国产氟-18多功能模块及合成正电子放射性药物概述

张帆 于璟 大连医科大学附属第二医院核医学科 (大连 116027)

国产氟-18多功能模块及合成正电子放射性药物概述

张帆 于璟 大连医科大学附属第二医院核医学科 (大连 116027)

正电子放射性药品大多采用自动化模块合成以适应临床需要，这种全自动化模块的生产模式有其自身优势，但同时也带来了很大的挑战。本文介绍了国产PET-MF-2V-IT-I型氟-18多功能模块的特点，并运用该模块进行单反应管合成、双反应管合成、点击化学合成、联合11C碘代甲烷模块合成多种放射性药物，以满足临床及科研的需求。

正电子发射断层显像 放射化学 自动化放射性药物合成 氟-18

1.概述

氟-18是放射性核素，其衰变产生的正电子与周围电子湮灭发射511KeV的γ光子，因此对氟-18的化学反应不能像普通化学反应用手操作，而应在铅屏蔽下进行，采用机械手或计算机控制；同时，氟-18的半衰期为110min，要求氟-18标记的反应快速进行。氟-18标记的化合物大多为药品，临床需求量大，需要经常重复操作，因此氟-18核素的标记大多采用多功能模块完成。多功能模块即采用正电子核素氟-18标记，在预安装试剂后，控制单步或多步化学反应在预定程序下自动对试剂进行转移、反应管加热、纯化等过程，最终得到合格的正电子药物的设备。正电子放射性药物模块最早是美国UCLA开发的计算机控制的化学过程单元（CPCU），后逐步开发针对不同核素、不同药物的模块。我国的正电子药物模块一直依赖进口，由美国通用公司和德国西门子公司生产。直到2003年由我国成功研制了氟-18-FDG模块，2006年研制了氟-18多功能模块。于2007年正式推到巿场，该模块配有一套固相萃取、两套独立反应管、三套加热系统。与目前国外的模块相比，其配置齐全，可进行多步化学反应，可合成的药物品种多，目前共有21家医院及科研单位在使用，下文结合已发表的论文介绍本模块功能。

图1. 氟-18多功能合成模块

图2. 氟-18多功能模块操作控制界面

国产氟-18多功能模块的型号为PET-MF-2VIT-I，模块有两个独立反应管，三个独立的加热系统，允许两个不同的亲核反应分开进行，采用计算机控制，能自动合成多种常规的氟化合物及复杂化合物。化合物合成所需温度和时间可以方便的在电脑上设置。

PET-MF-2V-IT-I型氟-18多功能合成模块整合了多种可供任意组合的氟化合物合成模式，如采用单管法可以合成常规的18F标记的药物，如18F-FDG、18F-乙酸盐、18F-FMIS°等，用柱色谱法而无需HPLC可以合成如18F-FLT、18F-乙基胆碱、18F-FET等。采用HPLC纯化法可合成18F-FES、18F-FDDNP等。还可以采用双管法单独制备第二标记前体，如常用的18F-溴乙基、18F-溴甲烷、18F-4-氟苯甲醛、18F-4-氟苯甲醇、18F-4-氟苯甲酸、18F-4-氟溴苯等。以便进一步合成更复杂的化合物，也可以按照合成步骤自行编写合成程序。

2.基本功能

2.1 单反应管合成

（1）一步亲核反应

单管合成功能，是国产氟-18多功能模块的基本功能，它可以完成一步合成反应和二步合成反应。目前采用单管合成一步亲核反应的药物有：多巴胺受体显像剂18F-Fallypride[1]、早老痴呆诊断剂18F-W372[2]和心肌灌注显像剂18F-TPT[3]等。

18F-Fallypride合成过程中，亲核反应完毕后用水稀释，将粗品经Sep Pak C18柱纯化，无需HPLC分离。方法快捷简单，且可减少对标记人员的辐照伤害，便于临床推广使用。18F-W372合成过程中，亲核反应结束后需将产品混合物经过Al2°3柱纯化，再经HPLC分离后收集产品。由于氟-18标记在吡啶环上，最终产品需用含有少量维生素C的注射用水稀释，以减少产物分解。在18F-TPT合成过程中，采用固相交换法，无需相转移催化剂，即模块上QMA柱进口端接头直接与1号瓶进液端连接（不接QMA柱），使携带18F-的H218°直接转移到反应管。反应前需要在模块的反应管中预先加入少量氨水，18F-TPT亲核反应过程中需要的反应温度为250°C，反应完毕后需要通过HPLC进行纯化得到最终产物，不矫正合成效率为2.5%。

（2）一步亲核，然后水解反应

国产氟-18多功能模块也可以实现“亲核+水解”反应，即一步亲核反应结束后，再进行水解。可采用此方法进行合成的药物有：肿瘤细胞增殖显像剂18F-FLT[4]、肿瘤细胞乏氧显像剂18F-FAZA[5]、肿瘤受体显像剂18F-FES[6]、心肌脂肪酸代谢显像剂18F-FTHA[7]和常规的18F-FDG。18F-FLT、18F-FES、18F-FTHA的反应过程都是亲核反应结束后，冷却反应管，然后直接向反应管内加入酸或碱进行水解，再启动HPLC纯化，最后得到产品。而18F-FAZA和18F-FDG是一步亲核反应结束后，经固相萃取柱纯化后转移到第二个反应管中进行水解或在萃取柱上直接水解，此过程中间体经过一次提纯再水解，可提高合成的重复性和产品纯度。其中18F-FLT、18F-FES需要加入HCl进行水解，而18F-FAZA、18F-FTHA、18F-FDG需用加入Na°H进行水解。

（3）二步亲核反应

有些反应在单反应管合成过程中首先需要用18F-对中间体进行标记，然后再与前体进行亲核反应，即在第一步反应结束后，直接在管内加入前体进行第二步亲核反应。国产氟-18多功能模块即可进行单反应管二步亲核反应。例如，炎症和肿瘤鉴别显像剂18F-FET的合成，首先18F-与Ts°CH2CH2°Ts的乙腈溶液在反应管内加热反应，生成1-氟-2-对甲苯磺酰基乙烷（18FCH2CH2°Ts），再加入前体N-B°C-L-色氨酸乙酯的无水DMS°/ Na°H（pH=9）溶液反应，最后经HCl水解，Na°H中和得到最终产物。另外可用单管进行二步亲核反应完成的药物还有18F-FECH。

2.2 双反应管合成

除以上单反应管功能外，本模块具有其他多功能模块不具有的功能，即联合两个反应管，甚至第三反应管的功能。设计的双管氟-18多功能模块由氟离子捕获、第一反应管、第二反应管、高效液相色谱（HPLC）纯化和固相萃取五个部分组成，反应管透明，采用两个反应管进行不同反应，以制备复杂化合物。本研究模块与其他氟-18多功能模块区别：除多一个反应管外，更关键的是本模块反应管的可视化，采用透明反应管，在热室外可观察到反应管内颜色的变化，通过溶液颜色的变化可以判断反应进程和合成成功与否。目前可用双反应管合成的药物有：肿瘤新生血管显像剂18F-RGD[8]、细胞凋亡显像剂18F-FEDPA[9]、蛋白的联接剂18F-SFB[10]、肿瘤显像剂18F-FECH[11]。

其中18F-FECH的制备方法目前根据文献报道有三种。一是双管法制备，该方法的优点是将二步反应分别放在两反应瓶内进行，经硅胶纯化即可。该制备方法可在双管FDG模块上进行；二是采用改良的单管系统合成18F-FECH，将第一步亲核和第二步取代合并在一个反应管内进行，用乙醇将产品转移到Silica柱上。但在单管多功能模块上采用该方法有困难，需对模块进行改造，增加控制单元，以实现废液和产品的分开；三是单管多功能模块，在同一反应管内进行两步反应，再经HPLC纯化，该方法费时、费力。而国产多功能模块可将两步反应分开，将第一步的中间体经Silica柱吸附氟离子和K2.2.2，可降低产品中的杂质含量。该模块除制备氟乙基外，还可在第一反应管制备如氟溴甲烷、1-氟-2-溴乙烷等其他前标记前体，经Sep Pak柱纯化后进入第二反应管，以合成氟烷基化的化合物，该特点是单管多功能模块所不具备的。

另外，18F-FDG是目前PET检查使用最多的放射性药物，一般合成18F-FDG采用专用模块，氟-18多功能模块常作为专用模块的补充。氟-18多功能模块合成18F-FDG一般采用液相碱水解，以避免使用注射器，使设备更容易控制，但液相水解最大的缺点是产品中可能含有乙腈，而且K2.2.2含量也较大。国产氟-18多功能模块的特点是采用和专用模块一样的固相水解方法，用气动方式将碱加到Sep Pak C18柱上，达到了与专用模块相同的化学纯度，因此可作为专用FDG模块的补充。

总之，在普通单管多功能模块的基础上，增加一个反应管，而且使反应管透明可视。达到了合成复杂放射性氟化合物，并通过颜色变化观察放射性合成过程的目的。该模块不仅满足临床常规放射性药物合成的需要，还满足合成复杂化合物科研的要求。

3.独有技术功能

国产氟-18多功能模块不但可以实现双管之间液体转移，而且可以实现放射性气体的转移，将第一反应管生成的中间产物随氮气从反应管蒸出，直接或经Sep Pak柱上再纯化到第二反应管，以进行下一步反应。目前运用此种方法进行合成的药物有肿瘤显像剂18F-FCH[12]。在18F-FCH的合成过程中，首先18F-与二溴甲烷（CH2Br2）的乙腈溶液在反应管中110°C下密闭反应8min，冷却反应管，切换已经改装好的三通阀并开始加热至80°C，将合成的18FCH2Br随氮气从反应瓶中蒸出，经过三个相连的Sep Pak Si°2柱后，在Sep Pak C18柱上与负载的前体N，N-二甲基乙醇胺发生甲基化反应，最后经过Sep Pak Plus CM柱分离，得到18F-FCH注射液。放化产率可达12%±2%（n=3，按18F-计算，未校正），放化纯度大于95%。该方法可以延伸到所有氟甲基药物的合成。

利用该技术，国产氟-18多功能模块还可以实现全自动“点击化学”合成多肽。所谓“点击化学”，其核心是炔与叠氮反应形成杂原子链接单元（C-X-C）的新合成方法，具有条件温和、反应速度较快、立体选择性高等特点；在亚铜催化下，末端炔与叠氮化合物在常温下发生反应，生成稳定化合物。采用此方法进行合成的药物有18F-Pen-peptide[13]。

运用国产氟-18多功能模块点击化合成18F-Pen-peptide的过程中，首先在第一反应管合成6-氟-18戊炔，将之蒸发到第二反应管，与叠氮短肽前体在亚铜催化下发生点击反应，在室温下生成18F-Pen-peptide，经半制备HPLC纯化，再经固相萃取得到注射18F-Pen-peptide，6-氟-18戊炔与肽的反应效率可以达到99%左右。全自动点击合成的关键是蒸出5-18F-氟戊炔，本模块第二反应管通入氮气和向外输送液体为同一管线，可完成除乙腈或蒸发5-18F-氟戊炔的操作，而普通多功能合成模块虽然可以合成5-18F-氟戊炔，但不能将之蒸发到第二反应管。

4.延伸功能

由于受场地和经费的限制，有些PET中心不可能配备所有的合成模块，部分PET中心尽管有多种模块，但仍无法合成某些放射性药物。因此可以将国产11C碘代甲烷模块和氟-18多功能模块联合使用，合成11C的正电子放射性药物。

反应过程中先由11C碘代甲烷模块合成甲基化试剂11CH3-Triflate，再将11CH3-Triflate通入到含有前体的氟-18多功能模块的第二反应管中，根据合成不同的药物，在反应管中加入不同的前体、溶剂和辅料，并根据需要加热，反应完毕后将反应液体转移到中转瓶，并用流动相稀释反应液后用半制备HPLC纯化，收集产品，之后再经固相萃取制备可供注射的11C放射性药物。通过此结合方法，可自动化合成的药物有：外周苯二氮卓受体显像剂11C-PK11195、Aβ斑块显像剂11C-PIB、多巴胺D2受体显像剂11C-Racl°pride和5-羟色胺转运蛋白显像剂11C-DASB[14]。两种模块组合的方式，充分挖掘了模块的价值，可为临床提供更好的服务。

5.结语

随着PET/CT的临床广泛应用，需要更多高质量、特异性的正电子放射性药物以满足临床的不同需求。目前几乎所有的正电子放射药物都是由模块自动化合成，采用专用模块或多功能模块可以合成种类繁多的放射性药物。运用国产氟-18多功能模块可进行单反应管合成、双反应管合成、点击化学合成、联合11C碘代甲烷模块等方法合成多种放射性药物，并且能够运用自行编写的程序进行药物合成，在临床药物生产和新药研发方面都展现出了独特的优势。

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Review of Domestic F-18 Multifunctional Module and Synthesis Positron Radiopharmaceuticals

ZHANG Fan YU Jing Department of Nuclear Medicine, The Second Hospital of Dalian Medical University (Dalian 116027)

The feld of radiochemistry is moving towards exclusive use of automated synthesis modules for production of most clinical radiopharmaceutical doses. Such a move comes with many advantages, but also presents radiochemists with many challenges. This review introduces the characteristic of the PET-MF-2V-IT-I synthesis module, and use it to automate synthetize a series of radiopharmaceutical with the method of single tube synthesis, double tube synthesis, click chemistry synthesis and combined with11C-CH3I synthesis module, in order to meet the requirements of clinical and scientifc research .

positron emission tomography, radiochemistry, automated radiopharmaceutical synthesis, fuorine-18

1006-6586(2016)11-0031-05

R817.9

A

2016-03-04

张帆，技师。