Химия высоких энергий, 2020, T. 54, № 1, стр. 60-67

ВВЕДЕНИЕ

Разложение радиоактивных фармацевтических лекарственных средств под действием излучения собственного радионуклида – авторадиолиз – приводит к потере активного фармакологического компонента, образованию нежелательных радиохимических примесей, увеличивающих дозовую нагрузку на пациентов и ухудшающих специфичность и селективность диагностических исследований c использованием меченых соединений [1, 2]. Вследствие авторадиолитического разложения снижается доступность методов ядерной медицины для населения из-за уменьшения сроков годности радиофармпрепаратов (РФП) и сокращения времени на доставку радионуклидной продукции [3].

Одним из наиболее востребованных РФП в настоящее время является 2-[¹⁸F]фтор-2-дезокси-D-глюкоза ([¹⁸F]ФДГ) – аналог важнейшего для человека углевода, содержащий вместо гидроксильной группы при С₂-атоме радиоактивный изотоп фтор-18. В силу благоприятных ядерно-физических свойств радионуклида и особенностей метаболизма РФП in vivo [¹⁸F]ФДГ широко применяется для диагностики онкологических, кардиологических и неврологических заболеваний методом позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) [4]. Для бесперебойного обеспечения диагностических потребностей в США, Западной Европе и в последнее время в России одновременно работают как локальные производители [¹⁸F]ФДГ, так и крупные центры, ежедневно доставляющие продукцию в течение 1–6 ч с использованием авиационного и автомобильного транспорта. Вызванные экономическими факторами увеличение длительности перевозки и выпуск препаратов с высокими объемными активностями [5] значительно обостряют проблему авторадиолитического разложения [¹⁸F]ФДГ. Так, например, нестабилизированный препарат с начальными объемными активностями порядка 19–22 ГБк/мл имеет срок годности менее 1 ч [6], исключающий возможность его диагностического применения. Это указывает на необходимость детального изучения закономерностей авторадиолитического разложения [¹⁸F]ФДГ и проведения научно-обоснованного поиска ингибиторов данного процесса.

В нашей предыдущей работе [7] мы детально рассмотрели радиационно-индуцированные превращения [¹⁸F]ФДГ с начальными объемными активностями порядка 1–2 ГБк/мл. В настоящей статье будут представлены закономерности изменения химической и радиохимической чистоты, а также относительной активности [¹⁸F]фторида в насыщенном воздухом физиологическом растворе [¹⁸F]ФДГ с начальными объемными активностями 4.02–5.45 ГБк/мл. Такие объемные активности наиболее часто используются в мультидозовых флаконах для зарядки автоматических инжекторов, обеспечивающих приготовление индивидуальных доз [¹⁸F]ФДГ для пациентов в современных ПЭТ-центрах.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе без предварительной очистки использовали следующие коммерчески доступные реагенты: этанол, ацетонитрил, натрия [¹⁹F]фторид, 50% раствор NaOH в воде (“Sigma-Aldrich”, США); аналитические стандарты 2-[¹⁹F]фтор-2-дезокси-D-глюкозы ([¹⁹F]ФДГ), 2-[¹⁹F]фтор-2-дезокси-D-маннозы ([¹⁹F]ФДМ) и 1,2,3,4-тетра-О-ацетил-D-глюкозы фирмы ABX (Германия). Ультрачистую воду (Тип 1) с удельным сопротивлением не менее 15 МОм получали с использованием лабораторной установки Milli-Q (“Merck Millipore”, США).

Для исследования авторадиолитического разложения использовали инъекционное лекарственное средство “2-[¹⁸F]фтордезоксиглюкоза” для ПЭТ-диагностики, полученное по стандартной технологии [8, 9] на кассетных модулях Synthera (“IBA”, Бельгия) с использованием наборов реагентов для производства [¹⁸F]ФДГ от ABX (Германия).

Для изучения динамики накопления свободного [¹⁸F]фторида и изменения радиохимической чистоты препарата при хранении в стандартные флаконы объемом 15 мл фасовали 1.5 мл РФП, для подтверждения назначенного срока хранения использовали 8 мл. После розлива фармацевтической субстанции флаконы укупоривали бутилкаучуковой пробкой, обжимали алюминиевой крышкой, маркировали и выгружали из радиационно-защитной камеры в свинцовых контейнерах СF-18 Pb (“Comecer”, Италия).

Полный контроль качества готового лекарственного средства [¹⁸F]ФДГ проводили через 8 ч (назначенный срок хранения) для проверки соответствия выпускаемого РФП требованиям статьи государственной фармакопеи Республики Беларусь на лекарственное средство “2-[18F]фтор-дезоксиглюкоза”, гармонизированной с европейской фармакопеей [10]. Динамику накопления [¹⁸F]фторида и других радиохимических примесей контролировали методами радио-ТСХ и радио-ВЭЖХ сразу после выпуска партии и далее через 2, 4, 6 и 8 ч.

Содержание этанола, ацетальдегида и других остаточных растворителей определяли методом газовой хроматографии на Agilent 6850 с пламенно-ионизационным детектором аналогично [11, 12]. Методики радио-ТСХ и радио-ВЭЖХ анализа подробно описаны в работе [7]. При проведении исследований в лаборатории поддерживали постоянный температурный режим – 23 ± 2°С.

Для очистки [¹⁸F]ФДГ от [¹⁸F]фторида применяли последовательно соединенные картридж твердофазной экстракции Alumina B (“Waters”, США) и систему стерилизующей фильтрации с размером пор 0.22 µм (“Merck Millipore”, США). Раствор РФП пропускали со скоростью 5 мл/мин через сборку, после чего ее промывали трехкратным объемом воды для инъекций. [¹⁸F]Фторид в элюате не детектируется, при его относительных активностях до 15% в исходном растворе [¹⁸F]ФДГ.

Все работы с высокоактивными препаратами проводились при строгом соблюдении мер радиационной безопасности квалифицированным персоналом в специализированной радиофармацевтической лаборатории.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При хранении растворов [¹⁸F]ФДГ наблюдается снижение ее радиохимической чистоты – доли активности, которая приходится на основное меченое соединение от общей активности препарата. При этом единственным регистрируемым радиоактивным продуктом авторадиолитических превращений является [¹⁸F]фторид, другие радиохимические примеси присутствуют в РФП с момента производства и их доля изменяется в пределах погрешности измерения [7].

Динамика изменения относительной активности [¹⁸F]фторида при хранении [¹⁸F]ФДГ представлена на рис. 1. Можно заметить, что увеличение начальной объемной активности с 1–2 ГБк/мл до 4–5.5 ГБк/мл приводит к ускорению радиационно-индуцированного дегалогенирования [¹⁸F]ФДГ как по данным фармакопейного метода радио-ТСХ [10], так и по результатам радио-ВЭЖХ, которая обладает более высокой точностью и воспроизводимостью результатов. Однако в пределах рассматриваемого диапазона начальных объемных активностей можно заметить, что графики накопления [¹⁸F]фторида практически совпадают для растворов содержавших 4.196 ГБк/мл и 5.452 ГБк/мл на момент выпуска партии. Поглощенная доза для последнего раствора РФП на 30.0% превышает соответствующее значение для образца с начальной объемной активностью 4.196 ГБк/мл и, поэтому, следовало бы ожидать накопления более высоких активностей [¹⁸F]фторида при хранении.

Рис. 1.

Изменение относительной активности [¹⁸F]фторида при хранении растворов радиофармпрепарата [¹⁸F]ФДГ в зависимости от начальной объемной активности по данным радио-ТСХ (а) и радио-ВЭЖХ (б).

Полученные экспериментальные данные могут быть объяснены различиями в концентрациях химических примесей, в первую очередь этанола, в исследуемых растворах РФП. Так, содержание этанола в растворе [¹⁸F]ФДГ с начальной объемной активностью 5.452 ГБк/мл было на 28.6% выше, чем в РФП с активностью 4.196 ГБк/мл на момент выпуска партии (табл. 1). Таким образом, увеличение поглощенной препаратом дозы было компенсировано более высокой концентрацией акцептора радикальных продуктов радиолиза воды.

Об активном вовлечении этанола в радиационно-индуцированные реакции, происходящие при хранении [¹⁸F]ФДГ, свидетельствует и снижение концентрации спирта, которое мы наблюдали во всех исследованных партиях РФП, причем наиболее активно этот процесс происходит в первые 2 ч после выпуска партии. Более того, среди химических примесей в [¹⁸F]ФДГ, образующихся вследствие авторадиолиза, на рис. 2 отчетливо заметно присутствие ацетальдегида – продукта радиационно-индуцированных превращений этанола в насыщенных воздухом растворах [13]. При сопоставлении профилей накопления [¹⁸F]фторида (рис. 1) и приведенных в табл. 1 данных можно заметить, что значения концентраций альдегида коррелируют с процентом дегалогенирования [¹⁸F]ФДГ. При одинаковом времени хранения в образцах с более высокими величинами относительных активностей [¹⁸F]фторида содержание ацетальдегида было выше. Необходимо отдельно отметить, что это вещество относится к высокотоксичным соединениям и в инъекционных лекарственных средствах его содержание строго лимитируется фармакопеей величиной в 50 ppm или 1.14 × 10^–3 моль/л. Поскольку мы обнаружили в одном из образцов через 8 ч хранения близкую к предельной концентрацию ацетальдегида – 9.32 × 10^-4 моль/л, при дальнейшем увеличении начальной объемной активности [¹⁸F]ФДГ препарат может не выдержать фармакопейные испытания не только из-за радиохимической чистоты, но и по содержанию химических примесей.

Рис. 2.

Хроматограмма остаточных растворителей и легколетучих соединений в радиофармпрепарате [¹⁸F]ФДГ с начальной объемной активностью 5.358 ГБк/мл через 6 ч хранения.

Этиловый спирт входит в состав щелочного гидролизующего агента при синтезе [¹⁸F]ФДГ на модуле Synthera (“IBA”, Бельгия) в соответствии с патентом [3], что позволяет вводить его в препарат уже на этапе синтеза активной фармацевтической субстанции. Кроме того, этанол может попадать в РФП вследствие его активного использования для обеспечения асептики радиофармацевтического производства, в частности, при ежедневной обработке линий трансферта активной фармацевтической субстанции, поверхностей модулей синтеза радиофармпрепартов, экранированных свинцом радиохимических шкафов-изоляторов и другого оборудования в горячих лабораториях. Из-за наличия нескольких путей поступления концентрация этанола в готовой лекарственной форме [¹⁸F]ФДГ может отличаться от партии к партии вплоть до 2–3 раз, что непосредственно сказывается на интенсивности авторадиолитических процессов в РФП и, соответственно, флуктуациях его радиохимической чистоты.

Помимо начальной объемной активности и концентрации этанола в [¹⁸F]ФДГ на скорость радиационно-индуцированного дегалогенирования влияет и объем фасовки лекарственного средства. В табл. 2 представлены значения относительной активности [¹⁸F]фторида и радиохимической чистоты [¹⁸F]ФДГ после 8 ч хранения растворов РФП объемом 1.5 мл и 8 мл во флаконах. Можно заметить, что в образцах из одной партии РФП, имевших на момент выпуска одинаковую концентрацию этанола и объемную активность меченого соединения, увеличение объема с 1.5 до 8 мл приводит к приросту относительной активности [¹⁸F]фторида на 1–2.3% (в 1.32–1.52 раза) по данным радио-ВЭЖХ и 0.3–1.8% (в 1.12–1.54 раза) – в случае радио-ТСХ. Причем для флакона с 8 мл раствора [¹⁸F]ФДГ с начальной объемной активностью 5.358 ГБк/мл, имевшего невысокую концентрацию этанола на момент окончания синтеза – 7.54 × 10^–3 моль/л, доля активности [¹⁸F]фторида по данным радио-ТСХ превышает установленный фармакопеей 5% предел [10]. Таким образом, данный образец [¹⁸F]ФДГ имеет фактический срок годности меньше 8 ч – периода, указанного в регистрационном досье на РФП. При этом флакон из идентичной партии РФП объемом 1.5 мл не имеет отклонений по содержанию [¹⁸F]фторида на момент окончания срока хранения.

Одна из причин наблюдаемой интенсификации авторадиолитического разложения [¹⁸F]ФДГ при увеличении объема фасовки раствора во флаконы может быть связана с ростом поглощенной препаратом дозы. В растворах РФП объемом 1.5 мл, что примерно соответствует 10% заполнения флакона, часть позитронов и вторичных электронов теряет свою кинетическую энергию уже в стекле. По мере увеличения степени заполнения флакона такой “эффект стенки” будет уменьшаться. Однако средний пробег позитрона, испускаемого ¹⁸F, в воде составляет всего 0.6 мм [14], поэтому только лишь увеличением поглощенной дозы сложно объяснить наблюдаемую интенсификацию авторадиолиза [¹⁸F]ФДГ.

Можно заметить, что прирост относительной активности [¹⁸F]фторида при увеличении объема фасовки раствора наиболее сильный для партий с высокими начальными объемными активностями [¹⁸F]ФДГ (табл. 2), когда в водно-органических системах, насыщенных воздухом, происходит интенсивное расходование кислорода. Поэтому наблюдаемый эффект интенсификации авторадиолиза [¹⁸F]ФДГ может быть связан с изменением концентрации кислорода в РФП.

Технологически достижимые концентрации [¹⁸F]ФДГ в растворах не превышают 10^–6 моль/л, поэтому данное фторорганическое соединение не способно выиграть конкуренцию у кислорода за гидратированный электрон. Следовательно, в аэрированном физиологическом 0.9% водном растворе NaCl гидратированный электрон и атом водорода будут количественно взаимодействовать с кислородом по реакциям 4 и 5. Процессы типа диссоциативного присоединения ${\text{e}}_{{{\text{aq}}}}^{ - },$ характерные для хлор-, бром- и иодорганических соединений [15] будут маловероятны для препаратов [¹⁸F]ФДГ, насыщенных воздухом.

(1)

Радикалы ^•ОН при взаимодействии с хлорид-ионами будут превращаться в ${\text{Cl}}_{2}^{{\centerdot - }}$ по реакциям 7 и 8:

Как и ^•ОН анион-радикал ${\text{Cl}}_{2}^{{\centerdot - }}$ проявляет сильные окислительные свойства и в РФП будет в первую очередь взаимодействовать с органическими веществами, содержащимися в более высоких концентрациях, в частности, с этанолом по реакции 9. Лишь малая доля ${\text{Cl}}_{2}^{{\centerdot - }}$ будет окислять [¹⁸F]ФДГ, например, по реакции 10.

С учетом строения молекулы [¹⁸F]ФДГ наиболее вероятным механизмом элиминирования [¹⁸F]фторида является двойная β-фрагментация α-гидроксилсодержащих углеродцентрированных радикалов (α-ГУР), например по реакции 11. Аналогичного рода процессы являются доминирующими при дегалогенировании хлор- и бромгидринов [16], дегидратации моносахаридов [17], расщеплении О-гликозидной связи в гликозидах и дисахаридах [18–20].

В публикациях [18, 21] было показано, что кислород за счет окисления α-ГУР эффективно ингибируeт свободнорадикальные реакции элиминирования функциональных фрагментов от гликозидов различного строения. Можно предположить, что и в нашем случае кислород так же будет ингибировать процессы авторадиолитического дегалогенирования [¹⁸F]ФДГ в аэрированных водных растворах посредством окисления α-ГУР, например по реакции 12.

С использованием несложных расчетов можно показать, что концентрация растворенного кислорода будет быстро снижаться в препарате [¹⁸F]ФДГ вследствие радиационно-индуцированных процессов. При средней энергии испускаемых при распаде фтора-18 позитронов 0.25 МэВ [14] в растворе РФП с объемной активностью 5.4 ГБк/мл будет выделяться 1.35 × 10¹⁵ эВ мл^–1 c^–1. Кислород будет расходоваться в реакциях 4 и 5 с восстанавливающими радикальными продуктами радиолиза воды, а также при взаимодействии с углеродцентрированными радикалами органических соединений по реакциям 12 и 13. В дальнейшем ${\text{HO}}_{2}^{\centerdot }$ и ${\text{O}}_{2}^{{\centerdot - }}$ будут диспропорционировать до пероксида водорода по реакциям 14, 15.

Уравнение материального баланса для радиационно-химического выхода разложения кислорода примет следующий вид G(–O₂) = 0.5 (${{{\text{G}}}_{{{\text{H}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}}}}$ + + ${{{\text{G}}}_{{{{{\text{H}}}^{\centerdot }}}}}$ + ${\text{G}}_{{{\text{eaq}}}}^{--}$) = 2.975 молекул/100 эВ, а скорость его расходования будет составлять 4.02 × 10¹³ молекул мл^–1 c^–1 . При концентрации растворенного в воде кислорода 2.58 × 10^–4 моль/л (25°С) для его полного расходования будет достаточно 3856 с или 1.07 ч. Приведенные расчеты используют упрощенную схему авторадиолитических превращений и не учитывают ряд других факторов, однако позволяют количественно оценить интенсивность расходования растворенного кислорода. По мере снижения его концентрации в препарате [¹⁸F]ФДГ кислород начнет диффундировать в раствор из воздуха, который содержится во флаконе. Поэтому соотношение объемов раствора РФП и воздуха во флаконе непосредственно влияет на концентрацию растворенного кислорода в препарате [¹⁸F]ФДГ при хранении.

Таким образом, наблюдаемая интенсификация авторадиолитического разложения [¹⁸F]ФДГ при увеличении объема фасовки раствора во флаконы может быть связана со снижением концентрации кислорода в растворе РФП, вследствие чего соотношение вероятности реализации реакций 11 и 12 смещается в сторону первого процесса – монорадикального дегалогенирования.

Следует отметить, что, несмотря на все усилия по ингибированию авторадиолиза, периодически выпускаются партии [¹⁸F]ФДГ, для которых на момент окончания срока годности радиохимическая чистота и относительная активность [¹⁸F]фторида может превысить установленные фармакопеей пределы. Как правило, такое случается вследствие нештатных условий производства или проблем с доставкой РФП. При этом отмена запланированных ПЭТ/КТ-исследований с [¹⁸F]ФДГ создает значительные неудобства для пациентов и репутационные потери для клиник.

Для исключения артефактов радионуклидной диагностики, связанных с наличием [¹⁸F]фторида в [¹⁸F]ФДГ, а также для снижения дозовой нагрузки на красный костный мозг пациентов мы рекомендуем использовать сорбционный способ очистки РФП от этого радиоактивного продукта авторадиолиза, приведенный в методической части статьи. Описанная процедура может быть легко реализована в любом ПЭТ-центре и позволяет полностью удалять [¹⁸F]фторид из [¹⁸F]ФДГ. Потери меченого соединения и степень разбавления – приемлемые для радионуклидной диагностики. Например, при очистке 1.27 мл раствора [¹⁸F]ФДГ активностью 380 МБк (эквивалент одной диагностической дозы РФП), содержащего 57 МБк примеси [¹⁸F]фторида, 67.2% активности [¹⁸F]ФДГ регистрируется в элюате, 20% – остаются на картридже, остальное – в шприце и на фильтре. Объемная активность [¹⁸F]ФДГ при этом снижается в 3.7 раза. Препарат сохраняет стерильность и апирогенность в силу использования фильтра с размером пор 0.22 µм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изучена кинетика авторадиолитического разложения радиофармацевтического препарата “2-[¹⁸F]фтордезоксиглюкоза” ([¹⁸F]ФДГ) в насыщенном воздухом физиологическом растворе с начальными объемными активностями 4.02–5.45 ГБк/мл. Показано, что увеличение начальной объемной активности или снижение концентрации этанола приводят к более интенсивному накоплению радиолитического [¹⁸F]фторида и деградации радиохимической чистоты препарата. При хранении радиофармацевтического препарата зафиксировано снижение концентрации этанола и образование продукта его радиационно-индуцированных превращений в присутствии кислорода – ацетальдегида, причем концентрация последнего коррелирует с относительной активностью [¹⁸F]фторида. Установлено, что при хранении препаратов [¹⁸F]ФДГ с одинаковой начальной объемной активностью в герметичных флаконах объемом 15 мл по истечении 8 ч относительная активность [¹⁸F]фторида и, соответственно, степень авторадиолитического разложения исходного меченого соединения значительно выше в растворах объемом 8 мл по сравнению с 1.5 мл. Это может быть связано как с увеличением поглощенной препаратом дозы, так и с ингибирующим действием кислорода на процесс радиационно-индуцированного дегалогенирования. Для обеспечения качества радиофармацевтического препарата предложен сорбционный способ очистки [¹⁸F]ФДГ от [¹⁸F]фторида в условиях действующего ПЭТ-центра, обеспечивающий сохранение асептики и апирогенности инъекционного лекарственного средства.