Получение радионуклидов и радиофармпрепаратов для позитронной

эмиссионной томографии (ПЭТ)

Р.Н. Красикова

Зав. лаб. радиохимии ФГБУ Институт мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН Доцент каф. радиохимии химического факультета СПбГУ

1

Лекция 2. Предмет радиофармацевтики. Понятие радиофармацевтического препарата (РФП), требования к меченым соединениям, используемым в качестве РФП. Период полураспада радионуклида и эффективный период полувыведения РФП. Пути локализации РФП после введения в организм человека и животных; выбор положения метки в молекуле РФП с учетом метаболизма. Понятие фармакодинамики и фармакокинетики. Классификация РФП по типу радионуклида и по типу использования в радионуклидной диагностике или радиотерапии.

2

Ядерная медицина

Ядерная медицина - дисциплина, связанная с применением открытых (не инкапсулированных) радиоактивных источников для диагностических и терапевтических целей в медицине, а также для решения фундаментальных и прикладных исследовательских задач (например, разработки новых лекарственных средств);

Методы ядерной медицины основаны на использовании соединений, меченых радиоактивными изотопами (радиофармпрепаратов)

Радионуклидная диагностика

(nuclear imaging)

Радиотерапия с

использованием РФП

Входит в группу методов медицинской визуализации (medical imaging)

Функциональная диагностика

3

• ПС: Планарная гамма сцинтиграфия

• ОФЭКТ: Однофотонная эмиссионная компьютерная томография

• ПЭТ: Позитронная эмиссионная томография

Методы радионуклидной диагностики (nuclear imaging)

Методы отличаются:

• типом используемых радионуклидов;

• способом регистрации их излучения;

• способом обработки данных;

• набором радиотрейсеров

ПЭТ - наиболее информативный метод ядерной медицины, с наилучшим пространственным разрешением, широким спектром РФП, позволяющий получать количественные характеристики процессов

4

Роль радиохимии в развитии и применении метода ПЭТ

• Для реализации огромных возможностей метода необходимы высокие технологии не только в области ПЭТ или ПЭТ-КТ сканирования, но и на предыдущем этапе производства короткоживущих ПЭТ-радионуклидов и синтеза диагностических агентов, содержащих радиоактивную метку (радиофармпрепаратов - РФП), которые необходимы для выявления конкретных патологий;

• Именно эта часть ПЭТ методологии, которую принято называть ПЭТ-радиохимией или, позднее, ПЭТ-радиофармацевтикой, является технологически наиболее сложной и, в большинстве случаев, определяющей эффективность использования метода в клинической и исследовательской практике

5

Предмет радиофармацевтики (радиофармацевтической химии)

• Фармацевтическая химия - наука, которая, базируясь на общих законах химических наук, изучает способы получения, строение, физические и химические свойства лекарственных веществ, а также связь между их химической структурой и действием на организм, методы контроля качества лекарственных средств и изменения, происходящие при их хранении;

• Радиофармацевтика - наука о методах синтеза радиофармпрепаратов и методах контроля их ядерно-физических, химических и биологических характеристик;

• Радиофармацевтический препарат (радиофармпрепарат - РФП) - лекарственный препарат, который в готовой для использования форме содержит один или несколько радионуклидов (радиоактивных изотопов);

• В России даже те РФП, которые используются в качестве диагностических агентов, по закону отнесены к группе лекарственных средств

6

Отличительные особенности РФП

• РФП отличаются от обычных лекарственных средств: а) наличием в своем составе радионуклида; б) практическим отсутствием заметного фармакодинамического

воздействия на организм человека, что объясняется содержанием в них химического соединения в очень малых количествах;

• Фармакодинамика - раздел фармакологии, изучающий воздействие

лекарственного вещества на организм, а также механизмы действия лекарственных средств

• РФП отличаются от обычных меченых соединений: • а) принадлежностью к лекарственным (медицинским) средствам

б) необходимостью соответствовать всем требованиям, предъявляемым к препаратам, вводимым в организм человека

7

Свойства РФП

Свойства РФП определяются: • с одной стороны, ядерно-физическими характеристиками

радионуклида;

• с другой стороны - химическими и биохимическими характеристиками соединения, в состав которого вводится радионуклид;

• после введения человеку или животному, РФП включается в

процессы метаболизма (обмена веществ) или физиологические процессы (например, переноса током крови), обеспечивающие определенную функцию отдельного органа или организма в целом, т.е. применение каждого РФП должно быть биохимически и физиологически обосновано.

8

Ядерно-физические характеристики радионуклидов

~ • Тип распада

• Энергия излучения

• Период полураспада T1/2

• Постоянная распада λ = 0.693/T1/2

А = Ao e- λt

Единицы измерения радиоактивности

Беккерель (Бк) - 1 распад/сек

Кюри (Ки) - 3.7 х 1010 распад/сек

МиллиКюри (мКи) – 1 мКи = 37 МБк

9

Классификация радионуклидов в соответствии с принципами их использования в составе РФП

ДИАГНОСТИКА

ПЭТ (PET)b+ - излучатели

T1/2 от сек до час

ОФЭКТ (SPECT)γ- излучатели, 100 - 200 кэВ

T1/2 от мин до сут

РАДИОНУКЛИДНАЯ ТЕРАПИЯ

b- - излучатели200 - 2000 кэВ

a- излучатели свысокой ЛПЭ~ 100 кэВ/mм

Радионуклиды, распадающиеся

ЭЗ или ВЭК

123I, 111In, 67Ga, 201Tl

99Mo/99mTc18F

11С, 13N, 15О,68Ge/68Ga

131I

32Р, 90Sr/90Y, 89Sr, 153Sm, 188W/188Re, 177Lu

211Аt,225Ас/213Bi

111In, 67Ga, 165Er

125I

10

Тераностика (matched paired)

[123I]MIBG [131I]MIBG

ОФЭКТ диагностика проводится перед радиотерапией для определения локализации опухоли (феохромоцитомы, нейробластомы), ее распространенности и расчета терапевтической дозы йода-131

11

ПЭТ в онкологии: выбор радиотрейсера

• Гликолиз - производные глюкозы - [18F]ФДГ;

• Активный транспорт аминокислот - L-[11C-метил]метионин;

• Нейротрансмиттерные взаимодействия - 6-[18F]-L-ФДОПА;

• Гипоксия- нитроимидазолы - [18F]ФМИЗО

• Апоптоз - меченые пептиды;

• Ангиогенез - меченые пептиды;

• Экспрессия антигенов и рецепторов - 16α-[18F]фторэстрадиол

12

Теоретическое рассмотрение (radiotracer design) • выбор радионуклида • выбор изучаемого патологического процесса или функции организма • выбор структуры химического соединения (leading structure), которое будет

участвовать в изучаемом процессе; • создание фармакокинетической модели, отражающей биохимическое или

физиологическое поведение полученного радиотрейсера в организме;

• Практические разработки (radiotracer dеvеlopment) • разработка химической стратегии синтеза и выбор метода автоматизации; • разработка методов контроля качества РФП; • доклинические исследования на животных - функциональная пригодность,

токсичность, дозиметрия (дозовые нагрузки на органы); • клинические исследования человека (здоровые добровольцы и пациенты); • оформление нормативной документации (досье) на препарат

Этапы создания РФП

13

• Минимальная дозовая нагрузка на пациента

• Моноэнергетический гамма спектр • Отсутствие β--излучения • Удобный метод получения (циклотрон или генератор) • Возможность получения различных классов радиотрейсеров

Требования к диагностическим радионуклидам

• РН должен обладать излучением с достаточной проникающей способностью, которое можно зарегистрировать внешним детектором, поэтому следует использовать гамма- или β+-излучающие радионуклиды; • в ПЭТ регистрируются γ-кванты аннигиляции энергией 511 кэВ

14

Изотопы йода для ядерной медицины

РН (получение

)

Распад Т1/2 Еγ, кэВ Еb, кэВ Область применения

123I (циклотрон

)

ЭЗ 13,3 ч 159 (83,5 %) - ПС ОФЭКТ

125I (реактор)

ЭЗ 60,14 сут

35,5 (6,68 %)

- Радиоиммуно-анализ;

Брахитерапия

124I (циклотрон)

b+ (22,8 %), ЭЗ (76,9 %)

4,15 сут 511 (50 %), 605 (67 %)

b+ - 687 (12%) 975 (11 %)

ПЭТ

131I (реактор)

b− 8,04сут 284(6,1 %), 364 (81,7 %), 637(7,2%)

606 (91,6 %)

Радионуклидная терапия

15

Схема распада 131I

• из-за наличия в спектре β-

-частиц высокой энергии РФП на основе 131I запрещены к использованию в радионуклидной диагностике;

• в диагностике (ОФЭКТ) используют 123I (13,6 час) с гамма-излучением 159 кэВ;

• радиационная нагрузка на пациента отличается в 100 раз

16

Биотрансформация РФП в организме (термины и определения)

Биотрансформация

1) метаболическая трансформация (метаболизм) - превращение веществ в организме за счет окисления, восстановления и гидролиза; продуктами являются метаболиты;

2) конъюгация - биосинтетический процесс, сопровождающийся присоединением к молекуле вещества или его метаболитам различных функциональных групп или молекул эндогенных соединений (реакции метилирования, ацетилирования, взаимодействия с глюкороновой кислотой, сульфатами, глутатионом идр.); продуктами являются конъюгаты;

эндогенный - внутренний, возникший внутри организма, определяющий

метаболизм клетки за счет запасного вещества (напр., гликогена, крахмала);

экзогенный - чужеродный (ксенобиотик), в результате биотрансформации переходит в формы, удобные для выведения из организма

РФП для ПЭТ на осонове фтора-18 является эндогенными соединениями

(ксенобиотиками) 17

Влияние «метки» на биохимические свойства молекулы

• большинство ОФЭКТ радионуклидов - изотопы металлов или йода;

• введение металла меняет биологические свойства молекулы, невозможно

получить «истинные» радиотрейсеры 18

Классификация РФП в соответствии с химическим строением, природой и положением «метки»

• «истинно» меченые соединения, полностью идентичные природным, присутствующим в организме человека (15O-H2O, 13NH3, 11C-метионин, меченные 123I гормоны щитовидной железы);

• вещества-аналоги, похожие по химическому строению на вещества-прототипы (исходные субстраты), тогда как радиоактивныая метка является изотопом другого элемента (123I-йод гиппуровая кислота, 2-18F-2-дезокси D-глюкоза);

• эндогенные вещества (ксенобиотики), структурно отличающиеся от природных аналогов, но включающиеся в различные биохимические процессы (201Tl хлорид, 99mTc-пертехнетат натрия)

•

19

Изотопное мечение: потеря метки 11С в результате метаболизма L-[11C]DOPA - РФП для диагностики

болезни Паркинсона

N

Ni

O

N

H

PhO

O

N

H

H

C11

OMe

MeO

OH

OH

C11

CH

COOH

NH2

H2Br

80oC, 5 min, acetone

H2

hydrolysis

6M HCl, 140oC,

5 min

Ni-BPB-Gly

ButOK

Синтез β-11C-L-DOPA является очень сложным, данный РФП не используется в ПЭТ (Кузнецова и др., Радиохимия, 1999)

20

Неизотопное мечение: 6-18F-фтор-L-DOPA, фторированный аналог L-DOPA, РФП для диагностики болезни Паркинсона

Garnett, Firnau, Nahimias

Nature 305, 137 (1983)

Асимметричное накопление РФП в субстанции Нигра у пациента с болезнью Паркинсона (PD – Parkinson disease)

Whone et al, J Nucl Med 2004; 45:1135-1145 21

РФП для оценки нарушений дофаминергической системы методом ПЭТ

22

DaTSCAN ™ (Ioflupane I 123 Injection) - радиотрейсер для визуализации транспортеров дофамина при болезни Паркинсона методом однофотонной эмиссионной компьютерной томографии

123I ( T1/2 13.3 час)

• Производное фенилтропана;

• Разработка GE Health Care (Amersham)

• С 2006 г. используется в Европе

• С 2011 г используется в США

23

Транспортеры дофамина (ДАТ) и их роль в патогенезе нейродегенеративных заболеваний

•Дофамин (ДА) - нейромедиатор в центральных системах дофаминергических нейронов, высвобождается в синаптическую щель из везикул, локализованных внутри нейронов;

• В результате последующего взаимодействия с постсинаптическими дофаминовыми рецепторами ДА вызывает определенный физиологический отклик; • •Биологическое действие выделившегося ДА инактивируется путем его поступления обратно в нейрон при участии специфических транспортеров дофамина (ДАТ); • •Таким образом, ДАТ являются важнейшими элементами регуляции действия дофамина;

•Отклонения в содержании ДАТ отмечены в патогенезе болезни Паркинсона и Альцгеймера, при суициде, депрессии и шизофрении

24

Meth vs. Cocaine Effects on the Brain

Cocaine

Methamphetamine

25

Химические формы РФП

• простые вещества (81mKr, 127,133Xe); • ионные соединения (201TlCl, Na99mTcO4, 13NH4Cl); • меченые органические соединения (11С-ацетат, 18F-ФДГ, 123I-жирные кислоты); • комплексы (99mTc-ДТПА, 68Ga-ДОТАТЕ).

Физико-химические формы РФП

• растворы; • коллоиды (99mTc-фитат, 198Au, сульфиды металлов); • микрочастицы (микросферы АЧС, макроагрегаты АЧС); • газы, аэрозоли; • меченые белки, антитела, пептиды • меченые элементы крови (эритроциты, лейкоциты).

26

Классификация РФП по функциональным свойствам

- Инертные (используются в основном в качестве РФП для оценки эффективности процессов кровоснабжения (перфузии);

- физиологически тропные (специфически связываемые с тканями органа-мишени, рецепторами или нейротрансмиттерами), например:

- туморотропные РФП (18F-ФДГ, 18F-ФЛТ) - остеотропные РФП (99mTc-пирфосфат; 18F-фторид), которые встраиваются в структуру гидроксиапатита растущей костной ткани; - рецептор-специфичные (68Ga-DOTA-TATE)

27

ПЭТ: концепция блокированного метаболизма в исследованиях с 18F-ФДГ

ПЭТ с ФДГ позволяет количественно определять регионарную скорость потребления глюкозы в тканях

Злокачественные клетки характеризуются более активными процессами гликолиза, что обусловлено повышенным уровнем белков, транспортирующих глюкозу (транспортеров глюкозы Глут1 1 и Глут 2), и, в большей степени, увеличением активности гексокиназы в неоплазме.

O

H

HO

H

HO

H

OH

18FHH

OH

28

ПЭТ исследование скелета с Na18F

29

Идеальные свойства любого препарата адресно-направленного действия

Идеальные свойства любого препарата адресно-направленного действия наметил в общих чертах Пауль Эрлих более 100 лет назад.

• Исключительный и полный транспорт в патологически измененную ткань или орган-мишень благодаря высокому сродству и взаимодействию с данными клеточными системами или тканями; • Отсутствие связывания между лекарственным средством и здоровыми (неповреждѐнными) клетками или тканями; • Отсутствие распада или метаболизма препарата до контакта с аномальной биологической тканью; • Отсутствие токсичности по отношению к здоровым тканям; • Полное удаление нелокализованного препарата из организма;

30

Требования к фармакокинетике РФП

• Поведение РФП в организме должно отражать патологические изменения; • РФП должен обладать высокой специфичностью к поглощению, фиксации, участию в физиологических процессах в критическом органе настолько, чтобы окружающие органы и ткани не влияли на изображение исследуемого органа (максимальное отношение активностей орган/фон) и не подвергались неоправданному облучению; • РФП не должен перераспределяться в течение времени исследования; • Желательно отсутствие накопления РФП в отдалѐнных от патологического очага органах; • РФП должен выводиться из организма за время, сопоставимое с временем исследования Скорость выведения РФП (характеризуемая биологическим периодом полувыведения) влияет на лучевую нагрузку. • Диагностические тропные РФП должны конкурировать с эндогенными соединениями в процессах метаболизма. • Период полураспада РН должен соответствовать продолжительности исследований, однако величина его должна быть минимальной, чтобы уменьшить лучевую нагрузку

31

Радиотоксичность и эффективный период полувыведения РФП

Радиотоксичность - способность радионуклида при попадании в человеческий организм оказывать на него вредное воздействие;

• на степень радиотоксичности влияют вид излучения, его энергия, особенности накопления отдельными органами, время нахождения в организме (эффективный период полувыведения)

• если одновременно протекают два процесса, подчиняющиеся экспоненциальному закону, то сумма обоих процессов представляется в виде экспоненты;

• если один из них определяется радиоактивным распадом, а другой биологическим процессом, их результат может быть охарактеризован эффективным периодом полувыведения (T1/2 эфф):

• 1/T1/2 эфф = 1/T1/2 физ + 1/T1/2 биол

32

2-18F-Tyr

Meтаболиты

Связанный

2-18F-Tyr,

Meтаболиты

< 3%

Плазма

крови Ткань мозга

K1

k2

Свободный

2-18F-Tyr

αα-tRNA

2-18F-Tyr

<2%

k3

Фармакокинетическая модель метаболизма L-[2-18F]фтортирозина в тканях мозга

Coenen et al., JNM 1989

ГЭБ

• Свободный фтортирозин легко проникает через ГЭБ • Количество меченых метаболитов в тканях мозга пренебрежимо мало • Отсутствует пул природных конкурирующих соединений • T1/2 18F (110 мин) - позволяет отслеживать динамику накопления трейсера в тканях в течение периода времени, сопоставимого со скоростью синтеза белков • Процесс можно описать трехкомпартментной фармакокинетической моделью, которая может быть далее линеаризована в рамках подхода Gjedde/Patlak’a 33