PETPET--Radiopharmaka Radiopharmaka für Routine und Forschungfür Routine und Forschung

33. Jahrestagung der RWGN 200633. Jahrestagung der RWGN 2006

Institut für Radiologie, Nuklearmedizin und Molekulare BildgebungUniversitätsklinik der Ruhr Universität Bochum

Herz- und Diabeteszentrum Nordrhein-Westfalen, Bad Oeynhausen

Dr. rer. nat. H. HennekenDr. Ir. S. ZijlstraProf. Dr. med. W. Burchert

ÜbersichtÜbersichtHerzHerz-- und Diabeteszentrum NRW und Diabeteszentrum NRW PositronenPositronen EmissionsEmissions Tomographie (PET)Tomographie (PET)

Radiopharmazie PETRadiopharmazie PET

RoutineradiopharmakaRoutineradiopharmaka[[1818F]FluoridF]Fluorid[[1313N]Ammoniak N]Ammoniak [[1111C]AcetatC]Acetat[[1111C]HydroxyephedrinC]Hydroxyephedrin[[1818F]FDGF]FDG[[1515O]WasserO]Wasser

ForschungsradiopharmakaForschungsradiopharmakaApoptoseApoptose

1818FBFB--Annexin VAnnexin VEntzündung septisch/aseptischEntzündung septisch/aseptisch

1818FBFB--UbiquicidinUbiquicidin1818FAPFAP--CiprofloxacinCiprofloxacin

HerzHerz-- und Diabeteszentrum NRWund Diabeteszentrum NRW

Institut für Radiologie, Nuklearmedizin und Molekulare BildgebunInstitut für Radiologie, Nuklearmedizin und Molekulare Bildgebung g Institutsleitung:Institutsleitung: Prof. Dr. med. W. Prof. Dr. med. W. BurchertBurchert

RadiologieRadiologieK. K. FranzkeFranzke

KernspinKernspinDr. med. H. Dr. med. H. EsdornEsdorn

NuklearmedizinNuklearmedizinDr. med. O. LindnerDr. med. O. Lindner

PETPETDr. med. E. FrickeDr. med. E. Fricke

RadiopharmazieRadiopharmazieDr. S. Dr. S. ZijlstraZijlstra

ZyklotronZyklotronDipl. Ing. P. Dipl. Ing. P. HadjilazarosHadjilazaros

4 Kliniken4 Kliniken3 medizinische Institute3 medizinische InstituteVielzahl von AbteilungenVielzahl von Abteilungen

1700 Mitarbeiter1700 Mitarbeiter

ZentralapothekePhysiotherapie

InformatikHaustechnik

BehandlungBehandlung Patienten / %Patienten / %ThorokaleThorokale OPOP 63006300 3636Transplantation HerzTransplantation Herz 8484

82608260270027001770417704

(0,5 )(0,5 )KatheterKatheter 4949DiabetesDiabetes 1515Gesamt 2005Gesamt 2005

Patientenzahlen 2005

PET PET ((Positronen Emissions Positronen Emissions Tomographie)Tomographie)

Kamera: Siemens Exact HR+ (2001) Überwachung und Auswertung

18-F 11-C 15-O 13-N

33 %

7 %22 %

38 %

Verteilung der Untersuchungszahlen nach Nukliden

Screening Herz Tumor

75 %

322 %

Verteilung der Untersuchungszahlen nach Diagnostik

Radiopharmazie PETRadiopharmazie PET

PositronenstrahlerPositronenstrahler mit kurzen Halbwertszeitenmit kurzen Halbwertszeiten1818F (109,7 min); F (109,7 min); 1111C (20,4 min); C (20,4 min); 1313N (10 min); N (10 min); 1515O (2,03 min)O (2,03 min)

Tägliche bzw. untersuchungsbezogene SyntheseTägliche bzw. untersuchungsbezogene Synthese

Hohe Anfangsaktivitäten; kurze SynthesezeitenHohe Anfangsaktivitäten; kurze Synthesezeiten

Vollautomatisierte bzw. ferngesteuerte SyntheseabläufeVollautomatisierte bzw. ferngesteuerte Syntheseabläufe

Pharmazeutische ProduktionsbedingungenPharmazeutische Produktionsbedingungen

Schnelle QualitätskontrolleSchnelle Qualitätskontrolle

Hoher EntwicklungsbedarfHoher Entwicklungsbedarf

Die Arbeit des Radiochemikers IDie Arbeit des Radiochemikers IVorstellung und WirklichkeitVorstellung und Wirklichkeit

99mTcO4- BM-L≡ 99mTc

?BioScint +BM-L

BioScint

S–BM–R

18F-aq K2.2.2.–K18F-

„BM“ S–BM

S–BM–18FBM–18F

NP BM–18F BM–18F

Qualitäts-kontrolle

Injektionslösung

Injektionslösung

aq: Aqua; K2.2.2.: Kryptofix S: Schutzgruppe; R: Reaktivgruppe; NP: Nebenprodukte

Generator

Kommen PET- Tracer aus dem Zyklotron ?

SPECT

PET

+

Die Arbeit des Radiochemikers IIDie Arbeit des Radiochemikers IIHerstellung meist trägerfrei (n.c.a.) radioaktiv markierter, Biomoleküle (BM) in applikationsfertiger Lösung

Herstellung radioaktiver Atome (Kernreaktion)Markierung der Biomoleküle (Chemische Reaktion)Abtrennung der Nebenprodukte Applikationsfertige Injektionslösung (Formulierung)Qualitätskontrolle und Freigabe

Sterilität u. PyrogenfreiheitGMP, GLP-Bedingungen ArzneimittelgesetzeStrahlenschutz

Entwicklung geeigneter Verfahren, Optimierung der Einzelschritte(Neue Tracer, neue Gesetze)

Markierungskonzepte PETMarkierungskonzepte PET

Direkte Herstellung des Direkte Herstellung des TracersTracers im Targetim Target[[1313N]NHN]NH33 („Dieser („Dieser TracerTracer kommt aus dem kommt aus dem ZykotronZykotron“)“)

Direkte Umsetzung des Direkte Umsetzung des TargetmolekülsTargetmoleküls zum zum TracerTracer[[1111C]AcetatC]Acetat

Komplexe Radiosynthese des Komplexe Radiosynthese des TracersTracers[[1818F]FDG F]FDG (Vorläufer, Markierung, Entschützung, Reinigung)(Vorläufer, Markierung, Entschützung, Reinigung)

Sonderfall: OnSonderfall: On--LineLine--ApplikationApplikation[[1515O]HO]H22OO

Arbeiten mit Arbeiten mit prosthetischenprosthetischen GruppenGruppen[[1818F]FBF]FB--Peptide Peptide (chemisch empfindliche BM, milde Reaktionsbedingungen)(chemisch empfindliche BM, milde Reaktionsbedingungen)

KnochenKnochen--TracerTracer [[1818F]FluoridF]Fluorid

H218O (97%)

18O(p,n)18F

18F-aq

1. Ionentauscher2. isot. NaCl

18F-aq /H2

16O

Injektionslösung

KnochenmetastasenKnochenstoffwechselKnochentransplantate(Vitalität) Einfache trägerfreie (n.c.a.) Erzeugung; (direkt im Target)

keine Vorläufer, keine nachfolgenden Reaktionen Einfache Abtrennungder Nebenprodukte RCA 95%, 10 min

Fluorid ist ein ubiquitäres, aber seltenes ElementBindung in Fluorapatit in Knochen u. Zahnschmelz Akquisition 1h p.i.; ggf. dynamisch

Qualitätskontrolleo radionuklidische Reinheito radiochemische Reinheito Aktivitätskonzentrationo spezifische Radioaktivitäto Pyrogenfreiheit (LAL)o pH-Werto Sterilität

HP

LC

-System

FlußFluß--TracerTracer [[1313N]AmmoniakN]Ammoniakquantitative quantitative FlußreserveFlußreserve des Herzensdes Herzens2 Untersuchungen Stress/Ruhe2 Untersuchungen Stress/Ruhe

H216O/ EtOH (0,3 µl/ml)

16O(p,α)13N

13NH4OHaq

Ionen-tauscher

Injektionslösung

13NH4OHaq

in vivo schnell „Entgiftung“ in HarnstoffAusscheidung über die NiereAkquisition sofort p.i.

Einfache trägerfreie Herstellung; direkt im Targetkeine Vorläufer, keine nachfolgenden Reaktionen Einfache Abtrennung der Nebenprodukte (Kartusche) 10 min, 3 – 4 GBq Produkt Qualitätskontrolle ähnlich Fluorid

GaschromatographLösungsmittelFlammenionisationsdetektor (FID)Probenvolumen: 0,5 µlNachweisgrenze: 0,1 µg/ml

EnergiestoffwechselEnergiestoffwechsel--TracerTracer [[1111C]AcetatC]Acetat

OxidativerOxidativer Energiestoffwechsel des HerzensEnergiestoffwechsel des Herzens„FDG„FDG--Ersatz“ bei DiabetikernErsatz“ bei DiabetikernAkquisition dynamisch Akquisition dynamisch

14N(p,α)11C

N2/(O2 0,5 %)

11CO2

CH3-MgBr

Arbeiten unter Inertgasbedingungen (n.c.a.)Vollautomatisierte MarkierungAusfrieren des 11CO2 mit flüssigem Stickstoff Abdampfen der organischen LösungsmittelReinigung der Reaktionslösung über 2 KartuschenRCA 70%, 10 min (Produkt 2 GBq; Beam 7 min)

CH311C–O–

O║

MgBr+ CH311C–O–

O║

Na+

wässrige Injektionslösungorganische Reaktionslösung

IsotoperIsotoper TracerTracerAcetylAcetyl--CoACoA, Atmungskette, AtmungsketteAusscheidung COAusscheidung CO22--AtmungAtmung

InnervationsInnervations--TracerTracer [[1111C]MHEDC]MHED[N[N--1111CC--methyl]mmethyl]m--HydroxyephedrinHydroxyephedrin

Semiquantifizierung des sympathischen Semiquantifizierung des sympathischen InnervationssystemsInnervationssystems des Herzens des Herzens über den Reüber den Re--uptakeuptake an der an der präsynaptischenpräsynaptischen SeiteSeiteKlinische Anwendung analog MIBG (SPECT)Klinische Anwendung analog MIBG (SPECT)

14N(p,α)11CN2/O2

11CO2LiAlH4 11CH3–OH

HIaq 11CH3–I

R-NH2

R-SH

R-OH

R-NH–11CH3

R-S–11CH3

R-O–11CH

11CH3–I

3

Reinigung über HPLCRCA 20%, 30 min Produkt 1 GBq (Beam 20 min)

Allgemeines MethylierungsreagenzFür mehrere funktionelle Gruppen einsetzbar

11CH3–I

OH

NH2

OH

CH3

OH

NH

OH11CH3

CH3

1111CC--MHEDMHED

H218O

18O(p,n)18F

18F-aq

K2CO3, K2.2.2.+

N N

OO

O O

OO K 18F-

CH2OAc

HH

H

OAc

H

O

OAcO

SO2-CF3AcO

CH2OAc

HH

OH

OAc H

OAcO

Ac

18F

CH2OH

HH

HOH

HOH

O

OH

18F

FD

G

FD

G

FD

G

FD

G

FD

G

Ac =O

CH3

„„UniversaltracerUniversaltracer“ [“ [1818F]FDG /SyntheseF]FDG /SyntheseZyklotronZyklotron SynthesemodulSynthesemodul DispenserDispenser

Qualitätskontrolle der FDGQualitätskontrolle der FDG--HDZHDZ

Verfahren / GerätVerfahren / Gerät KürzelKürzel PrüfungPrüfung

HochdruckflüssigkeitsHochdruckflüssigkeits--ChromatographieChromatographieBrechungsindexBrechungsindex--DetektorDetektor

HPLCHPLC FDG, FDG, 1818FF--FDGFDGNebenprodukte, FDMNebenprodukte, FDMRadiochemische ReinheitRadiochemische Reinheitspezifische Radioaktivitätspezifische Radioaktivität

LimulusLimulus AmebozytenAmebozyten LysatLysat TestTest LALLAL PyrogenePyrogene

ReinstgermaniumReinstgermanium--γγ--DetektorDetektor γγ--Det.Det. RadionuklidischeRadionuklidische ReinheitReinheit

Verfahren / GerätVerfahren / Gerät KürzelKürzel PrüfungPrüfung

GaschromatographieGaschromatographie GCGC CHCH33CN, CN, EtOHEtOH

Dünnschichtchrom.Dünnschichtchrom. DCDC KryptofixKryptofix (K2.2.2.)(K2.2.2.)

pHpH--ElektrodeElektrode pHpH pHpH--WertWert

AktivimeterAktivimeter HalbwertszeitHalbwertszeit

DispenserDispenser AktivitätskonzentrationAktivitätskonzentration

Qualtitätskontroll-Labor

Verpackung und TransportVerpackung und Transport

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9Anzahl Patienten

Ben

ötig

te A

ktiv

ität

[GB

q]

60 min

40 min

20 min

Aktivitätsbedarf in Abhängigkeit von Untersuchungszeit u. Patientenzahl

Probenentnahme Dispenser

Verpackung in Typ A - Behälter

Auslaufsichere abgeschirmte Verpackung Gefahrgutkonforme EtikettierungDosisleistungsmessung: Oberfläche / 1mAbtransport nach Freigabe

Uz[min] 6060 4040 2020

4 2,7 2,12,1 1,71,7

6 6,2 4,14,1 2,82,8

8 13,2 7,27,2 4,24,2

10 27,3 11,911,9 5,85,8

Neuzulassung FDGNeuzulassung FDGHistorie:12/1994 1. FDG-Synthese Patient08/1996 Zulassungsantrag FDG01/1997 Versorgung umliegender Kameras in Zusammenarbeit mit CIS Diagnostik GmbH07/1999 Erteilung der Zulassung: n.c.a. 2-[18F]FDG-Injektionslösung (nach 3 Jahren)01/2001 CIS wird zur Schering Deutschland GmbH05/2005 Neuer Zulassungsantrag04/2006 Erteilung der Zulassung: FDG-HDZ (nach 11 Monaten)06/2006 Schering verkauft Nuklearmedizinbereich: CIS bio GmbH

n.c.a. 2-[18F]FDG-Injektionslösung

Zul.Nr.: 355 01.00.00

FDG – HDZZul.Nr.: 633 71.00.00

Umstellung der Dokumentation auf das Europäische CTD-Format (Modul 1 – 5)Anpassung u. Erweiterung der Indikationsliste in Zusammenarbeit mit der TU MünchenDispenser (Abfüllen unter dokumentierter Reinraumklasse A, Isolatorkonzept)Maximale FDG-Aktivität 45 GBq; Zusatz von Ethanol (0,34 µl/ml) als RadikalfängerPrüfung auf Endotoxine (LAL) vor der FreigabeTargetmaterial Niob

Indikationen FDGIndikationen FDG--HDZHDZ

Untersuchung des HerzensErkennung von vitalem Herzgewebe bei Patienten mit koronarer Herzerkrankung und eingeschränkter regionaler und globaler linksventrikulärer Funktion

Untersuchung zur Erkennung bösartiger Tumore

PlattenepithelkarzinomeKopf-Hals-Region

++ ++ ++

Maligne Lymphome +

Maligne Melanome + ++

++

++

++ ++

Primäre nicht-kleinzelligeLungenkarzinome

+ ++

Ösophaguskarzinome ++

Rezidivierende kolorektaleKarzinome

++ ++

nicht medulläresSchilddrüsenkarzinom

++

Stadiu

m

Meta

stasen

Thera

pie-

Kontro

lleRe

zidive

OnOn--Line Applikation [Line Applikation [1515O]HO]H22OO

NN2 2 (0,5% O(0,5% O22))

1414N(d,n)N(d,n)1515OO

[[1515O]O]OO22 (N(N22))HH22, Pd, 120°C , Pd, 120°C

[[1515O]HO]H22OO--Gas (NGas (N22))

[[1515O]HO]H22OO--Wasser Wasser

zur Injektionzur Injektion

Schnittstelle PatientSchnittstelle PatientHohlfasermodul mit Hohlfasermodul mit isotisot. Kochsalzlösung. Kochsalzlösung

ZyklotronZyklotron SynthesemodulSynthesemodulInjektionsmodulInjektionsmodul

PETPET--KameraKamera

[15O]H2O- Injektionssystem Schnittstelle Patient

Patient

Schnittstelle Hohlfasermodul

Isot

onis

che

NaC

l-Lös

ung

Spri

tzen

pum

pe

NaCl-LösungGas

[15O]H2O-Gas vom Wassermodul

Schnelle wiederholte AnwendungenKonstante Aktivität über mehrere MinutenGeringe Strahlenexposition

Membran

1818FF--NSFB als MarkierungsreagensNSFB als Markierungsreagens(N(N--SuccinimidylSuccinimidyl--44--[[1818F]fluorbenzoat)F]fluorbenzoat)

prosthetischeprosthetische GruppeGruppe zur Markierung von zur Markierung von AminofunktionenAminofunktionenermöglicht die ermöglicht die dirtektedirtekte 1818FF--Markierung von empfindlichen Verbindungen Markierung von empfindlichen Verbindungen (z.B. Peptiden) in wässrigen Lösungen unter milden Reaktionsbedi(z.B. Peptiden) in wässrigen Lösungen unter milden Reaktionsbedingungenngungen

[18F]aktS–BM-R + S–BM–18F

[18F]aktS1–PG-R + S1–PG–18F Ak–PG–18FAkt S2–BM

S2–BM–PG–18F

N+

O

OCH2CH3

CF3SO3–

18F

O

OCH2CH3

18F

O

ON

O

O

[[1818F]NSFBF]NSFB

Vollautomatisierte SyntheseRCA 40%, 65 min

K2.2.2.-K18FN-Succinimidyl-

tetramethyluroniumHPLC

Reinigung

ApoptosemarkerApoptosemarker 1818FBFB--AnnexinAnnexin--VV

Annexin V- Darstellung mittels rekombinanter Bakterien (Escherichia Coli B834) in Zusammenarbeit mit dem MPI MartinsriedVollautomatisierte Markierung mit [[1818F]NSFBF]NSFB als prosthetische Gruppe (RCA 20%, 90 min)In vitro Evaluierung mittels Jurkart T-Zellen (Apotptosemodell)In Vivo Evaluierung durch Tier-PET mit einem Herz-Ischämie-Mausmodell in Zusammenarbeit mit der Universität Münster

S.Zijlstra et al. Appl. Radiat. Isot. 58 (2003) 201

Apoptose Der programmierte „Zelltod“

Annexin Vkörpereigenes ProteinCa++-abhängige Bindung an Phosphatidylserin (PhS)PhS wandert an Zelloberfläche

HerzinfarktAtheroskleroseAbstoßungsreaktionen nach Transplantation

Kontrolle Myokard – Ischämie/Reperfusion

18F-Annexin 18F-Annexin 18F-FDG13N-NH3

Biodistribution 18FB-AnnexinV in der Maus

Universität Münster, Klinik u. Poliklinik für Nuklearmedizin, Prof. Schäfers

Infektionsmarker Infektionsmarker 1818FBFB--UbiquicidinUbiquicidin

Mit FDG nicht unterscheidbar Osteomyelitis, Spezialfall „Diabetischer Fuß“

Ubiquicidin (UBI)

Septische vs. aseptische Entzündung

Humanes endogenes PeptidAntimikrobielle Wirkung

Vollautomatisierte n.c.a. Markierung mit [[1818F]NSFBF]NSFB (RCA 20%, 150 min)

1818FF--NSFBNSFBP –NH2

NH 2 –

(NH2 –)

1818FF--BB ––

P –NH2

NH –

(NH2 –)

Hohe Wirksamkeit von PeptiduntereinheitenUBI-1 (29-41) (99mTc-Analogon aus Literatur) UBI-2 (28-41) (zusätzliches N-terminales Lysin)

Zur Zeit Keine Möglichkeit der in vivo Diagnostik

S.Zijlstra et al. Appl. Radiat. Isot. 64 (2006) 802

In vitro Evaluierung mittels Staphylococcus aureusIn vivo Evaluierung durch Abszess-Tier-Modell Ratte (IME, Forschungszentrum Jülich)

1818FBFB--UbiquicidinUbiquicidin--1 1 (29(29--41) 41) in vivoin vivo

H3-DG ≡ [3H]Glukose (S200)1818FBFB--UbiquicidinUbiquicidin--1 (291 (29--41)41) (S200)

CD68 ≡ Makrophagen (S201)Staphylokokken-AB (S196)

TN-197, Abszess (staph. aureus) / Hinterbeinmuskel, Ratte /1 h p.i.(08.03.2006 / 5 Tage)

Doppelauto-radiographie

Forschungszentrum Jülich,Institut für Medizin, Prof. K. J. Langen

Immunhistogramm

CD68 ≡ Makrophagen (S62)Staphylokokken-AB (S62)

H3-DG ≡ [3H]Glukose (S70)

TN-218, Abszess (staph. aureus) / Hinterbeinmuskel, Ratte /1 h p.i.(7./13.07.2006 / 5 Tage)

1818FBFB--UbiquicidinUbiquicidin--2 2 (28(28--41) 41) in vivoin vivo

Doppelauto-radiographie

Forschungszentrum Jülich,Institut für Medizin, Prof. K. J. Langen

Immunofluoreszens

1818FBFB--UbiquicidinUbiquicidin--2 (282 (28--41)41) (S70)

Infektionsmarker Infektionsmarker 1818FAPFAP--CiprofloxacinCiprofloxacinCiprofloxacin

Antibiotikumklassisches Fluochinolon

1-Cyclopropyl-6-fluor-1,4-dihydro-4-oxo-7-(1-piperazinyl)-3-chinolin-carbonsäure

N

F

NN

O

OH

O

O

18F

NO2

O

CH3

18F

O

CH2

K2.2.2.-18F

18F

O

CH3

Vollautomatisierte n.c.a. MarkierungRCA 15 – 20 %; 120 minIn vitro Evaluierung mittels Staphylococcus aureusKeine Anreicherung

N

F

NHN

O

OH

O

80°C, 15 min; HPLC

1818FAPFAP--CiprofloxaxinCiprofloxaxin

breites Wirkspektrum gegen die meisten gramnegativen u. grampositiven BakterienWW mit DNA Topoisomerasen (Gyrasen)

Br

S.Zijlstra et al. Appl. Radiat. Isot. 64 (2006) 802

ZusammenfassungZusammenfassung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

PET PET RadiotracerRadiotracer kommen selten „aus dem Zyklotron“kommen selten „aus dem Zyklotron“Hoher Aufwand für automatisierte Synthesen, Qualitätskontrolle, Hoher Aufwand für automatisierte Synthesen, Qualitätskontrolle, Dokumentation und Dokumentation und ValidierungValidierungDie Zulassungspflicht stellt im Bereich PET eine hohe Hürde für Die Zulassungspflicht stellt im Bereich PET eine hohe Hürde für die breite Anwendung dardie breite Anwendung darAuch sehr kurzlebige Nuklide sind in der Routine EinsetzbarAuch sehr kurzlebige Nuklide sind in der Routine EinsetzbarKlinische Bedeutung der Klinische Bedeutung der ApoptoseApoptose unklarunklarAseptische können bisher von septischen Entzündungen nicht Aseptische können bisher von septischen Entzündungen nicht unterschieden werden (unterschieden werden (MakrophagennachweisMakrophagennachweis))