Historie, současnost a budoucnost používání 68Ge/68Ga generátorů – 1. část

Overview

Cíl: Podrobnější přehled historie, současného stavu a nynějších trendů v získávání ⁶⁸Ga, především z ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga radionuklidového generátoru.

Úvod: Pozitronová emisní tomografie (PET) je jednou z nejmodernějších metod nukleární medicíny. Stále nejhojněji využívaným radionuklidem při diagnostice pomocí PET je ¹⁸F, ale do popředí se dostávají i další pozitronové zářiče a velká pozornost je věnována právě ⁶⁸Ga. Nespornou výhodou tohoto radionuklidu je způsob jeho získání. Oproti ostatním radionuklidům využívaným v PET diagnostice, které jsou připravovány téměř výhradně na cyklotronu, je ⁶⁸Ga možné získat i pomocí radionuklidového generátoru, což výrazně zjednodušuje a urychluje další kroky jeho použití.

Popis problematiky: Vývoj ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga radionuklidových generátorů představoval komplexní výzkum separačních systémů, které jsou i dnes aktuálním tématem. V současnosti je dostupná řada separačních systémů, z nichž některé jsou již registrovány u Evropské agentury pro léčivé přípravky (EMA) či amerického Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) pro použití v humánní medicíně. Jiné jsou dostupné pouze pro výzkum a vývoj. S ohledem na technologické a legislativní těžkosti spojené s vývojem ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga radionuklidového generátoru je navržení systému, který by poskytoval eluát ⁶⁸Ga ve vhodné chemické formě a dostatečné radiochemické a radionuklidové čistotě, stále velkou výzvou a rozsáhlému studiu je věnována pozornost mnoha vědeckých týmů z celého světa.

V České republice je dosud registrován jeden ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga radionuklidový generátor a jeden kit pro značení ⁶⁸Ga, SomaKit TOC pro diagnostiku neuroendokrinních tumorů (NET). Další kit, ⁶⁸Ga-PSMA-11, je pak využíván pro diagnostiku karcinomu prostaty v rámci specifického léčebného programu. Ve světovém měřítku není však využití tohoto radionuklidu omezeno pouze na tyto aplikace a ⁶⁸Ga je stále ve větší oblibě.

Závěr: Rozsáhlé studie separačních systémů a cílících molekul by mohly v budoucnu vést u některých diagnostických procedur k nahrazení tradičního PET radionuklidu ¹⁸F právě ⁶⁸Ga a to především díky možnosti eluce z radionuklidového generátoru.

Klíčová slova:

radionuklidový generátor – pozitronová emisní tomografie – galium-68 – germanium-68

ÚVOD

Nejčastěji užívanou diagnostickou modalitou v nukleární medicíně je pozitronová emisní tomografie. Přestože radionuklidem první volby pro tuto modalitu je stále ¹⁸F (T_½ = 109,77 min) ¹, nové radionuklidy, jako je ⁶⁸Ga (T_½ = 67,83 min) ², si především v posledním desetiletí nacházejí své místo v PET diagnostice.

Nespornou výhodou pro využití ⁶⁸Ga je fyzikálně-chemická charakteristika jeho mateřského radionuklidu, ⁶⁸Ge (T_½ = 270,95 dne) ², jež umožňuje získávat ⁶⁸Ga elucí z radionuklidového generátoru. Díky tomu se ⁶⁸Ga stává výrazně dostupnějším než ostatní pozitronové zářiče, včetně ¹⁸F, které jsou běžně připravovány na cyklotronu v dojezdové vzdálenosti od lékařského zařízení. ³ Nicméně z legislativního hlediska jsou na čistotu eluátu ⁶⁸Ga kladeny velmi vysoké nároky. Kontaminace mateřským ⁶⁸Ge nesmí podle Evropského lékopisu překročit 0,001 % celkové aktivity. ⁴ Výzkum a vývoj takových systémů je tedy stále vysoce aktuální.

Tento článek je zaměřen na přípravu preparátu ⁶⁸Ga, a to především pomocí ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga radionuklidového generátoru. Pozornost je věnována rovněž mateřskému radionuklidu ⁶⁸Ge, historickému vývoji generátorových systémů a současnému stavu celé problematiky společně s novými trendy, které je možné pozorovat ve výzkumu a vývoji ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga radionuklidových generátorů.

Gallium

Za objevitele tohoto prvku je považován Paul-Émile Lacoq Boisbaudran, který v roce 1875 pozoroval u vzorku zinku z přírodní rudy novou linii v atomovém spektru. ⁵ Gallium je měkký stříbrobílý kov podobný hliníku. Kromě kovového gallia, se tento prvek vyskytuje ve dvou oxidačních stavech, +I a +III, z nichž pouze druhý uvedený je stabilní v podmínkách vodných roztoků, a tedy relevantní pro klinické aplikace. ⁶

Vlivem malého iontového poloměru, 62 pm, a vysokého měrného náboje je galium kationtem, který především v prostředí neutrálního a bazického pH snadno podléhá hydrolýze za tvorby oxidů a hydroxidů tvořících koloidní či pseudokoloidní sraženiny zabraňující tvorbě jiného komplexu. Při pH vyšším než 7,4 tvoří vysoce stabilní galátový anion [Ga(OH)₄]^-, který jen těžko podléhá transchelataci a lze ho solvatovat pouze v silně kyselém prostředí. Tyto skutečnosti je potřeba brát v úvahu především při radiochemickém značení. ³

V přírodním složení je zastoupen dvěma izotopy. Izotop s hmotnostním číslem 69 je stabilní a jeho přirozené zastoupení je 60,1 %. Izotop s hmotnostním číslem 71 je přirozeně zastoupen z 39,9 % a je možné ho považovat za stabilní, jelikož jeho poločas přeměny je ˃ 2,4 × 10²⁶ let a jedná se o β^- zářič. Ostatní izotopy jsou antropogenní a radioaktivní. ⁶ Radioizotopy gallia patří spolu s izotopy jódu, fosforu a radia k prvním radionuklidům testovaným pro účely léčby a diagnostiky. V historii byl pro možnosti využití v nukleární medicíně jako první testován izotop ⁷²Ga (β^-, T_½ = 14,10 h). Nicméně využití tohoto izotopu pro zamýšlenou aplikaci, tedy diagnostiku osteogenních sarkomů a metastatických maligních lézí v kostech, se ukázalo jako neefektivní. Zjištěné výsledky však obrátily pozornost k jinému izotopu galia, konkrétně ke ⁶⁷Ga (EZ, T_½ = 3,26 dne). ⁷ Tento radionuklid je dodnes využíván ve formě citrátu v jednofotonové emisní počítačové tomografii (SPECT) k diagnostice a dlouhodobému sledování pacientů s maligními lymfomy, pro zjišťování diseminace jiných zhoubných procesů a lokalizaci zánětlivých procesů především v plicích. ⁸

Největší pozornost je však v současné době upřena na ⁶⁸Ga. Již v 60. letech minulého století byl tento radionuklid testován k diagnostickým účelům. Byl studován v komplexu s EDTA pro zobrazování malignit mozku. ⁹ Po dlouhé době útlumu je v posledním dvacetiletí navracen na medicinální scénu, a to především v oblasti diagnostiky NET pomocí značených analogů somatostatinu, jako jsou [⁶⁸Ga]DOTATOC, [⁶⁸Ga]DOTANOC, [⁶⁸Ga]DOTATATE. Možnosti využití tohoto radionuklidu však nekončí pouze u této aplikace. V podobě vhodného komplexu ho lze použít ke značení široké škály peptidů, protilátek a malých molekul. ¹⁰ Ve světě jsou rozsáhle testovány možnosti jeho použití i přímo s peptidy, jako je např. PSMA ¹¹ či Bombesin ¹² pro diagnostiku karcinomu prostaty. Rozsáhle studováno je i použití ⁶⁸Ga ve formě značených protilátek, fragmentů protilátek či bispecifických protilátek schopných cílit na potřebné místo a zároveň vázat iontové gallium. ^13,14 Přestože v Evropě i USA je ⁶⁸Ga rozsáhle využíváno a testováno, v České republice je doposud registrován pouze jeden ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga radionuklidový generátor, GalliaPharm ¹⁵, a jeden kit pro značení ⁶⁸Ga, SomaKit TOC, pro diagnostiku neuroendokrinních nádorů pomocí oktreotidu, analogu somatostatinu. ¹⁶ V rámci specifického léčebného programu je pak v ČR (VFN v Praze a FN Plzeň) pro diagnostiku karcinomu prostaty využíváno PSMA značené ⁶⁸Ga pomocí kitu ⁶⁸Ga-PSMA-11. ¹⁷

Jednou z výhod ⁶⁸Ga je i chemická podobnost s některými terapeutickými radionuklidy, jako jsou ⁹⁰Y a ¹⁷⁷Lu. Tento radionuklid tak lze použít i jako součást teranostického páru, ve kterém je v cílící molekule nahrazován diagnostický radionuklid za terapeutický a obráceně, aniž by došlo k výrazně odlišnému chování cílící molekuly v organismu. Tímto způsobem je možné nejen přesně diagnostikovat a zacílit onemocnění, ale především kontrolovat účinky terapie. ¹⁰

Mateřský radionuklid – ⁶⁸Ge

Mateřským radionuklidem ⁶⁸Ga, který umožňuje jeho získávání z radionuklidového generátoru, je ⁶⁸Ge. Tento radionuklid podléhá elektronovému záchytu s poločasem přeměny 270,95 dne a přeměňuje se na ⁶⁸Ga, přičemž přeměna je ze sta procent řízena na základní hladinu. Gallium-68 s poločasem přeměny 67,83 min. pak poskytuje svojí přeměnou stabilní ⁶⁸Zn. Celé schéma přeměny radionuklidového páru ⁶⁸Ge-⁶⁸Ga je uvedeno na Obr. 1. ²

Jak je patrné, v případě ⁶⁸Ga jde o smíšený zářič přeměňující se β⁺ přeměnou a elektronovým záchytem. Přeměna β⁺ je v rozpadovém schématu zastoupena 89 %, přičemž 1,2 % připadá na přeměnu realizovanou na vzbuzenou hladinu ⁶⁸Zn a 87,68 % na základní stav ⁶⁸Zn. V případě elektronového záchytu, který je zastoupen 11 %, připadá 1,8 % přeměn na vzbuzenou hladinu a 8,94 % na základní stav. Další minoritní přeměny nejsou pro jednoduchost ve schématu znázorněny. Nicméně je patrné, že přeměna ⁶⁸Ga je doprovázena zářením gama a nejvýznamnější γ-linkou je 1077,35 keV. ² Jelikož mateřské ⁶⁸Ge nedisponuje vhodnou γ-linkou, lze ho detekovat pomocí dceřiného radionuklidu, a to především pomocí fotonů o energii 511 keV vzniklých anihilací vyzářených pozitronů. ¹⁸

Mateřské ⁶⁸Ge je připravováno výhradně na cyklotronu. K jeho přípravě může vést několik cest. Nejvýznamnější z nich jsou uvedeny v Tab. 1. Preferovány jsou reakce (p,2n) na ⁶⁹Ga a (p,xn) na přírodním Ga. Vzhledem k tomu, že první zmíněná reakce vyžaduje použití obohaceného galliového terče, je druhá reakce probíhající na přírodním galliu značně favorizovaná. Reakce jsou obvykle prováděny protony o energiích 20‒30 MeV a intenzitách svazku až 100 μA a vyšších, aby bylo dosaženo dostatečné aktivity ⁶⁸Ge ˃ 37 GBq. V případě reakcí s protony o vyšších energiích nad 40 MeV přispívá k produkci ⁶⁸Ge i (p,4n) reakce na přírodním ⁷¹Ga. ^18,19

Terčový materiál pro realizaci takto vysoce energeticky náročných reakcí je nutné navrhnout tak, aby odolal zahřívání, ke kterému v terči dochází při disipaci energie odpovídající stovkám až tisícům wattů. Jako terčový materiál je tedy obvykle využívána sloučenina či slitina o velké tepelné, korozní a radiační stabilitě, jako je např. slitina Ga₄Ni. Terč z této slitiny bývá obvykle v zadní části pokryt mědí, kde je chlazen vodou, a v přední části titanem, kde je chlazen plynným heliem. ²⁰ Jako terč bývá rovněž využíváno i kovové gallium, které má sice v porovnání se svými sloučeninami výrazně nižší bod tání, nicméně při zapouzdření kovového gallia do niobové kapsle je možné tento problém eliminovat. Je zde využíváno vysoké stálosti niobu vůči korozi, která umožňuje velice intenzivní a efektivní vodní chlazení terče. Další možností je použití oxidů gallia, Ga₂O₃ či Ga₂O. Při využití těchto materiálů je však výrobní proces limitován maximální použitelnou intenzitou svazku s ohledem na množství absorbované energie. ²¹

Ozářený terč je zpracováván v závislosti na složení základními separačními metodami obvykle dva týdny po ukončení ozařování. Nejčastěji je ⁶⁸Ge po rozpuštění terče extrahováno do tetrachlormetanu. Slitina Ga₄Ni bývá nejprve elektrochemicky rozpuštěna a ⁶⁸Ge je následně extrahováno 9M HCl do tetrachlormetanu a zpětně extrahováno do vody. ²⁰ V případě terče v niobovém pouzdře je terč nejprve rozpuštěn v 12M H₂SO₄.  Následně je ⁶⁸Ge extrahováno do tetrachlormetanu a zpět do vodné fáze je pak extrahováno 0,05M HCl. ²² Při uvedených procesech je však potřeba vždy brát v potaz extrémní těkavost GeCl₄. Pro zpracování terče je vzhledem k tomu rovněž možné použít destilaci ⁶⁸Ge ve formě GeCl₄. ²³

Pro další použití preparátu ⁶⁸Ge nejen pro medicinální účely je zásadní jeho radionuklidová čistota, tedy poměr aktivity pocházející z ⁶⁸Ge a celkové aktivity preparátu. Při přípravě může docházet k tvorbě dlouhodobých či krátkodobých vedlejších produktů pocházejících z matrice, obalu či dalších součástí terče. Z dlouhodobých radionuklidů je možné jmenovat ⁸⁸Y s poločasem přeměny 106,65 dne či ⁸⁸Zr s poločasem přeměny 83,4 dne. V případě přírodního Ga přispívá ke kontaminaci i vedlejší (p,n) reakce na ⁷¹Ga, která poskytuje ⁷¹Ge s poločasem přeměny 11,43 dne. Dlouhodobé neizotopické nečistoty jsou odstraňovány chemickou cestou, nejčastěji chromatograficky. V případě ⁷¹Ge je možné kontaminaci maximálně potlačit nastavením podmínek ozařování a poté dobou chladnutí terče. Krátkodobé radionuklidové nečistoty pocházejí především z vedlejších reakcí na galliovém terči a patří mezi ně ⁶⁹Ge s poločasem přeměny 39,05 h a ⁶⁷Ga s poločasem přeměny 3,26 dne. Tyto nečistoty však bývají eliminovány během doby chladnutí po ozáření terče. Radionuklidová čistota je kvantitativně stanovována pomocí gama-spektrometrie na polovodičových detektorech. ¹⁸

Při zpracování musí být rovněž kladen důraz na chemickou čistotu preparátu. Další skupinou nečistot jsou totiž stabilní prvky pocházející buď z přeměny výše popsaných nečistot nebo z terčového materiálu. Patří k nim izotopy niobu, železa, zinku či terčového gallia. Zbytky terčového gallia, které přejdou do organické fáze spolu s ⁶⁸Ge, bývají obvykle separovány přímo při přípravě generátoru, aby bylo docíleno co nejvyšší specifické aktivity ⁶⁸Ga v eluátu. Další nečistoty pak bývají eliminovány zejména chromatografickými postupy až na úroveň řádu ppm. Chemická čistota preparátu je sledována pomocí ICP-MS či ICP-OES. Jakékoli chemické nečistoty mohou mít následně vliv na možnosti využití eluátu ⁶⁸Ga především pro medicínské účely. ¹⁸

Výroba ⁶⁸Ge pomocí reakce ^natGa(p,xn)⁶⁸Ge vyžaduje pracoviště disponující cyklotronem schopným produkovat protonové svazky o intenzitách 40–100 μA a více pro dosažení dostatečného výtěžku ⁶⁸Ge. Největším problémem pro celosvětovou produkci ⁶⁸Ge je limitovaný počet takových pracovišť. Seznam průmyslově významných pracovišť spolu s parametry výroby ⁶⁸Ge je uveden v Tab. 2. Rutinní produkce ⁶⁸Ge probíhá především v USA – Brookhaven National Laboratory a Los Alamos National Laboratory, v Rusku – Obninsk Cyclotron Co., Ltd. a v Jižní Africe – iThemba Laboratories. Tato zařízení jsou schopna jednorázové produkce 18,5–74 GBq. V případě Brookhaven National Laboratory je využíváno přírodní kovové gallium v niobové kapsli. Terč je ozařován protony o energii 30 MeV a intenzitě 85 μA. Při měsíčním ozařování terče o hmotnosti 81 g tak lze připravit 33–51 GBq ⁶⁸Ge. V Los Alamos National Laboratory jsou k ozařování kovového gallia v niobové kapsli používány protony o energii 60 MeV a intenzitě 125 μA. Při ozařování 4 g kovového gallia po dobu 20 dní je možné vyprodukovat až 70 GBq ⁶⁸Ge. Ruský Obninsk Cyclotron Co., Ltd. je schopen připravit ⁶⁸Ge o specifické aktivitě ˃ 74 GBq/mg preparátu při ozařování Ge₄Ni protony o energii 23 MeV a intenzitě několik stovek μA. ¹⁸

Pokračování v příštím čísle.

Poděkování: Tato práce byla podpořena granty Českého vysokého učení technického v Praze č. SGS19/194/OHK4/3T/14 (K.F. M.V., P. S., J. K.) a Technologické agentury ČR č. TJ01000334, TJ04000129 (K.F, M.V.) a TJ04000138 (P. S. a J. K.). Rádi bychom tuto práci věnovali doc. Ing. Ferdinandu Šebestovi, CSc. jako poděkování za jeho celoživotní přínos vědecké obci a dlouhodobou spolupráci nejen v oblasti vývoje separačních systémů.