Радиофармацевтические препараты для радионуклидной диагностики и терапии онкологических и других заболеваний В.М.Петриев Лаборатория экспериментальной ядерной медицины МРНЦ им. А.Ф.Цыба – филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России, Обнинск Слово «ядерная» охватывает 3 различные группы технологий. Первая группа – это технологии, необходимые для производства ядерного оружия. Вторая – технологии для производств электроэнергии. Третья – «применение ядерных методов», включает технологии, которые используют возможности позитивного воздействия радиации или использование ее для регистрирующих и других устройств. Одним из наиболее активно развивающихся направлений является использование ядерных технологий в медицине. Ядерные методы активно используются в радионуклидной диагностике (радиоимунный анализ, компьютерная томография, биомедицинские исследования, кардиология, маммография, онкология), а также для радионуклидной терапии, радиолучевой стерилизации медицинских инструментов и материалов. Наибольшие применения в медицине получили гамма- и бета-излучающие нуклиды. Науке известно ~ 3000 нуклидов. Из них 300 стабильных и 2700 радиоактивных нуклидов. В медицине и биологии используется около 85 радиоактивных нуклидов. РФП и Радионуклиды Радионуклидная диагностика ОФЭКТ, ПС ПЭТ γ-излучатели, 100 – 200 кэВ β+-излучатели 99mTc, 123I, 111In, 67Ga, 201Tl 68Ga, 82Rb, 18F, 11C, 13N, 15O, 124I, 64Cu T1/2 от час до сут T1/2 от сек до час Радионуклидная терапия β--излучатели 0,2-2,0 МэВ 188Re, 89Sr, 90Y 32P, 153Sm, 166Ho, 131I, 177Lu T1/2 от час до сут α-излучатели, с высокой ЛПЭ до 100 кэВ/µм 213Bi, 212Bi, 211At, 225Ac T1/2 от час до сут Радионуклиды, распадающиеся ЭЗ и ВЭК 125I, 111In, 67Ga, 165Er Критерии выбора радионуклидов для радионуклидной диагностики • λ-излучатель. • Избирательное накопление в органе или патологическом очаге. • Низкая энергия излучения 100 – 300 кэВ. • Короткий период полураспада. • Высокая удельная активность. • Возможность связываться с разными химическими соединениями. • Доступность. Характеристики генератора 99Mo/99mTc 99Mo T½ = 66 ч 99mTc T½ = 6 ч, E = 140 кэВ 99Tc T½ = 213000 лет, Eβmax= 293,5 кэВ 99Ru стабильный Генератор 99Mo/99mTc Схема конструкции генератора 99Mo/99mTc РФП на основе 99mTc 1. Тхнефор, 99mТс - для сцинтиграфии скелета с целью диагностики патологических изменений различной этиологии. 2. Технефит, 99mТс - для сцинтиграфии печени и селезенки с целью определения их формы, размеров и нарушений анатомоморфологической структуры при опухолях, циррозах, гепатитах и других заболеваниях. 3. Технемек, 99mТс - для сцинтиграфии почек с целью определения их формы, размеров, положения, аномалий развития и наличия органических и функциональных поражений. 4. Бромезида, 99mТс - для динамической сцинтиграфии печени, желчного пузыря, желчевыводящих путей, при заболеваниях желтухой различной этиологии и других поражениях панкреатодуоденальной зоны. 5. Пентатех,99mТс - для динамической сцинтиграфии почек при различных заболеваниях мочевыводящих путей (гломерулонефрит, пиелонефрит, мочекаменная болезнь и т.п.), при подозрении на новообразование головного мозга, а также при патологии сердца и крупных артериальных сосудов. 6. Пирфотех, 99mТс - для сцинтиграфии скелета с целью определения в нем патологических изменений различной этиологии, для сцинтиграфического выявления острого инфаркта миокарда, при дифференциальной диагностике опухолей яичников, для мечения эритроцитов in vivo при радионуклидной вентрикулографии, а также для определения объема циркулирующей и депонированной крови (ОЦК и ОДК) и при эмиссионной компьютерной томографии (ЭКТ) печени с мечеными эритроцитами. 7. Технетрил, 99mТс - для оценки перфузии миокарда при различных патологических процессах (коронарный атеросклероз, острый инфаркт миокарда, постинфарктный и постмиокардитический кардиосклероз, ишемическая болезнь сердца), а также для визуализации злокачественных новообразований легких и молочной железы. 8. Технемаг, 99mТс применяют для оценки функционального состояния почек и мочевыделительной системы. 9. Теоксим, 99mТс - для оценки состояния перфузии головного мозга при инсульте, транзиторной ишемии головного мозга, эпилепсии, мигрени, деменции, опухолях головного мозга, а также для визуализации очагов воспаления различного происхождения и локализации методом введения меченых in vitro лейкоцитов и гранулоцитов. 10. Фосфотех, 99mТс применяют для сцинтиграфии скелета с целью выявления очагов патологических изменений различного происхождения и распространенности: первичные и метастатические злокачественные опухоли, остеомиелит, костно-суставной туберкулез, артриты различного происхождения. 11. Макротех, 99mТс применяют для сцинтиграфии легких. Критерии выбора оптимального радионуклида и РФП для радионуклидной терапии • • • • • • • • • Быстрая локализация в патологическом очаге. Избирательное накопление в патологическом очаге. Пролонгированное удержание в патологическом очаге. Быстрый клиренс из окружающих здоровых органов и тканей. Радионуклид должен иметь оптимальными ядерно-физическими характеристиками для лечения опухолей. Макро опухоли с перифериферической сосудистой сетью и некрозом в центре меньше накапливают препарат внутри объема ткани, поэтому необходим -излучатель с высокой энергией для облучения внутренней части опухоли. Короткий период полураспада позволяет формировать высокую скорость поглощенной дозы для создания терапевтического эффекта. Для получения характера биологического распределения радионуклида в организме с помощью гамма-камеры необходимо, чтобы он обладал -излучением с низкой энергией. Метка препарата должна быть простой с высоким радиохимическим выходом. α β γ Courtesy A.Kolodziejczyk -Излучатели с коротким пробегом -частиц в мягких тканях (< 1 мм) Радионуклид T1/2 (d) Средний пробег (мм) 199Au 3.1 0,41 169Er 9.3 0,51 177Lu 6.7 0,67 67Cu 2.6 0,71 105Rh 1.5 0,76 161Tb 6.9 0,77 47Sc 3.4 0,81 131I 8.0 0,91 -Излучатели со средним пробегом -частиц в мягких тканях (1,0 – 2,0 мм) Радионуклид T1/2 (d) Средний пробег (мм) 77As 1.6 1,2 153Sm 1.9 1,2 159Gd 0.8 1,6 143Pr 13.6 1,6 198Au 2.7 1,6 111Ag 7.5 1,8 109Pd 0.5 1,8 186Re 3.8 1,8 149Pm 2.2 1,8 -Излучатели с большим пробегом -частиц в мягких тканях (> 2,0 мм) Радионуклид T1/2 (d) Средний пробег (мм) 165Dy 0.1 2,2 89Sr 50 2,5 166Ho 1.1 3,2 32P 14 2,9 188Re 0.7 3,5 114mIn 50 3,6 142Pr 0.8 3,7 90Y 2.7 3,9 76As 1.1 5,0 Характеристики радионуклидов, используемых для радионуклидной терапии Радионуклид Т1/2 (час) max (МэВ) (МэВ) Максимальн. пробег в ткани (мм) Терапевтический радиус (мм) 90Y 2,67 дн. 2,28 - 12,0 2,8 0,155 10,8 2,1 188Re 17,0 час 2,11 166Ho 26,8 час 1,84 0,081 9,0 2,1 32P 14,3 дн. 1,71 - 8,7 2,2 89Sr 50,5 дн. 1,49 - 8,0 - 165Dy 2,33 час 1,29 0,095 6,4 1,3 186Re 3,77 дн 1,08 0,137 5,0 1,0 198Au 2,70 дн. 0,96 0,412 4,4 0,9 153Sm 1,95 дн. 0,81 0,103 3,0 0,7 131I 8.04 дн. 0,61 0,364 2,4 - 169Er 9,40 дн. 0,34 0,008 1,0 - Характеристики генератора 188W/188Re 188W - материнский р/нуклид, T½ = 64,9 сут. 188Re T½ = 17 ч E= 155 кэВ (15%), Emax= 2,11 МэВ Максимальный пробег -частиц в ткани 10,8 мм Средний пробег -частиц в ткани 3,5 мм Терапевтический радиус 2,1 мм 188Os стабильный Схема конструкции генератора 188W/188Re Периодическая система элементов Д. И. Менделеева Период ы Ряды 1 1 2 2 3 3 4 I II III группа группа группа IV группа V VI VII группа группа группа VIII группа 1 (H) 2 H 1,0079 3 4 5 Li 6,939 Be 9,0122 11 12 6 B 10,81 12,01115 13 Na 22,9898 Mg 24,305 26,98154 7 C 14 Al 28,086 Si 16 P 32,064 F 18,9984 10 20,183 35,453 Cl полуметаллы Ne 17 S неметаллы He 9 O 15,9994 15 30,97376 4,0026 8 N 14,0067 Примечание 18 39,948 металлы Ar 19 20 21 22 23 24 25 K 39,102 Сa 40,08 Sc 44,956 Ti 47,90 V 50,942 Сr 51,996 Mn 54,9380 Fe 55,847 26 27 28 Со 58,9332 Ni 58,71 4 29 5 6 63,54 30 Cu 37 65,37 31 Zn 38 Rb 85,467 Sr 87,62 69,72 32 Ga 72,59 Ge 33 74,9216 34 As Se 78,96 8 47 40 41 42 Y 88,905 Zr 91,22 Nb92,906 Mo 95,94 107,87 Ag 55 48 112,40 49 Cd 56 Cs 132,905 Ва 137,34 114,82 50 In 118,69 Sn 51 121,75 79,909 Sb Te 127,60 126,9044 I 72 73 74 La 138,91 Hf 178,49 Та 180,948 W 183,85 неметаллы Кr 45 46 Ru 101,07 Rh 102,905 Pd 106,4 53 75 57 83,80 44 Tc98,9 52 36 Br 43 39 5 7 35 54 131,30 76 Re186,2 Os полуметаллы Xe 190,2 77 78 Ir 192,2 Pt 195,2 6 9 7 10 79 196,967 Au 80 200,59 81 Hg 204,37 82 Tl 207,19 Pb 83 208,980 Bi 84 <210> Po 85 <210> At 86 <222> металлы Rn 87 88 89 104 105 106 107 108 109 Fr 223> Ra<26> Ас 227> Rf <260> Db<26> Sg<263> Bh<264 Hs<269 Mt<268> Лантанидное сжатие приводит практически к уравниванию ионных радиусов Тс и Re. Длина связей. Тс-О в анионе ТсО4Re-O в анионе ReO4- - 1,711Å 1,717Å Окислительно-восстановительные реакции технеция и рения 2TcO4- + 16H+ + 3Sn2+ → 2Tc4+ + 8H2O + 3Sn4+ 2ReO4- + 16H+ + 3Sn2+ → 2Re4+ + 8H2O + 3Sn4+ TcO4- + 4H+ + 3e- → TcO2 + 2H2O U = 0.738V ReO4- + 4H+ + 3e- → ReO2 + 2H2O U = 0.510V Гидроксиэтилидендифосфоновая кислота (ОЭДФ) CH3 H2O3 P C OH P O3H2 Кинетика связывания 99mТс с KОЭДФ в зависимости от концентрации Sn2+ (в интервале 0,008 – 0,16 мкМ/мл) в реакционной смеси Количество 99мТс-KОЭДФ, % Концентрация KОЭДФ - 37,6 мкМ/мл 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,05 Sn(II) 0,008 мкМ/мл 0,17 0,5 1 Время, ч Sn(II) 0,04 мкМ/мл 3 Sn(II) 0,08 мкМ/мл 5 24 Sn(II) 0,16 мкМ/мл Кинетика связывания 99mТс с KОЭДФ в зависимости от концентрации Sn2+ (в интервале 0,25 - 0,84 мкМ/мл) в реакционной смеси Количество 99мТс-KОЭДФ, % Концентрация KОЭДФ - 37,6 мкМ/мл 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,05 0,17 0,5 1 3 5 24 Время, ч Sn(II) 0,25 мкМ/мл Sn(II) 0,42 мкМ/мл Sn(II) 0,84 мкМ/мл Кинетика связывания 188Re с KОЭДФ в зависимости от рН реакционной смеси 100 Количество 188Re-KОЭДФ, % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.017 рН 2.7 0.17 рН 3.7 0.33 рН 6.7 0.5 0.67 0.83 1 2 Время, ч 3 4 5 6 24 48 72 Кинетика связывания 188Re (без носителя) c KОЭДФ в зависимости от концентрации Sn2+ (в интервале 0,008 – 0,024 мкМ/мл) в реакционной смеси Концентрация KОЭДФ – 37,6 мкМ/мл Концентрация 188Re (без носителя) - 6,5·10-6 мкМ/мл Количество 188Re-KОЭДФ, % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,017 0,17 0,5 1 3 5 24 48 72 Время, ч Sn(II) 0,008 мкМ/мл Sn(II) 0,012 мкМ/мл Sn(II) 0,024 мкМ/мл Кинетика связывания 188Re (без носителя) c KОЭДФ в зависимости от концентрации Sn2+ в пределах 4,2 – 33,6 мкМ/мл (0,5 - 4 мг/мл) в реакционной смеси Концентрация KОЭДФ – 74,6 мкМ/мл Концентрация 188Re (без носителя) - 6,5·10-6 мкМ/мл Количество 188Re-KОЭДФ, % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,05 0,17 Sn(II) 4,2 мкМ/мл 0,5 1 Sn(II) 8,4 мкМ/мл 3 Время, ч 5 24 Sn(II) 16,8 мкМ/мл 48 72 Sn(II) 33,6 мкМ/мл Кинетика связывания 188Re (без носителя) c KОЭДФ при 20оС и 100оС Концентрация KОЭДФ – 74,6 мкМ/мл Концентрации Sn2+ 5,28 мкМ/мл (1,0 мг/мл) Концентрация 188Re (без носителя) - 6,5·10-6 мкМ/мл 100 Количество 188Re-KОЭДФ, % 90 80 70 60 20оС 100оС 50 40 30 20 10 0 0,05 0,17 0,5 1 3 Время, ч 5 24 48 72 Кинетика реакции 188Re (с носителем) с KОЭДФ в зависимости от концентрации Sn2+ (в интервале 4,21-8,43 мкМ/мл) Концентрация стабильного Re - 0,27 мкМ/мл Концентрация KNAОЭДФ - 14,9 мкМ/мл Количество 188Re-KОЭДФ. % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,05 0,17 0,5 1 3 5 24 48 72 Время, ч Sn(II) 4,21 мкМ/мл Sn(II) 6,74 мкМ/мл Sn(II) 8,43 мкМ/мл Кинетика связывания 188Re с KОЭДФ в зависимости от концентрации носителя Re в реакционной смеси 100 Количество 188Re-KNaОЭДФ (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,05 0,17 0 0,5 0,18 мкмоль/мл 1 3 Время (час) 0,36 мкмоль/мл 5 24 0,72 мкмоль/мл 48 72 Кинетика связывания 188Re с KОЭДФ в зависимости от разведения реакционной смеси Количество 188Re-KОЭДФ (%) 100 90 80 70 1 ml 2 ml 3 ml 5 ml 7 ml 60 50 40 30 20 10 0 0,05 h 0,5 h 1h 3h 5h Время (ч) 24 h 48 h 72 h Технологическая схема получения набора реагентов к генератору 99Mo/99mTc на основе KОЭДФ Подготовка стерильного помещения Подготовка стерильных флаконов и посуды Получение фасующего раствора содержащего смесь ингредиентов (KОЭДФ, SnCl2) Расфасовка по флаконам Лиофильная сушка Укупорка и упаковка флаконов Технологическая схема получения набора реагентов к генератору 188W/188Re на основе KОЭДФ Подготовка стерильного помещения Подготовка стерильных флаконов и посуды Получение фасующего раствора содержащего смесь ингредиентов (KОЭДФ, SnCl2, Аскорбиновая кислота, NaReO4) Расфасовка по флаконам Лиофильная сушка Укупорка и упаковка флаконов Состав набора реагентов «KОЭДФ, 99mTc» 1. Калиевая соль ОЭДФ (KОЭДФ) - 10,0 мг 2. Олово хлористое (SnCl2) - 0,032 мг Состав готового препарата «99mTc-KОЭДФ» - Концентрация KОЭДФ - 4 - 20 мг/мл - Концентрация SnCl2 - 0,0064-0,032 мг/мл - Объем - 5 мл - рН - 3,0 – 4,0 - Объемная активность - 185 – 740 МБк/мл (5-20 мКи/мл) - Содержание свободного 99mTc - 5 % Состав набора реагентов «KОЭДФ, 188Re» 1. Калиевая соль ОЭДФ (KОЭДФ) 2. Натрий перренат (NaReO4) 3. Олово хлористое (SnCl2) 4. Аскорбиновая кислота - 20,0 мг - 0,734 мг - 11,2 мг - 7,0 мг Состав готового препарата «188Re-KОЭДФ» - Концентрация KОЭДФ - 4-20 мг/мл - 2,24-11,12 мг/мл - 0,146-0,73 мг/мл - 1,4-7,0 мг - 1,85 – 3,7 ГБк/мл - Концентрация SnCl2 - Концентрация NaReO4 - Аскорбиновая кислота - Объемная активность (50-100 мКи/мл) - Объем - 5 мл - рН - 3,0 – 4,0 - Содержание свободного 188Re - 5 % Сравнительные данные фармакокинетики 99mТс-KОЭДФ и 188Re-KОЭДФ в организме крыс при внутривенном введении препаратов (в % от введенного количества на 1 г ткани) № Наименование пп. органа, ткани 1 Кость бедра Наименование препарата 99мТс-KОЭДФ 188Re-KОЭДФ 2 Кость черепа 99мТс-KОЭДФ 188Re-KОЭДФ 3 Кость ребра 99мТс-KОЭДФ 188Re-KОЭДФ 4 Кость позвоночника 99мТс-KОЭДФ 5 Костн. ткань, средняя 99мТс-KОЭДФ 188Re-KОЭДФ 188Re-KОЭДФ 5 минут 1,40±0,34 2,03±0,47 p > 0,25 0,99±0,21 1,45±0,32 p > 0,25 2,77±0,65 2,73±0,62 p > 0,5 1,08±0,20 1,52±0,33 p > 0,25 1,56±0,34 1,93±0,43 p > 0,5 Время после введения препарата 1 час 3 часа 6 часов 3,81±0,40 2,79±0,10 p > 0,05 1,67±0,21 1,65±0,16 p > 0, 5 7,06±0,98 2,66±0,17 p < 0,01 1,88±0,19 1,60±0,11 p > 0,25 3,60±0,34 2,18±0,10 p < 0,01 4,48±0,26 1,02±0,10 p < 0,001 1,94±0,30 0,62±0,07 p < 0,001 8,55±0,92 1,05±0,15 p < 0,001 2,51±0,24 0,69±0,06 p < 0,001 4,37±0,30 0,85±0,08 p < 0,001 4,18±0,31 0,65±0,03 p < 0,001 1,86±0,04 0,49±0,03 p < 0,001 6,89±0,79 0,93±0,15 p < 0,001 3,66±0,49 0,39±0,02 p < 0,001 3,90±0,23 0,61±0,04 p < 0,001 24 часа 4,97±0,37 0,39±0,03 p < 0,001 1,86±0,15 0,34±0,03 p < 0,001 4,08±0,61 0,60±0,04 p < 0,001 1,90±0,03 0,26±0,01 p < 0,001 3,20±0,23 0,40±0,03 p < 0,001 Сравнительные данные фармакокинетики 188Re-KОЭДФ, полученного при 20оС и 100оС, в организме крыс при внутривенном введении препарата (в % от введенного количества на 1 г ткани) № Наименование Температура пп. органа, ткани 1 Кость бедра 20оС 100оС 2 Кость черепа 20оС 100оС 3 Кость ребра 20оС 100оС 4 Кость позвоночника 20оС 100оС 5 Костн. ткань, средняя 20оС 100оС 5 минут 2,03±0,47 1,62±0,30 p > 0,25 1,45±0,32 1,16±0,19 p > 0,25 2,73±0,62 1,51±0,28 p > 0,5 1,52±0,33 1,16±0,13 p > 0,25 1,93±0,43 1,36±0,21 p > 0,5 Время после введения препарата 1 час 3 часа 24 часов 2,79±0,10 2,78±0,23 p > 0,05 1,65±0,16 1,77±0,14 p > 0, 5 2,66±0,17 2,01±0,13 p < 0,01 1,60±0,11 1,73±0,14 p > 0,25 2,18±0,10 2,07±0,15 p < 0,01 24 часа 1,02±0,10 0,65±0,03 0,39±0,03 2,99±0,25 p 2,16±0,10 1,35±0,08 < 0,001 p < 0,001 p < 0,001 0,62±0,07 0,49±0,03 0,34±0,03 1,83±0,16 p 1,44±0,14 0,92±0,11 < 0,001 p < 0,001 p < 0,001 1,05±0,15 0,93±0,15 0,60±0,04 2,56±0,45 p 1,85±0,32 0,82±0,08 < 0,001 p < 0,001 p < 0,001 0,69±0,06 0,39±0,02 0,26±0,01 1,73±0,10 p 1,30±0,06 0,76±0,13 < 0,001 p < 0,001 p < 0,001 0,85±0,08 0,61±0,04 0,40±0,03 2,28±0,22 p 1,69±0,11 0,96±0,08 < 0,001 p < 0,001 p < 0,001 Дифференциальный уровень накопления 188Re-KОЭДФ в костной ткани крыс после внутривенного введения препарата № Отношение Время после введения препарата (час) пп Кость/орган 0,1 1 3 24 48 72 1 Кость/Кровь 0,75 4,11 6,33 36,8 27,3 40,0 2 Кость/Мышца 2,96 19,0 33,2 49,1 81,8 110.0 3 Кость/Легкие 1,34 6,73 11,1 17,4 23,7 41,9 4 Кость/Печень 5 Кость/Почки 6 Кость/Сердце 3,08 7,40 9,50 12,3 13,7 44,0 0,31 0,35 0,37 0,69 0,96 1,60 2,13 12,3 16,6 30,5 40,9 62,8 7 Кость/Селезенка 4,37 13,4 15,3 22,6 23,1 46,3 Structure of DOTA-Tyr3-Octreotide DOTA-TOC HO OH O N N O O N N O HO N H OH O H N N H O 90Y HO 67Ga 177Lu 68Ga 213Bi HO H N O O O S S 111In H N NH HN O N H HO H N O NH2 gold standard for the targeting of neuroendocrine tumors, a radiopeptide with high affinity to the somatostatin receptor 2 P. Powell, 1994 Courtesy H. Maecke, Basel Influence of metalic impurities on the Y-90 labelling yield of DOTATATE 120 100 80 Fe RCP [%] Ca Cu Cd 60 Zn 40 20 0 0,0 0,5 1,0 Impurities [umol/Ci 90Y] 1,5 2,0 2,5 Influence of metalic impurities on the Lu-177 labelling yield of DOTATATE 120 100 80 Fe RCP [%] Ca Cu 60 Cd Zn 40 20 0 0 5 10 15 20 25 Impurities [umol/Ci 177Lu] 30 35 40 45 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ