王明偉 章英劍 張勇平
(復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系 上海 200032)
3'-脫氧-3'-[18F]氟胸苷(18F-FLT)是胸苷激酶-1(TK-1)的底物,參與DNA合成,是一種特異性細(xì)胞增殖顯像探針[1,2]。放射性核素標(biāo)記胸苷用于檢測(cè)細(xì)胞增殖早已成為生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)重要的研究手段,用于體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的3H標(biāo)記胸苷已近半個(gè)世紀(jì),短半衰期核素11C(t1/2=20.4 min)標(biāo)記胸苷用于荷瘤鼠PET顯像實(shí)驗(yàn)則始于1978年Crawford等的研究[3]。1991年后,較長半衰期的理想核素18F(t1/2=109.6 min)標(biāo)記胸苷類似物18F-FLT[4]、1-(2'-脫氧-2'-[18F ]氟-b-D-阿拉伯呋喃糖基)-5-甲基尿嘧啶(18F-FMAU)[5]和 2'-脫氧-2'-[18F]氟胸苷(18F-FT)[6],相繼用于細(xì)胞增殖顯像或基因顯像,三者化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖1。目前,臨床上18F-FLT PET/CT顯像已廣泛用于包括腦瘤和肺癌等的研究[2,7]。因此,有必要建立18F-FLT自動(dòng)化生產(chǎn)方法以滿足臨床需要。
圖1 胸苷及其18F標(biāo)記類似物Fig.1 Thymidine and its 18F-labeled analogues.
18F-FLT自動(dòng)化生產(chǎn)主要取決于放射化學(xué)合成和自動(dòng)化合成模塊。從1991年Wilson等[4]開始,根據(jù)標(biāo)記前體化合物的結(jié)構(gòu)類型,18F-FLT放化合成的第一步反應(yīng)即親核[18F]氟化標(biāo)記可分為兩大類:3-N-和5'-O-受保護(hù)的胸苷衍生物(I)為前體[8–10]和2,3'-脫水胸苷衍生物(II)為前體[11,12](圖2)。其中(I)較好,優(yōu)化放化產(chǎn)率的研究表明,其最佳結(jié)構(gòu)為R1=Ns,R2= DMTr,R3=BOC[9,10],對(duì)應(yīng)的化合物為3-N-t-叔丁氧羰基-5'-O-二甲氧基三苯基-3'-O-對(duì)硝基苯磺酰基-胸苷(BDNT)。目前,BDNT作為標(biāo)記前體是18F-FLT自動(dòng)化合成的首選,其放化產(chǎn)率可為20%–40%(因合成模塊而異)[13–17]。然而,由于合成模塊自身的局限性,現(xiàn)有18F-FLT自動(dòng)化合成法存在反應(yīng)條件不易控制、無連續(xù)多次合成的能力等缺點(diǎn)。
基于PET分子影像探針?biāo)幬镒詣?dòng)化合成法[18–20],本文以BDNT為標(biāo)記前體,采用“一鍋-兩步”法,用升級(jí)改進(jìn)的Explora GN模塊和半制備HPLC分離純化系統(tǒng),完成親核放射[18F]氟化反應(yīng)、水解反應(yīng)、分離純化與質(zhì)量控制,發(fā)展了18F-FLT的快速、穩(wěn)定和高產(chǎn)率的自動(dòng)化生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)18F-FLT的常規(guī)化生產(chǎn)。
圖2 18F-FLT的兩類前體化合物Fig.2 Two types of precursors of 18F-FLT.
前體3-N-t-叔丁氧羰基-5'-O-二甲氧基三苯基-3'-O-對(duì)硝基苯磺?;?胸苷(BDNT)、參考品3'-脫氧-3'-[19F]氟胸苷(FLT),德國ABX公司產(chǎn)品;K222(Kryptofix 222)、無水乙腈和無水碳酸鉀,美國Sigma- Aldrich公司產(chǎn)品;HPLC/光譜純乙腈,美國TEDIA公司產(chǎn)品;富[18O]氧水,以色列Rotem公司產(chǎn)品。藥用乙醇,南京化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。醋酸鈉、濃鹽酸、甲醇和二氯甲烷等均為國產(chǎn)分析純或光譜純,購自國藥集團(tuán)上?;瘜W(xué)試劑公司。所有化學(xué)藥品均未進(jìn)一步純化,直接使用。
Sep-Pak Plus QMA和中性 Al2O3柱,美國Waters公司產(chǎn)品;GF254薄層層析硅膠板(2.5 cm×10.0 cm,玻璃基片),山東煙臺(tái)匯友硅膠開發(fā)有限公司產(chǎn)品;Millexò-GS 0.22 mm 微孔過濾器,Milipore公司產(chǎn)品。
醫(yī)用回旋加速器(Eclipse ST,40 mA×11 MeV)、18F正電子藥物合成模塊(Explora GN, 配有可編寫合成控制軟件)和半制備型高效液相色譜儀(HPLC,Explora LC, 配有紫外和放射性檢測(cè)器),德國Siemens公司產(chǎn)品;ODS-BP C18半制備柱 (10 μm, 10×250 mm),中國大連依利特分析儀器公司產(chǎn)品;分析型 HPLC(1200系列),配有四元梯度泵、可變波長檢測(cè)器、流式g放射性檢測(cè)器(Gabi Star,德國 Raytest 公司)、Zorbax 300SB-C18 分析柱(4.6×250 mm, 5 mm)、真空脫氣機(jī)和 ChemStation 色譜控制和分析軟件,美國Agilent公司產(chǎn)品;放射性薄層色譜掃描儀(miniGita Star),配有BGO-V探頭、miniGita儀器控制軟件和GINA- Star TLC色譜分析軟件,德國 Raytest 公司產(chǎn)品;超純水制備系統(tǒng)(Synergy?UV),美國Milipore公司產(chǎn)品;放射性活度計(jì)(CRC?-15PET),美國Capintec公司產(chǎn)品。
本文取BDNT為標(biāo)記前體[9,13]和“一鍋-兩步”法,圖3為18F-FLT的合成路線,包括前體BDNT的親核放射[18F]氟化反應(yīng)、水解反應(yīng)、中和與分離純化。具體過程如下:首先,干燥活化的18F離子與前體BDNT在無水乙腈中120oC加熱氟化反應(yīng)5 min,產(chǎn)生標(biāo)記中間體 3-N-t-叔丁氧羰基-5'-O-二甲氧基三苯基-2'-脫氧-3'-[18F]氟胸苷(18F-BDFT);再加入鹽酸溶液,110°C加熱水解反應(yīng)5 min;最后,加入醋酸鈉溶液中和,經(jīng)過 HPLC分離純化即獲得18F-FLT注射液。
圖3 18F-FLT的放射化學(xué)合成Fig.3 Radiochemical synthesis of 18F-FLT.
合成模塊是經(jīng)過升級(jí)改進(jìn)即配有Explora LC分離系統(tǒng)的 Explora GN模塊,其詳細(xì)結(jié)構(gòu)參見文獻(xiàn)[21]。其中,Explora GN是多功能18F標(biāo)記PET顯像探針?biāo)幬锏淖詣?dòng)化合成模塊,具有連續(xù)多次合成的特點(diǎn)。Explora LC是集成化半制備HPLC分離系統(tǒng),適合安裝于屏蔽熱室內(nèi),而且自身配有紫外和放射性檢測(cè)器,方便用于放射性藥物的分離純化。
運(yùn)行合成模塊的自動(dòng)化清洗程序,進(jìn)行模塊準(zhǔn)備工作。將各種反應(yīng)試劑、試劑瓶和預(yù)處理后的QMA柱和Al2O3柱等放置于對(duì)應(yīng)位置,正確連接,并進(jìn)行壓力和真空測(cè)試。準(zhǔn)備就緒,關(guān)閉熱室,運(yùn)行預(yù)先編寫的18F-FLT自動(dòng)化合成程序,控制合成模塊執(zhí)行所有自動(dòng)化合成步驟。
18F-FLT的自動(dòng)化合成過程如下:質(zhì)子轟擊后,用N2壓力使含有18F離子的富[18O]氧水通過QMA柱,18F離子被吸附而留在柱上,富[18O]氧水被收集到回收瓶中;定量轉(zhuǎn)移1.2 mL K222/K2CO3的乙腈-水溶液(K222: 15.0 mg/mL, K2CO3: 2.75 mg/mL, 乙腈:水=39:1 (V/V)),淋洗QMA柱,18F離子的洗脫液收集在反應(yīng)瓶中;100oC加熱,通氣鼓泡,蒸發(fā)吹干,除去溶劑;再加入1.5 mL無水乙腈,110oC加熱,通氣鼓泡,蒸發(fā)吹干,完全除去水分;轉(zhuǎn)移前體BDNT(30.0 mg)的無水乙腈溶液(1.0 mL)到反應(yīng)瓶內(nèi),120oC加熱回流5.0 min,進(jìn)行放射氟化反應(yīng)。反應(yīng)液被冷卻后,轉(zhuǎn)移 2.0 mL HCl溶液(1.0 mol/L)到反應(yīng)瓶中,110oC加熱回流5.0 min,完成水解反應(yīng)。冷卻反應(yīng)液后,加入3.5 mL NaOAc溶液(1.0 mol/L)進(jìn)行中和。將18F-FLT反應(yīng)混合物溶液過 Al2O3柱和微孔過濾器(0.45 mm, 水相),收集在HPLC進(jìn)樣器內(nèi),體積約5.0 mL。
啟動(dòng)HPLC進(jìn)樣器,將其中18F-FLT粗產(chǎn)品溶液注射到5.0 mL進(jìn)樣環(huán)內(nèi)。運(yùn)行Explora LC程序,開始18F-FLT的分離純化,其條件是:流動(dòng)相為藥用乙醇:水=10:90 (V/V),流速為3.0 mL/min,分離柱為半制備反相ODS-BP C18柱。18F-FLT的保留時(shí)間為20.0 min,收集時(shí)間在19.5–21.5 min。所得組份峰溶液經(jīng)過0.22 μm無菌過濾器,收集在產(chǎn)品瓶,即獲得無色、透明的18F-FLT注射液。
開展如下實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)18F-FLT溶液的質(zhì)量控制指標(biāo)。分析型 HPLC和放射性薄層掃描色譜(radio-TLC)用于測(cè)定18F-FLT的放射化學(xué)純度和化學(xué)純度。HPLC流動(dòng)相是乙腈:水=10:90(V/V),流速為1.0 mL/min,分析柱為Zorbax 300SB-C18柱,采取260 nm UV和放射性檢測(cè)器。radio-TLC的展開劑是三氯甲烷:甲醇=4:/1(V/V),薄層板為GF254硅膠板。用HPLC測(cè)定18F-FLT的比活度,檢測(cè)其3個(gè)半衰期內(nèi)的放射化學(xué)純度,檢驗(yàn)其穩(wěn)定性。目測(cè)其外觀顏色和澄清度,用精密pH試紙測(cè)pH值,TLC層析和碘蒸汽顯色法檢測(cè)K222。參考2005年版國家藥典進(jìn)行異常毒性實(shí)驗(yàn)、細(xì)菌內(nèi)毒素實(shí)驗(yàn)、無菌實(shí)驗(yàn)等。
本文以BDNT為標(biāo)記前體,基于“一鍋-兩步”法,利用經(jīng)過升級(jí)改進(jìn)即配有HPLC分離系統(tǒng)的Explora GN模塊,發(fā)展了18F-FLT的自動(dòng)化生產(chǎn)方法,其主要參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果見于表1。該方法合成18F-FLT的總時(shí)間小于65 min,放射化學(xué)產(chǎn)率為15%–25%(未衰減校正,n>20),放射化學(xué)純度大于99%,滿足了18F-FLT的常規(guī)臨床腫瘤PET/CT顯像診斷的需求。
18F-FLT自動(dòng)化合成的首要條件是其成功的放射化學(xué)合成路線。目前,成功用于18F-FLT合成的標(biāo)記前體化合物主要分為(I)和(II)兩大類(圖2),其選擇決定了18F-FLT的放化合成路線和產(chǎn)率高低。化合物(II)為標(biāo)記前體時(shí),通常反應(yīng)條件較為苛刻(DMSO為溶劑、加熱溫度高達(dá)160oC),18F-FLT的放化產(chǎn)率<10%[11,12],故很少被自動(dòng)化合成法采用[22]。大量研究表明,化合物(I)、特別是BDNT(結(jié)構(gòu)式中R1=Ns, R2=DMTr, R3= BOC)是18F-FLT理想的標(biāo)記前體,成為發(fā)展18F-FLT自動(dòng)化合成法的首選,其反應(yīng)條件溫和(乙腈為溶劑、溫度通常為110–130oC),放化產(chǎn)率高(20%–40%)[8–10,13–17]。進(jìn)一步優(yōu)化BDNT為前體的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),BDNT用量和堿K2CO3用量是影響18F-FLT放化產(chǎn)率的主要因素[10,23]。Suehiro等[23]報(bào)道,BDNT與K2CO3摩爾比大于1.5,18F-FLT的產(chǎn)率趨于飽和而穩(wěn)定。我們的前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),K2CO3用量不變,BDNT為10–15 mg時(shí),18F-FLT的產(chǎn)率低且不穩(wěn)定;而為30 mg時(shí),產(chǎn)率高并且穩(wěn)定。因此,本文中BDNT和K2CO3的用量分別為30 mg和3.3 mg,其摩爾比為1.5,18F-FLT的放化產(chǎn)率為15%–25%(未衰減校正),以(4.44–5.55)×1010Bq的18F離子開始,其典型產(chǎn)量為(0.74–1.11)×1010Bq18F-FLT。
18F-FLT的自動(dòng)化合成還依賴于合適的放射性藥物化學(xué)合成模塊。到目前為止,以BDNT為起始反應(yīng)物,已有多種商品化模塊被用于18F-FLT自動(dòng)化合成,它們的主要參數(shù)和結(jié)果見表1。然而,Oh等[13]使用的TracerLab Mx模塊無冷卻功能,[18F]氟化反應(yīng)需先高溫-后低溫的兩階段加熱,并于結(jié)束后先將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到相鄰的注射器內(nèi)以降低壓力,使其步驟多并導(dǎo)致放射性殘留損失。其它模塊的主要局限性是不能連續(xù)多次合成,一次試劑準(zhǔn)備,只能進(jìn)行單次合成[14–16]。本文采取的Explora GN模塊具備快速加熱升溫和冷卻、及多次定量轉(zhuǎn)移、添加試劑的能力,具有多次合成18F-FLT的優(yōu)勢(shì)。另外,分離純化功能是自動(dòng)化合成模塊的重要組成部分。根據(jù)所用模塊的特點(diǎn),不同作者使用了HPLC[13,14]或固相萃取(SPE)分離純化18F-FLT[15,16]。Bourgeois等[24]認(rèn)為,HPLC分離純化18F-FLT最為可靠,各項(xiàng)指標(biāo)均嚴(yán)格符合臨床用放射性藥物的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。我們的實(shí)驗(yàn)表明,18F-FLT合成過程中產(chǎn)生大量化學(xué)雜質(zhì),進(jìn)行HPLC時(shí)須仔細(xì)檢驗(yàn)流動(dòng)相,以免雜質(zhì)混入產(chǎn)品18F-FLT溶液(圖4)。例如,流動(dòng)相為乙醇:水=20:80(V/V)時(shí),保留時(shí)間為9.5 min,產(chǎn)品18F-FLT的放射性峰與雜質(zhì)的紫外峰緊密相連(圖4a);流動(dòng)相為10/90(V/V)時(shí),保留時(shí)間延長為20.0 min,則產(chǎn)品峰與相鄰雜質(zhì)峰完全分開(圖4b),充分保證了18F-FLT的化學(xué)純度。
表1 18F-FLT各種自動(dòng)化合成的主要參數(shù)與結(jié)果 (BDNT為前體)Table 1 Major parameters and results of various automated syntheses of 18F-FLT (BDNT as precursor)
圖4 18F-FLT分離的半制備HPLC譜圖。流動(dòng)相乙醇:水的體積比為20:80 (a) 和 10:90 (b)Fig.4 Semipreparative HPLC of 18F-FLT separation.EtOH/H2O in 20/80 (a) and 10/90 (b) as mobile phase.
18F-FLT注射液的各項(xiàng)質(zhì)量控制指標(biāo)均符合臨床放射性藥物的質(zhì)控要求,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。HPLC和radio-TLC的結(jié)果顯示,18F-FLT的放射化學(xué)純度大于99%,對(duì)應(yīng)的保留時(shí)間和比移植分別為6.2 min(圖5a)和0.58(圖5c),前者與參考標(biāo)準(zhǔn)品FLT的保留時(shí)間一致(圖5d)。HPLC的UV色譜進(jìn)一步表明其化學(xué)純度高(圖5b),除了容積峰以外,沒有其它化學(xué)雜質(zhì)存在。18F-FLT注射液外觀呈無色透明,pH 值為 7.0,比活度為(2.32±0.27)×1014Bq/mmol,放射性濃度大于 1.11×109Bq/mL。經(jīng)過HPLC檢驗(yàn),18F-FLT注射液的穩(wěn)定性良好,3個(gè)半衰期之內(nèi)放射化學(xué)純度沒有明顯變化。細(xì)菌內(nèi)毒素實(shí)驗(yàn)和無菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為陰性,異常毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果正常,所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物均無異常行為表現(xiàn)。
利用升級(jí)改進(jìn)的Explora GN模塊和半制備HPLC,采取基于標(biāo)記前體BDNT的“一鍋-兩步”法的放射化學(xué)合成路線,我們發(fā)展了18F-FLT的自動(dòng)化生產(chǎn)方法。18F-FLT的總合成時(shí)間小于65 min,放射化學(xué)產(chǎn)率為15%–25%(未衰減校正,n>20),放射化學(xué)純度大于99%,并具有很高的化學(xué)純度和比活度。該方法實(shí)現(xiàn)了18F-FLT快速、穩(wěn)定和高產(chǎn)率的自動(dòng)化生產(chǎn),又具有連續(xù)多次合成的能力,將會(huì)大大方便18F-FLT臨床應(yīng)用、特別有利于其多中心臨床研究的大量藥物配送。
圖5 18F-FLT注射液的分析型HPLC (放射性信號(hào)(a)和紫外信號(hào)(b))和radio-TLC ((c), 展開距離為50–110 mm) 圖譜和標(biāo)準(zhǔn)品FLT的HPLC圖譜(d)Fig.5 Analytical HPLC spectrums of the 18F-FLT radioactive trace (a) and UV trace (b), the radio-TLC (c) with 50–110 mm as developing distance, and HPLC spectrum of standard FLT(d).
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