Диагностическое средство для позитронно-эмиссионной томографии

 

Изобретение относится к медицине, а именно к радионуклидной диагностике, и может найти применение при лечении заболеваний сердца и головного мозга. Средство представляет собой Na-бутират-¹¹С с радиохимической чистотой менее 95%, известное ранее как химическое соединение, а предлагается в качестве диагностического средства для позитронно-эмиссионной томографии. Изобретение обеспечивает возможность диагностировать заболевание сердца и головного мозга посредством позитронно-эмиссионной томографии.

Изобретение относится к медицине, точнее к радионуклидной диагностике, и может найти применение при лечении заболеваний сердца и головного мозга.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) - новейший метод диагностического исследования различных патологий. В клиническом плане возможности ПЭТ являются наиболее пригодными для диагностики заболеваний мозга, миокарда и новообразований различных локализаций.

В настоящее время известно большое количество меченых различными позитронно-излучающими радионуклидами соединений для ПЭТ, часть из которых используется в качестве радиофармпрепаратов (РФП).

Наиболее широко применяемыми являются РФП на основе глюкозы и ее производных. Они используются главным образом для диагностики заболеваний головного мозга. Что касается исследований миокарда и новообразований других органов, то препаратам глюкозы предпочитают другие соединения.

В энергетическом обеспечении жизнедеятельности сердечной мышцы большую роль играют жирные кислоты, окисление которых является основным источником энергии для сердца в аэробных условиях. Жиры обеспечивают 60% энергетических потребностей сердечной мышцы. При увеличении потребления миокардом кислорода увеличивается утилизация жирных кислот, тогда как метаболизм остальных субстратов остается неизменным. В связи с этим для исследования миокарда и оценки интенсивности потребления им кислорода используются жирные кислоты, а именно приготовленные из них РФП.

Как показывает экспериментальный и клинический опыт, с помощью меченых жирных кислот возможно получение информации о метаболических процессах, протекающих в миокарде, что чрезвычайно важно при диагностике инфарктов миокарда, а также миокардиопатий, миокардитов, при исследовании сердца после операций по его трансплантации и значительного числа других клинических ситуаций.

Среди жирных кислот наиболее тщательно исследована [1] [1-¹¹C]-пальмитиновая кислота, которая уже нашла применение в клинической практике. У подопытных мышей уровень накопления ее в миокарде в первую минуту после внутривенного введения составляет 3% от общей радиоактивности в расчете на 1 г ткани, к 5-й минуте эта величина составляет 1,1%, к 10-й - 0,8%. При этом к 2-й минуте из сердечной мышцы выводится примерно 70% от поглощенного количества радиоактивности, за последующие 8 минут - 15%. Данные по доклиническому изучению применения [1-¹¹C]-пальмитиновой кислоты при ишемии миокарда у собак, приведенные в работе [2], свидетельствуют о том, что скорость биологического выведения ее в первые 5 минут при нарушении кровотока ниже по сравнению с контролем, период полувыведения (t1/2) составляет соответственно 15,8 ± 0,9 мин и 4,9 ± 0,7 мин. Приблизительно 72% от поглощенного препарата вымывается из сердца при ишемии в течение получаса, в норме - 90%. Величина обратной диффузии составляет соответственно 4,4 ± 11,5% и 16,1 ± 6,0%.

Однако, окисление [1-¹¹C] -пальмитиновой кислоты, а также производных глюкозы в большой степени зависит от их концентрации, которая в физиологических условиях может меняться в широких пределах, что может оказать определенное влияние на результаты исследований. Кроме того, многочисленные радиоактивные продукты метаболизма этих соединений имеют различные биокинетические характеристики, что в конечном итоге затрудняет интерпретацию данных позитронно-эмиссионной томографии и снижает диагностическую ценность препаратов.

Более пригодным для оценки интенсивности потребления миокардом кислорода и наиболее близким к предлагаемому препарату является ¹¹C-ацетат [3]. Он является предпочтительным субстратом для цикла трикарбоновых кислот, поскольку его концентрация в физиологических условиях, в отличие от вышеуказанных препаратов, не меняется. Это обеспечивает более надежную оценку потребности миокарда в кислороде и "вентрикулярной производительности", а также жизнеспособности миокардиоцитов в различных областях сердца, что крайне важно при многих клинических ситуациях, например, при проведении тромболизной терапии коронарных сосудов, при решении проблем ангиопластики коронарных сосудов и т. д. Таким образом, ¹¹C-ацетат является хорошим РФП для исследования заболеваний сердца, Вместе с тем какие-либо другие экспериментальные и клинические данные о нем помимо исследования с его помощью метаболизма миокарда нам неизвестны.

Технический результат настоящего изобретения состоит в разработке радиофармпрепарата, пригодного для диагностики заболеваний сердца и головного мозга посредством позитронно-эмиссионной томографии.

Этот результат достигается использованием [1-¹¹C]-масляной кислоты, а именно Na-бутирата, меченного ¹¹C.

Известные натриевые соли масляной кислоты [4], меченные ¹⁴C, используются в биохимических, иммунологических исследованиях. Однако, по своим ядерно-физическим характеристикам для ПЭТ-исследований они непригодны.

Натриевая соль ¹¹C-масляной кислоты нами не обнаружено.

Использование ее для позитронно-эмиссионной томографии нам неизвестно.

Нами разработана технологическая схема производства Na-бутирата-¹¹C для ПЭТ-диагностики заболеваний головного мозга и миокарда.

Синтез состоит из следующих стадий: 1. получение радионуклида C-11, 2. получение диоксида углерода-11, 3. взаимодействие диоксида углерода-11 с пропилмагнийбромидом с образованием промежуточного комплекса: ¹¹CO₂ + C₃H₇MgBr ---> C₃H₇¹¹C(O)MgBr /1/ 4. разложение полученного комплекса соляной кислотой: C₃H₇¹¹C(O)MgBr + HCl ---> C₃H₇¹¹COOH /2/ 5. получение натриевой соли масляной кислоты: C₃H₇¹¹COOH + NaHCO₃ ----> C₃H₇¹¹COONa /3/ 1. Получение углерода-11.

Радионуклид углерод-11 получают по ядерной реакции ¹⁴N(p, a)¹¹C облучением газовой мишени протонами Ep=15-13 МэВ на медицинском циклотронном комплексе ЦНИРРИ (циклотроне МГЦ-20).

2. Углерод-11, полученный облучением газовой мишени, вступает во взаимодействие с кислородом, который всегда присутствует в азоте, и образуется диоксид углерода-11.

3. Диоксид углерода-11 транспортируется в реакционный сосуд с находящимся в нем эфирным раствором пропилмагнийбромида (реактив Гриньяра) и вступает с ним во взаимодействие. Эфирный раствор реактива Гриньяра заливается в реакционный сосуд, продутый и заполненный инертным газом (лучше аргоном), перед самым пропусканием ¹¹CO₂.

4. После окончания реакции /1/ в сосуд подается 6 н. раствор соляной кислоты и смесь барботируется. После обесцвечивания и расслоения системы нижний кислотный слой удаляется. Верхний слой представляет собой эфирный раствор масляной кислоты с C-11.

5. В этот же сосуд подается водный раствор бикарбоната натрия и смесь барботируется, эфир упаривается. Полученный натрий бутират, C-11 забирается в шприц, из которого выдавливается в приемник через стерилизующий фильтр "Millipor".

Полученный Na-бутират-¹¹C имеет следующие характеристики:
Углерод-11 - 10-50 ГБк
Натрия бутират - не более 0,02 мг
Натрия гидрокарбонат - 13,8 мг
Вода для инъекций - до 1 мл
рH приготовленного раствора 9,0 - 10,0, радиохимическая чистота его не менее 95%, объемная активность 10-50 ГБк/мл на время изготовления. Период полураспада углерода-11 - 20,4 мин. Препарат стерилен, апирогенен. Срок годности его установлен временем около 40 мин, в течение которого препарат может применяться для клинических целей, исходя из объемной активности, уменьшающейся с течением времени.

Результаты биологических исследований препарата.

1. Исследование биокинетики.

Биокинетику препарата исследовали в организме интактных животных и животных с модельными нарушениями метаболизма. Препарат вводили внутривенно экспериментальным животным в объеме 0,1 - 0,2 мл общей активностью 0,2 - 0,5 мКи. Животных забивали декапитацией в разные сроки исследования, и выделенные органы и ткани подвергали прямой радиометрии. Содержание радиоактивного вещества в органах и тканях определяли как процент от введенного количества с поправкой на распад. Животных с транзисторной ишемией подвергали также динамическим и статическим сцинтиграфическим исследованиям сразу после инъекции 0,5-1,5 мКи препарата, используя при этом гаммакамеры "Omega 800" и "тяжелый" /йодный/ коллиматор.

Интенсивность выведения препарата из организма определяли по изменению содержания его во всем организме животных, выявляемому путем прямой радиометрии всего тела крыс, проводимой каждые 5 мин после инъекции препарата, а также по выделению организмами животных радиоактивного CO₂ в камере с принудительным воздухообменом, на выходе которой стоял поглотитель CO₂ - аскарид, который в разные сроки исследования подвергался прямой радиометрии.

По данным исследования биокинетики препарат интенсивно выводится из крови: 90-95% от введенного количества покидает кровоток с биологическим периодом полувыведения (Тб) 0,4 мин, 5-10% - 27 мин, уже к 5-й минуте общее содержание радиоактивного препарата в крови не превышает 3% введенного количества. В сердце через 1 мин после инъекции концентрация препарата превышала концентрацию в крови почти в 5 раз и достигала 3,5% на 1 г ткани от введенного количества. В последующий период происходило выведение препарата из сердечной мышцы, причем, ≈ 80% от максимальной концентрации с Тб=1,0 мин, ≈ 20% - с Тб = 27,0 мин. В этот период коэффициент дифференциального накопления (КДН) препарата в миокарде по отношению к крови уменьшается, но до 20 мин остается несколько выше 1,0.

Концентрация препарата в почечной ткани через 1 мин после ее инъекции была практически такая же, как и в сердечной мышце. Динамика снижения уровня активности почек в последующий период были идентичная динамика выведения препарата из сердечной мышцы. Следует отметить, что снижение содержания препарата в почечной ткани не сопровождалась его выведением через мочевыделительную систему. Даже через 40 мин после инъекции содержание препарата в моче на превышало 0,3% от введенного количества.

Концентрация препарата в легких была максимальной также через 1 мин после введения, затем происходило ее снижение. Однако, в течение всего периода наблюдения концентрация препарата в легких была выше, чем в крови.

Интерес вызывает способность головного мозга накапливать препарат. Как показали проведенные исследования, КДН его в головном мозге крыс по отношению к крови (на 1 г ткани) уже через 1 мин после инъекции составляет 1,0, а к 10 мин увеличивался до 1,5. Это свидетельствует о том, что препарат проникает через гематоэнцефалический барьер и включается в метаболические процессы ткани головного мозга. Уже через 1 мин концентрация его в головном мозге крыс достигается почти 1% на грамм ткани от введенного количества. Распределение препарата в различных отделах головного мозга относительно равномерное. Можно только отметить тенденцию к меньшей способности ганглий концентрировать его. Снижение содержания его в головном мозге начиналось со второй минуты, причем выведение 20% от максимального содержания его в мозговой ткани происходит с Тб ≈ 1,5 мин, 80% ≈ 21 мин. Накопление препарата в печени и желудочно-кишечном тракте относительно невысокое и достигается 4% и 7% от введенного количества соответственно.

Более значительно накопление препарата в мышечной ткани, которое превышает 20% от введенной активности к первой минуте после его введения, а затем происходит относительно медленное выведение. Выведение препарата из организма крыс после внутривенного введения было интенсивным и осуществлялось через легкие с выдыхаемым воздухом. Уже через 5 мин после инъекции препарата с выдыхаемым воздухом выделялось 10% от введенного количества, к 15 мин - 50%, а к 40 мин - более 80%.

С мочой в течение 40 мин выводилось не более 0,3% от введенного количества, а в желудочно-кишечном тракте содержание препарата составляло 2%.

Таким образом, препарат, введенный экспериментальным животным внутривенно, очень быстро покидает кровяное русло и концентрируется в сердечной мышце, почках и головном мозге в более высокой степени, чем в крови.

При сравнительном изучении биокинетики ¹¹C-ацетата, используемого в медицинской практике, и предлагаемого препарата интенсивность выведения их из крови практически не отличалась. Максимальное накопление того и другого препаратов в сердечной мышце отмечалось на 1-й минуте. Интенсивность выведения сравниваемых веществ из сердечной мышцы была одинаковой. Соответственно КДН их в сердце по отношению к крови также существенно не отличались в течение всего периода наблюдения.

В ткани же головного мозга биокинетика ¹¹C-ацетата значительно отличалась от биокинетики предлагаемого препарата. Уровень максимальной концентрации ¹¹C-ацетата в ткани головного мозга были ниже почти в 2 раза по сравнению с нашим препаратом.

2. Оценка безвредности препарата.

Проведенная экспериментальная оценка безвредности препарата показала, что внутривенное введение 30-кратно завышенной по отношению к предлагаемой клинической дозе (по объему) не сопровождалось у кроликов заметным изменением артериального давления и не вызывало пирогенной реакции у всех животных. Стериальность испытываемого препарата подтверждена лабораторией доклинических испытаний РФП Института Биофизики МЗ РФ.

На основании проведенных исследований нами был сделан следующий вывод:
1. Учитывая то, что Na-бутират-¹¹C так же, как и ¹¹C-ацетат, применяемый в настоящее время в медицинской практике, катаболизирует в цикле трикарбоновых кислот до CO₂, он может применяться для исследований миокарда с теми же целями, что и ¹¹C-ацетат, и не уступает ему по своим биокинетическим характеристикам: величине накопления в миокарде, интенсивности выведения из сердечной мышцы, КДН в миокарде и других органах.

2. В отличие от ¹¹C-ацетата, уровень накопления которого в ткани головного мозга достаточно низкий, в результате чего он не пригоден для ПЭТ головного мозга, предлагаемый препарат может быть использован для диагностики заболеваний головного мозга.

Причем ранее проведенные нами сравнительные экспериментальные исследования ряда жирных кислот с длиной углеродной цепи от C₂ до C₁₈ в первые 40 мин после их в/в введения крысам показали, что именно Na-бутират-¹¹C обладает наивысшим накоплением в головном мозге в этот период.

3. Предлагаемый препарат пригоден для двойного использования: для исследования миокарда и головного мозга.

Эти результаты испытаний предлагаемого нами препарата, проведенные в объеме 1-й группы "Общих методических указаний по доклиническому изучению новых РФП" были представлены в Фармакологический комитет МЗ РФ. Решением ФК "Раствор натрия бутирата ¹¹C для инъекций" разрешен к проведению клинических испытаний в качестве РФП для ПЭТ-диагностики заболеваний сердца и головного мозга.

Нами создан автоматизированный модуль с программным управлением технологическим процессом синтеза препарата на медицинском циклотронном комплексе ЦНИРРИ (циклотрон МГЦ-20), разработано и используется газовое мишенное устройство и система газовой транспортировки.

Подготовлена Временная Фармакопейная статья на предлагаемый РФП, которая будет представлена в Фармакопейный Комитет МЗ РФ.

Формула изобретения

Применение Na-бутирата - ¹¹C в качестве диагностического средства для позитронно-эмиссионной томографии.