液相法合成11C-CH3I的影響因素

李 琳,孫 華,黃飛杰,李敏聰,張錦明

(1.昆明醫學院第三附屬醫院,云南省腫瘤醫院 PET/CT中心,云南昆明 650018;2.解放軍總醫院核醫學科,北京 100853)

11C-碘代甲烷(11C-CH3I)是正電子藥物甲基化過程中不可缺少的前體,可用于合成11C-膽堿 (11C-Choline)[1-2]、11C-雷氯必利 (11C-Raclopride)[3]、11C-甲基-N-2β-甲基酯-3β-(4-碘-苯基)托 烷 (11C-β-CFT)[4]、11C- 蛋 氨 酸 (11C-ME T)[5]、11C-甲基哌啶螺環酮 (11C-NMSP)[6]等正電子藥物。但其半衰期短(T1/2=20 min),合成條件苛刻,產率較低,因此研究高效快速合成11C-CH3I的方法尤為必要。本工作擬針對液相法合成11C-CH3I中存在的11C-CH3I合成效率較低等問題,利用 PET-CS-Ⅱ-IT-I11C-CH3I合成模塊,對11C-CH3I合成條件進行優化探討,以期為11C-正電子藥物合成提供一條高效快速的途徑。

1 主要實驗材料

1.1 主要儀器

Sumitomo HM-10加速器:日本住友重機械工業株式會社;PET-CS-Ⅱ-IT-I11C-CH3I合成模塊:北京派特生物技術有限公司;CRC-15R活度計、Radio-TLC(放射性薄層掃描儀):美國Bioscan公司;分析型 HPLC:Alltech公司產品,配有UV201型紫外檢測器、RI200型示差檢測器、606 泵、626 泵、Sep-Pak C18柱;內徑 6 mm ×12 cm反應管:北京派特生物技術有限公司。

1.2 主要試劑

57%氫碘酸 (HI):美國 Acros公司;1.0 mol/L氫化鋰鋁/四氫呋喃溶液(LiAl H4/THF):分析純,德國ABX公司;五氧化二磷:分析純,國藥集團化學試劑公司;氫氧化鈉:分析純,天津市化學試劑三廠;二甲基亞砜(DMSO):分析純,天津化學試劑公司;無水乙醇:色譜純,美國M ERCK公司。

2 實驗方法

2.1 11 C-CH3 I的自動化合成[7]

Sumitomo HM-10加速器質子轟擊氮氧混合氣,利用14N(p,α)11C核反應靶內產生11CO2,能量10 MeV、束流30μA,轟擊時間30 min。靶內生產的11CO2經釋放進入合成箱,11CO2進入冷卻不銹鋼環(LOOP環),LOOP環浸泡在液氮中,11CO2變成干冰被捕獲于LOOP環內,然后移走液氮,LOOP環升至室溫,用40 mL/min的氮氣將11CO2載入裝有0.2 mL 1.0 mol/L Li-Al H4/THF的反應管中。保持40 mL/min氮氣氣流,加熱反應管除去 THF生成復合鹽,之后冷卻反應管,加入一定量57%的 HI,復合鹽水解生成11C-CH3OH,HI與之在同一反應管內立即反應生成11C-CH3I,加熱反應管,11C-CH3I氮氣載帶經內裝五氧化二磷及少量氫氧化鈉的吸附柱,再通入裝有2 mL DMSO的小瓶吸收即得。

2.2 11 C-CH3 I自動化合成條件的優化

2.2.1 加速器靶內釋放11CO2速度和LOOP環釋放11CO2時間

加速器靶內釋放11CO2的速度直接影響11CO2的捕獲,從而影響合成效率。實驗中將11CO2廢氣管路接至活度計,由活度計示數計算加速器傳輸11CO2時產生的廢氣量。通過自動釋放和手動控制釋放兩種方式,觀察釋放方式對LOOP環捕獲11CO2的影響。

11CO2從LOOP環中有效釋放至反應管是反應順利進行的重要因素。將LOOP環釋放管線的廢氣置于活度計內進行測量。以研究LOOP環釋放11CO2的時間對進入反應管內放射性活度的影響。

2.2.2 化學試劑量及反應時間

為了確定在現有條件下化學試劑的最佳用量,改變 1.0 mol/L LiAl H4/THF和 57%HI用量;改變除 THF時間及反應管冷卻時間,按照2.1的步驟合成11C-CH3I,計算合成效率。

2.3 11 C-CH3 I合成效率的計算

2.3.1 加速器釋放11CO2的活度測定

將裝有一定濃度NaOH吸收液的小瓶置于活度計內,直接釋放加速器靶內的11CO2至小瓶。此時活度計的示數即為加速器釋放的11CO2活度。保持加速器能量10 MeV、束流30μA,轟擊時間30 min。重復測定5次,取平均值。

2.3.211C-CH3I活度測定

利用 DMSO 吸收11C-CH3I。11C-CH3I模塊產品出口處接內裝2 mL DMSO的小瓶,并置于活度計內,活度計讀數即為11C-CH3I產品活度。

由以下公式計算合成效率:

2.4 11 C-CH3 I放化純度分析

采用分析型 HPLC,以90%乙醇溶液為流動相,流速為1 mL/min,測定11C-CH3I的放化純度。

3 結果與討論

3.1 加速器靶內釋放11 CO2速度和LOOP環釋放11 CO2時間

3.1.1 加速器靶內釋放11CO2速度對LOOP環捕獲的影響

加速器在靶內直接生成氣態的11CO2,從靶內傳到合成模塊上有兩種方式。一是自動傳輸,即:靶內的高壓氣體先靠靶壓將放射性傳到合成模塊上,再用高壓氮氣將剩余氣體沖到合成模塊上。二是手動釋放,即:手動點擊靶閥,使靶內氣體依靠自身壓力傳到LOOP環上,始終控制廢氣量為 37～74 MBq,待靶內壓力降到本底(0.1 MPa)以下,隨即合成。本研究采用內徑為0.159 cm鋼管(LOOP環)捕獲11CO2。兩種方式各進行5次傳靶實驗。先采用自動傳輸。實驗中發現,先傳到模塊LOOP環中的干冰被后面的高壓氮氣沖出 LOOP環進入廢氣,使LOOP環內放射性下降約40%,改用手動釋放,將廢氣量控制在約55.5 MBq。結果顯示,管線內殘留的放射性僅占5%。由此可見通過手動釋放,LOOP環捕獲的11CO2提高了35%,有助于提高整體合成效率。

3.1.2 LOOP環釋放11CO2時間

移走液氮,同時將模塊內管線由捕獲切換至釋放。LOOP環被室溫加熱,同時使用氮氣沖過LOOP環,11CO2釋放進入反應管與試劑反應。觀察釋放時間對反應管內放射性活度的影響。釋放到反應管中的11CO2總放射性活度的測定:將裝有1.0 mol/L LiAl H4/THF的反應管置于活度計中,保持加速器能量 10 MeV、束流30μA,轟擊時間30 min。待加速器傳靶結束后,釋放LOOP環中的11CO2至反應管。此時活度計的讀數即為釋放至反應管中的放射性活度。

實驗表明,LOOP環釋放11CO2時間控制在120～140 s為宜,因此釋放時間分別設定為120、125、130、135和 140 s。每一釋放時間重復5次實驗,取平均值,結果列于表1。從表 1可知,11CO2的有效釋放是反應順利進行的重要因素。釋放時間短,11CO2釋放不完全,參加反應的11CO2量少,放射性活度較低;釋放時間過長,由于11CO2衰變快,放射性損失過多。因此,在實驗中,將11CO2釋放時間控制為135 s為宜。

表1 11 CO2釋放時間對反應管內放射性活度的影響

3.2 化學試劑量及反應時間

3.2.1 1.0 mol/L LiAl H4/THF用量和除THF時間

11CO2釋放進入反應管與LiAl H4反應,Li-Al H4/THF試劑用量對合成效率的影響列于表2。合成條件:LOOP環釋放11CO2時間135 s,57%HI用量0.3 mL,加熱除 THF時間170 s,冷卻反應管時間65 s。由表2可以看出。反應管內1.0 mol/L LiAl H4/THF用量與合成效率相關;當體積<0.1 mL時,通入的氮氣將少量易揮發的 THF在通入11CO2時蒸發,在11CO2釋放后期,廢氣中的放射性增加很大,表明此時THF已揮發。當體積>0.4 mL時,THF不能有效去除。因此,1.0 mol/L LiAl H4/THF用量以0.2 mL為宜。

表2 1.0 mol/L LiAl H4/THF用量對合成效率的影響

THF殘留是影響親核反應的重要因素之一,THF為堿性,其殘留在影響鹽水解的同時還影響 HI與甲醇的反應,使合成效率大大降低,甚至為零,所以應將 THF去除。在固定 THF用量的情況下,可以適當延長加熱時間。實驗中將除 THF的廢氣管路接至活度計,則除 THF時間與活度計所示廢氣量增減相關。將合成條件固定為:LOOP環釋放11CO2時間135 s,57%HI用量0.3 mL,1.0 mol/L LiAl H4/THF用量0.2 mL,冷卻反應管時間65 s,除 THF時間與放射性廢氣量的關系列于表3。分析表3可知,廢氣量增加過低或不增加,表明 THF仍有殘留,反應無法順利進行;廢氣量增加過快,則表明THF已除過,并且生成了更多的11C-甲醇,從而使放射性損失,合成效率降低。實驗中固定1.0 mol/L LiAl H4/THF用量為0.2 mL,通過控制廢氣量改變合成模塊除 THF的時間參數,當加熱除 THF的時間為170 s時,廢氣量有適量增加,表明此時 THF剛好除盡。因此,將除THF時間控制為170 s為宜。

表3 除THF時間與放射性廢氣量的關系

3.2.2 57%HI用量

在反應體系中分別加入不同體積的57%HI,固定其他條件:LOOP環釋放11CO2時間135 s,1.0 mol/L LiAl H4/THF用量0.2 mL,加熱除 THF時間170 s,冷卻反應管時間65 s。在此條件下的合成效率列于表4。HI有強氧化作用,能將反應中的11C-甲醇轉化為11C-CH3I,因此其用量尤為重要,HI用量太少不利于反應進行,使合成效率降低,HI用量太多又會導致11C-CH3I難以蒸出,并且會對設備造成腐蝕。由表4可知,57%HI的用量以0.5 mL為宜,此時合成效率最高,為84.1%。

表4 不同57%HI用量對合成效率的影響

3.2.3 冷卻反應管時間

通過改變合成模塊冷卻反應管的時間參數,固定其他合成條件為:LOOP環釋放11CO2時間135 s,1.0 mol/L LiAl H4/THF用量0.2 mL,57%HI用量0.5 mL,加熱除 THF時間170 s,合成11C-CH3I,測定合成效率,結果列于表5。表5結果表明,冷卻反應管時間過短,反應管溫度高,壓力過大,57%HI很難順利加入,甚至可能被夾管器卡死;冷卻時間過長,57%HI參加反應延遲,生成的11C-甲醇逸出,導致參加反應的11C-甲醇減少,放射性損失,合成效率下降。因此,反應管的冷卻時間應控制為75 s為宜,此時合成效率最高,達83.9%。

表5 不同冷卻反應管時間對合成效率的影響

3.3 11 C-CH3 I的放化純度

采用 HPLC對合成產品11C-CH3I進行分析,結果示于圖 1。由圖 1可知,11C-CH3I的TR=4.0 min。由 Alltech公司 All Chrom Plus軟件計算得出,11C-CH3I的放化純度>99%。

圖1 11 C-CH3 I的 HPLC分析

4 結 論

利用優化后的條件,經過10批次實驗,11CCH3I的合成效率為85%±2.3%,放化純度大于99%。研究結果表明,優化后的工藝更適合現有條件下的合成,有效提高了11C-CH3I的合成效率,基本上滿足了PET/CT中心11C正電子放射性藥物的供應。

[1] 張錦明,田嘉禾,楊志,等.自動化制備11C-膽堿及臨床應用[J].中華核醫學雜志,2004,24(1):46-48.

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[3] 李軍,侯寧,李廣義.多巴胺D2受體正電子示蹤劑——[11C]雷氯必利的自動化合成及質量控制[J].中國藥學雜志,2007,42(9):706-708.

[4] Kawamura K,Ishiwata K,Futatsubashi M,et al.Effcient HPLC preparation of[11C]-β-CFT or[11C]-β-CIT from an N-Desmethyl precursor on a semipreparative reversed phase ODS column[J].Applied Radiation and Isotopes, 2000,52:225-228.

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[7] 張錦明,田嘉禾,王武尚,等.單管法自動化合成11C-碘代甲烷[J].中華核醫學雜志,2004,24(4):243-244.