Radiochemie

 

Radionuklid-Generatoren

Eine alternative Möglichkeit zur Produktion von Positronenemittern bieten Radionuklidgeneratoren. Ein Radionuklid-Generator bildet kontinuierlich das gewünschte Radionuklid mittels Kernumwandlung aus einem langlebigeren Mutternuklid und kann durch geeignete radiochemische Methoden in hoher radiochemischer Reinheit vom Mutternuklid abgetrennt werden. Nach der Abtrennung kann das Tochternuklid dann zur Markierung eingesetzt werden. Das wichtigste Beispiel für die flächendeckende Verwendung von solchen Generator-Systemen ist der ⁹⁹Mo/^99mTc-Generator. ^99mTc ist das mit Abstand wichtigste Radionuklid für die Einzelphotonenemissionstomographie (SPECT) und kann zur Untersuchung von Gehirn, Herz, Schilddrüse, Lunge, Leber, Gallenblase, Nieren, Knochen, Blut und Tumoren eingesetzt werden. Ein solch dominierendes Nuklid gibt es in der PET nicht. Wichtige β+-Emitter produzierende Radionuklidgeneratoren für die PET sind ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga, ⁸²Sr/⁸²Rb, ⁶²Zn/⁶²Cu, ⁴⁴Ti/⁴⁴Sc und ⁷²Se/⁷²As. Der Einsatz dieser Radionuklid-Generatoren bietet die Möglichkeit die Radionuklide kostengünstig und unabhängig von einem Zyklotron produzieren zu können. das Tochternuklid unter n.c.a (no carrier added) Bedingungen zu produzieren. Dadurch können mit diesem Nuklid markierte Radiotracer in Konzentrationen eingesetzt werden, welche keine pharmakodynamischen Einflüsse auf den Organismus besitzen.

Der ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga-Generator

Das Generator-produzierte Nuklid mit den besten Eigenschaften für die PET ist ⁶⁸Ga. Sowohl die Halbwertszeit der Mutter (~270 d) als auch die der Tochter (67.7 min) sind für die Anwendung als PET-Nuklid bestens geeignet. Die Halbwertszeit der Mutter ist ausreichend, um den Generator selbst in der Routineproduktion 6 bis 9 Monate zu betreiben und das Gleichgewicht zwischen Mutter und Tochter stellt sich schnell genug ein, um den Generator mehrmals am Tag zu eluieren. Die Halbwertszeit von ⁶⁸Ga erlaubt zudem mehrstufige Markierungen und Messungen über einen längeren Zeitraum. Ausschlaggebend für die breite Anwendung von ⁶⁸Ga in der Medizin sind die Volumina nach Elution des Generators und die chemische Form, in der das Radionuklid vorliegt. Zusätzlich spielen Verunreinigungen durch das Säulenmaterial eine wichtige Rolle. Heutzutage stehen mehrere kommerziell erhältliche Generatoren für Radiomarkierungen mit ⁶⁸Ga-Gallium zur Verfügung. Wichtig hierbei ist das das „post-processing“, also die Aufarbeitung des Generator-Eluats eine nahezu sehr effiziente Abtrennung aller störenden metallischen Kationen ermöglicht, um so bei der anschließenden Markierungsreaktion eine möglichst hohe Ausbeute zu erhalten. Daher beschäftigen sich einige Projekte in unserem Arbeitskreis mit der Optimierung die post-processing, um so möglichst schnell alle störenden Verunreinigungen abzutrennen, ohne dabei nennenswerte Mengen an ⁶⁸Ga-Gallium dabei zu verlieren. Aufgrund dieser optimierten Reinigungsstrategien konnten die bislang existierenden Probleme bei der Herstellung von Galliumtracern beseitigt und Routineuntersuchungen mit ⁶⁸Ga-Peptiden ermöglicht werden. Reduziertes Eluatvolumen, geringer Germaniumdurchbruch, pH-Optimierung und Abtrennung von Verunreinigungen garantieren große, trägerfreie Galliummengen sowie hohe spezifische Aktivitäten bei nachfolgenden Markierungsreaktionen, wodurch bereits geringe Vorläufermengen für Synthesen ausreichend sind.

Der ⁴⁴Ti/⁴⁴Sc-Generator

Ein weiteres Generator-produziertes Nuklid mit hervorragenden Eigenschaften für die PET ist ⁴⁴Sc. Die Halbwertszeit von ⁴⁴Sc ist mit 4 h deutlich länger als die von ⁶⁸Ga. Dadurch qualifiziert sich ⁴⁴Sc für Anwendungen mit langer biologischer Halbwertszeit und könnte für exaktere Planung und dosimetrische Berechnungen in der Endoradiotherapie verwendet werden. Weitere Vorteile gegenüber ⁶⁸Ga ist die höhere Häufigkeit des β+-Zerfalls (94,27 %) und die Umwandlung in eine stabile, nicht-toxische Tochter (⁴⁴Ca).

Die Halbwertszeit der Mutter ist ausreichend, um den Generator über Jahre zu betreiben und das Gleichgewicht zwischen Mutter und Tochter stellt sich schnell genug ein, um den Generator einmal am Tag zu eluieren. Zudem sind mehrstufige Markierungen und Messungen über einen lange Zeiträume möglich. Ebenso wie für den ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga-Generator ist eine effiziente Reinigungsstrategie für das Eluat des ⁴⁴Ti/⁴⁴Sc-Generators wichtig um potentielle Verunreinigungen aus dem Generator abzutrennen. Auch hier ist das sogenannte „post-processing“ Kationen-Austauscher-basiert und kann ohne großen Aufwand innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden. Nach der Elution muss der Generator noch einmal „rückwärts“ eluiert werden um die Stabilität und Funktionalität des Generators über einen langen Zeitraum zu gewährleisten. Innerhalb von 25 Minuten ist es möglich ⁴⁴Sc in Ausbeuten um die 95% zu eluieren, von Verunreinigungen abzutrennen und das Volumen des Eluats deutlich zu reduzieren und damit höhere spezifische Aktivitäten zu garantieren. Bisher ist der ⁴⁴Ti/⁴⁴Sc-Generator nicht kommerziell erhältlich. Es existiert lediglich ein Prototyp, welcher hier in Mainz entwickelt und evaluiert wurde und auch für Forschungszwecke verwendet wird.

Produktion, Reinigung und Markierungschemie von ⁹⁰Nb-Niob

Aufgrund der raschen Fortschritte in der Immuno-PET werden neue vielversprechende Radionuklide benötigt. Einer der aussichtsreichsten Kandidaten ist das ⁹⁰Nb. Es hat eine Halbwertszeit von 14,6 Stunden, die die Visualisierung und Quantifizierung von Prozessen mit mittlerer und langsamer Kinetik, sowie die Tumorakkumulation von Antikörpern und Antikörperfragmenten oder Drug-Delivery-Systemen und anderen Nanopartikeln ermöglicht. Daher werden effiziente Routen für die Radionuklidproduktion und Markierungstechniken für Nb(V) benötigt, um dieses Radionuklid in eine geeignete bildgebende Sonde zu überführen.
Erste Ergebnisse ermöglichen es, hohe Aktivitätsmengen an ⁹⁰Nb (>10 GBq) durch Bestrahlung eines Zirkoniumtargets mit Protonen zu erzeugen. Für die anschließenden Markierungsreaktionen muss das nca ⁹⁰Nb allerdings noch vom bestrahlten Zirkoniumtarget abgetrennt werden. Daher wurde eine Trennstrategie mit einem zweistufigen Verfahren entwickelt, welches nicht mehr als 90 Minuten benötigt und für das aufgereinigte ⁹⁰Nb Ausbeuten von mehr als 95% ermöglicht.
Um metallische Radionuklide mit Biomolekülen zu koppeln werden in den meisten Fällen geeignete Chelatoren benötigt. Für das ⁹⁰Nb stellt hierbei das Desferrioxamine den Chelator der Wahl dar. Die ⁹⁰Nb-Markierung eines derartig funktionalisierten monoklonalen Antikörpers (Rituximab) wies eine sehr hohe Ausbeute (> 90%) auf, bei gleichzeitig hoher in vitro-Stabilität (> 95%) nach 5tägiger Inkubation in fötalem Kälberserum bei 37 °C.

Abbildung: Struktur des ⁹⁰Nb-markierten, modifizierten Antikörpers