Radiofluorering
Radiofluorering är den process genom vilken en radioaktiv isotop av fluor fästs till en molekyl och utförs företrädesvis genom nukleofil substitution med användning av nitro eller halogener som lämnande grupper . Fluor-18 är den vanligaste isotopen som används för denna procedur. Detta beror på dess 97 % positronemission och relativt långa halveringstid på 109,8 min. Halveringstiden tillåter en tillräckligt lång tid för att införlivas i molekylen och användas utan att orsaka ytterst skadliga effekter. Denna process har många applikationer, särskilt med användning av positronemissionstomografi (PET) eftersom den tidigare nämnda låga positronenergin kan ge en hög upplösning vid PET-avbildning.
Historia
Den första anmärkningsvärda radiofluoreringssyntesen utfördes 1976 för syntesen av Fluorine-18-märkt fludeoxiglukos . På 1980-talet upptäcktes denna molekyl ackumuleras i tumörer hos cancerpatienter. Sedan denna tid har denna molekyl blivit en standard inom PET-avbildning av cancer, och för närvarande den enda FDA -godkända substansen som gör det. På senare år pågår forskning för att hitta alternativ till fludeoxiglukosmolekylen. Dessa nya molekyler är bifunktionella märkningsmedel som kan fästa till proteiner eller peptider för att märka inte bara cancer utan även amyloidplack och inflammatoriska processer.
Procedur
På grund av den pågående forskningen som involverar radiofluorerade molekyler och deras olika användningsområden har efterfrågan på lämpliga synteser ökat under åren. För att syntetiska metoder ska anses vara genomförbara måste processen vara snabb och effektiv samt kompatibel med de former av 18 F som finns tillgängliga. I många fall måste syntesen också vara kapabel till regio- och stereospecificitet.
Typiskt syntetiseras radiofluorerade produkter med användning av nukleofila eller elektrofila substitutionsprocesser . En klassisk metod för radiofluorering är Balz-Schiemann-reaktionen , eller en modifierad Balz-Schiemann-reaktion med [ 18F ] F− . Elektrofila substitutionsreaktioner använder vanligtvis [ 18F ]F2 som en prekursor som sedan kan läggas till en rad molekyler såsom alkener, aromatiska ringar och karbanjoner [21] . Metoder som använder [ 18 F] F 2 är dock i underläge på grund av förlusten av 50 % av insatsaktiviteten i form av [ 18 F] F − . För att underlätta dessa procedurer kan reaktionen också utföras i en mikrofluidkammare.
Används
En av de mest populära användningsområdena för radiofluorering är dess tillämpning i PET-skanningar. Positronemissionstomografi (PET) är en allmänt använd avbildningsteknik inom nuklearmedicin . Med tillämpningar inom forskning och diagnos kan en PET-skanning användas för att avbilda tumörer, diagnostisera hjärnsjukdomar och övervaka hjärn- eller hjärtfunktion [8,9,12]. Dessa bilder skapas med hjälp av radiospårämnen som avger positroner som sönderfaller via en annihilationsreaktion för att generera två 510 KeV-fotoner som sedan detekteras och används för att rekonstruera bilder med samma programvara som används i röntgen-CT-enheter. Gammastrålarna sänds sedan ut nästan 180 grader från varandra och deras detektering gör det möjligt att lokalisera källan och på så sätt skapa en bild. En av de mest populära isotoper som används som ett positronemitterande radiospårämne är fluor-18. Denna isotop är särskilt fördelaktig på grund av dess korta halveringstid på cirka 109,8 min, dess sönderfall är 97 % positronemission, dess lätthet att producera och dess energi är låg (0,64 MeV). Därför innehåller radiofluoreringsproceduren den radioaktiva isotopen som valts för att skapa bilderna.
En annan tillämpning inom området för radiofluoreringskemi ligger inom området för biobränslen . Nyligen har intresset ägnats utforskningen av lignocellulosamaterial som biobränslekälla . Med tanke på att det är den mest rikliga förnybara kolkällan i biosfären är det ett naturligt val för detta ändamål. Sammansättningen består av tre element - hemicellulosa , cellulosa och lignin . Det är det sista av dessa tre, lignin, som utgör det största hindret för en effektiv användning av sådant material som en möjlig biobränslekälla. Den motsträviga kemiska naturen hos ligninmolekylen kräver för närvarande en omfattande och dyr process att bryta ned för bioetanol . Aktuell forskning bedrivs för att hitta mer ekonomiska sätt att bryta ner denna ligninbarriär. Denna forskning kommer att utforska användningen av radiofluorering med isotopen fluor-18 för att söka efter platser i naturen där lignin bryts ned. Det radioaktiva fluoret kommer att fästas på ligninnedbrytningsprodukter för att söka efter enzymer i naturen som bryter ner lignin. Detta kommer att bidra till att göra processen mer effektiv för användning i biobränsleproduktion.
Tillämpningar med radiofarmaka
Fluor-18 produceras vanligtvis genom protonbombardemang av syre-18- berikat vatten i en partikelaccelerator . På grund av den relativt korta halveringstiden måste isotopen snabbt införlivas i en spårmolekyl utformad för det önskade målet. Dessa radiospårämnen delas i allmänhet in i två huvudkategorier - märkta molekyler som normalt används i kroppen såsom vatten eller glukos eller märkta molekyler som reagerar med eller binder till receptorer i kroppen. En viktig tillämpning i den senare klassen är bindningen av molekylen till biologiskt aktiva proteiner och peptider, inklusive antikroppar och antikroppsfragment. Denna klass av radiospårämnen är av särskilt intresse på grund av deras roll i avbildning av regleringen av cellulär tillväxt och funktion. Följaktligen är radiomärkning av dessa märkta biologiskt aktiva proteiner och peptider med fluor-18 för att avbilda olika aspekter av nukleärmedicinska ändamål såsom tumörer och inflammatoriska processer viktigt inom nuklearmedicin.
Men på grund av den kemiskt känsliga naturen hos proteiner, innebär syntesen av radiofluorinmärkta proteiner och peptider några formidabla utmaningar. De hårda förhållanden som krävs för tillsats av till biomakromolekylen kan lätt hindra dess användning vid radioaktiva märkningsreaktioner. För att övervinna dessa hinder kan protein- eller peptidmärkning utföras genom en protetisk grupp eller ett bifunktionellt märkningsmedel till vilket radiofluoret har fästs. Denna molekyl kan sedan konjugeras till proteinet eller peptiden under mildare förhållanden.
De tre huvudkategorierna av protesgrupper är karboxylreaktiva, aminoreaktiva och tiolreaktiva. Av dessa tre är den karboxylreaktiva gruppen den minst använda, och den aminoreaktiva är den mest använda. De tiolreaktiva protesgrupperna är den nyaste klassen av de tre. Valet av metod med vilken proteinet märks beror på strukturen. Tiolreaktiva molekyler kan användas i fall där de aminoreaktiva protesgrupperna inte skulle fungera. Nedan kan ses strukturerna och namnen på olika protesgrupper som för närvarande används för protein- och peptidmärkning.
1.) Berndt, M., Pietzsch, J., & Wuest, F. (2007). Märkning av lågdensitetslipoproteiner med det18F-märkta tioreaktiva reagenset N-[6-(4-[18F]fluorobensyliden)aminooxihexyl]maleimid. Nuclear Medicine and Biology, 34, 5-15.
2.) Dolle, F., Hinnen, F., Lagnel, B., Boisgard, R., Sanson, A., Russo-Marie, F., et al. (2003) Radiosyntes av ett [18F]fluorpyridinbaserat maleimidreagens för proteinmärkning. J Label Compd Radiopharm, 46, S15.
3.) Dow Chemical Company. (1959). US-patent nr 2910454. Midland, Michigan: USA
4.) Duckett, S. & Gilbert, B. (2007). Grunderna för spektroskopi. New York, NY: Oxford Press.
5.) Farrell, R., Tien, M., & Kirk, TK (1987). US-patent nr 4687741. Pennsylvania: US
6.) Geib, SM, Filley, TR, Hatcher, PG, Hoover, K., Carlson, JE, Jimenez-Gasco, MD. Tien, M. (2008). Ligninnedbrytning hos vedätande insekter. Proc. Natl. Acad. 'Sc.i USA 105, 12932–12937.
7.) Jones, D., Hammaker, JR, & Tedder, ME (2000). Tetraederbrev, 41, 1531–1533.
8.) Namavari, M., Padilla De Jesus, O., Cheng, Z., De, A., Kovacs, E., Levi, J...Gambhir, S. (2008). Direkt platsspecifik radiomärkning av ett affikroppsprotein med 4-[18F]fluorbensaldehyd via Oxime Chemistry. Molecular Imaging and Biology, 10, 177–181.
9.) Rennen, HJ, Corstens, FH, Oyen, WJ, Boerman OC (2001). Nya koncept inom infektions-/inflammationsavbildning. QJ Nucl Med, 45, 167–173.
10.) Sato, S., Liu, F., Koc, H., & Tien, M. (2007) Expressionsanalys av extracellulära proteiner från tillväxt av Phanerochaete chrysosporium på olika flytande och fasta substrat.Microbiology, 153, 3023–3033.
11.) Shi, Y., Humphrey, G., Maligres, PE, Reamer, A. & Williams, JM (2006). Mycket regioselektiv DABCO-katalyserad nukleofil aromatisk substitutionsreaktion (SNAr) av metyl 2,6-diklornikotinat med fenoler. Advanced Synthetic Catalysis, 348, 309–312.
12.) Sosabowski, J., Melendez-Alafort, L., Mather, S. (2003). Radiomärkning av peptider för diagnos och behandling av human cancer. In Vivo, 19, 9-29.
13.) Thominet, ML (1976). US-patent nr 3959477. Paris, Frankrike: USA
14.) Tien, Ming. (2012). Imaging Lignin Degradation: Bioprospektering efter nya enzymer för användning i biobränsleproduktion. (Projektsammanfattning) University Park, PA: Penn State University.
15.) Vaidyanathan, G., Zalutsky, MR (1992). Märkning av proteiner med fluor-18 med N-succinimidyl 4-[18F]fluorbenoat. Int J Rad Appl Instrum B, 275–81.
16.) Wall, JS, Richey, TA, Stuckley, A., Akula, MR, Kabalka, G., Macy, S...Kennel, S. (2013). Preliminär utvärdering av [18F]SFB- och [18F]FBAM-märkta amyloidofila peptider hos möss med visceral amyloidos. Affischpresentation 19 september 2013. University of Tennessee Medical Center, Knoxville Tennessee. http://www.wmis.org/abstracts/2013/data/papers/P163.htm .
17.) Wilbur, DS (1992). Radiohalogenering av proteiner – en översikt över radionuklider, märkningsmetoder och reagens för konjugatmärkning. Bioconjug Chem, 3, 433-470.
18.) Yang, C., Gu, Z., Yang, M., Lin, S. Garcia-Prats, A., Rogers, L...Smith, C. (1999). Selektiv modifiering av apoB100 i oxidationen av lipoproteiner med låg densitet genom myeloperoxidas in vitro. Journal of Lipid Research, 40, 686–698.
19.) Banister, S., Roeda, D., Dolle, F., & Kassiou, M. (2010). Fluor-18 Kemi för PET: En kortfattad introduktion. Current Radiopharmaceuticals, 3, 68–80.
20.) Ido T, Wan CN, Casella V, Fowler JS, Wolf AP, Reivich M och Kuhl DE (1978). "Märkt 2-deoxi-D-glukosanaloger: 18F-märkt 2-deoxi-2-fluoro-D-glukos, 2-deoxi-2-fluoro-D-mannos och 14C-2-deoxi-2-fluoro-D- glukos". J-märkta föreningar Radiopharm 24: 174–183.
21.) Tressaud, A. & Haufe, G. (2008). Fluor och hälsa: molekylär avbildning, biomedicinska material och läkemedel. Nederländerna Linacre House: Oxford, Storbritannien.
22.) Knochel, A. & Zwernemann, O. (1991). Aromatisk nca-märkning med 18F- genom modifierad Balz-Schiemann-nedbrytning. International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Del A. Tillämpad strålning och isotoper, 42(11), 1077–1080.
23.) Speranza, M. (1985). Elektrofil radiofluorering av arytrimetylsilaner som en allmän väg till 18F-märkta arylfluorider. Journal of Fluorine Chemistry, 30(1), 97-107.