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