单管法11C-CH3I的合成条件优化及胆碱生产与临床应用

何山震,王淑侠,徐卫平,王思云,王 朋

(广东省医学科学院广东省人民医院PET中心,广东 广州 510080)

[N-甲基-11C]胆碱(11C-胆碱)是一种重要的PET肿瘤显像剂,其血液清除快,可用于脑瘤、肺癌、食管癌、直肠癌、前列腺癌、软组织肿瘤和膀胱癌等诊断[1-3],特别是在对泌尿系统和部分脑肿瘤的病变诊断上明显优于18F-FDG[4]。

目前11C-胆碱的标记主要是通过11C-CH3I与前体N,N-二甲基乙醇胺反应得到。由于11C的半衰期只有20 min,故其合成必须简单快捷。Diksic等[5]最早合成得到了11C-胆碱,但操作复杂无法应用于临床;Pascali等[6]采用离子交换法简化了合成方法,但自动化程度不高;张锦明等[7]在Pascali的基础上进行了改进,实现了自动化合成11C-胆碱,但合成产率不太理想,稳定性较差。本研究拟在张锦明等工作的基础上,通过优化标记的反应条件,以提高标记产率和生产的稳定性。

1 主要材料

1.1 主要仪器

RDS-111型加速器:美国 CTI公司产品;Waters2487高效液相色谱仪:美国Waters公司产品;Bioscan Flow Count放射性检测仪:EG&G公司产品;CRC-15R型活度计:美国Capintec公司产品;11C合成模块:江苏大华电器公司产品。

1.2 主要试剂

含1.5%氧气的高纯氮气:广州气体厂提供;USP乙醇、N,N-二甲基乙醇胺:Aldrich产品;浓度为1.0 mol/L的LiAlH 4的THF溶液、57%HI:ABX产品;C-18柱、CM 柱:Waters产品;0.22μm无菌过滤器:Millipore产品。

1.3 病例

脑胶质瘤和前列腺瘤疑似患者各1例。临床疑似脑胶质瘤患者:男,54岁,头痛一个星期,MR发现有占位性病变;临床疑似前列腺癌患者:男,67岁,体检B超发现前列腺肥大同时伴PSA升高。

2 方 法

2.1 11C-CH3 I与11C-胆碱合成方法

按文献[7]方法采用加速器,经14N(p,α)11C反应得到11C,11C与靶内的氧气反应生成11CCO2。11C-CO2与 LiAlH4反应生成11C-甲醇,11C-甲醇再与HI发生取代反应得到11C-CH 3 I。C18柱上预装N,N二甲基乙醇胺前体,同时将C18柱和CM柱连接到仪器对应位置,生成的11C-CH 3I在氮气载带下经2个四通阀进入C18柱和CM柱与前体反应。反应完毕分别打开乙醇和水的阀门,以氮气为动力,用乙醇和水淋洗C18柱,废液进入废液瓶,用生理盐水将吸附在CM柱上的11C-胆碱淋出,经无菌过滤膜后进入收集瓶。

2.2 合成条件的优化

11C-CH 3I与11C-胆碱合成中主要影响因素有:LiAlH4、N,N-二甲基乙醇胺和57%氢碘酸的用量、反应的载气流量和压力、蒸发时间等,分别考察这些因素对标记效率的影响,以寻找最佳合成条件。

2.3 质量控制

产品用精密p H试纸测试,HPLC测定产品的放化纯度:0.05 mol/L NaH2 PO4为流动相,C18柱为分离柱。11C-胆碱的参考保留时间为4.3 min,杂质11C-CH3I的参考保留时间为16.5 min。采用EDS-99型热源检测系统(37±0.1℃)检测产品的热原。由本院检验科协助进行产品的无菌检测。

2.4 临床应用

临床疑似脑胶质瘤和前列腺瘤疑似患者各1例,18F-FDG PET/CT检测均为低代谢冷区显像,24 h后静脉注射740 MBq11C-胆碱,10 min后进行PET/CT三维局部显像,采集数据进行迭代重建。11C-胆碱PET/CT三维局部显像图像与18F-FDG的PET/CT图像行对比研究,并以病理结果或疗后随访验证准确性。

3 结果与讨论

3.1 载气流量和压力对11 C-CH 3I产率的影响

载气流量和压力对11C-CH3 I产率的影响列于表1(选定LiAlH 4用量为0.3 mL,57%的 HI的用量为0.5 mL)。从表1可以看出,载气的流量对碘代甲烷合成影响较大。流量太大,11CO2不能被有效吸附,11C-CH 3 I的产率低,进而导致11C-胆碱的产量低;流量太小,11C-CH3I滞留在反应管内导致合成失败;而载气的压力对反应影响不大。综合分析表 1,选择载气流量为28 mL/min,载气压力为0.28 k Pa,此时合成产率最高,达63.9%±2.3%。

3.2 反应原料用量对11C-CH3 I产率的影响

在选定载气流量为28 mL/min、载气压力为0.28 k Pa后,对反应原料用量进行优化,结果列于表2。从表2可看出,57%HI的用量对最终产率的影响不明显,但LiAlH 4用量少时,11CO2吸收率低,废气固体NaOH吸收瓶剂量明显升高,同时有可能发生蒸干现象,直接导致合成失败。而LiAlH4的用量多时,由于溶剂THF不能被有效清除,导致11C-CH 3I的产率明显下降。因此,选择 LiAlH4用量为 0.3 mL、57%的 HI用量为0.5 mL,此时,11C-CH 3I的产率最高,达62.8%±3.2%。

表1 载气流量和压力对产率的影响(¯x±s,n=5)

表2 反应原料用量对产率的影响(¯x±s,n=5)

3.3 反应温度及蒸发时间对11 C-CH3I产率的影响

选定 LiAlH 4用量为0.3 mL,57%的 HI的用量为0.5 mL,载气流量为28 mL/min,载气压力为 0.28 kPa,反应温度及蒸发时间对11CCH3 I产率的影响列于表3。表3数据显示,反应温度为150～180℃时对产率影响不大,而温度较低(＜100℃)时和较高(＞200℃)时,11CCH3 I的产率均较低。这是由于在较低温度下,溶剂THF不能去除,导致合成失败;而温度较高,放射性挥发损失大,导致产率低。

蒸发时间可随加入HI的量适当调节,本研究中,由于加入的HI的量为0.5 mL,反应温度在180℃时稍微延长蒸发时间到12 min可以得到61.5%±3.6%的产率。

表3 反应温度及蒸发时间对产率的影响(¯x±s,n=5)

3.4 常规合成20批次的结果分析

分别采用优化前与优化后的条件合成11C-胆碱10批次。在条件优化前合成的10批次中,3批次失败,其中2批次产率过低,1批次发生蒸干;在条件优化后合成的10批次中,1次失败,后查明为加57%HI的针管泄漏,HI没有进入反应管导致失败。优化前后的合成结果示于图1。由图1可知,条件优化后,产率明显提高,生产的稳定性有明显改善,11C-CH 3I的校正产率为62.2%±3.4%。

图1 优化前后的产率结果对比◆——优化前;□——优化后

11C-胆碱标记分两步,其关键一步是11CCH 3I的合成,第二步甲基化可以在室温下进行,产率稳定,达95%以上。因此,11C-CH3 I的合成产率对总的产率有直接影响。由于合成11C-CH 3I涉及到对水相当敏感的试剂 LiAlH4,反应操作过程作隔水除水处理可以大幅提高标记的效率和成功率。另外,在靶气11CO2的出口端装一个P2O5干燥小柱,一方面可以有效去除11CO2中的痕量水蒸气,另一方面可以防止反应溶剂倒吸进入合成模块,从而防止管道被腐蚀或堵塞使标记失败。

3.5 11C-胆碱的质量控制

所合成的11C-胆碱外观澄清透明,无浑浊,经精密p H试纸测试,p H为6.5～8.0;HPLC测定产品的放化纯度＞95%。11C-胆碱的热原检测结果均为阴性。无菌检测:本院检验科对11C-胆碱产品进行细菌培养两天,未见有菌生长。

3.6 11C-胆碱的临床应用

2例临床表现为脑胶质瘤和前列腺癌的患者的18F-FDG和11C-胆碱PET/CT显像结果示于图2。由图2c可以看出,2例患者18F-FDG显像结果均为低代谢的病变区。为进一步明确病变,24 h后行11C-胆碱 PET/CT显像(图2a)。图2a显示2例患者病变区11C-胆碱PET/CT显像均表现为高代谢,靶与本底的放射性摄取比高,对比明显。从显像的图像上看,11C-胆碱PET/CT显像表现为阳性显像,比18F-FDG显像的冷区显像更易识别和辨别。

前列腺癌患者术后病理结果为恶性病变,脑胶质瘤疑似患者进行临床保守治疗,3个月后进行随访已恶化为全身病变。

图2 脑胶质瘤和前列腺癌患者的18 F-FDG与11 C-胆碱PET/CT显像结果第一排为脑胶质瘤显像,第二排为前列腺癌显像a——11C-胆碱图像;b——对应的 CT 断层图像;c——18 F-FDG 图像

4 结 论

通过优化合成11C-CH 3 I的反应条件,提高了11C-CH3I的产率,并且在生产的稳定性上也有了明显的改善。另外,工作中也发现,在使用后对仪器及时进行清洁维护和保养也是日常工作中非常重要的一部分,可以减少因仪器故障引起的合成失败。

临床显像应用表明,在一些肿瘤病变上,11C-胆碱PET显像可以弥补18F-FDG显像的不足,联合使用11C-胆碱和18F-FDG 进行PET/CT显像可以大幅提高PET诊断的特异性和准确性。

[1] Shinoura N,Nishijima M,Hara T,et al.Brain tumors:detection with11C-choline PET[J].Radiology,1997,202:497-503.

[2] Hara T,Kosaka N,Kishi H.PET imaging of prostate cancer using11C-choline[J].J Nucl Med,1998,39:990-995.

[3] Zhang H,Tian M,Oriuchi N,et al.11C2-choline PET for the detection of bone and soft tissue tumors in comparison with FDG PET[J].Nucl Med Commun,2003,24:273-279.

[4] 刘续磊,陶荣杰.应用11C-胆碱PET/CT鉴别恶性胶质瘤复发与坏死的研究进展[J].现代肿瘤学,2007,15(11):1 692-1 694.

[5] Diksic Y,Yamamoto L,Feindel W.Synthesis of11C-labeled choline[J].J Labelled Comp Radiopharm,1984,14:9-15.

[6] Pascali C,Bogni A,Iwata R,et al.11C-methylation on a C18 Sep-Pakcartridge:a convenient way to produce N-methyl-11C-choline[J].J Labelled Comp Radiopharm,2000,43:195-203.

[7] 张锦明,田嘉禾,杨志,等.自动化制备11C-胆碱及临床应用[J].中华核医学杂志,2004,24(1):46-48.