СТАБИЛЬНО ИЗОТОПНАЯ...
Transcript of СТАБИЛЬНО ИЗОТОПНАЯ...
СТАБИЛЬНО-ИЗОТОПНАЯ ДИАГНОСТИКА
«Ростхим» ГНЦ «НИОПИК» МГАТХТ им. М.В. Ломоносова (МИТХТ) ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН МФТИ МГУ им. М.В. Ломоносова ГНЦ «ГНИИХТЭОС» «РН-ЦИР»
НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В ЗДРАВООХРАНЕНИИ РОССИИ
ОРИГИНАЛЬНЫЕ РОССИЙСКИЕ 13С-ПРЕПАРАТЫ, ПРИБОРЫ, МЕДИЦИНСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕСТЫ
ГНЦ РФ – ИМБП РАН РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН МНИОИ им. П.А. Герцена ЦНИИ гастроэнтерологии НИИ СП им. Н.В. Склифосовского 1ММА им. И.М. Сеченова «Изотопмедцентр»
X
Применение 13С-соединений 2
Стабильные изотопы не опасны
Медицинская диагностика
13С-Лактоза 13С-Ксилоза Нарушение бактериального состава
13С-Триглицериды 13С-Крахмал
Панкреатит
13С-Метацетин 13С-Аминопирин
13С-Кофеин 13С-Фенилаланин 13С-Тирозин Мониторинг печени, диагностика активности Р-450
13С-Гликолевая кислота Диагностика желчных кислот
13С-Лейцин 13С-Формиаты 13С-Ацетаты 13С-Глюкоза
Метаболизм аминокислот, эндокринология
13С-Мочевина H. pylori
1-13С-Каприловая кислота Перистальтика желудка
Другие области
Судебная экспертиза, криминалистика
Антидопинговый контроль
Экология
Геология, геофизика
Научные исследования и стандарты
Фундаментальные исследования в медицине
13С-Бикарбонат Na Кислотность в желудке Обмен веществ (питание)
13С-Дыхательные тесты
ГАСТРОЭНТЕРОЛОГИЯ, ОНКОЛОГИЯ, ЭНДОКРИНОЛОГИЯ,
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН,
ПОДБОР ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ДОЗИРОВКИ ЛЕКАРСТВ
3
Уреазный дыхательный тест 4
H. pylori вызывает рак желудка и другие болезни ЖКТ
Прибор для диагностики
УДТ – «Золотой стандарт» диагностики H. pylori
Дыхательные тесты • неинвазивны (щадящие); • чувствительны – до 98 %; • специфичны – 98 %
13CO(NH2)2
13CO2 (выдох)
13CO2
13CO2
13CO2
Кровеносная система
№ п/п Страна Ежегодное число
тестов, тыс. Количество
13С-мочевины, кг
1. США 6 000 - 8 000 500-700 2. Европа ~1 000 80-100
В мире Более 10 000 ~1000
Уреаза Helicobacter pylori разлагает мочевину с выделением СО2
H2N-13C-NH2 + H2O 13CO2 + 2NH3
O
Отсутствует стабильно-изотопная диагностика населения
Состояние проблемы 5
В России В мире
1996 г. – в США и Европе официально разрешен тест c 13C-мочевиной
2013 г. – более 10 млн. тестов в год, используют ~ 1000 кг 13C-продуктов
Более 30 медицинских 13C-препаратов в стадии разработки и внедрения,
Производится свыше 300 13С-продуктов
Россия 70 %
США и др.
Отсутствует производство 13С-препаратов и приборов
Производится 13СО2 и 13СО высокой чистоты
Есть научные школы в области синтезов на базе СО и СО2
В ТО ЖЕ ВРЕМЯ
Цены на 13С-препараты достигают $1000/г и более (основной производитель – США)
Стоимость диагностических приборов: $50-150 тыс. (производят: Великобритания, США, Израиль, Корея, Германия , Япония)
Россия – лидер мирового производства
изотопов, в т.ч. – 13С
Первая российская программа 13С-диагностики
HCH2C
H2C
OO13C-(CH2)6-CH3
OO13C-(CH2)6-CH3
OO13C-(CH2)6-CH3
Глюкоза Триоктаноин
Мочевина Каприловая (С8) к-та
O
CH3-C-NH-13CH3OH13CO + 2H2 -O13CH3
Метацетин
Важнейшие медицинские 13С-препараты
С 2007 по 2012 г. – программа Правительства Москвы по созданию медицинской стабильно-изотопной диагностики
Разработка синтезов Разработка приборов Внедрение в медицину
Сырьё: 13СО2, 99 % 13С (ГК «Росатом»)
13СО2 + Zn 13CO + ZnO
2000 л/год – на 5-10 кг 13С-продуктов
Чистота 13СО (хим., изотоп.):
99 %
Норма расхода 13СО2:
1,1 л/л
6
OH
OH
OHOH
OOH
С
13C OH
O13C O
NH2
NH2
13
С
Нами разработан процесс получения 13СО
7
Исходное сырье: либо 13СО2, либо 13СО (99 % ат.)
O
СО2C
O
OO2NH3 H2N-CO-NH2
Кат.
1. Производство 13С-мочевины
CO NH2-CO-NH2 2NH3, кат.
4. (13С)-5-Аминолевулиновая кислота
H2N C C
O
O
OMeH2C
H2C COO
COPdBr2-LiBr2CO, H2O
C2H2
5. 1-13С-Каприловая кислота CO, H2O
PdCl2(PPh3)2 CO
OHCH
CH2
CO
H
CO, H2 O2Rh/PR3
C7H15Br MgC7H15MgBr CO2, H2O C7H15CO2H
HO O
HO
OH
OH
OHO C
OH
OH
OH
OH1. CH3NO2 2. HCl
HO
O
OHHO
HO
OC
HOOH
HO
O
HO
CC
HOOH
HO
OH
1,2-13С2-D-глюкоза
1-13С-D-глюкоза
2. Синтез (13С)-глюкозы
3. Синтез 13СН3-тимидина O
OHO
OH
O
HN
N
Br
CH3I CH3
O
OHO
OH
O
HN
N
1. Синтезы 13С-продуктов Реализация проекта «13С»
8
2. Отечественный прибор 13С-диагностики
Приборы для анализа изотопного отношения углерода в выдыхаемом воздухе
Сравнение приборов Цена, $1000
UBiT-IR300 – ИК спектрофотометр (СФМ) (Япония)
30
IRIS – ИК СФМ (Германия)
50
HeliView – хроматомасс-спектрометр (Корея)
60
Heli-Fun – ИК СФМ (Израиль)
60
LARA – оптогальванический СФМ (США)
60
IsoРrime – хроматомасс-спектрометр (Великобритания)
150
Отечественный – ИК СФМ 10-15
Выпить «раствор 13С» Выдохнуть воздух в приемник
Отечественный анализатор отношения 13С/12С в выдыхаемом воздухе
I Фаза теста II Фаза теста
III Фаза теста
Оценка стоимости 13С-диагностики: 100-150 руб./тест
Реализация проекта «13С»
3. Отечественные дыхательные 13С-тесты 9
Тест функции печени
Норма (пациент здоров)
Цирроз А
Цирроз С
13С
О2 в
вы
дохе
, отн
. ед.
−
=
f
b
b
f
VClk
ClVk
Т
0
0
max
ln
nCPDRCPDRPHRRLRI *)1( −=
Индекс резекции печени
Время достижения максимума
13С-Метацетин
1-13С-Октаноат натрия
Тест перистальтики желудка
Норма
Слабая перистальтика
0
2
4
6
8
10
12
14
Сод
ерж
ание
13С
О2
в вы
дохе
, ‰
Диагностика H. pylori
13С-Мочевина
Степень обсемененности
Впервые!
1-13С-D-глюкоза
Нак
опле
ние
13С
О2
в вы
дохе
, % д
озы
Отсутствие метаболизма (диабет)
Время, мин.
Норма
Слабый метаболизм глюкозы
Тест на диабет
Реализация проекта «13С»
Экономика проекта «13С» 10
С 2013 г. - освоение производства 13С-мочевины и еще 3-х 13С-препаратов
Цель: массовое проведение УДТ (на H. pylori) при диспансеризации населения
Зарубежный опыт: мировое производство 13С-препаратов – более 250 наименований, в т.ч. 13С-мочевины – 1000 кг для ~10 млн. тестов
• диспансеризация только 1 млн. москвичей (приказ МЗСР РФ № 539) потребует 100 кг 13С-мочевины; • при себестоимости 13С-мочевины 1500 руб./г и цене продажи 2000 руб./г прибыль составит 50 млн. руб.; • стоимость одного теста составит 150 руб., а цена импортного препарата достигает $270/г
Продукт Стоим.
синтеза, $/г
Цена по каталогу,
$/г 13С3-Триоктаноин 45 286 1-13С-Каприлат натрия 18 320
2-13С-D-Глюкоза 120 990 1-13С-Фенилаланин 26 1200 (1,4-13С2)- Сукцинат 77 1286 (13С)-Кетоизокап-роновая кислота 47 1470
2-13С-Урацил 38 1950 5α-(13С)-Тимидин 42 3080 1-13С-Аспартамовая кислота 56 3136
(2,2’-13с2-Карбонил)-фталевая кислота 55 7250
Сравнение стоимости синтеза и зарубежных цен
ЯМР диагностика с 13С-биомаркерами
ОНКОЛОГИЯ, НЕВРОЛОГИЯ, ЭНДОКРИНОЛОГИЯ
СОСУДИСТАЯ МЕДИЦИНА
11
60 Типов опухолей
111
Мет
абол
итов
Поглощение Выделение
1,2-13С2-D-Глюкоза
Здоровая клетка
Панкреатическая аденокарцинома
13C-Изотопный профиль динамического метаболизма (SIDMAP) клетки млекопитающего. Серым и черным показаны ограниченные потоки, красным – усиленные потоки.
L. G. Boros, et al. Drug Discov. Today, 2004, 1(4), 435-443.
M. Jain et al. Science, 2012, 336(6084), 1040–1044.
12
Метаболизм в раковых и здоровых клетках различен
1. Биохимия. Карта метаболитов (SIDMAP)
Биохимия 13C-ЯМР спектры 13C-метаболитов в раковых и нормальных клетках
Профили 13C-метаболитов для 60 типов рака в различных тканях
Glycine profile vs. proliferation rate
Орнитин
Аденозин ЦНС
h‾1
Лейкемия
h‾1
M. Jain et al. Science, 2012, 336(6084), 1040–1044.
13
Для рака легкого у человека это было показано in vivo впервые
В раковых клетках – более высокий уровень метаболитов по сравнению с обычными.
Основное 13C-обогащение в метаболитах: Lac, Ala, Suc, Glu, Asp, and Cit
T. W. M. Fan et al. Molecular Cancer, 2009, 8(41), 1-19.
Продолжение
Биохимия 14 Продолжение
α-Ketoglutarate (α-Kg)
HOOCCOOH
O
HOOCCOOH
OH
HOOCCOOH
HOOCCOOH
SuccinateFumarate
Oxaloacetate
H2O -2[H]
-2[H]
Malate
IsocitrateCitrate
-CO2, 2[H]HOOC
COOH
COOHOH
HOOCCOOH
COOHOH
COOH
COOHO
-CO2
-CO2, 2[H]
Succinyl-CoA
COOH
SCoAO
CH3SCoA
O
H2O
H2O
HOOCCOOH
NH2
COOHHOOC
NH2
CONH2HOOC
NH2
Glutamine
Glutamate
GlutationePolyamidesUreaγ-Aminobutyric acid (GABA)
Amino sugarsGlucoproteinsNucleotides
HOOCCONH2
NH2
Asparagine
Aspartate
Цикл Кребса
O
OHH
HH
OHOH
H OH
H
OH
Glucose
HOOC CH3
O
Pyruvate
HOOC CH3
OH
Lactate
-CO2CH3 SCoA
O
Acetyl-CoA
HOOC CH3
NH2
Alanine
HCOOHFormate
NH4+
CH3 COOHAcetate
CO2
• Метка 13С биомаркера перераспределяется между компонентами биохимических процессов и выявляет определенные метаболиты в спектре 13С ЯМР
Выбор 13С-биомаркеров для синтеза 13С-препаратов и диагностики методом ЯМР
• Скорость метаболизма в опухолях очень высока. Поэтому 13С-метаболиты «проявляются» быстро.
• Различным заболеваниям присущи определенные соотношения концентраций некоторых пар метаболитов.
15 2. 13С-ЯМР спектроскопия
Цель: клиническая диагностика опухолей и других опасных заболеваний in vivo ЯМР.
Приведены примеры применения обычных клинических МР сканеров; ранее такие работы выполнялись практически только на исследовательских ЯМР спектрометрах.
13C МР катушка на «полголовы»
Лицензированная (FDA) аптека готовила растворы 13С-биомаркеров для пациентов на индивидуальной основе.
13C-Обогащенные субстраты вводили перорально или внутривенно.
До введения
Введение 13C-маркеров выявляет метаболиты
Glc – глюкоза Glu – глутамат Gln – глутамин NAA – N-ацетил-аспартат Cr – креатин Cho – холин Asp - аспартат
B. Ross et al. NMR Biomed., 2003,16, 358–369.
Вот они!
После введения 1-13C-глюкозы
16 13С-ЯМР спектроскопия
Креатин/холин (Cr/Cho) растет, NAA падает
Cr/Cho - max, NAA - min: глиобластома. ЯМР мозга мужчины 45 лет
A. G. Sorensen. J. Clin. Oncol., 2006, 24, 3274-3281.
Определение скорости синтеза NAA in vivo 13C ЯМР
Использование 1-13C-глюкозы и 1-13C-ацетата для 13C-обогащения метаболитов (в т.ч. Asp, Glu, Gln)
B. Ross et al. NMR Biomed., 2003,16, 358–369.
Скорость синтеза NAA очень мала и снизилась на 50 % у пациента с болезнью Канавана
1-13C-Ацетат может быть использован для пациентов с диабетом вместо 1-13C-глюкозы
Продолжение
• Неврология • Хирургия • «Карты» распределения метаболитов
3. 13С ЯМР с гиперполяризацией (13С-МРТ) 17
2 сек.
Катетер с 13С-гидрокси-этилакрилатом
Почечная артерия
Полая вена, сосуды сердца
и легких 13С-Мочевина,
0,7 мМ/кг
Диагностика сосудов
Гиперполяризация 13С-биомаркера повышает чувствительность ЯМР в 10 000 – 100 000 раз ! Обнаружение опухоли pH
Опухоль (лимфома), введенная мыши, выявлена 13С-бикарбонатом натрия
1Н МРТ
Опухоль Опухоль
1Н МРТ + 13С-pH
13С-МРТ !
• Онкология • Ангиография • Снимки перфузии и кровотока
Качество 13С-МРТ сравнимо с обычным МРТ
ПРИМЕНЕНИЕ
J. Kurhanewicz. Neoplasia, 2011, 13, 81-97. S. Månsson. Eur. Radiol., 2006, 16, 57-67.
K. Golman. PNAS, 2003, 100, 10435-10439.
Принцип 13С ЯМР гиперполяризацией (ГП) Магнитный момент ядер 13С
Продолжение
Гиперполяризация спинов
Эне
ргия
Магнитный момент электронов переносится на ядра 13С
Мик
рово
лнов
ое о
блуч
ение
Тепловое равновесие
18
Спектры ГП 13С-Pyr и 13С-Lac в опухоли (рак простаты)
Гиперполяризатор
«Катушка»
ПРЕИМУЩЕСТВА
• Используют серийные томографы
• Нет радиоактивности (как в ПЭТ)
• Не требуется синхротрон и синтез радиопрепарата в мед. учреждении
• Молекулярная специфичность – это дополнительная диагностика (в отличие от ПЭТ)
• Можно вводить препараты внутрь (перорально)
Оформлено 12 патентов и заявок на изобретения
19
Впервые в России разработаны эффективные синтезы 30 13С-продуктов (99 % 13С) медицинского и иного назначения. Созданы основы нового направления: стабильно-изотопная диагностика методами дыхательных тестов и 13С ЯМР. Импортозамещение и экспортопригодность: отказ от импорта дорогих препаратов и вывод на рынок новых высококачественных меченых продуктов. Все разработанные процессы оригинальны и основаны на отечественном изотопном сырье – 13СО2 (99 % 13С).
Краткие итоги Задача: организовать производство широкой номенклатуры 13С-продуктов для медицины и других областей
Научные исследования и стандарты
Антидопинговый контроль
Судебно-медицинская экспертиза
Экология
Происхождение товаров
Космическая и спортивная
медицина
Изучение биосинтеза и
обмена белков
Геология, геофизика