Способ получения активной фармацевтической субстанции циркония-89 для радиофармацевтических лекарственных препаратов
METHOD OF PRODUCING ACTIVE PHARMACEUTICAL SUBSTANCE ZIRCONIUM-89 FOR RADIOPHARMACEUTICAL DRUGS

89
Изобретение относится к медицине, в частности, к способам получения физиологически приемлемых растворов радионуклида Zr, пригодных для приготовления и синтеза радиофармацевтических лекарственных препаратов (РФЛП) надлежащего качества, применяемых в высокотехнологичных диагностических процедурах позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
89
89
89
1/2
Радионуклид Zr (Т=78,42 ч.) по совокупности ядерно-физических свойств является одним из наиболее перспективных радионуклидов для ПЭТ-визуализации биологических процессов с медленной кинетикой, включая мониторинг трекинга меченых аутологичных клеток in vivo, а также диагностику с использованием меченых моноклональных антител и их фрагментов. Применение циркония-89 в ПЭТ позволяет достичь высокого разрешения изображений благодаря низкой энергии испускаемых позитронов. Для получения циркония-89 не требуется использование изотопно-обогащенной мишени, поскольку исходным материалом является моноизотопный природный иттрий (иттрий-89). В соответствии с литературными данными для получения циркония-89 на циклотроне наилучшей является реакция Y(p,n)Zr при энергии протонов 14 МэВ [1].
Для применения в синтезе РФЛП цирконий-89 должен быть выделен из материала мишени в форме удобного и фармакологически приемлемого по составу раствора с как можно более низким содержанием химических, радионуклидных и радиохимических примесей. Особенно важно, чтобы раствор циркония-89 имел высокую объемную активность и низкую кислотность [2].
Для выделения циркония-89 из иттриевой мишени были предложены методы катионо- и анионообменной хроматографии, а также экстракция [3-8]. Стандартная процедура состоит из следующих стадий: облученную мишень растворяют в концентрированной соляной кислоте; далее полученный раствор доводят до необходимой концентрации соляной кислоты (9 М), и пропускают через колонку, заполненную сильноосновной анионообменной смолой (Dowex 1×8, 2×8), при этом значительная часть активности циркония-89 задерживается на смоле, а большая часть иттрия и других металлических примесей проходит через колонку; десорбцию циркония-89 со смолы осуществляют элюированием колонки раствором соляной кислоты (1-2 М) или смешанными средами, содержащими азотную, щавелевую или плавиковую кислоту. Выход по активности циркония-89 в данном подходе варьируется от 60 до 98%. Химическая чистота получаемых растворов также варьируется в широких пределах. Основными недостатками данного подхода к выделению циркония-89 являются низкая объемная активность получаемых растворов и их высокая кислотность, требующая дополнительного разбавления и/или нейтрализации растворов перед применением. В свою очередь, в случае растворов минеральных кислот (соляной), нейтрализация вносит дополнительные сложности в процесс синтеза, поскольку известно, что цирконий в отсутствии комплексующих агентов склонен к гидролизу [10].
89
2
3
Известен способ, предложенный Meifs et al, согласно которому для получения химически и радиохимически чистого циркония-89 с высокой объемной активностью используют гидроксаматную ионообменную смолу, а в качестве элюента - раствор щавелевой кислоты [11]. Гидроксаматные смолы обладают высокой селективностью к цирконию, за счет чего достигаются высокие коэффициенты разделения циркния-89 от иттрия и других неизотопных носителей. По описанному способу раствор Zr-хлорида в соляной или азотной кислоте (раствор облученной мишени) приводят во взаимодействие с гидроксаматной смолой, после чего элюируют цирконий-89 раствором щавелевой кислоты 1 М. Данный метод позволяет получить очищенный раствор циркония-89 с выходом 95% в малом объеме (1-2 мл). Полученный таким способом раствор используют для синтеза РФЛП (получение комплексов с дифероксамином или мечения модифицированных дифероксамином моноклональных антител). Этот способ характеризуется простотой исполнения, быстротой, высокой степенью концентрирования и высоким выходом циркония-89, а также высокими коэффициентами очистки от металлических примесей. Кроме того, присутствие в растворе щавелевой кислоты подавляет гидролиз циркония-89 при повышении рН реакционной среды для проведения дальнейших реакций синтеза РФЛП. Однако, как было показано, использование высоких концентрацией щавелевой кислоты (~1 М), необходимых для элюирования циркония-89 с гидроксаматной смолы, может негативно сказываться на выходе реакции мечения [11]. Применение более разбавленных растворов щавелевой кислоты приводит к снижению эффективности элюирования активности со смолы и увеличению эффективного объема элюата. Кроме того, получаемые растворы щавелевой кислоты необходимо нейтрализовать (NaOH или NaCO) до нейтрального значения рН, так как именно в таких условиях происходит мечение биомолекул. При этом предельная растворимость оксалата натрия составляет 0,27 М и, для предотвращения выпадения осадка (и потерь активности за счет неселективного соосаждения), исходный раствор необходимо разбавлять, что также сказывается на величине объемной активности получаемых препаратов. Предложенные авторами подходы по удалению избытков щавелевой кислоты (включая дистилляцию растворов при пониженном давлении) являются крайне трудозатратными.
89
2
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату являются способ, предложенный Holland et al. [12]. Данный способ включает следующие стадии: сорбция Zr в среде 2 М HCl на гидроксаматной смоле, промывка смолы 2 М HCl и HO (2×2,5 мл), элюирование циркония-89 3 мл 1 М щавелевой кислотой (выход 99.5%). Полученный раствор затем пропускают через анионообменный Sep-Pak Light QMA картридж. Картридж промывают большим объемом воды (50 мл), и элюируют цирконий-89 в 0,5 мл 1 М HCl. Величина выхода активности при данном способе достигает 90%. Данный способ позволяет удалить из раствора до 98% щавелевой кислоты. Полученные данным способом растворы были успешно использованы для синтеза комплексов циркония-89 с дифероксамином и его модифицированными формами. Важно отметить, что авторы предлагают использовать для элюирования циркония-89 также 0,1 М HCl и даже физраствор, отмечая при этом, что выход активности будет меньше. Описанный метод имеет ряд недостатков. Главным является то, что цирконий-89 получают в среде соляной кислоты с достаточно высокой концентрацией (1 М). Как уже было сказано ранее, высокая кислотность требует дополнительного разбавления и/или нейтрализации растворов перед применением. Разбавление снижает объемную активность. В свою очередь, в случае растворов минеральных кислот (соляной), нейтрализация вносит дополнительные сложности в процесс синтеза, поскольку известно, что цирконий в отсутствии комплексующих агентов склонен к гидролизу [10]. С другой стороны, авторы отмечают, что применение разбавленных растворов соляной кислоты (в отсутствии щавелевой кислоты или других комплексонов) приводит к постепенному гидролизу циркония-89 в растворах, снижая тем самым срок их (растворов) пригодности для дальнейшего синтеза. Такие растворы могут использоваться только свежеприготовленными [10].
Целью изобретения является разработка нового способа получения особо чистых растворов циркония-89 в форме, максимально удобной для клинического применения, а именно для приготовления РФЛП надлежащего качества, применяемых в высокотехнологичных процедурах позитронно-эмиссионной томографии.
Технический результат изобретения заключается в следующих показателях:
1. Предлагаемый способ позволяет получать физиологически приемлемые (изотонические, имеющие рН близкий к нейтральному), особо чистые растворы циркония-89 с выходом 90-95% и высокой объемной активностью;
2. Срок годности растворов циркония-89 (отсутствие гидролиза радионуклида и, соответственно, изменения радиохимической чистоты раствора), полученных предложенным способом, составляет как минимум три периода полураспада радионуклида циркония-89 (≥10 дней).
3. Полученные предложенным способом растворы могут быть напрямую использованы для приготовления РФЛП, как самостоятельно, так и в синтезе различных меченых соединений, применяемых в ПЭТ-диагностике, с радиохимической чистотой ≥90% и высокой молярной активностью.
Поставленная цель достигается путем выполнения следующей последовательности манипуляций:
89
Взаимодействие Zr-хлорида в 2-6 М HCl с гидроксаматной смолой. Раствор циркония-89 в соляной кислоте (2-6 М HCl) пропускают через хроматографическую колонку (картридж), заполненную гидроксаматной ионообменной смолой (ZR resin, TrisKem International или аналогичная) - на данной стадии цирконий-89 сорбируется на смоле;
Промывка гидроксаматной смолы с осажденным цирконием-89. Колонку промывают последовательно соляной кислотой (2 М HCl) и деионизованной водой;
Элюирование циркония-89 с гидроксаматной смолы раствором щавелевой кислоты (0,1-1,0 М). Цирконий-89 элюируют с колонки водным раствором щавелевой кислоты 0,1-1,0 М (оптимально - 0,5 М);
Взаимодействие полученного элюата с хелатной ионообменной смолой (Chelex-100). Полученный элюат пропускают через хроматографическую колонку, заполненную хелатной ионообменной смолой (Chelex-100 или аналогичная);
Промывка ионообменной смолы с последующим ее осушением воздухом или инертным газом. Колонку промывают деионизованной водой или разбавленным водным раствором соляной кислоты (0,01-0,1 М). Могут быть также использованы смеси воды с щавелевой или лимонной кислотой (0,01-0,1 М) в соотношении 1:1;
Десорбция циркония-89 водными растворами оксалата натрия с концентрацией 0,05-0,27 М или цитрата натрия с концентрацией 0,05-1,0 М, объемом 1 мл.
Полученный раствор используют в дальнейшем для приготовления РФЛП.
Заявленный технический результат изобретения достигают за счет использования следующих технических решений:
1. Изотоничность получаемых раствором циркония-89 растворов достигается за счет применения растворов оксалата натрия (0,115-0,117 М) или цитрата натрия (0,13-0,15 М), имеющих осмотическое давление, равное осмотическому давлению плазмы крови человека;
2. Диапазон значений рН, близких к нейтральному (5,5-7,5), без протекания реакций гидролиза циркония-89 для готовых растворов циркония-89 по предложенному способу достигается за счет присутствия в растворе оксалат- или цитрат-анионов;
3. Величина рН готового раствора циркони-89 может быть скорректирована путем добавления необходимого количества водного раствора гидроксида или карбоната натрия.
4. При необходимости концентрации оксалата натрия или цитрата натрия могут изменяться в широких пределах без существенного изменения в величине выхода циркония-89: 0,05-0,27 М для оксалата натрия, 0,05-1,0 М для цитрата натрия.
5. Высокая объемная активность получаемых растворов циркония-89 обеспечивается элюированием 90-95% начальной активности в 500 мкл элюата как в случае использования раствора оксалата натрия, так и в случае использования цитрата натрия.
6. Высокая химическая чистота готовых растворов обеспечивается за счет высокой селективности гидроксаматной смолы к цирконию (в частности, циркония-89) и крайне низкой селективностью к примесным металлам (включая иттрий). Использование второй колонки с хелатной ионообменной смолой позволяет добиться дополнительной очистки циркония-89 от возможных примесей металлов;
7. Срок годности растворов циркония-89, полученных предложенным способом, при соблюдении указанного диапазона значений рН составляет как минимум три периода полураспада радионуклида циркония-89 (≥10 дней).
8. Полученные предложенным способом растворы могут быть напрямую использованы для приготовления РФЛП, как самостоятельно, так и для синтеза комплексных соединений циркония-89, применяемых в ПЭТ-диагностике, с радиохимической чистотой ≥90%.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1. Получение растворов циркония-89 в среде оксалата натрия
Схема получения растворов циркония-89 в среде оксалата натрия представлена на Фиг. 1.
89
89
Для получения циркония-89 в среде оксалата натрия исходный раствор циркония-89 в 2 М HCl пропускали через хроматографическую колонку (50 мм × ∅2.1 мм, РЕЕК), содержащую 50 мг гидроксаматной ионообменной смолы (ZR-resin, TrisKem Int.). Степень извлечения циркония-89 на данном шаге составляет 97-99%. Далее колонку промывали последовательно 2 мл 2 М HCl и 2 мл деионизованной воды. Потери на стадии промывки - не более 1%. Затем цирконий-89 элюировали с колонки в 1 мл 0,5 М щавелевой кислоты. Эффективность элюирования на данном шаге составляет 95±2%. Полученный элюат пропускали через хроматографическую колонку (50 мм × ∅2.1 мм, РЕЕК), содержащую 50 мг хелатной ионообменной смолы (Chelex-100). Эффективность извлечения циркония-89 на данной стадии составляет 99±1%. Колонку промывали раствором 0,05 М щавелевой кислоты (2 мл). Потери на стадии промывки <0,5%. Цирконий-89 элюировали с колонки раствором оксалата натрия (0,116 М). Эффективность элюирования циркония-89 составляла ≥97% в 500 мкл элюата. Суммарный выход по активности - 93±2%. рН элюата - 4,5. К элюату прибавляли 10 мкл раствора 0,1 М гидроксида натрия. рН готового раствора - 6,5. Осмотическое давление готового раствора циркония-89 - 297 мосмоль/кг. Радиохимическая чистота готового раствора циркония-89 в форме [Zr]Zr-оксалата на момент приготовления - 99% (Фиг. 2). Радиохимическая чистота готового раствора циркония-89 в форме [Zr] Zr-оксалата на 10-й день хранения -98% (Фиг. 2).
Пример 2. Получение растворов цирокния-89 в среде цитрата натрия.
Схема получения растворов циркония-89 в среде цитрата натрия представлена на Фиг. 3.
89
89
Для получения циркония-89 в среде цитрата натрия исходный раствор циркония-89 в 2 М HCl пропускали через хроматографическую колонку (50 мм × ∅2.1 мм, РЕЕК), содержащую 50 мг гидроксаматной ионообменной смолы (ZR-resin, TrisKem Int.). Степень извлечения циркония-89 на данном шаге составляет 97-99%. Далее колонку промывали последовательно 2 мл 2 М HCl и 2 мл деионизованной воды. Потери на стадии промывки - не более 1%. Затем цирконий-89 элюировали с колонки в 1 мл 0,5 М щавелевой кислоты. Эффективность элюирования на данном шаге составляет 95±2%. Полученный элюат пропускали через хроматографическую колонку (50 мм × ∅2.1 мм, РЕЕК), содержащую 50 мг хелатной ионообменной смолы (Chelex-100). Эффективность извлечения циркония-89 на данной стадии составляет 99±1%. Колонку промывали деионизованной водой (2 мл). Потери на стадии промывки ≤3%. Цирконий-89 элюировали с колонки раствором оксалата натрия (0,14 М). Эффективность элюирования циркония-89 составляла ≥95% в 500 мкл элюата. Суммарный выход по активности - 90±2%. рН элюата - 5,5. К элюату прибавляли 5 мкл раствора 0,1 М гидроксида натрия. рН готового раствора - 6,5. Осмотическое давление готового раствора циркония-89 - 299 мосмоль/кг. Радиохимическая чистота готового раствора циркония-89 в форме [Zr]Zr-цитрата на момент приготовления - 99% (Фиг. 4). Радиохимическая чистота готового раствора циркония-89 в форме [Zr]Zr-цитрата на 10-й день хранения - 99% (Фиг. 4).
Пример 3.
Пригодность растворов циркония-89 для синтеза РФЛП оценивали изучением эффективности реакции комплексообразования циркония-89 с модифицированным дифероксамином (ДФО) - ДФО-р-бензил-NCS. Данное соединение используют для получения меченных цирконием-89 моноклональных антител и их фрагментов в процедурах диагностики методом ПЭТ.
89
89
3
2
Растворы [Zr]Zr-оксалата и [Zr]Zr-цитрата получали аналогично Примерам 1 и 2. В лабораторные полипропиленовые пробирки типа Эппендорф объемом 2 мл, содержащие необходимое количество ДФО (0,01-10,0 мкг, раствор 1 мг/мл) добавляли по 1 мл растворов оксалата или цитрата циркония-89. Реакционную смесь инкубировали при 25°С в течение 30 минут. РХЧ полученных препаратов определяли методом тонкослойной хроматографии (iTLC-SG / 50 mM DTPA рН 7,0; iTLC-SG / СНОН-НО (1:1), 4% TFA (v/v)).
89
Экспериментальные данные показывают, что оба раствора циркония-89 пригодны для получения комплексов [Zr]Zr-ДФО с количественным выходом реакции (РХЧ ~ 100%) при концентрации прекурсора ≥5 мкг/мл, что обеспечивает высокую молярную активность получаемых РФЛП. Зависимость выхода реакции комплексообразования [89Zr]Zr-ДФО для растворов циркония-89, полученных в среде оксалата и цитрата натрия по предложенному способу, от количества прекурсора в реакционной смеси, представлена на Фиг. 5. При этом растворы циркокния-89, приготовленные в среде цитрата натрия, показывают более высокую эффективность комплексообразования с ДФО: РХЧ препаратов ≥95% при концентрации прекурсора 0,5 мкг/мл.
Пример 4.
Для оценки эффективности дополнительной очистки циркония-89 от примесей металлов, вносимых применением второй колонки с хелатной смолой по предложенному способу, били проведены эксперименты с использованием модельных растворов. Используя соли (хлориды) металлов и щавелевую кислоту 0,5 М, готовили модельный раствор (содержание металлов в модельном растворе показано в таблице 1). Полученный раствор (1 мл) подвергали манипуляциям, аналогичным приведенным в Примерах 1 и 2. Исходный модельный раствор, а также конечные растворы, полученные с использование цитрата и оксалата натрия, анализировали методом ААС. Результаты измерения, а также коэффициенты очистки представлены в таблице 1.
Полученные данные говорят о том, что предложенный способ позволяет добиться более эффективной очистки растворов циркония-89 от примесей металлов благодаря использования второй колонки с хелатной смолой.
Список литературы:
89
1. Omara, Н.М.; Hassan, K.F.; Kandil, S.A.; Hegazy, F.Е.; Saleh, Z.A. Proton induced reactions on 89Y with particular reference to the production of the medically interesting radionuclide Zr. Radiochim. acta 2009, 97(7), 467-471. doi:10.1524/ract.2009.1645
2. Fischer, G.; Seibold, U.; Schirrmacher, R.; Wangler, В.; , C. (89)Zr, a radiometal nuclide with high potential for molecular imaging with PET: chemistry, applications and remaining challenges. Molecules 2013, 18, 6469-6490. doi:10.3390/moleculesl8066469
3. Zweit, J.; Downey, S.; Sharma, H.L. Production of no-carrier-added zirconium-89 for positron emission tomography. Int. J. Rad. Appl. Instrum. A 1991, 42(8), 199-201. doi:10.1016/0883-2889(91)90074-B
89
nat
4. Das, S.S.; Chattopadhyay, S.; Barua, L.; Alam, M.N.; & Kumar, U., Production and radiochemical separation of a potential immuno-PET imaging agent Zr from proton irradiated Y target // Radioanal. Nucl. Chem. 2017, 313(3), 641-645. doi: 10.1007/s10967-017-5316-9
88
89
5. Kandil, S.A.; Scholten, В.; Saleh, Z.A.; Youssef, A.M; Qaim, S.M.; Coenen, H.H.. A comparative study on the separation of radiozirconium via ion-exchange and solvent extraction techniques, with particular reference to the production of Zr and Zr in proton induced reactions on yttrium. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2007, 274(1), 45-52. doi: 10.1007/s 10967-006-6892-2
88,89
6. Dutta, В.; Maiti, M.; Lahiri, S. Production of Zr by proton induced activation of natY and separation by SLX and LLX. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2009, 281(3), 663. doi: 10.1007/s 10967-009-0051-5
89
7. Tang, Y.; Li, S.; Yang, Y.; Chen, W.; Wei, H.; Wang, G.; Yang, J.; Liao, J.; Luo S.; Liu, N.. A simple and convenient method for production of Zr with high purity. Appl. Radiat. Isot. 2016,118, 326-330. doi:10.1016/j.apradiso.2016.09.024
89
8. Link, J.M.; Krohn, K.A.; Eary, J.F.; Kishore, R.; Lewellen, Т.K.; Johnson, M.W.; Badger, С.C; Richter, K.Y.; Nelp, W.B.J. Zr for antibody labeling and positron emission tomograph. Labeled Compd. Radiopharm. 1986, 23(10), 1297-1298
9. Dejesus, О. Т.; Nickles, R. J. Production and purification of 89Zr, a potential PET antibody label. Int. J. Rad. Appl. Instrum. A 1990, 41(8), 789-790. doi:10.1016/0883-2889(90)90030-K
10. Larenkov, A.; Bubenschikov, V.; Makichyan, A.; Zhukova, M.; Krasnoperova, A.; Kodina, G. Preparation of Zirconium-89 Solutions for Radiopharmaceutical Purposes: Interrelation Between Formulation, Radiochemical Purity, Stability and Biodistribution. Molecules 2019,24, 1534.
89
11. Meijs, W.E.; Herscheid, J.D.; Haisma, H.J.; Wijbrandts, R.; van Langevelde, F.; Van Leuffen, P.J.; Mooy, R.; Pinedo, H.M. Production of Highly Pure No-carrier Added Zr for the Labelling of Antibodies with a Positron Emitter. Appl. Radiat. Isot. 1994,45(12), 1143-1147. doi:10.1016/0969-8043(94)90029-9
12. Holland J.P.; Sheh Y.; Lewis J.S. Standardized methods for the production of high specific-activity zirconium-89. Nucl. Med. Bio. 2009, 36(7), 729-739. doi: 10.1016/j.nucmedbio.2009.05.007