The course covers the application of isotopically (using stable as well as radioactive isotope) labeled compounds in chemistry, biology and medicine with special aspects of this discipline (synthesis in ng to mg scale, kinetic isotopic effect, radiation safety). An overview of modern and traditional methods for introduction of isotopes into studied compounds with respect to choice of isotope, feasibility of synthetic process and economic issue is discussed.
Last update: Marek Aleš (31.01.2026)
Předmět je zaměřen na přípravu, použití a detekci sloučenin izotopově značených pomocí stabilních nebo radioaktivních nuklidů využívaných při vývoji léčiv, v nukleární medicíně nebo biologii. Diskutovány budou praktické aspekty tohoto oboru (syntéza ve velmi malém měřítku ng-mg, kinetický izotopový efekt a bezpečnost práce). Cílem kurzu je získat přehled o moderních metodikách pro zavedení nuklidů do sledované molekuly s ohledem na správnou volbu izotopu, instrumentální náročnost a ekonomiku značení.
Last update: Marek Aleš (31.01.2026)
Course completion requirements - Czech
To succesfully pass oral exam.
Attendance on presentations is strongly recommended.
Last update: Marek Aleš (31.01.2026)
Literature -
Obligatory:
Sib A., Derdau V... Method Development and Syntheses Examples of Isotopically Labeled Compounds to Foster Operational Excellence in Pharma Industry.. In Synlett. 35 (2024): 2155-2173.
Atzrodt J., Derdau V., Kerr W. J., Reid M.. Deuterium- and Tritium-Labelled Compounds: Applications in the Life Sciences. In Angew. Chem. Int. Ed.. 57 (2017): 1758-1784.
Kopf S., Bourriquen F., Li W., Neumann H., Junge K., Beller M.. Recent Developments for the Deuterium and Tritium Labeling of Organic Molecules. In Chemical Reviews. 122 (2022): 6634-6718.
Saljoughian M.. Synthetic Tritium Labeling: Reagents and Methodologies. In Synthesis. 13 (2002): 1781-1901.
Recommended:
Voges R., Heys J.R., Moenius T.. Preparation of Compounds Labeled with Tritium and Carbon-14. Chippenham, Wiltshire, UK: John Wiley & Sons, Ltd., 2009, s. ISBN 9780470516072.
Di Martino R. M. C., Maxwell B. D., Pirali T.. Deuterium in drug discovery: progress, opportunities and challenges. In Nature reviews drug discovery. 22 (2023): 562-584.
Babin V., Taran F., Audisio D.. Late-Stage Carbon-14 Labeling and Isotope Exchange: Emerging Opportunities and Future Challenges. In JACS Au. 2 (2022): 1232-1251.
Marek A. a kol. . Late-stage labeling of diverse peptides and proteins with iodine-125. In Journal of Pharmaceutical Analysis . 15 (2025): 1-20.
Last update: Marek Aleš (31.01.2026)
Povinná:
Sib A., Derdau V.. Method Development and Syntheses Examples of Isotopically Labeled Compounds to Foster Operational Excellence in Pharma Industry. In Synlett. 35 (2024): 2155-2173.
Atzrodt J., Derdau V., Kerr W. J., Reid M.. Deuterium- and Tritium-Labelled Compounds: Applications in the Life Sciences. In Angew. Chem. Int. Ed.. 57 (2018): 1758-1784.
Kopf S., Bourriquen F., Li W., Neumann H., Junge K., Beller M.. Recent Developments for the Deuterium and Tritium Labeling of Organic Molecules. In Chemical Reviews. 122 (2022): 6634-6718.
Saljoughian M.. Synthetic Tritium Labeling: Reagents and Methodologies. In Synthesis. 13 (2002): 1781-1801.
Švec J.. Radioaktivita a ionizující záření. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2005, 1-36 s. ISBN ISBN: 80-86634-62-0.
Doporučená:
Kupka K., Kubinyi J, Šámal M. a kol.. NUKLEÁRNÍ MEDICÍNA. Praha: P3K, s. r. o., 2015, s. ISBN 978-80-87343-60-9.
Voges R., Heys J.R., Moenius T.. Preparation of Compounds Labeled with Tritium and Carbon-14. Chippenham, Wiltshire, UK: John Wiley & Sons, Ltd., 2009, s. ISBN 9780470516072.
Lappin G., Temple S.. Radiotracers in Drug Development. Boca Raton, FL: Taylor & Francis, 2006, s. ISBN 978-0-8493-3347-7.
Di Martino R. M. C., Maxwell B. D., Pirali T.. Deuterium in drug discovery: progress, opportunities and challenges. In Nature reviews drug discovery. 22 (2023): 562-584.
Babin V., Taran F., Audisio D.. Late-Stage Carbon-14 Labeling and Isotope Exchange: Emerging Opportunities and Future Challenges. In JACS Au. 2 (2022): 1232-1251.
Marek A. a kol. . Late-stage labeling of diverse peptides and proteins with iodine-125. In Journal of Pharmaceutical Analysis . 15 (2025): 1-20.
Last update: Marek Aleš (31.01.2026)
Syllabus -
1. Why we need an isotopic labeling of organic compounds? Practical applications (drug research, nuclear medicine, life sciences). Synthetic strategies of pharmaceutically relevant labeled compounds based on availability of isotopically enriched reagents.
2. D-drugs. An importance of deuterium kinetic isotope effect on metabolite stability. API evergreening. Deuterium switch, metabolic soft spots. Isotopic fractionation.
3. Radioactiva isotope of hydrogen - Tritium. Handling of radioactive gas, scintillation detection. Selectivity of labeling, determination of specific activity.
4. In-situ generation of tritiated reagents from pure tritium gas.
5. Both state-of-the-art and late-stage-labeling methods using hydrogen isotope exchange (HIE). Importance of reaction conditions on isotopic enrichment and selectivity of labeling.
6. Labeling of aliphatic C(sp3)-H using hydrogen isotope exchange (HIE). Condition dependent radiochemical stability of 3H-labeled tracers.
7. Carbon-14 as an expensive but irreplaceable radionuclide in clinal stages of drug development. Traditional vs modern carbon isotope exchange technigues (CIE). AMS as an ultrasensitive tracing technique.
8. Labeling of big and fragile molecules. Trends in labeling of peptides as hot-topic compounds in drug development. 3H-Semaglutide (OZEMPIC, WEGOVY).
9. Radiopharmaceuticals and their use nuclear medicine. Therapeutic and diagnostic applications (PET, SPECT). Generation of essential nuclides (cyclotrone, generator). F-18, C-11, Cu-64, [18F]FDG, a 99mTc, Ga-68.
10. Stabile isotope labeling. Deuterium vs. C-13, N-15, O-18. Stabile isotope labeled internal standards (SILS). Universally labeled natural compounds (amino acids, sugars, lipids) by deuterium, N-15, C-13, and C-14.
11. Radiation safety when using ioniyation sources. Dosimetry, workplace contamination monitoring. Principles and measures to minimize radiation dose.
12. Lab excursion. How to behave safe in Controlled area, operation of tritium manifold in glove-box, very small scale deuteration, radioiodination of peptides, analytical-prep radio-HPLC, 3H NMR, scintillation techniques in liquid, gas, and on thin layer. Cryoprotection storage of 3H-tracers. Buffer-stock of radioactive waste.
Last update: Marek Aleš (31.01.2026)
Okruhy probíraných témat:
1. Proč izotopové značení? Příklady praktických použití (farmaceutický výzkum, nukleární medicína, radiofarmaka, enviromentální měření). Syntetická strategie podle dostupnosti izotopově obohacených činidel (výchozí suroviny, značené building bloky).
2. Deuterovaná léčiva. Vliv kinetického izotopového efektu na metabolickou stabilitu deuterovaných léčiv. Evergreening účinných látek, API. Izotopová frakcionace.
3. Tritium. Specifika zacházení s radioaktivním tritiovým plynem, způsoby detekce. Selektivita značení a stanovení specifické aktivity izotopově obohaceného materiálu.
4. Specifika in-situ příprav tritiačních činidel z jediného dostupného zdroje – T2.
5. Tradiční i moderní late-stage-labeling přístupy využívající vodíkových výměn (HIE). Zásadní vliv reakčních podmínek na izotopové obohacení a selektivitu značení.
6. Využití vodíkových výměn (HIE) pro značení alifatických látek. Radiochemická stabilita 3H-značených sloučenin.
7. Uhlík-14 jako jedinečný radionuklid v klinickém vývoji léčiv. Zavedené syntetické vs. moderní výměnné metody (CIE). Historický vývoj a současné výzvy. Využití ultracitlivé stopovací techniky AMS.
8. Značení velkých a křehkých molekul. Vývoj a současné trendy pro značení peptidů pomocí H-3, C-14 a radiohalogenů. 3H-Semaglutid (OZEMPIC, WEGOVY).
9. Radiofarmaka a jejich použití v nukleární medicíně. Terapie vs diagnostika (PET, SPECT). Příprava a použití klíčových radionuklidů (princip cyklotronu a generátorů). Např. F-18, C-11, Cu-64, [18F]FDG, a 99mTc, Ga-68.
10. Značení stabilními isotopy. Deuterium vs. C-13, N-15, O-18. Výroba vysoce obohacených stabilních nuklidů. Využití – vnitřní standarty v chromatografii, NMR, D-drugs, H/D kinetický izotopový efekt. Aminokyseliny a cukry univerzálně značené C-13 nebo C-14.
11. Ochrana při práci s ionizujícím zářením (IZ). Dosimetrie, monitoring pracoviště. Principy pro minimalizaci expozice pracovníka vůči IZ.
12. Laboratorní exkurze (ÚOCHB). Ukázka práce v Kontrolovaném pásmu, glove-box/tritiační manifold, deuterace v malém měřítku, radioiodace peptidů, analyticko-preparativní radio-HPLC, 3H-NMR, scintilační techniky v roztoku, na tenké vrstvě i ve vzduchu. Kryoskladování 3H-tracerů. Mezisklad radioaktivního odpadu.
Last update: Marek Aleš (31.01.2026)
Learning resources -
Lecture notes and recommended literature.
Last update: Marek Aleš (31.01.2026)
Studijní materiály k přednáškám u vyučujícího.
Vlastní poznámky.
Povinná nebo doporučená literatura.
Last update: Marek Aleš (31.01.2026)
Learning outcomes -
Students will be able to:
To use labeling of compounds by isotopes in natural sciences research, in drug development, and in nuclear medicine. They will know how to choose the isotope and method of labeling appropriate molecule of interest with regard of application, feasibility, economic aspects and radiation safety.
Last update: Marek Aleš (31.01.2026)
Studenti budou umět:
Využít značených sloučenin ve výzkumu v přírodních vědách, ve vývoji léčiv nebo v nukleární medicíně.
Zvolit vhodný izotop a následně metodu pro jeho zavedení na studovanou molekulu s ohledem na zamýšlenou aplikaci, proveditelnost, bezpečnost práce a ekonomiku procesu.
