A., Zhang M., Arano Y., Saga T. Inhibition of radical reactions for an improved potassium tert-butoxide-promoted 11C-methylation strategy for the synthesis of a-11C-methyl amino acids// J. Label Compd. Radiopharm, 2015, V.58- P.127-132

163. Carroll M.A., Nairne J., Smith G., Widdowson D.A. Radical scavengers: A practical solution to the reproducibility issue in the fluoridation of diaryliodonium salts// J Fluorine Chem, 2007, V.128- P.127-132.

164. Telu S., Chun J.H, Simeon F.G., Lu S., Pike V.W. Syntheses of mGluR5 PET Radioligands through the Radiofluorination of Diaryliodonium Tosylates// Org Biomol Chem, 2011, V.9- P.6629-6638.

165. Horn E., Fairway S., Mantzilas D., Powell N. US patent 20130012718 A1. 2013 Jan 10.

166. Pettitt R., Grigg J., Engell T., Wickmannlas C. Patent WO 2011044422 A2. 2011 April 14.

167. Halldin C., Stone-Elander S., Thorell J-O., Persson A., Sedvall G. 11C-Labelling of Ro 15-1788 in two different positions, and also 11C-labelling of its main metabolite Ro 15-3890, for PET studies of benzodiazepine receptors// Appl Radiat Isot, 1988, V.39- P.993-997.

168. Persson A., Pauli S., Swahn C-G., Halldin C., Sedval G. Cerebral uptake of 11C-Ro 15-1788 and its acid metabolite 11C-Ro 15-3890; PET study in healthy volunteers// Hum Psychoparmacol, 1989, V.4- P.215-220.

169. Насирзадех М., Ваулина Д.Д., Гомзина Н.А. // Новая технология получения [18F]флюмазенила, радиофармпрепарата для рецепторных исследований мозга методом ПЭТ [Электронный ресурс] // Международный научноисследовательский журнал. - 2017. - № 4 (58)- С. 127-130. doi: 10.23670/IRJ.2017.58.084

170. Vaulina D, Nasirzadeh M, Gomzina N. Automated radiosynthesis and purification of [18F]flumazenil with solid phase extraction/ // J. Appl. Radiat. Isot. -2018. - V. 135- P. 110-114.

Saint Petersburg State University Nasir zadeh Morteza

Manuscript copyright

The solid-phase extraction method for preparation of fluorine-18-labeled flumazenil, a radiopharmaceutical for positron emission tomography (PET)

Specialty 02.00.14. - Radiochemistry

Thesis submitted for the degree of candidate of Chemical Sciences

Academic adviser: Professor of radiochemistry, Doctor of chemical sciences Yuri Evgenievich Ermolenko

Saint Petersburg 2019

Content

CHAPTER 1. Introduction 120

1.1. Relevance of the topic 120

1.2.Purpose of work 121 1.3.Objectives of work 122

1.4. Scientific novelty 122

1.5. Practical value of the work 122

1.6.Methodology and methods of research 123

1.7.Provisions for defense 123

1.8.Approbation of work 123

1.9. Structure and scope of the dissertation 125 CHAPTER 2. Literature Review 126

2.1.Positron emission tomography 126 2.1.1. Principle of PET 127

2.2.Fluorine-18 radioisotope 128 2.2.1. Preparation of fluorine-18 in the cyclotron target 129

2.3. Methods for the preparation of compounds labeled with the fluorine-18 radioisotope, for use in PET 131

2.3.1. Electrophilic radiofluorination 132

2.3.2. Nucleophilic radiofluorination as the main method of introducing fluorine-18 into organic molecules 133

2.4. Automation of radiochemical synthesis [18F]RPC for PET 141

2.5. Purification methods of labeled compounds used as RPC for PET 144

2.5.1. Solid-phase extraction 145 2.5.1.1. Retention mechanisms on sorbents in SPE 146

2.5.2. Using SPE to Prepare RPC for PET 151

2.5.2.1. Using SPE to Prepare RPC labeled with carbon-11 isotope 151

2.5.2.2. Using SPE to Prepare RPC labeled with fluorine-18 isotope 152

2.6. Study of gamma-aminobutyric acid receptors by PET 158

2.6.1. Gamma-aminobutyric acid receptors, GABA 159

2.6.2. The mechanism of action of GABA-receptors 160

2.6.3. Radioactive analogues of flumazenil 162

2.6.4. Radiosynthesis of [18F]FMZ by nucleophilic substitution method 165 CHAPTER 3. Experimental 170

3.1. Production of fluorine-18 radionuclide 170

3.2. Preparation of the radiofluorinating reactive complex [K+/PTC]18F- 171

3.3.Preparation of [18F]FMZ by nucleophilic radiofluorination of nitromazenil 173

3.3.1. Study of nucleophilic radiofluorination reaction of nitromazenil 173

3.3.2. Analysis of reaction mixtures 174

3.3.3. Radiofluorination reaction in the presence of TEMPO radical scavenger 176

3.4. Using SPE to Prepare [18F]FMZ, a radioligand for receptor studies of the brain 177

3.4.1. Removing [18F]fluoride and other hydrophilic impurities 177

3.4.2. Fractional elution to purification of [18F]FMZ on reversed-phase sorbents 179

3.4.3. Using base for the decomposition (derivatization) of the substrate after the reaction 181

3.4.4. Two-step procedure for the purification of [18F]FMZ using two types of sorbents 183

3.5. Development of automated radiochemical technology for preparation of [18F]FMZ 185

3.6. Quality control system of [18F]FMZ: development of analytical methods 190 CHAPTER 4. Results and discussion 193

4.1. Study of the radiofluorination reaction of nitromazenil. Choosing the optimal reaction parameters 193

4.1.1. Influence of the solvent nature and PTC on the yield of nitromazenil radiofluorination 193

4.1.2. Influence of temperature and reaction time on the yield of nitromazenil radiofluorination 194

4.1.3. Influence of the precursor amount on the yield of nitromazenil radiofluorination 196

4.1.4. Influence of the base amount on the yield of nitromazenil radiofluorination 198

4.1.5. The effect of a free radical scavenger on the yield of nitromazenil radiofluorination 199

4.2.The choice of conditions for the separation of [18F]FMZ and nitromazenil by SPE on reversed-phase sorbents 199

4.2.1. Separation of [18F]FMZ and nitromazenil on Oasis HLB 200

4.2.2. The effect of adding potassium methoxide to the reaction mixture after radiofluorination 202

4.2.3. Optimization of the separation and purification process of [18F]FMZ using two types of sorbent 205

4.3. The automated method for preparation of [18F]FMZ 206

4.3.1. Comparison of the results of SPE and semi-preparative HPLC in the

synthesis of receptor radioligand [18F]FMZ 206

CHAPTER 5. Conclusions 210

CHAPTER 6. References 211

CHAPTER 1. Introduction 1.1. Relevance of the topic

Positron emission tomography (PET) is currently the only method to study neurochemical processes in the central nervous system (CNS) of living organisms (in vivo) [1, 2, 3]. For this purpose in PET are used compounds labeled with positron emitters, carbon-11 (T1/2 = 20.4 min) and fluorine-18 (T1/2 = 109.8 min) which specifically binding to individual types of CNS receptors. By means of these compounds (receptor radioligands), valuable information about the mechanisms of receptor interactions and quantitative characteristics of the density and distribution of the receptors in various regions of the brain are obtained. The PET studies of the GABA-ergic system generating great interest, which realizes the biochemical action of GABA (gamma-aminobutyric acid), the main inhibitory neurotransmitter of the CNS. The sites of GABA receptors binding with benzodiazepines play a key role in many diseases (epilepsy, anxiety, depression, dementia, alcoholism, etc.). These sites sometimes are called the central benzodiazepine receptors (CBR).

Flumazenil analogues (8-fluoroimidazo [1,5-a] [1,4] benzodiazepin-3 -carboxyl ethyl ether) labeled with carbon-11 and fluorine-18 (the fluorine atom is part of the unlabeled molecule) are used as the radioligands for the determination of CBR density in PET [4]. In this case, [18F]flumazenil ([18F]FMZ) is the most promising ligand: relatively long half-life of fluorine-18 allows to obtain several clinical doses of the product in one synthesis, to vary the scanning time over a wide range and deliver the drug to clinics not having their own cyclotron-radiochemical complex. The relatively low energy of positron beams and accordingly, the small range of the positron in the tissue before annihilation with the electron provides a high resolution in the production of contrasting PET images at a minimum dose load. Modern cyclotrons allow obtaining fluorine-18 by nuclear reaction with high activity (up to 25 Curie) and with high specific molar activity (up to 104 GBq / ^mol), which is especially important in PET

studies of the interactions of radioligands with receptors whose concentration is at the picomoles level.

The synthesis method of [18F]FMZ based on the reaction of aromatic nucleophilic radiofluorination was developed at the IHB RAS in 2005 [5], and is currently used in some PET centers in Europe, Canada, Japan and Australia. The main factor limiting wider clinical application of [18F]FMZ is the use of semi-preparative high-performance liquid radiochromatography (radio-HPLC) method for the purification of radioligand from the reaction mixture. This prolonged (30—40 min), time-consuming and complex HPLC procedure may be accompanied by considerable losses of the radioactive product. In addition, working with high levels of activity requires full automation of the process, but not all synthesis systems are equipped with HPLC. A widely used alternative is solid-phase extraction (SPE). Replacing HPLC with SPE for the preparation of radiopharmaceuticals (RPC) with quality parameters that satisfy clinical application is the milestone in the development of radiochemical technology of RPC for PET.

The solution to the separation problem of analog compounds, one of which a radioactive compound prepared no carrier added, is of great importance in many fields of radiochemistry. The purification of a radiofluorinated compound from a reaction mixture containing a nitro-analogue substrate by SPE is a non-trivial task, which in the search for solutions of it, the efforts of many scientists working in the field of PET -RPC preparation are directed.

1.2. Purpose of work

The purpose of this work is to develop a SPE method for the separation of [18F]FMZ and its nitro analogue, as well as the creation of a new effective radiochemical technology based on the SPE express method for preparation of [18F]FMZ, a radiopharmaceutical for the visualization of GABA receptors by PET.

1.3. Objectives of work:

To achieve this goal, it was necessary to perform the following main tasks:

• Studying the effect of the parameters of the radiofluorination reaction on the effectiveness of introducing a tracer into the substrate molecule;

• Extracting substances (substrate and product) with similar physicochemical properties by SPE method;

• Creating an automated technology for preparation of [18F]FMZ radiopharmaceutical.

1.4. Scientific novelty

The possibility of using the SPE method in the preparation of [18F]FMZ is shown for the first time. The study of the influence of the radiofluorination reaction parameters on the efficiency of the labeling process and on the choice of SPE parameters was taken as the basis for the fractional elution technique developed for the extraction of [18F]FMZ and the precursor. A comparison for the separation and purification of [18F]FMZ was conducted between the developed SPE and traditional HPLC methods. A new effective radiochemical technology for preparation of [18F]FMZ radioligand was created.

1.5. Practical value of the work

Radiopharmaceutical [18F]FMZ is irreplaceable for PET imaging of the epileptogenic foci in pharmacoresistant forms of epilepsy (pharmacoresistant focal epilepsy). It is also used in clinical studies of various types of depression, determining the receptor status of the brain after an ischemic stroke, etc. The technology, based on the isolation and purification of the desired product by the SPE method, makes it possible to obtain 2-4 times more clinical doses of the product than the technology using the traditional semi-preparative HPLC method in a one synthesis.

1.6. Methodology and methods of research

During work: the 18F-radiofluorination processes for preparation of [18F]FMZ; sorption processes of [18F]FMZ on the sorbents surface and its desorption by fractional elution were studied. The SPE method in order to isolate [18F]FMZ from the reaction mixture and methods for automating its synthesis were developed. Critical points in the synthesis of radioligand and its specification parameters were determined. Quality control methods and the composition of the injectable form of the drug were developed; Modern methods of synthesis, analysis and identification of RPC were used.

1.7. Provisions for defense:

1. A solid-phase extraction (TFE) method was proposed for separating compounds with similar physicochemical characteristics: fluorin-18 labeled flumazenil ([18F]FMZ) prepared with no carrier isotope added and its precursor in the radiofluorination reaction, nitromazenil.

2. The developed method made it possible to prepare [18F]FMZ with quality parameters (high radiochemical and chemical purity, high specific molar activity) that satisfy the radioligands requirements for receptor studies of the brain by PET.

3. It was shown that in production process of [18F]FMZ, solid-phase extraction can successfully compete with semi-preparative HPLC, the traditional method of purification of radiofluorinated compounds.

4. Based on the data studied, can be developed a new automated radiochemical technology of preparation of [18F] FMZ radiopharmaceutical for diagnostic studies of the brain by the PET.

1.8. Approbation of work

Based on the materials of the thesis, 3 articles and 6 abstracts were published at international and Russian conferences.

1. Nasirzadeh M., Vaulina D. D., Kuznetsova O. F, Gomzina N. A. A novel approach to the synthesis of [18F]flumazenil, a radioligand for PET imaging of central benzodiazepine receptors //Russian Chemical Bulletin, International Edition, Vol. 65, No. 3, p. 794—800, March, 2016

2. Nasirzadeh M., Vaulina D.D., Gomzina N.A. // A novel technology for producing of [18f]flumazenil, radiopharmaceutical for brain receptors studies by pet // International research jurnal. - 2017. № 4 (58).P. 127-130 doi: 10.23670/IRJ.2017.58.084

3. Vaulina. D, Nasirzadeh. M, Gomzina. N. Automated radiosynthesis and purification of [18F]flumazenil with solid phase extraction/ // J. Appl. Radiat. Isot. - 2018. - V. 135C - P. 110-114.

4. Gomzina. N.A., Vaulina. D.D., Nasirzadeh. M., Kuznetsova O.F. [18F]flumazenil, radioligand of the central benzodiazepine receptors: a systematic study of synthesis and purification parameters// 17th Radiochemical Conference - RadChem 2014, 11-16 May 2014, MarianskeLazne, Czech Republic, P. 438.

5. Vaulina D.D., Nasirzadeh M., Kuznetsova O.F., Gomzina N.A. Approaches to [18F]flumazenil preparation for clinical PET use. XIII Turku PET symposium, Abstracts, 24-27 May 2014, Turku, Finland, P. 28

6. Nasirzadeh. M., Vaulina. D.D, Gomzina N.A. New approach to production of [18F]flumazenil, radiopharmaceutical for benzodiazepine receptors imaging by PET, IX International Conference "Mendeleev-2015" Saint- Petersburg, April 7-10, 2015, abstracts book., P. 270-271

7. Gomzina N.A., Vaulina D.D., Nasirzadeh M., Kuznecova O.F. «new approaches of [18f]-flumazenil synthesis for pet imaging of brain receptor»// 1st International scientific and practical conference « current problems of radiopharmaceuticals development, production & application» - «radiopharma-2015», Moscow, June 17-19, 2015, p. 30.

8. Gomzina N., Vaulina. D, Nasirzadeh M. New approach to production of [18F]flumazenil for central benzodiazepine imaging by PET. EANM, Hamburg, European J. Nucl. Med. & Mol. Imaging, 2015, V. 42, Suppl.1, S 480.

9. Vaulina D. D., Nasirzadeh M., Kiseleva M. M. a New automated method of synthesis of [18F]flumazenil, PET radioligand for visualization of Central benzodiazepine receptors Collection of abstracts of the international scientific conference of students, postgraduates and young scientists "Lomonosov-2016", Moscow, April 12-14, 2016, p. 35.

1.9. Structure and scope of the dissertation.

The thesis consists of an introduction, a literature review, an experimental part, a discussion of the results, results, conclusions and a list of references. The material of the work is expressed on 112 pages of printed text, includes 52 pictures and 20 tables.

CHAPTER 2. Literature Review 2.1. Positron Emission Tomography

PET is the most informative method of medical imaging, based on the using amino acids, sugars, peptides and other biomolecules as RCP [1-3]. Being labeled with short-lived isotopes with a positron type of decay, they take an active part in most of the body's biochemical processes. Applying pharmacokinetic models of the biomolecules behavior makes it possible to describe these processes in a living organism (in-vivo) at the molecular level. Biochemical processes are violated actually in all diseases, and these changes usually precede anatomical lesions or spread beyond their limits. PET complements the diagnostic process with information about physiological and metabolic disorders in the lesion, which significantly clarifies the characteristics of the disease. Unlike other types of tomography, PET is called "functional tomography." Theoretically, the PET method can be used to study any function of the body, for this purpose, it is only necessary to choose the chemical compound - the critical parameter for evaluating the work of this function. PET is the only method allows in vivo to assess the density of brain receptors and to investigate neuroreceptor interactions. An essential advantage of PET radiotracers is the ability to quantify them even in ultra-small «no carrier added» amounts by measuring radioactive radiation, in order to obtain a picture of the spatial distribution of the radiotracer in the investigated object (three- or two-dimensional concentration profile or «image»).

In recent years, the multimodal (hybrid) technology of combined PET/CT imaging has become widespread, which the concept was first introduced in 2001 [6]. Computed tomography (CT) provides information about structural changes in the body's organ or tissue, their size, shape and location, and PET adds data about functional disorder of body's organ or tissue, by recording changes in metabolism therein. The result is the possibility of more accurate diagnosis and/or identification of cardiovascular and neurological disorders, neoplasms, etc., Compared with using

separately CT or PET scanners, which has a great influence on the treatment strategy. The universality of the method makes it an indispensable tool for scientific research.

2.1.1. Principle of PET

In PET, the nucleus of ultra-short-lived isotopes are used as the information carrier, in which the number of protons exceeds the number of neutrons (Table 2.1). During the transition of the nucleus to a stable state (%X —> z—iY + P+) a positron is emitted (p ^ n + the free path of which terminates in a collision with an electron and subsequent annihilation. The principle of PET is based on the simultaneous recording of two y-quanta formed during the annihilation of a positron and an electron of a tissue that emit at angle of 180 ° with energy of 511 keV. Gamma rays are registered using a pair detectors system (crystals) located along the tomography ring. If two detectors simultaneously register a signal (so-called "coincidence"), then it Can be assured that the annihilation point (the radiation source) is on the line connecting the detectors (Figure 2.1). This principle of electronic collimation distinguishes PET from other tomographic imaging methods. Using large number of detectors organized in several tightly packed rings with a minimum distance, between the sensors and the rings as well, makes it possible to increase the detection efficiency.

Fig.2.1. Registration of annihilation radiation (distribution of PET-RPC) The most widely used radioisotopes in PET and their nuclear-physical characteristics are given in Table. 2.1.

Tab.2.1. Nuclear-physical characteristics of the main radionuclides used in PET [7, 8]

Radionuclide 150 13N 11C 18F 68Ga

T1/2, min 2.04 9.96 20.39 109.77 67.71

Type of decay ß+(99.9%), E- capture (0.1%) ß+(99.8%), E- capture (0.2%) ß+(99.8%), E- capture (0.2%) ß+(96.9%), E- capture (3.1%) ß+(90.0%), E- capture (10%)

P+ Max Energy, Mev 1.70 1.20 0.96 0.64 1.89

Max. Range in muscle, mm 8.20 5.40 4.10 2.39 9.30

Nuclear reaction 14N(d,n)15O 16O(p,a)13N 14N(p,a)11C 18O(p,n)18F 68Ge-68Ga

Method for obtaining Cyclotron Isotope generator

* E-capture - electronic capture (P+ + e- ^ n + Ue, where Ue is a neutrino) competes with

positron decay with the difference between the energy levels of the parent and daughter atoms of more than 1.022 MeV.

The main advantages of radionuclides used in the PET method are:

> Elements having positron-emitting isotopes are organogenic elements (excluding fluorine-18 and gallium-68), i.e. these elements take a very active part in most biological in-vivo processes. RPC labeled with these isotopes can be a metabolic substrate or one of the biologically vital molecules;

> The short half-life of radionuclides reduces the radiation exposure on the operator, the medical staff and the patient in a single study, and also conducts repeated studies;

> The relatively small range of positrons in the tissue causes a high spatial resolution of the PET method;

> The possibility of preparation of compounds with extremely high molar activity ensures their use in receptor studies (the receptor concentration is extremely small, and injection of RPC should not lead to their saturation).

2.2. Fluorine-18 radioisotope

Fluoride is the most electronegative element; electronegativity is 4.0 (according to Sanderson). Fluorine-18 not being an organogenic element, is used in PET as an

isoelectronic analogue of the hydroxyl group (or hydrogen), due to the proximity of Van der Waals radius. The introduction of fluorine does not lead to significant disturbances in the geometry of the molecule; however, it affects the biochemical properties [9]. Thus, the fluorinated analogue of glucose 2- [18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose ([18F]FDG) is phosphorylated by hexokinase, as glucose itself, but does not undergo further metabolism and remains in the cell during the PET study, which allows measure the concentration of RPC in the tissue. Secondly, fluorine-18 isotope has the longest half-life among the most common PET radionuclides (Table 2.1). This makes it possible to carry out complex multistage radiochemical synthesis of RPC based on it, in order to study long-term biochemical processes, and to transport the product prepared as well. Thirdly, fluoride is rarely included in natural molecules, and during radiochemical synthesis, 18F-radiotracers practically are not diluted with nonradioactive fluorine [19F]. Therefore, 18F-compounds can be obtained with the maximum specific activity (up to 104 GBq/^mol), which is crucial to use of these compounds as radioligands for receptor studies of the brain by the PET. In addition, in modern cyclotrons with simultaneous irradiation of two targets, fluorine-18 is obtained with a high activity (925 GBq), which allows prepare many doses of the products in one radiochemical synthesis, and also to transport RPCs labeled with fluorine-18 into clinics that do not have their own cyclotron radiochemical complex (satellite concept).

In recent years, the use of PET radioactive isotope 68Ga has been increasing in PET diagnostics. Its advantage is the possibility of obtaining from a commercially available 68Ge/68Ga generator directly in a medical facility [10]. However, a shorter positron range in tissue, in the case of 18F (Table 2.1) provides a higher spatial resolution of the PET image. Especially this difference is noticeable when PET scanners are using for animals, where the positron range is the limiting factor [11].

2.2.1. Preparation of Fluorine-18 in the Cyclotron Target

Fluorine-18 can be obtained in the cyclotron target by proton irradiation of the natural stable isotope of oxygen-18 by 18O(p, n)18F nuclear reaction, Table 2.2. If water

[18O]H2O is used as a target, hydrated [18F] fluoride ion is obtained; if the gas [18O]O2 is irradiated, then the product is gaseous [18F]F2. [18F]F2 can also be obtained by irradiating Ne with deuterons in the (20Ne (d,a) 18F) nuclear reaction, Table. 2.2. The choice of the method for obtaining the radionuclide depends on its use in subsequent chemical transformations [12]. The main difference between two chemical forms is determined by the specific activity of the fluorine-18 isotope. The specific activity decreases with the addition of [19F]F2 gas as a carrier for the recovery of fluorine-18 in the form of [18F]F2 from the target, (see Table 2.2). When studying the binding of radioligands to neuroreceptors, specific activity becomes a decisive factor, since low specific activity can lead to saturation of receptors and decrease in PET signal from specific binding and cause pharmacological and sometimes neurotoxic effects [13]. The main method for obtaining the radioisotope fluorine-18 is the nuclear reaction 18O(p, n)18F.

Tab.2.2. The most widespread nuclear reactions for fluorine-18 production on medium

energie cyclotrons [12, 14].

Nuclear reaction 18O(p,n)18F 20Ne(d,a) 18F

Target [180]H20 [18O]O2 (50 |mol F2) Ne (200 |mol F2)

Energy of bombarding particles, Mev 16 ^ 3 16 ^ 3 14 ^ 0

Cross section (omax) mbarn 700 700 115

Chemical form of fluorine-18 18F-(aq) [18F]F2 [18F]F2

Макс. активность, ГБк Up to 1000 Up to 50 Up to 11

Max. Specific activity [GBq/pmol] До 104 1 0.1

Carrier added No Yes Yes

Method Nucleophilic substitution Electrophilic substitution

Fig. 2.2 shows the dependence of the cross section of 18O(p, n)18F nuclear reactions on the proton energy (excitation function).

Fig.2.2. Dependence of the cross section of the 18O(p,n)18F nuclear reaction on the proton

energy. [15].

2.3. Methods for the preparation of compounds labeled with the fluorine-18

radioisotope, for use in PET

RPC for PET must meet the following requirements: 1- to have high quality parameters namely high radiochemical purity (RCP), high chemical purity which is determined by the content of the precursor, phase transfer catalyst, organic solvent and other impurities; 2 The RPC solution should be isotonic, sterile, pyrogen-free with a low endotoxin content; 3- the total time of RPC preparation, which includes transport of the radionuclide into the "hot cell", the synthesis procedure and product purification, as well as quality control, should not exceed three half-lives of the radionuclide. The synthesis should consist of no more than two stages (preferably), and the purification methods should be effective and express simultaneously; 4- the possibility of automation of all synthesis stages in order to work with a high level of activity to obtain a stable and reproducible radiochemical yield.

The extremely high stoichiometric ratio (> 104) of the concentration of the precursor (substrate) and radioactive fluorine-18 in «no carrier added» (nano- and

picomolar) amounts is characteristic of pseudo-first order reactions proceeding at high rates:

r = k[A][B] = k'[A]

Where r is the rate of the reaction, and [A] and [B] are the amounts of the radioisotope fluorine-18 and the substrate, respectively. Therefore, the reactions for the preparation of compounds labeled with «no carrier added» "fluorine-18" take place much faster than the reactions of preparing their "cold" analogues. With the use of microfluidic reactors, capillary channel systems with a large surface area, the preparation reactions of radiofluorinated compounds take place for a few seconds with low or no heating [16]

Fluorine-18 can be introduced into the composition of organic compounds by reactions of electrophilic addition of fluorine-18 or nucleophilic substitution of [18F]fluoride with the leaving group of the substrate molecule.

2.3.1. Electrophilic radiofluorination

Electrophilic [18F]fluorination is historically the first method of introducing fluorine-18 into organic compounds, since this method was the first to prepare [18F] FDG, a glucose metabolism radiotracer used in diagnostic studies in oncology, cardiology and neurophysiology [12]. In this case, the fluorine-18 radionuclide stabilizes in the chemical form of the gas ([18F]F2), see Table. 2.3. Currently, the method has limited application because of the low specific activity of the compounds prepared, since the carrier (19F2) is used, and the radiochemical yield of the compounds obtained is low. Since only one atom from the fluorine gas molecule is attached, the maximum theoretical yield is 50%. At present, the only [18F]RPC that is prepared by electrophilic radiofluorination is 6-[18F]fluoro-3,4-L-dihydroxyphenylalanine (6-[18F]-L-DOPA), a radiotracer for studying the dopaminergic system [17, 18], see Fig. 2.3.

Fig.2.3. Synthesis of 6-[18F]-DOPA by electrophilic addition from various precursors.

2.3.2. Nucleophilic radiofluorination as the main method of introducing fluorine-

18 into organic molecules

The production of a radionuclide in the form of [18F]fluoride ion with a high activity (up to 25 Curie) during irradiation of an aqueous target with protons in modern cyclotrons makes nucleophilic radiofluorination the main way of introducing the fluorine-18 into biomolecules [19, 20, 21, 22]. It is known that the nucleophilicity of the 18F-fluoride in the gas phase or in the protic solvents (water, alcohols) is low because of its high affinity for mobile protons. Therefore, the nucleophilic substitution reaction is carried out in aprotic polar solvents (DMF, DMSO, acetonitrile, etc.) in which the 18F-fluoride is converted by phase transfer catalysts (PTC).

The cryptand K 2.2.2 (4,7,13,16,21,24-hexaoxa-1,10-diazabicyclo [8.8.8] hexacosan or cryptophix 2.2.2) found the widespread application as PTC in radiofluorination reactions (Fig. 2.4 ), which forms stable coordination compounds with alkali metal cations, where the metal ion is shielded by the surrounding cryptand atoms from the solvent molecules and the counterion, which usually carbonate or hydrogen carbonate are used [22]. The ionic radius of potassium is close in size to the K 2.2.2 cavity due to this, the potassium ion forms six coordination bonds with the nitrogen and oxygen atoms of the cryptand. After the removal of water, the metal cryptand complex with 18F-fluoride ion, [K+/K 2.2.2][18F-], which is devoid of the solvation (hydration) shell, becomes an extremely reactive agent. In 1986, it was first proposed to use cryptofix 2.2.2 for preparing a fluorinating agent [K+/K 2.2.2][18F-] in the synthesis of [18F] FDG, (Figure 2.5) [23]. Since then K 2.2.2 has become widely used to produce fluorinated radiopharmaceuticals belonging to different classes of chemical compounds [21].

H OAc H OH

Fig.2.5. Synthesis of [18F]FDG from 1,3,4,6-tetraacetyl-O-acetyl-triflate-P-D-mannopyranose under PTC conditions.

In addition to cryptofix, tetrabutylammonium carbonate (TBAC) [21, 24] crown ethers, etc., are used as the PTC in nucleophilic radiofluorination.

In modern techniques for the [18F]fluoride sorption, a resin based on silica modified with quaternary ammonium groups, packaged in cartridges (QMA), is widely used. [18F]fluoride is desorbed by a solution of PTC and a weak base (bi- and hydrocarbonate, less often, oxalate or potassium phosphate) in acetonitrile with a small amount of water. The anion exchange resin replaces the counterion with [18F]fluoride, and also cleans the radionuclide from possible target impurities, which can reduce its reactivity or act as competing nucleophiles. After removal of these solvents at an elevated temperature under an inert gas flow and solubilization in an aprotic solvent, reactive [K+/K 2.2.2][18F-] complex is obtained. Since it ensures the effectiveness of radiofluorination, the development of a procedure for its preparation, the process of elution of [18F]fluoride from the anion exchange and the creation of an eluting solution is given very great importance [24, 25]. Widely used eluent proposed in IHB RAS4 («QMA eluent»), which is based on the molar ratio of phase transfer catalyst to base (2:1), with a minimum amount of water required to dissolve potassium carbonate (acetonitrile/water= 96/4) [26].

Nucleophilic fluorination is the most common method of obtaining various classes of RPC based on fluorine-18. A key advantage of this method is the preparation of radionuclide [18F]fluoride with no carrier addition, with an exceptionally high specific molar activity. Nucleophilic radiofluorination depending on the substrate can

Tetrabutylammonium-cation

K 2.2.2.

18-crown-6

Fig. 2.6. Phase transfer catalyst structures for nucleophilic radiofluorination

4 Institute of Human Brain of Russian Academy of Science

proceed via the mechanism of nucleophilic substitution at a saturated carbon atom (usually the SN2 mechanism is realized) or by the mechanism of aromatic nucleophilic substitution (SNAr or SN1). Each of the mechanisms is briefly reviewed below.

Nucleophilic radiofluorination of aliphatic compounds

This highly efficient and widespread method of introducing [18F]fluoride into substrates usually proceeds via the SN2 mechanism with a saturated carbon atom (Figure 2.7). In this case, the attack of [18F]fluoride and the elimination of the leaving group occur simultaneously in the course of the so-called bimolecular nucleophilic substitution (or "back- side" attack on the substituted carbon atom). The central carbon atom "passes" through the sp2-hybridized transition state, after which the substitution is reversed through a stereochemical interaction (Walden inversion), [13].

Fig. 2.7. Aliphatic nucleophilic radiofluorination scheme

As "leaving" (nucleofugic) groups, halides or sulfonates are usually used. Order of increasing nucleofugality of the substituents is: Cl <Br <I <4-methylbenzenesulfonate (tosylate) ~ methanesulfonate (mesylate) <4-nitrobenzenesulfonate (nosylate) <trifluoromethanesulfonate (triflate) [13, 27]. Many RPCs used in PET are synthesized by this method. For example, [18F]FDG and 3'-deoxy-3 '- [18F] fluorothymidine ([18F]FLT) is a proliferation biomarker; also fluorine-18 labeled alkyl fluorides used as synthons in O-(2-[18F]fluoroethyl)-L-tyrosine ([18F]FET) radiotracer for visualization of brain tumors, [18F]fluorocholine radiotracer for imaging prostate tumors and etc. [28, 29, 30].

Nucleophilic radiofluorination of aromatic substrates

The formation of a fluorine-carbon bond in the nucleophilic substitution reaction in aromatic substrates is of great interest, since the aromatic ring is one of the most

common structural fragments of biologically active molecules. Radiotracers with fluorine-18 in the aromatic ring are distinguished by high stability with respect to the loss of radiolabel due to metabolism. In contrast to aliphatic substrates, in order to introduce a radiolabel into the aromatic ring, along with the leaving group, the presence of strong electron withdrawing groups (EWG: -NO2, CHO, COR, CN, etc.) in the ortho- or para position to the leaving group is necessary. This is easily demonstrated in the case of simple aromatic compounds (substituted benzaldehydes, benzonitriles and others) whose fluorination patterns are well known [31, 32, 33].

In most cases, the classical SNAr mechanism of aromatic nucleophilic substitution is realized including two stages (Figure 2.8). At the first limiting stage, the nucleophile is attached to the substrate to form an anionic intermediate (a-anion complex, called the Meisenheimer complex), whereas in the second, fast stage there is a splitting of the nucleofug.

In the synthesis of RPC, halides, nitro group, trimethylamine and aryl iodide are used as leaving groups, the nucleofugality of which increases in the series I <Br <Cl <F <NO2 = N+Me3 <I+Ar. The use of aryltrimethylammonium salts (chloride, perchlorate or triflate) as precursors not only provides a sufficiently high RCY of fluorination, but also makes it possible to isolate a fluorine-18 labeled product of a reaction, substantially different in lipophilicity from the reaction mixture by solidphase extraction on disposable cartridges, which is extremely important for the automation of radiochemical synthesis. It should be noted that in the case of poorly activated aromatic substrates, the side reactions of aliphatic fluorination of the N+Me3 group may occur with the formation of [18F]fluoromethane [34].

lc

EWG

Fig.2.8. Scheme of SNAr mechanism of aromatic nucleophilic substitution

Radiofluorination with SN1 mechanism is characteristic of diazonium salts. In this case, the leaving group split off at the first stage with the formation of a carbocation, then the carbocation interacts with fluoride-18 (Figure 2.9).

N

Fig.2.9. Radiofluorination by the SN1 mechanism

Based on SN1, [18F]arylfluorides were synthesized using the Balz-Schiemann reaction (Fig.2.10a) and the Wallach reaction (Fig.2.10b). The disadvantage of the Balz-Schiemann reaction is a small RCY and a low specific activity due to the exchange between 18F-fluoride and four fluorine atoms in the [BF4]- group [Cai, L. 2008]. The Wallach reaction requires harsh conditions, (high temperature or strong acidity of the medium), so sensitive functional groups cannot be present during the reaction [13].

BF4

Pyrolysis -N=N

AA k, m acid medium, A / V_isp

b V /)—N=N-N ) -* V // h

VJ 18p R^

Fig.2.10 Methods of nucleophilic fluorination, a-Balz-Schiemann reaction, b-reaction Wallach

Radiofluorination of diaryliodonium salts. A special salt group contains aryliodonium salts, where radiofluorination is also possible in the absence of electron

withdrawing groups in the aromatic ring [13]. Reactions do not require high temperatures and are not sensitive to the presence of water traces. The limitation of the method is the formation of two labeled products in the case of asymmetric aryliodonium salts, the ratio of which depends on the distribution of the electron density in each ring and on the steric factors. The radiofluorination patterns of iodonium salts have been studied mainly on model substrates or on the example of the synthesis of simple [18F]fluoride labeled aromatic compounds used as radioactive synthons [35].

It should be noted that a complex multistage synthesis of precursors and their instability during storage are considered as the drawbacks of this method. In addition, a special study of the reaction conditions is required to minimize the yield of labeled by-products.

Alternative methods of nucleophilic fluorination.

The use of synthons (prosthetic groups). Direct radiofluorination of the substrate, as in the synthesis of [18F]FDG, rarely is used to produce RPC for PET. It is not used when there are mobile hydrogen atoms in the SH-, NH-, OH- functional groups in the precursor molecule. Otherwise, in this case protection of these groups is needed and sometimes requires complex organic synthesis. Often the harsh conditions of radiofluorination (high temperature and the use of bases) is an obstacle to direct introduction of a radiolabel into the biomolecule. In this case, the introducing a fluorine-18 radiolabel take place through a small molecule, synthon or prosthetic group, which allows a significant expansion of a number of potential substrates. Currently, a large number of prosthetic groups, used for the preparation of RPC are known. The simplest method is the use of labeled alkylating agents, which is described earlier (see the paragraph on aliphatic fluorination). In addition, for the radiolabeling of biologically active molecules, the amide bond formation method is widely used [36]. For example, for the radiofluorination of the RGD analogue of the tripeptide protein, [18F]FPPRGD2 (Figure 2.11) [37].

(a)

1)K203. K222, (18F]Fluoride Br MeCN, 110 °C

,OMe

Me<V

18p

2) KOH, 90 °C

3) Sis-(4-nitrophenyl) carbonate, 90 °C

4) HPLC

Va,

1) PRGD2, DIPEA, 60 °C

2) HPLC

HOOC

XX

° L sP A-

H 7 ° H

r X o I

0=< H HN^O

NH H N JU^^t

o 2

HN NH

[ eF]FPPRGD2

NH n V"\

HN COOH

CT^NH H

N -/

Fig.2.11. Synthesis scheme of [18F]FPPRGD2

Thiol prosthetic groups, for example, [18F]maleimide (Figure 2.12) are actively used to introduce radiolabels into peptides with sulfur-containing amino acids [38].

Fig.2.12. Scheme of synthesis using thiol prosthetic groups

"Click" reactions (click chemistry) - the reactions of azide-alkyne 1,3-dipolar cycloaddition (Huisgen reaction) are becoming increasingly important for introducing a raeiolabel into biological molecules, due to the ease of obtaining and stability of triazoles [39]. The advantages of this reaction are mild fluorination conditions, short synthesis time, high reaction yield, and chemo- and regioselectivity, which allowed this method to be used to introduce the fluorine-18 radiolabel into proteins, for example [18F]RGD [39, 40].

Metal-catalyzed radiofluorination of arenas. Recently, this method is actively used in the synthesis of 18F-fluorinated (hetero) arenes, which can not be prepared by classical aromatic nucleophilic substitution (SNm) (Fig. 2.13) [41, 42].

R-