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LA PRODUCCIÓN DE 18FDG
EN CHILE POR SÍNTESIS
MODULAR.
The Modular Synthesis Production of 18FDG in Chile.
Mario J. Avila Sobarzo (1) , Monica Chandía (2) ,
Ximena Errazú (2) and Nelson Godoy (2)
1
Cyclotron Laboratory, 2 Radiopharmacy
La Reina Nuclear Studies Center
Chilean Nuclear Energy Commission
mailto:[email protected]
RESUMEN
Ha sido ampliamente reconocido en los ultimos años
que 18FDG (18F-2-deoxi-2-fluoro-D-glucosa) es el
radiofarmaceutico emisor de positrones mas atractivo
que se dispone para ser usado en imágenes y diagnóstico clinico en la actualidad. Su comportamiento químico y propiedades de decaímiento (t1/2 = 109.7 min, β+
96.9% y EC 3.1%) hacen del 18F un radioisótopo muy
deseado para ser administrado IV. En consecuencia, se
ha observado, en la ultima década, una creciente demanda por 18FDG mientras que nuevos radiofármacos
marcados con 18F se encuentran disponibles.
Esta disponibilidad se hizo realidad en nuestro país sólo
cuando la Comisión Chilena de Energía Nuclear decidio asumir su liderazgo en el desarrollo de los radioisótopos deficientes en neutrones. La adquisición de un
acelerador de partículas cargadas Cyclone 18/9 apunta
a impulsar una nueva frontera en la práctica de la
medicina nuclear y a satisfacer la demanda por emisores de positrones, en especial la de 18F, que pueda
existir en el futuro.
Un estudio de los principales procedimientos aceptados
para la formulación de 18FDG muestra que la marcación del triflato de manosa, como el precursor específico, con 18F producido por el ciclotrón, es la aproximación más exitosa. En el presente trabajo el procedimiento para sintetizar 18FDG usando un módulo comercial,
controlado por computadora, y la realizar algunos de los
controles de calidad necesarios son revisados.
ABSTRACT
It is widely recognized, since past several years, that
18FDG (18F-2-deoxy-2-fluoro-D-glucose) is the most
attractive positron emitter radiopharmaceutical used in
imaging and clinical diagnostic nowadays. Its unique
chemical behavior and decay properties (t1/2 = 109.7
min, β+ 96.9% and EC 3.1%) makes of 18F a most
desirable radionuclide for human IV administration.
Accordingly, it has been observed, during the past
decade, a world wide increasing demand for 18FDG
and new 18F-radiopharmaceuticals are appearing on
the market.
Such availability did became reality in our country but,
only when the Chilean Nuclear Energy Commission
decided to assume its leadership on neutron deficient
radionuclides developments. The acquisition of a Cyclone 18/9 accelerator is intended to boost a new frontier in our national nuclear medicine practice and to
fulfill any internal positron emitter demand, specially
18F, may growth in the near future.
A review of main procedures accepted for 18FDG
formulation shows that labeling of mannose triflate, as
specific FDG precursor, with cyclotron produced 18F,
as the fluoride specie, is the most successful approach.
In this work the procedure for producing 18FDG using
a commercial modular synthesizer, computer driven
system, to perform the labeling and some quality controls requirements are reviewed.
NUCLEOTECNICA AÑO 23 Nº 37 (DICIEMBRE 2003)
MARIO J. AVILA SOBARZO, MONICA CHANDÍA, XIMENA ERRAZÚ AND NELSON GODOY
I. INTRODUCCIÓN.
Durante las últimas décadas se han introducido
diagnósticos clínicos revolucionarios en medicina
nuclear. La tomografía por emisión de positrones,
PET, es sin duda, una técnica eficiente y única en la
generación de imágenes mediante un procedimiento
no invasivo. El empleo de la 2-fluoro-2-deoxy-dglucosa, FDG, marcada con 18F es el radiofármaco
más importante que dispone la medicina nuclear
para obtener imágenes y estudiar el metabolismo
orgánico utilizando la tomografía por emisión de
positrones.
Una de las razones de este explosivo desarrollo
lo constituye la disponibilidad cada vez mayor del
18F, un radioisótopo deficiente en neutrones y de
vida media corta (t1/2 = 109,7 min. β+ 96.9% y EC
3.1%) Radioisótopos deficientes en neutrones para
aplicaciones clínicas, como el 18F, son producidos
en ciclotrones compactos, generalmente instalados
en las cercanías de los centros de diagnósticos.
La utilidad del 18F y otros emisores de positrones (15O, 13N y 11C) se hace evidente cuando son
incorporados en compuestos químicos de alta especificidad y cuya reactividad química los convierte en
trazadores de comportamiento biológicos casi idéntico a las moléculas reales.
La necesidad de incorporar el 18F a una molécula requiere de un proceso de marcación eficiente.
Con el acelerador Cyclone 18/9 la producción de
18F esta optimizada por dos canales de producción:
18O(p,n) 18F y 20Ne(d,α) 18F.
II. PRODUCCIÓN DE 18F.
El acelerador modelo Cyclone 18/9 produce
radioisótopos PET y SPECT irradiando los blancos
respectivos con dos partículas distintas: deuterones
o protones.
a. Producción por irradiación con el haz
de D- de 9 MeV.
El haz de deuterones es usado con un blanco
gaseoso. La irradiación de Neón natural (20Ne =
90,5% 21Ne = 0,3% 22Ne = 9,2%) se efectúa en un
rango de presión entre 6 a 11 bar. El blanco es una
mezcla gaseosa conteniendo trazas de F2(g) en un
volumen de 60 cm3. El Fluor-18 producido por el
canal de reacción nuclear, 20Ne(d,n)18F con una
energía umbral, Eumbral = 3,08 MeV. El producto
final no es carrier-free dado las trazas de F2(g), y
corresponde a 18FF(g). La forma molecular del
18FF puede utilizarse como fuente de flúor radioactivo aún cuando en el caso de la glucosa, donde se
precisa de una radioquímica eficiente y rápida, no es
práctica. Mediante el mismo canal de reacción, la
irradiación de una mezcla conteniendo H2(g). en vez
de F2(g) produce, también no-carrier-added, HF(g)
b. Producción por irradiación con el haz de Hde 18 MeV.
El haz de protones se utiliza para la producción
de 18F cómo anión, 18F-, en medio acuoso. La
especiación del radioisótopo facilita el proceso de
radioquímica dado que se produce directamente en
solución. El blanco a irradiar es agua enriquecida
con el isótopo O-18 en un porcentaje mayor que el
95%[1]. El producto resulta así no-carrier-added. La
reacción nuclear es 18O(p,n)18F. La energía umbral, Eumbral = 2,58 MeV.
III. REACTIVIDAD
El flúor, el más liviano de los representantes del
grupo de los halógenos, es uno de los elementos
químicos no metálicos de mayor reactividad que se
conocen. Su electronegatividad es mayor que la del
oxígeno (4,0 versus 3,5). Notable es su relativa
facilidad, inexistente para el resto de la Tabla Periódica, para formar compuestos con los gases nobles.
Posee el potencial de ionización más elevado, excluyendo los gases nobles. Un ejemplo clásico de su
extrema reactividad es la violenta y explosiva
reacción de flúor sólido con hidrógeno para formar
ácido fluorhídrico, HF, incluso a temperaturas tan
bajas como – 250ºC.
En la búsqueda de la radiosíntesis ideal se han
intentado reacciones de desplazamiento nucleofílicos utilizando fluoruros[2]. Sin embargo, la reactividad del flúor permite que las reacciones de fluoración puedan ser tanto electrofílicas como nucleofílicas las que, en muchos casos, emergen como reacciones competitivas. Aún cuando por su agresividad
química el flúor garantice un ataque eficiente en la
marcación, los productos no siempre resultan en la
manera programada.
En las reacciones que presentan mecanismos de
reacción múltiples o complejos se recurre al spin
nuclear del flúor estable, I = 1/2, como propiedad
detectable, para determinar la posición del flúor, en
la molécula, en una síntesis fría de 19FDG. El
método analítico tradicional es la FT-NMR para la
determinación de la estructura del producto en función del corrimiento químico de la señal NMR del
19F en sus diversos compuestos.
Considérese, como ejemplo, la radiosíntesis de
18FDG mediante la reacción de 18FF molecular vía
glucoles en medio acuoso. La reacción es sencilla y
ocurre rápidamente (alrededor de 30 minutos) con
una etapa de purificación en medio ácido. La etapa
intermedia es un aducto difluorado, ver figura 1.
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Esta reacción demuestra que el 18FF es una especie
química suficientemente reactiva, y puede ser utilizada directamente en agua, para incorporar 18F en
glucosa con un rendimiento del 30%. Desafortunadamente, el producto de interés, 18FDG, resulta
mezclado con 2-fluoro-d-deoxy-D-manosa, 18FDM,
en una razón 2:1[3,4]. La razón entre los dos isómeros, 18FDG y 18FDM, es regularmente constante en
un amplio rango de pH y temperatura dificultando la
purificación, incluso mediante cromatografía, del
18FDG. El desarrollo de un método eficiente de
separación del 18FDG del 18FDM y aducto fluorado
permitirá disponer de este método, a temperatura
ambiente y en medio acuoso, como fuente de 18FDG.
IV. SÍNTESIS MODULAR.
18F(acuoso) en una hora de irradiación. El segundo
portablanco es el de mayor capacidad, 2,2 mL, y
debe producir mas de 4 Ci de 18F- al cabo de dos
horas de irradiación.
b. Transporte del blanco irradiado.
El agua irradiada conteniendo al reactante 18F,
como fluoruro, se transporta desde el portablanco,
hasta la celda de marcación, por un capilar inerte de
12 m de largo presurizado con He. El capilar cruza
subterraneamente el muro de concreto 1,8 m de
espesor que separa la Bóveda del Ciclotrón con el
Laboratorio de Marcación. Un detector colocado
sobre el piso indica, por variaciones directas de
lectura, el paso de la actividad desde el portablanco
hasta la celda de marcación.
La ruta sintética escogida para el proceso automatizado utiliza la reactividad del ión fluoruro,
controlada mediante la participación de un agente de
transferencia capaz de incorporar la selectividad
necesaria, para obtener un producto de alta pureza y
no una mezcla de azúcares. La aproximación sintética desarrollada por Hamacher et. al.[5], consiste
en la reacción de un azúcar precursor, con sus grupos
funcionales protegidos, la tetraacetilada-D-manosa
(en rigor, 1,3,4,6-tetra-O-acetil-2-trifluorometanosulfonil-β-D-manopiranosa). Este precursor reacciona con el agente de transferencia, el complejo
potasio-aminopolieter-18F, que incorpora selectivamente el 18F en la molécula. La estructura del
azúcar precursora solo tiene un punto lábil para
incorporar el 18F: el carbono enlazado al trifluorometanosulfonil, Figura 2.
c. Recuperación H218O.
Al llegar a la celda de marcación el blanco
líquido se hace ingresar directamente al módulo de
marcación por el conector de ingreso que llevará al
18F(acuoso) a la etapa de reciclaje del blanco. Una
resina de intercambio iónico atrapa los iones 18F18
(acuoso) dejando escurrir el blanco, H2 O, el que
se recupera para su reutilización en un porcentaje
superior al 80%.
El trifluorometanosulfonil es un buen grupo
saliente por lo que la reacción, que procede con un
cambio de inversión, es rápida. Se logra de esta
manera un eficiente mecanismo de incorporación
nucleofílica del 18F, en ausencia de carrier y a una
temperatura de 80oC.
e. Evaporación a sequedad.
La solución es calentada para evaporar el H2O
completamente. El complejo anhidro, [Kryptofix
2.2.2]K+18F-, en preparación para hacerlo reaccionar con la solución triflato-tetraacetilada-D-manosa
en CH3CN.
La irradiación y radiosíntesis modular se ejecutan completamente bajo un programa que el operador define según las necesidades. Si bien el proceso
radioquímico es uno definido, por los mecanismos
de síntesis nucleofílica, se puede controlar cada una
de las etapas en la marcación de la glucosa. Cada una
de las etapas siguientes se configuran en el controlador PCL Siemmens donde los valores de las distintas
variables de producción y marcación (temperatura,
tiempo, flujos etc.) se definen.
f. Marcación.
La mezcla de reacción se mantiene a 85oC y se
lleva a sequedad bajo una corriente de N2(g). Se deja
enfriar el producto y se reconstituye con 1,0 mL de
H2O.
a. Irradiación.
Las actividades son producidas en uno de los dos
blancos disponibles. Es posible irradiar ambos blancos simultáneamente. Un portablanco tiene un volumen de 0,4 mL y permite obtener unos 700 mCi de
d. Transferencia de 18F-(acuoso).
La columna de intercambio conteniendo a los
iones 18F- es tratada con una solución acomplejante
de [Kryptofix 2.2.2]K2CO3 en una mezcla de H2O/
CH3CN. Esta solución remueve cuantitativamente
los 18F- y los transfiere, en vacío, al tubo de reacción
donde la marcación tendrá lugar.
g. Hidrólisis.
A la solución resultante de la marcación se le
agrega NaOH 0,5N para remover los grupos protectores acetilos presentes en la glucosa marcada. Finalizada la hidrólisis, la solución se diluye con H2O.
h. Purificación.
La solución de 18FDG es purificada sometiendo
a la glucosa marcada a una purificación mediante
columnas Sep-Pak, IC-H +, Alumina, C-18. La solución esterilizada con un filtro Millipore GS-0,22 µm.
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V. CONTROL DECALIDAD.
Es innegable que una de las ventajas de marcar
moléculas, de alta especificidad fisiológica, con 18F
radica en lo corto de su vida media. Esta vida media
impone condiciones que inciden directamente en los
controles de calidad. No es extraño que dichos
procedimientos se ejecuten mientras el radiofármaco va hacia el centro para su administración. La
importancia vital, en algunos casos, ha determinado
que OIEA designara a un grupo de concejeros para
que analizara la problemática de la calidad con que
se distribuyen estos radiofármacos [6].
En el caso de la fluorinación de la 1,3,4,6-tetraO-acetil-2-trifluorometanosulfonil-β-D-manopiranosa, asistida por el aminopolieter rinde esencialmente la forma protegida (acetilada) del 18F-2deoxy-2-fluoro-D-glucosa. Este producto ha sido
caracterizado por la señal NMR del 19F en el caso de
compuesto acetilado 19F-2-deoxy-2-fluoro-Dglucose.
El pH de la solución medida con pH-strip, en el
test de la mancha, debe estar en el rango 6,5 a 7,5.
La reacción que se empleará en la producción,
que CCHEN introducirá en el país, de 18FDG modular utiliza la mediación de un aminopolieter, Kryptofix 2.2.2.(Aldrich Chemical Co. Milwaukee, WI,
U.S.A.). Kriptofix 2.2.2. es elevadamente tóxico
(LD50 =35 mg/Kg inyectado IV en ratas) por lo que
es imprescindible cuantificar la concentración de
este compuesto en la formulación final del 18FDG
antes de ser administrada a un paciente. La metodología va desde las técnicas de cromatografía[7] hasta
la directa separación vía resinas de intercambio
cationico[8]. La técnica de Chaly[7] permite un
método, con un límite de detección de 12,6 µg per
ml, para cuantificar el Kryptofix. Concentraciones
de Kryptofix inferiores a este valor representan una
concentración con un factor de seguridad de 104 por
debajo de la dosis mortal, si es que se inyectara en un
paciente, de 70 Kg, la producción total de 18FDG.
al producto 18FDG con un valor de Rf de 0,45. Los
productos que no fueron hidrolizados avanzan con el
frente del solvente mientras que la presencia de
fluoruro libre como 18F se mantiene en el origen.
VI. CONCLUSIONES:
La disponibilidad comercial, a nivel mundial, de
la síntesis automatizada de 18FDG permite que
países con tradición en medicina nuclear puedan
aprovechar una metodología probada para expandirse de acuerdo a las necesidades internas. En
muchas instancias la sola disponibilidad de 18F es,
per se, un avance significativo. El consenso es que
hay todavía mucho que investigar para desarrollar
metodologías que permitan nuevas aplicaciones clínicas del 18F como biotrazador[9, 10].
Aún hoy, y a más de una década de la respectiva
publicación, reconocemos, desde la perspectiva de
un procedimiento automatizado para incorporar el
18F en glucosa, sin lugar a dudas que el método de
marcación modular desarrollado por Hamacher es
rápido y eficiente. La síntesis concebida, a partir de
este, en la forma de kit de producción comercializada por Ion Beam Applications (IBA) de Bélgica
tiene ventajas que pueden ser resumidas de la siguiente manera:
1.- Alto rendimiento. Garantiza ~50% actividad
EOB.
2.- La actividad específica del 18F es alta (MBq/
mg).
3.- El producto 18FDG se obtiene en la forma nocarrier.added.
4.- El 18F producido vía 18O(p,n) 18F es anionico
y se usa como tal en la síntesis.
5.- El 18F se encuentra en medio acuoso, lo que
simplifica su incorporación sintética.
6.- El uso de un agente acomplejante mejora la
especificidad de la marcación.
7.- El empleo de un precursor, con sus grupos
funcionales protegidos, aumenta la pureza radioquímica del producto.
La pureza radionuclídica se controla por espectrometría gamma. La única señal que debe observarse corresponde al gamma de aniquilación de 511
keV. Por cierto otros emisores de positrones emitirán igualmente el gamma de 511 keV. Un estudio del
decaimiento de este rayo gamma mostrará, por determinación de visas medias, la pureza radionuclidica del 18F.
La pureza radioquímica se controla por TLC en
una solución de CH3CN/H2) 95:5. La distribución
de las especies químicas que han sido marcadas con
18F muestra que este tipo de cromatografía presenta
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Posibles intermediarios para la reacción del gas 18FF con D-glucal (I) a temperatura ambiente.
Caracterización de los intermediarios difluoro aductos por cromatografía demuestran que la molécula de
18FF se adiciona al doble enlace para generar una mezcla de 18FDM (II) y de 18FDG (III) los que son
inseparables por TLC.
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Figura 2.
Esquema de la síntesis de 18FDG utilizando la Manosa triflato (Tf = - SO2CF3) como precursor y el
complejo formado por el fluoruro y el aminopolieter.
El producto final se obtiene por hidrólisis de la forma
peracetilada con NaOH.
Referencias.
1.- Rotem Industries LTD. Israel.
2.- Bida, G.T.; Satayamurthy, N.; Padget, H.C. et
al. (1984) 18F-2-deoxy-2-fluoro-D-glucose:
New approaches involving nucleophilic and electrophilic fluorination. 5th International Symposium on Radiopharmaceutical Chemistry. Abstracts. Tokyo. Japan, 213.
3.- Bida, G.T.; Satyamurthy, N. y Barrío, J.R. (1984).
The synthesis of 2-[18F]Fluoro -2-depxy-Dglucose using glycals: a reexamination. J. Nucl.
Med. 25, 1327-1334.
4.- Jewett, D.M.; Potokci, J.F.; Ehrenkaufer, R.E.
(1984) Aqueous-phase electrophilic fluorination of F-18 labeled radiopharmaceuticals. 187th
American Chemical Society National Meeting,
NUCL58, St. Louis, MO. Abstracts.
5.- Hamacher, K.; Coenen, H. H. and Stocklin, G.
(1986) Efficient stereospecific of no-carrieradded 2-[18F]-fluoro-2-deoxy-D-glucose using
aminopolyether supported nucleophilic substitution. J. Nucl. Med. 27, 235-238.
6.- Vera-Ruiz, H.; Marcus, C.S.; Pike, V.W.; Coenen, H.H.; Fowler, J.S.; meyer, G.J.; Cox, P.H.;
Vaalburg, W.; Cantineau, R.; Helus, F. And
Lambretcht, R.M. (1990) Report of an International Atomic Energy Agency’s Advisory Group
Meeting on “Quality Control of Cyclotron –
produced Radiopharmaceuticals”. Nucl. Med.
Biol. 17(5) 445 – 456.
7.- Chaly, T. And Dahl, J. (1989) Thin layer chromatographic detection of Kriptofyx 2.2.2. in the
routine synthesis of 2-[18F]-fluoro-2-deoxy-Dglucose. Nucl. Med. Biol. 16(4), 385 – 387.
8.- Alexoff, D.L.; Fowler, S.; and Gatley, S.J. (1991)
Removal of 2.2.2.cryptand (Kryptofix 2.2.2.tm)
from 18FDG by cation exchange . Appl. Radiat.
Isot. 42(12) 1189 – 1193.
9.- Ganatra, R.R. (2002) The future of nuclear medicine. World J. Nucl. Med 1, 86-88.
10.- Patt, M.; Sorger, D.; Scheunemann, M. And
Stocklin, G. (2002) Adduct of 2-[18F]FDG
and 2-nitroimidazole as putative radiotracer for
the detection of hypoxia with PET: synthesis, in
vitro and in vivo-characterization. App. Radiat
Isotop. 57, 705-712.
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