CC BY
20
УДК 616-073.916:615.849.2.012
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ РАДИОНУКЛИДА ГАЛЛИЯ-68 В СОСТАВЕ ПРОИЗВОДНЫХ ГЛЮКОЗЫ В ОРГАНИЗМЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ
В.М. Петриев1'2, В. К. Тищенко1'2, Е.Д. Степченкова1, О. В. Федоров3, А. А. Фроня2'4
Работа посвящена сравнительному изучению фармако-кинетических характеристик комплексных соединений галлия-68 с аминоглюкозой (68Ga-NODA-АГ) и тиоглю-козой f68Ga-NODA-ТГ) в организме мышей BALB/c после внутривенного введения препаратов. Статистически достоверные различия в уровнях накопления активности в большинстве органов и тканей отмечалось через 5 мин после инъекции препаратов. В последующие сроки эти показатели не имели статистически достоверных различий для большинства органов и тканей. Выведение активности из органов и тканей осуществлялось с высокой скоростью. Биологические и эффективные периоды полувыведения активности из органов и тканей для 68Ga-NODA-Ar и 68Ga-NODA-ТГ составили менее 1 ч.
Ключевые слова: галлий-68, производные глюкозы, аминоглюкоза, тиоглюкоза, биологический период полувыведения, эффективный период полувыведения.
Введение. Внедрение метода позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) в рутинную клиническую практику стимулировало разработку новых радиофармацевтических препаратов (РФП) для диагностики онкологических заболеваний. Тем не менее, наиболее востребованным РФП остается [18Е]фтор-2-деокси-2-Б-глюкоза (18Р-ФДГ). Возможность ее использования обусловлена неспецифическим накоплением в опухолевых
1 МРНЦ им. А. Ф. Цыба - филиал ФГБУ "НМИЦ радиологии" Минздрава России, 249036 Россия, Калужская область, Обнинск, ул. Королёва, 4; e-mail: petriev@mrrc.obninsk.ru.
2 НИЯУ "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31.
3 АО ФАРМ-СИНТЕЗ, 111024 Россия, Москва, Кабельная 2-я улица, д. 2, стр. 46.
4 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53.
клетках за счет повышенного поглощения глюкозы при малигнизации [1]. Попав внутрь клетки с помощью белков-транспортеров семейства GLUT, 18Р-ФДГ фосфорилируется под действием фермента гексокиназы, превращаясь в 18Р-ФДГ-6-фосфат. Из-за наличия атома 18 F 18Р-ФДГ-6-фосфат не подвергается дальнейшим метаболическим превращениям, накапливаясь в раковых клетках и позволяя визуализировать опухоль.
Основным недостатком ^F-ФДГ является необходимость наличия циклотрона для получения 18F вблизи от ПЭТ-центра, а также другого дорогостоящего оборудования для автоматизированного синтеза ^F-ФДГ [2]. Все это в итоге приводит к росту стоимости исследования, снижая тем самым его доступность для населения.
В качестве альтернативы 18F предлагается использование генераторного радионуклида галлия-68 (T1/2 = 68 мин, ß + = 89%, E+max = 1.9 МэВ) [3]. Усовершенствование генератора 68Ge/68Ga, позволяющего при элюировании получать 68Ga3+ в ионной форме, и начало его промышленного производства стимулировало разработку новых соединений на основе 68Ga [3-7]. Векторными молекулами, способными доставлять радиоактивную метку к опухолевым клеткам, могут стать аналоги глюкозы или ее производные. За последние два десятилетия было получено большое количество соединений на основе аналогов глюкозы, меченных радионуклидами 99mTc, 111 In, 18F, 64Cu, и показана возможность их использования для визуализации метаболизма опухоли [8].
Целью данной работы стало сравнение фармакокинетических свойств двух новых соединений на основе аминоглюкозы и тиоглюкозы, меченных 68Ga, в организме ин-тактных лабораторных животных.
Материалы и методы. Приготовление меченого препарата (68Ga-NODA-Ar) проводили путем введения хлорида галлия (68GaCl3) во флакон с лиофилизатом. Для этого к лиофилизату NODA-АГ добавляли 0.5 мл деионизованной воды и перемешивали до полного растворения осадка, добавляли 0.5 мл 0.2 М ацетатного буфера с рН 4.6, перемешивали и добавляли 37 МБк (1.0 мКи) 68GaCl3 в 0.5 мл 0.05 М HCl. Реакционную смесь перемешивали в течение 10 мин при комнатной температуре, доводили до объема 2.0 мл деионизованной водой, фильтровали через фильтр с размером пор 0.22 мкм.
Для количественного определения 68Ga, связанного с NODA-АГ, свободного 68Ga (не связанного с NODA-АГ) и гидролизованного Ga использовали метод бумажной хроматографии. В качестве неподвижной фазы использовали Ватман-1 производства компании Sigma-Aldrich. В качестве подвижных фаз были выбраны 1.0 М раствор ацетата и 0.05%-ный раствор лимонной кислоты. При элюировании 1.0 М раствором натрия ацетата 68Ga, связанный с NODA-АГ, двигался с фронтом элюента (Rf = 0.85 — 0.95),
свободный 68Ga оставался на старте (Rf = 0). При элюировании 0.05%-ным раствором лимонной кислоты гидролизованный 68Ga незначительно сдвигался со старта (Rf = 0.05 — 0.10), а свободный 68Ga и связанный с NODA-АГ поднимался с фронтом элюента (Rf = 0.85 — 0.95).
Количественное определение гидролизованного, свободного 68Ga и связанного с НОДА-АГ, проводили путем расчета результатов радиометрии полосок хроматографи-ческой бумаги. Радиометрию проводили с помощью автоматического гамма-счетчика "Wizard" версии 2480 фирмы "PerkinElmer/Wallac" (Финляндия).
Полученный РФП был предназначен для внутривенных инъекций. Радиохимические примеси в препарате 68Ga-NODA-Ar не превышали 5.0%.
Синтез и анализ радиохимических примесей 68Ga-NODA-Tr аналогичен 68Ga-NODA-АГ. Радиохимические примеси в препарате 68Ga-NODA-Tr не превышали 5.0%.
Изучение фармакокинетики экспериментальных образцов 68Ga-NODA-Ar
и 68Ga-
NODA-ТГ проводили на интактных мышах BALB/c с массой тела 15-20 г. Животные были поделены на две равные группы по 16 мышей в каждой. Животным первой и второй групп внутривенно (в хвостовую вену) однократно вводили 68Ga-NODA-Ar или 68Ga-NODA-Tr соответственно в дозе 0.37 МБк в объеме 0.1 мл.
Через 5 минут, 1, 2 и 3 часа после введения по 4 животных в каждый срок подвергали эвтаназии путем декапитации (под наркозом) для получения образца крови и последующим забором внутренних органов и тканей. Образцы органов и тканей помещали в пластиковые пробирки, взвешивали на электронных весах "Sartorius" (Германия) и проводили прямую радиометрию с помощью автоматического гамма-счетчика "Wizard" версии 2480 фирмы "PerkinElmer/Wallac" (Финляндия). По полученным данным на каждый срок наблюдения рассчитывали удельную активность Ga в пробах на 1 г ткани в % от введенного количества по отношению к активности образцов-стандартов.
При статистической обработке результатов радиометрии определяли показатели средних арифметических значений (M) и стандартных ошибок среднего (±m) в программе Excel (Microsoft Corporation).
Данные о биологических периодах полувыведения 68Ga-NODA-Ar и 68Ga-NODA-Tr рассчитывались на основе получения экспоненциальной кривой, исходя из предположения, что выведение активности из органов и тканей выполняется по экспоненте (рис. 1).
Если угловой коэффициент A и константа скорости a максимально точно подобраны для построения кривой, то точка со значением половины введенной активности будет
%/Dg ÇJ) ♦
2.5 2
2 4-
0.5
0
I
О
10 ГЫо1 20 30 40
50
Рис. 1: Временная зависимость концентрации радиофармпрепарата в органе I.
соответствовать биологическому периоду полувыведения ТЪюь Таким образом, из формулы А(Ь) = А • в~аа легко выразить биологический период полувыведения Тьюь
где Tbiol - биологический период полувыведения препарата из органа или ткани, ч; A -угловой коэффициент при экспоненте; а - константа скорости, ч-1; %ID0 - первоначальная доля от введенной активности (percent of Injected Dose) в органе или ткани, %/орган.
Данные об эффективных периодах полувыведения рассчитывались по формуле:
где Те^ - эффективный период полувыведения препарата, ч; Тьы — биологический период полувыведения препарата из органа или ткани, ч; Т1/2 - физический период полураспада радионуклида, ч.
Аппроксимация экспериментальных данных и расчет биологических периодов полувыведения проводились в программе OriginPro 2019Ь.
Результаты и их обсуждение. Согласно полученным результатам, наиболее высокое содержание 68Оа-КОБА-АГ и 68Оа-КОБА-ТГ было зарегистрировано в почках, а
biol ' 1 1/2
eff — -,
eff ГГ1 I ГГ1 1
1 biol + 1 1/2
наименьшее - в головном мозге. При этом в большинстве органов пиковые концентрации радиоактивности были отмечены через 5 мин после введения 68Оа-КОБА-АГ и 680а-ШБА-ТГ (рис. 2).
Рис. 2: Концентрация 86 Са-ИОБЛ-АГ (а) и 68Са-ИОБЛ-ТГ (б) в органах и тканях интактных мышей БЛЬБ/о в различные сроки после внутривенного введения препаратов. (Сокращение по оси абсцисс: ТК - тонкий кишечник, ГМ - головной мозг, КБ -кость бедра.)
В почках начальный уровень 68Оа^ОБА-АГ составил 24.82%/г, однако уже через 1 ч эта величина снизилась в 8 раз до 2.99%/г (р < 0.001), незначительно изменяясь (1.79-2.06%/г) в последующие сроки (р > 0.05). Накопление 68Оа-КОБА-ТГ в почках не превышало 14.04%/г в срок 5 мин и 2.11-2.59%/г через 1-3 ч. Важно отметить, что вели-
чины накопления 68Са-КОБА-АГ и 68Са-КОБА-ТГ в почках были выше, чем в других органах и тканях во все сроки исследования. Это связано, скорее всего, с выведением меченых соединений через мочевыделительную систему. Тем не менее, 68Са-КОБА-АГ и 68Са-КОБА-ТГ характеризовались одинаковыми величинами периодов полувыведения активности из почек (Тыо = 0.21 ч, Те^ = 0.18 ч).
В крови концентрация 68Са-КОБА-АГ была выше, чем 68Са-КОБА-ТГ через 5 мин после введения (8.41%/г и 4.75%/г, соответственно). Спустя 1 ч и в последующие сроки концентрация 680а-ШБА-ТГ (0.02-0.39%/г) была выше по сравнению с 680а-ШБА-АГ (0.08-0.43%/г), за счет более высокой скорости выведения активности из крови после инъекции 68Са-КОБА-АГ по сравнению с 68Са-КОБА-ТГ.
Аналогичная тенденция распределения 68Са-КОБА-АГ и 68Са-КОБА-ТГ была отмечена в остальных внутренних органах и тканях. Через 5 мин после инъекции концентрация 68Са-КОБА-ТГ была ниже по сравнению с 68Са-КОБА-АГ, однако в последующие сроки концентрация 68Са-КОБА-АГ в органах и тканях была выше, чем 68Са-КОБА-ТГ (рис. 2).
В настоящее время известны лишь два соединения на основе производных глюкозы и 68Са: 68Са-1,4,7,10-тетраазациклододекан-1,4,7,10-тетрауксусная кислота-2-дезокси-Б-глюкозамин (68Са-БОТА-БС) и 68Са-этилендицистеин-глюкозамин (68Са-ЕСС) [9, 10]. Изучение их биораспределения проводилось на животных с перевитыми опухолями. В отличие от 680а-ШБА-АГ и 680а-ШБА-ТГ, содержание 68Са-ЕСС в крови снижалось незначительно [10]. Низкой была и удельная активность 68Са-ЕСС в почках [10].
Концентрация в крови другого соединения, 68Са-БОТА-БС, быстро снижалась, также как и 680а-ШБА-АГ и 680а-ШБА-ТГ [9]. В почках накопление 68Са-БОТА-БС было высоким в течение эксперимента, что аналогично поведению 68Са-КОБА-АГ и 68Са-КОБА-ТГ [9]. Повышенное накопление активности и ее длительное удержание в почках было отмечено и при внутривенном введении 99тТс-глюкозамина [11].
Минимальное накопление 68Са-КОБА-АГ и 68Са-КОБА-ТГ было зарегистрировано в головном мозге. Концентрация 68Са-КОБА-АГ и 68Са-КОБА-ТГ составили 0.02-0.32%/г и 0.03-0.22%/г, соответственно (рис. 2). Таким образом, 680а-ШБА-АГ и 68Са-КОБА-ТГ характеризовались минимальным накоплением в головном мозге, что выгодно отличает их от 18Р-ФДГ, концентрация которого в тканях мозга может достигать 2.36-5.81%/г [9, 10]. Низкая концентрация 68Са-КОБА-АГ в головном мозге (до 0.43%/г) была отмечена ранее у мышей с трансплантированной подкожно опухолью
толстого кишечника [12]. Более того, высокое содержание 18Р-ФДГ характерно и для сердца [9, 10], в то время как уровень накопления 68Оа-содержащих производных глюкозы в сердце крайне мало. Так, величины концентрации составили 0.01-3.26%/г при инъекции 68Оа-ШБА-АГ и 0.08-1.62%/г - 68Оа-ШБА-ТГ.
Таблица 1
Периоды полувыведения 68Ga-NODA-АГ и 68Ga-NODA-ТГ из органов и тканей интактных мышей BALB/c
№ Наименование Периоды полувыведения, ч
п/п органа, ткани Тыс1 ТеЯ
68Са-ШБА-АГ 68Са-ШБА-ТГ 68Са-ШБА-АГ 68Са-ШБА-ТГ
1 Кровь 0.21 0.26 0.18 0.21
2 Легкие 0.24 0.26 0.20 0.21
3 Печень 0.61 - 0.40 -
4 Почки 0.21 0.21 0.18 0.18
5 Сердце 0.25 0.22 0.20 0.18
6 Селезенка 0.17 0.78 0.15 0.46
7 Желудок 0.21 0.17 0.18 0.15
8 Тонкий кишечник 0.27 0.22 0.22 0.18
9 Головной мозг 0.35 0.24 0.27 0.20
10 Мышечная ткань 0.25 0.20 0.20 0.17
11 Кость бедра 0.23 0.27 0.19 0.22
12 Кожа 0.23 0.26 0.19 0.21
Оба соединения, 68Оа-КОБА-АГ и 68Оа-КОБА-ТГ, характеризовались высокими значениями клиренса органов и тканей. Интересно, что быстрее всего происходило выведение 68Оа-КОБА-АГ из селезенки (Тыо1 = 0.17 ч, Тед- = 0.15 ч), тогда как периоды полувыведения 68Оа-КОБА-ТГ из селезенки, напротив, были самыми высокими (ТЫо1 = 0.78 ч, ТеЯ = 0.46 ч). 68Оа-ШБА-АГ быстрее, чем 68Оа-ШБА-ТГ, выводилась из легких, бедренной кости и кожи. В свою очередь, 68Оа-КОБА-ТГ характеризовалась ускоренным, по сравнению с 68Оа-КОБА-АГ, выведением из сердца, желудка, тонкого кишечника, головного мозга и мышечной ткани.
Выведение 68Оа-КОБА-АГ из печени было немного медленнее по сравнению с другими органами (ТЫ;о1 = 0.61 ч, Тед- = 0.40 ч). Концентрация 68Оа-КОБА-ТГ в печени снижалась незначительно: с 1.83%/г в срок 5 мин до 1.13%/г через 3 ч после введения препарата, т. е. за период наблюдения не произошло уменьшения удельной активности 68Оа-КОБА-ТГ в печени в 2 раза, и временная зависимость не описывалась экспонен-
той. Из-за этого расчет периодов полувыведения ^Ga-NODA-ТГ из печени не представлялся возможным.
Заключение. Таким образом, после однократного внутривенного введения Ga-NODA-АГ и 68Ga-NODA-ТГ интактным мышам BALB/c происходило быстрое выведение активности из органов и тканей. Значения периодов биологического и эффективного полувыведения ^Ga-NODA-АГ и 68Ga-NODA-ТГ не превышали 1 ч. Наибольшие величины концентраций активности были зарегистрированы лишь через 5 мин после внутривенного введения ^Ga-NODA-АГ и ^Ga-NODA-ТГ. Наиболее высокое накопление активности было отмечено в почках.
При проведении настоящей работы были соблюдены все применимые международные, национальные и институциональные принципы ухода и использования животных.
Исследования проведены при финансовой поддержке Mинистерства образования и науки Российской Федерации (соглашение от 26 ноября 2018 г. № 075-02-2018-097) Уникальный идентификатор проекта RFMEFI57518X0174.
ЛИТЕРАТУРА
[1] C. Marbaniang and L. Kma, J. Cancer Prev. 19(9), 2377 (2018).
[2] В. M. Петриев, В. К. Тищенко, Р. Н. Красикова, Химико-фармацевтический журнал 50(4), 3 (2016). DOI: 10.1007/s11094-016-1425-y.
[3] I. Velikyan, Theranostics 4(1), 47 (2014).
[4] В. К. Тищенко, В. M. Петриев, И. Н. Завестовская и др., Радиация и риск 29(1), 102 (2020).
[5] В. M. Петриев, В. К. Тищенко, Е. Д. Степченкова и др., Краткие сообщения по
физике ФИАН 46(2)б 31 (2019). DOI: 10.3103/S1068335619100051.
[6] В. К. Тищенко, В. M. Петриев, А. А. Mихайловская и др., Бюллетень экспериментальной биологии и медицины 168(12), 739 (2019).
[7] В. M. Петриев, В. К. Тищенко, О. А. Сморызанова и др., Краткие сообщения по
физике ФИАН 46(2), 31 (2019). DOI: 10.3103/S1068335619020052.
[8] H. Feng, X. Wang, J. Chen, et al., Contrast Media Mol. Imaging 2019, 7954854 (2019).
[9] Z. Yang, C. Xiong, R. Zhang, et al., Am. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 2(4), 499 (2012).
[10] Y. H. Zhang, J. Bryant, F. L. Kong, et al., J. Biomed. Biothecnol. 2012, ID 232863
(2012).
[11] V. K. Tishchenko, V. M. Petriev, A. A. Mikhailovskaya, et al., IOP Conf. Series:
Journal of Physics: Conf. Series 1439, 012033 (2020).
[12] V. K. Tishchenko, V. M. Petriev, A. A. Mikhailovskaya, et al., Pharmaœkinetic
properties of a new potential tumor imaging agent based on glucose derivative and
gallium-68. In: 4th Intrnational Symposium and School for Young Scientists on "Physics, Engineering and Technologies for Biomedicine": Book of Abstracts (Moscow MEPhI, 2019), pp. 62-63.
Поступила в редакцию 18 июля 2020 г. После доработки 25 сентября 2020 г. Принята к публикации 27 сентября 2020 г.
