Biospecijacija itrijum(III)-jona i njegovih radiofarmaceutika

Abstract

Radiofarmaceutici bazirani na različitim molekulima obeleženim itrijumom-90, se koriste pri tretmanu neoperativnih vrsta tumora, kao i u radijacionoj sinovektomiji. Veliko interesovanje za korišćenje 90Y u terapeutske svrhe potiče zbog njegovih nuklearnih karakteristika (t1/2=64,1, Eβ,max= 2,3 MeV,bez emisije  zračenja). Dostupnost 90Y sa vrlo niskom radiohemijskom kontaminacijom je od suštinske važnosti u terapeutskoj primeni. Postojanje dugoživućeg pretka 90Sr sa vremenom poluživota od 28,9 godina i kratkoživućeg potomka 90Y nam omogućavaju formiranje generatorskog sistema. Iako postoje nekoliko vrsta generatora, prema literaturnim podacima, elektrohemijski generatori i generatori zasnovani na tečnim membranama imaju najveću perspektivu. Membranska ekstrakcija se takođe naziva i pertrakcija i bazirana je na trofaznom sistemu sa organskom fazom (tečna membrana) koja se nalazi između dve vodene faze i predstavlja alternativnu metodu klasičnoj tečno-tečnoj ekstrakciji. Prema literaturnim podacima, koristi se za razdvajanje širokog opsega rastvorenih supstanci uključujući biološke molekule, metalne jone, organske zagađivače i radionuklide. Elektrohemijska metoda je predložena kao rešenje pri separaciji 86Y od 86Sr i dobijanje 86Y koji služi pri pozitronsko emisionoj tomografiji (PET). Literaturni podaci pokazuju da elektrohemijska separacija predstavlja dobro rešenje jer omogućava veliku efikasnost uz minimalnu kontaminaciju okolnog prostora. Radiofarmaceutici koji se koriste u terapiji su u hemijskom smislu kompleksna jedinjenja u kojima se kao centralni joni javljaju radioaktivni izotopi metala sa  ili  raspadom, dok su ligandi organski molekuli koji su sposobni da stvaraju helate. Ovi molekuli pored toga što su helatori za radiometal imaju i ulogu da se vežu za biomolekul. Zbog toga se i nazivaju bifunkcionalni helatori. Najpoznatiji i do sada najviše korišćeni bifunkcionalni helatori u radiohemiji itrijuma su: 1,4,7,10-tetraazociklododekan-1,4,7,10-tetraacetatna kiselina (DOTA) i dietilentriamin-pentasirćetna kiselina (DTPA). Klinička ispitivanja pokazuju da je eliminacija radiofarmaceutika iz organizma uglavnom brza i potpuna. Smatra se i da je metabolička transformacija radiofarmaceutika uglavnom minimalna. Međutim, u određenim uslovima može doći do ispoljavanja toksičnih efekata itrijuma i to kada je eliminacija radiofarmaceutika sprečena ili produžena i kada dolazi do disocijacije radiofarmaceutika. Tada se itrijum raspodeljuje između različitih liganada krvne plazme, prvenstveno, fosfata, karbonata i hidroksida. Biospecijacija zavisi ne samo od prirode radiofarmaceutika već i od prisustva drugih potencijalnih liganada u krvnoj plazmi kao i neorganskih jona. Prema literaturnim podacima specijacija i biodistribucija Y(III)-jona u humanoj plazmi, su proučavane u prisustvu ograničenog broja liganada, tako da postoji potreba da se proširi broj liganada koji se koristi prilikom ispitivanja. Tako je, pored već navedenih bifunkcionalnih helatora, u istraživanje uključen i ciprofloksacin, koji predstavlja četvrtu generaciju hinolona aktivnih na Gram-pozitivne bakterije i atipične patogene koji su uzročnici infekcija respiratornog trakta. Kako se Y(III)-jon u organizam unosi kompleksiran ligandima DTPA i DOTA koji se koriste u nuklearnoj medicini potrebno je i njih uključiti prilikom proračuna raspodele ovog jona u humanoj plazmi. Smatra se da je Y(III)-jon u organizmu uglavnom prisutan u obliku svojih hidrolitičkih kompleksa. Odavde može da se zaključi da interakcija Y(III)-jona i liganada u biološkim uslovima predstavlja interakcije sa hidrolitičkim kompleksima itrijuma. U prethodnih trideset godina, hidroliza itrijuma je proučavana povremeno pomoću različitih metoda ali nikada nije sistematski istraženo forimiranje hidrolitičkim kompleksa itrijuma. U literaturi mogu da se nađu pojedinačna ispitivanja hidrolize itrijuma ili termogravimetrijska analiza taloga itrijum-hidroksida, ali ne i podaci o ispitivanju na masenom spektrometru. Potenciometrijske metode daju najkorisnije informacije o vrstama hidrolitičkih komleksa, kao i o njihovim konstantama stabilnosti. Masena spektrometrija nam takođe može dati dosta podataka o vrstama hidrolitičkih kompleksa koje mogu da se jave u rastvorima. Stabilnost komleksa itrijuma sa DTPA, DOTA i ciprofloksacinom se može određivati potenciometrijski i masenospektrometrijskim merenjima. Cilj istraživanja ove doktorske teze predstavlja iznalaženje hidrolitičkih vrsta i određivanje njihovih konstati u sistemima koji su kompatibilni sa humanom krvnom plazmom (vodeni rastovor 0,15 mol dm-3 NaCl na 310,0 K). Takođe određivanje konstanti stabilnosti itrijuma sa DTPA i ciprofloksacinom omogućava dobijanje podataka koji se koriste pri specijaciji i određivanju biodistribucije Y(III)-jona u humanoj plazmi. Dobijeni rezultati mogu biti korisni kao osnova za razvoj i razumevanje novih antitumorski aktivnih kompleksa, kao i za razumevanje interakcija između kompleksa prelaznih metala i molekula od biološkog značaja.

The subject of this dissertation was biospeciation of Y(III) ion in human blood plasma. To this end characterization of complexation equilibria of Y 3+ with DTPA, DOTA and ciprofloxacine and production of yttrium-90 from Sr/Y generator was made. Hydrolysis and complexation of yttrium were investigated using potentiometric mesurenment with glass electrode in 0.15 mol dm-3 NaCl ionic medium, at 310.0 ± 0.5 К. In addition, data of the hydrolysis of yttrium (III) ion and complexation of yttrium (III) ion with DTPA and DOTA were obtained by ESI MS technique. Morphologies of various kinds of yttrium-hydroxide precipitates were examined using a scanning electron microscopy. Precipitates were also analyzed by thermogravimetric analysis (TGA) and infrared spectroscopy using KBr pill technique. Computer modeling May model was used for the determination of yttrium species in human plasma and certain dominant yttrium complexes with small molecules. The second part of the Thesis relate to the separation of 90Y from 90Sr with high radiochemical yield and purity, that can be used for labelling organic molecules (DTPA and DOTA) which are used in nuclear medicine. The obtained results can be sumarized as follows:  The stability constants of hydrolitic complexes (log β,.q) were: Y(OH)2+ (log β1,-1 = -7.71 ± 0.05), Y(OH)2 + (log β1,-2 = -16.42 ± 0.03), Y(OH)3 (log β1,-3 = -26.01± 0.03), Y2(OH)2 4+(log β2,-2 = -14.23± 0.05), Y3(OH)5 4+ (log β3,-5 = -34.20 ± 0.07) и Y4(OH)6 6+ (log β4,-6 = -37.10 ± 0.08).  Hydrolytic species determined by potentiometric method were confirmed by ESIMS method also. Hydrolytic species containing tetramer ions with high charges were: [Y4(OH)4(H2O)2]8+, [Y4(OH)2Cl2] 8+ и [Y4(OH)3ClH2O]8+.  The hydrolytic precipitation reactions with NaOH or urea as precipitating agents were studied. The obtained precipitates were characterized by the X-ray diffraction, the SEM technique, thermal analysis (TG-DSC) and infrared spectroscopy. Powder X-ray diffraction (XRD) characterization indicated that the product, which was obtained by a hydrothermal method, could be indexed to a pure hexagonal phase of Y(OH)3, [space group: P63/m], and no peak shifts and other impurity phases appear. Scanning electron microscopy (SEM) observations indicated that the product was composed of chaotic spread needle particles. These needles were relatively uniform in size length of 8 μm and up to half a micron thick. The thermogravimetric and infrared analysis of the precipitate indicated a adsorbed and crystal water which were lost at higher temperatures. Transformation of the yttrium- hydroxide in yttrium-oxide was made at 873 K.  Stability constants of protonated DTPA (log βp.q) were determined by potentiometric method: HDTPA (logβ1,1 = 9.95±0.02), H2DTPA (logβ1,2 = 18.68±0.01), H3DTPA (logβ1,3 = 23.30±0.03), H4DTPA (logβ1,4 = 26.55±0.02) и H5DTPA (logβ1,5 = 29.51±0.03).  Investigation of complexation in the system Y(III)-DTPA indicated that protonated and non-protonated complexes exist in solution with stability constants (log βp.q,r): [YDTPA]2-(logβ1,1,0 = 22.51±0.03) и [YHDTPA]-(logβ1,1,1 = 24.41±0.05).  The speciation of Y(III)-ions in human plasma has been studied by computer simulation using the program HySS2006. May’s model that included 43 ligands (26 amino acids, 7 inorganic ligands, 8 carboxylic acids, 2 protein) and 9 metal ions which are dominant in human blood plasma (Ca2+, Mg2+, Zn2+, Pb2+, Mn2+, Fe2+,Fe3+, Zn 2+ and Cu2+) was used. Stability constants of metal ions with ligads were taken from literature. Concentration of yttrium in the model was 1 × 10-9 mol dm-3, which corresponds to the concentration that is used in radionuclide therapy. In normal serum Y(III) ion is bound to citrates (YCit = 47.63 % and YCit2 = 2.98 %) and carbonates (Y(CO3)2 = 32.46 % and Y(CO3) = 10.60 %). Amount of yttrium bound to oxalate is very small (YOxa = 1.57 %). Increasing the total concentrations of yttrium up to 1× 10–8 mol dm–3 and 1× 10–7 mol dm–3 complexes of yttrium with citrates are still dominant species with unchanged share of 85.64% and 98.98%. Further increasing concentrations of Y(III) ions from 1× 10–6 mol dm-3 up to 1× 10-3 mol dm-3 , leads to appearance of insoluble species of yttriumcarbonates Y2(CO3)3(s)).  Separation of yttrium(III) from strontium(II) with 15 % (v/v) di(2-ethylhexyl) phosphoric acid (DEHPA) in dodecane was carried out in a hollow fiber supported liquid membrane (SLM) extraction system operated under closed-loop recirculation of the donor and acceptor phase. The effect of different flow rate of donor and acceptor in the extraction of Sr(II) and Y(III) ions were investigated. Optimal conditions were found (QA = 0.8 cm3 min -1 and QD = 4.7 cm3 min-1) when the yield of Y(III) in the acceptor phase reached 60 % after 360 min with a molar ratio of Y(III) to Sr(II) in the acceptor of 250:1, as compared to1:25 in the donor phase.  Preparation of 90Y in ,,home-made" 90Sr/ 90Y generators with defined chemical and radiochemical purity was carried out electrochemicaly in two cycle electrolysis procedure. Quality control of the resulting yttrium is determined by "BARC" technique and subsequently used for labelling DOTATATE. Control of the labeledproduct was performed by HPLC using SepPak C-18 columns.