les possibilités de marquage au Fluor 18.

Tomographie par Emission de Positons : les possibilités de marquage au Fluor 18Tomographie par Emission de Positons :les possibilités de marquage au Fluor 18.Didier Le BarsCERMEP Imagerie du Vivant- Lyon -RésuméPar sa demi-vie et ses caractéristiques physico-chimiques, le fluor 18 permet de marquerdes molécules d’intérêt biologique et d’obtenir des radiopharmaceutiques pour la Tomographiepar Emission de Positons. Le [ 18 F]FDG seul bénéficiaire d’une autorisation de mise sur le marchéest le plus utilisé, mais d’autres traceurs existent : diverses réactions chimiques permettentl’introduction de fluor 18 dans leur structure et de nombreuses molécules sont en développement.Tomographie par Emission de Positons / Fluor 18 / Radiopharmaceutique / Marquage / RadiochimieINTRODUCTION!Le fluor 18 est souvent considérécomme l’isotope émetteur de positonsde choix en radiochimie, en raisonde ses propriétés favorables:- Demi-vie 109 minutes, permettantsynthèses et imagerie pendant destemps relativement longs, et distributionlocorégionale des traceurs fluorés.- Faible parcours du β+ émis, permettanten théorie une imagerie à hauterésolution.- Présence fréquente d’un atome defluor dans les molécules d’intérêtbiologique (environ 30 % des moléculesutilisées en thérapeutique sontfluorées).- Possibilité d’introduire un atome defluor dans les molécules sans bouleverserla pharmacocinétique.- Progrès des réactions de fluorationet de radiosynthèse, automatisation.Le [ 18 F]fluorodésoxyglucose (FDG)est le seul traceur émetteur de positonpossédant une AMM à l’heureactuelle, pour son utilisation en oncologieet en neurologie (épilepsie). Ilexiste cependant de nombreusespossibilités de marquage par le fluor18 de molécules d’intérêt biologique.PRODUCTION DU FLUOR 18!A l’heure actuelle, les cyclotronsmédicaux classiques permettent deproduire le fluor sous deux formeschimiques possédant une réactivitétrès différente: le fluor dit "électrophile",[ 18 F]F 2et le fluor "nucléophile",en fait l’ion fluorure [ 18 F]F - [1]. Lesprincipales réactions nucléaires quiCorrespondance : Didier Le BarsCERMEP Imagerie du Vivant - 59 Bd Pinel - 69003 LyonTél.: 04 72 68 86 00 - Fax: 04 72 68 86 10 - E-mail: lebars@univ-lyon1.fr190 Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2005 - vol.29 - n°4

D. Le Barspermettent de produire le fluor 18sont de deux types, utilisant deutons(noyau de deutérium, proton+ neutron)ou protons (noyau d’hydrogène).20Ne(d,α) 18 F!La réaction nucléaire 20 Ne(d,α) 18 Ffournit du fluor [ 18 F]F 2, formeélectrophile extrêmement réactive etqui est obtenue avec addition defluor gazeux froid entraîneur dans lacible (ce qui diminue l’activité spécifique).Une irradiation d’une heureavec 20 µA de deutons de 8 MeV permetd’obtenir environ 7,5 GBq (200mCi) de [ 18 F]F 2. Lors de la radiosynthèse,seulement 50 % de la radioactivitéest disponible (un atome sur deuxde F 2est marqué) et l’on est souventconduit à modérer la réactivité de[ 18 F]F 2en le transformant en formesmoins agressives telles que Xe 18 F 2ouAcO 18 F.18O(p,n) 18 F!C’est la réaction la plus utilisée: lacible est constituée d’eau enrichie enoxygène 18, isotope stable mais rare(abondance isotopique 0,1 %), et laréaction produit l’ion fluorure [ 18 F]Fensolution dans l’eau enrichie. Lepiégeage du fluor 18 sur une résineéchangeuse d’ions permet la séparationet la récupération de l’eau enrichieen vue de son recyclage. Uneirradiation d’une heure avec 20 µAde protons de 16 MeV permet, selonle volume de la cible d’eau enrichie,une production d’au moins 40 GBq(1 Ci) de 18 F. En tirant parti des possibilitésde double irradiation des cyclotronsmédicaux récents sur descibles grand volume à haut courant,une production de départ de 200 à400 GBq sur deux cibles est parfaitementenvisageable. Chimiquement, lefluorure doit être activé par un catalyseurde type cryptand (Kryptofix),qui va encager l’ion alcalin et dénuderle fluorure, le rendant alors disponiblepour les réactionsradiochimiques.L’utilisation de cette même réactionnucléaire (p,n) sur une cible d’oxygène18 gazeux peut produire du[ 18 F]F 2, mais là encore une additionde fluor 19 froid entraineur va êtrenécessaire pour permettre la récupérationdu 18 F 2hors de la cible. Cetteméthode en cours de développementprésente l’avantage, par rapportà la réaction utilisant les deutons, deposséder un bien meilleur rendementet une production de l’ordre de 40GBq (1 Ci) de [ 18 F]F 2est possible.Si la relative facilité de production du[ 18 F]F- par les centres cyclotrons académiquesou industriels ouvre unepossibilité de distribution vers lescentres de radiochimie (sous réservedu respect des conditions légales decession de source et de transport),l’utilisation de fluor électro-philereste limitée aux centres producteurs.On notera également que par suitede l’introduction de fluor stableentraineur dans la cible de productionde fluor F 2, l’activité spécifiquede celui-ci est nécessairement beaucoupplus faible que celle obtenuelors de la production de fluorure.Cette basse activité spécifique est insuffisantepour l’exploitation biologiquede ligands de récepteurs maispeut être acceptable pour des traceursmétaboliques.REACTIONS DE MARQUAGE!Les réactions de radiosynthèse aufluor 18 se déroulent selon le schémagénéral suivant :-Production du fluor-Réaction de marquage sur précurseur-Hydrolyse (éventuelle)-Pré-purification (Extraction PhaseSolide, (SPE))-HPLC préparative-Formulation-Contrôle de qualitéLa dualité de comportement F 2/F- estbien illustrée par les deux radiosynthèsesactuelles de FluoroDOPA, traceurprésynaptique de la dopamineutilisée dans les études de dégénérescencecérébrale et d’oncologie :Fluor électrophile :production de FDOPA!Le fluor "électrophile" va permettreles réactions d’addition sur doublesliaisons, sur noyaux aromatiques;cependant ces dernières ne sont pastoujours régio-sélectives et il est préférabled’utiliser des réactions de démétallation,comme dans le cas de lasynthèse de la FluoroDOPA(Figure 1).Cette méthode rapide [2] permet unbon rendement mais est handicapéepar la production faible de la réactionnucléaire 20 Ne(d,α) 18 F.Fluor nucléophile!La [ 18 F]FluoroDopa peut être obtenuepar une synthèse nucléophile [3]:le F- est alors introduit sur le cyclearomatique en première étape parsubstitution d’un bon groupe partant,en ortho d’un aldéhyde activateur(Figure 2). Cette méthode est d’intérêtgénéral pour le marquage de moléculespar le fluor sur un cycle aromatique,si un groupe activateur estprésent en ortho ou para. LaFluoroDopa dans sa bonne configurationest ensuite construite à partirdu cycle (catalyse par transfert dephase).Figure 1. Synthèse éléctrophile de [ 18 F]FluoroDOPAElectrophilic synthesis of [ 18 F]FluoroDOPAMédecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2005 - vol.29 - n°4 191

Tomographie par Emission de Positons : les possibilités de marquage au Fluor 18Figure 2. Synthèse nucléophile de [ 18 F]FluoroDOPA / Nucleophilic synthesis of [ 18 F]FluoroDOPAAutres réactions nucléophiles!La réaction la plus utilisée est sansdoute la réaction de substitution nucléophiled’un bon groupe partant, halogène,tosylate, triflate ou autre. Elleest utilisée depuis maintenant 20 anspour la production de FDG et a étérécemment appliquée à la synthèsede la [ 18 F]Fluorothymidine (FLT) [4],base nucléique dont le métabolismepeut être suivi en oncologie(Figure 3).C’est également par cette voie de synthèseque l’on obtient le [ 18 F]Fluoromisonidazole,marqueur d’hypoxieutilisable dans l’imagerie oncologique(gliomes).Figure 3. Synthèse de [ 18 F]Fluorothymidine / [ 18 F]Fluorothymidine synthesis.Marquage en deux temps!Dans certains cas, l’introduction directede fluor 18 sur la molécule n’estpas possible. Il faut alors faire appel àune méthode en deux temps. Le fluorest introduit sur une petite moléculeréactive, par substitution nucléophilecatalysée (FCH 2Br, FCH 2CH 2Br,FCH 2CH 2OTos) et ce synthon intermédiaireva dans un deuxième tempsalkyler le précurseur. Cette voie desynthèse permet d’obtenir lafluorocholine [5] (Figurigure 4), et a étéappliquée à la synthèse de diprénorphinefluorée [6], ligand antagonistedes récepteurs opiacés (Figure 5).192 Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2005 - vol.29 - n°4

D. Le BarsFigure 4. Synthèse de [ 18 F]Fluorocholine / [ 18 F]Fluorocholine synthesis.Figure 5. Synthèse de [ 18 F]Fluorodiprénorphine / [ 18 F]Fluorodiprénorphine synthesis.Enfin, pour les macromolécules (protéines,oligodéoxynucléotides), uneintroduction directe de fluor étant impossible,on utilise une réactif de marquageintermédiaire, d’une manièretrès similaire à la réaction de Bolton-Hunter utilisée pour le marquage àl’iode. Le N-succinimidyl fluorobenzoatepeut être par exemple utilisépour marquer les protéines [7]. Cetteapproche intéressante (Figure 6)reste plus complexe à maîtriser, dufait du nombre d’étapes de purificationintermédiaires (SPE, HPLC):Figure 6. Marquage de protéines par groupe prosthétique / Protein labelling with prosthetic group.PURIFICATION, FORMULATION,CONTRÔLE!Dans la plus grande partie des cas,les synthèses vont nécessiter uneétape de chromatographie liquidehaute performance (HPLC) pour séparerla molécule marquée du mélangeréactionnel. Il est souvent possiblede procéder à une première purificationpar SPE, petites cartouchesde chromatographie liquide à usageunique, avant la séparation chromatographiqueproprement dite: on fait leplus souvent appel à des colonnesC18, en phases isocratiques, permettantune séparation en moins de 30minutes. Le pic d’intérêt est collectéet le radiophar-maceutique doit êtreformulé dans un solvant biologiquementcompatible, soit par fixation/extraction sur une cartouche SPEphase solide, soit plus rarement parévaporation/resolubilisation. Une stérilisationpar filtration (0,22 µm) permettrad’obtenir le radiopharmaceutiquedans son flacon final.Le contrôle de qualité par radioHPLCs’assurera de la pureté chimique, radiochimique;des tests complémentairespourront rechercher les solvantsrésiduels en chromatographieen phase gazeuse (CPG), avant unevérification de la stérilité et des pyrogènes.RADIOPROTECTION,AUTOMATISATION ET STATUT!Si le problème de la disponibilitédu fluor radioactif est résolu (cyclotronsur site, possibilité de distribu-Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2005 - vol.29 - n°4 193

Tomographie par Emission de Positons : les possibilités de marquage au Fluor 18tion), les quantités de radioactivitéimportantes nécessaires pour compenserla décroissance et les rendementsde marquage des radiosynthèsesimposent la réalisation des étapesde synthèse par des automates, dansdes enceintes blindées, dans des laboratoiresadaptés (zone contrôlée).L’investissementpour un laboratoirede radiochimie fluor 18 estdonc très important, en comprenantcellule blindée (en atmosphère contrôlée),automate, dosimètres, lecteurde plaque CCM, chaîne radioHPLC desynthèse et de contrôle de qualité. Lemarché actuel des automates de synthèseest dominé par General Electricqui propose le TracerLab Fx, présentécomme automate multifonction et leTracerLab Mx, à base de kits, à l’origineconçu pour une productionmaximale de FDG mais facilementreprogrammable pour d’autres utilisations.Raytest propose le Synchrom,un automate du type du TracerLabFx, également multisynthèse. La disponibilitéde ces automates ne doitcependant pas conduire à négliger lerôle du radiochimiste, qui restera toujoursindispensable. L’obtention duprécurseur de synthèse, moléculesouvent complexe à synthétiser(groupes protecteurs, groupe partant)n’est pas toujours facile, et son statutpharmaceutique peut poser problème.En dehors du domaine industrielqui possède ses propres contraintesde production, réservant ladisponibilité des traceurs fluoréssous autorisation de mise sur le marché(AMM) au seul FDG, la radiosynthèsede ces traceurs fluorés pourl’utilisation chez l’homme relèved’une préparation magistrale de médicament,voire d’une préparationhospitalière (pour plusieurs patients)sous le contrôle d’un radiopharmacienexerçant dans des locaux adaptéset équipés d’une radiopharmaciede Pharmacie à Usage Intérieur. Enfin,on notera la présence à la pharmacopéede quelques monographiesconcernant le FDG, le fluorure desodium (NaF) et la Fluorodopa (enpréparation); il est important que lesautres molécules cliniques puissentégalement bénéficier rapidementd’une monographie.En conclusion, l’introduction d’unatome de fluor 18 dans les moléculesest possible dans un grand nombrede cas, par des réactions deradiosynthèse maintenant bien maîtrisées.L’investissement nécessaireest cependant très important, et lasource de fluor radioactif peut représenterbien sûr un paramètre limitantpour les chercheurs. Quelques traceursen développement ont ungrand potentiel clinique, en oncologie(FLT, fluorocholine (FCH)) comme enneurologie (marqueurs de maladied’Alzheimer).Positron Emission Tomography : labelling with fluorine 18Fluorine 18 labelling of biological molecules leads to radiopharmaceuticals for positronEmission Tomography. Besides [ 18 F]FDG, various chemical reactions enable development ofnew tracers.PET, Fluorine 18 / Radiopharmaceuticals / Labelling / RadiochemistryRÉFÉRENCES1. Crouzel C, Lasne MC, Le Bars D,Barré L, Dollé F. Emetteurs β+ etréactions avec les isotopes à courtedurée de vie in Radiopharmaceutiques,M. Comet et M. Vidal,Presses Universitaires de Grenoble,1998.2. Dollé F, Demphel S, Hinnen F, FournierD, Vaufrey F, Crouzel C. 6-[18F]Fluoro-L-DOPA by radiofluorodestannylation:a short and simplesynthesis of a new labelling precursor.J Label. Comp. & Radiopharm.1998;41:105–143. Lemaire C, Gillet S, Guillouet S,Plenevaux A, Aerts J and Luxen A.Highly enantioselective synthesis ofno-carrier-added 6-[18f]fluoro-Ldopaby chiral phase-transfer alkylation.Eur J Org Chem 2004;13:2899-9044. Oh SJ, Mosdzianowski C, Chi DY,Kim JY, Kang SH, Ryu JS, Yeo JS,Moon DH. Fully automatedsynthesis system of 3'-deoxy-3'-[18F]fluorothymidine. Nucl MedBiol 2004;31(6):803-9.5. DeGrado T, Baldwin S, Wang S, OrrM, Liao R, Friedman H, Reiman R,Price D, Coleman E. Synthesis andevaluation of 18F-labelled cholineanalogs as oncologic PET tracers. JNucl Med 2001;42:1805-146. Wester HJ, Willoch F, Tolle TR, MunzF, Herz M, Oye I, Schadrack J,Schwaiger M, Bartenstein P. 6-O-(2-[18F]fluoroethyl)-6-O-desmethyldiprenorphine([18F]DPN): synthesis,biologic evaluation, and comparisonwith [11C]DPN in humans. JNucl Med 2000;41(7):1279-86.7. Toretsky J, Levenson A, Weinberg IN,Tait JF, Uren A, Mease RC. Preparationof F-18 labelled annexin V : apotential PET radiopharmaceuticalfor imaging cell death. Nucl Med Biol2004;31:747-52194 Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2005 - vol.29 - n°4