氨基酸代謝PET-CT探針L-[S-11C-甲基]-蛋氨酸的全自動合成及質量控制

謝強，汪世存

(安徽省立醫院PET-CT中心，安徽 合肥 230001)

常規的正電子發射斷層顯像/X射線斷層掃描[1](positron emission tomography-computed tomography，PET-CT)泛指[18F]-FDG的PET-CT掃描。[18F]-FDG是臨床最常見的腫瘤顯像劑，在腫瘤分期、良惡性鑒別、尋找原發灶等方面在臨床被廣泛應用。 [18F]-FDG是葡萄糖代謝顯像劑，可以反映細胞的能量代謝，鑒于與葡萄糖化學結構類似，在腫瘤細胞內異常濃聚。正因為如此，[18F]-FDG的PET-CT顯像存在固有的缺陷，生理情況下腦組織需葡萄糖量比較大，[18F]-FDG又通過泌尿系統進行代謝，因此[18F]-FDG在腦組織、膀胱中的本底較高，限制了[18F]-FDG在中樞神經系統以及泌尿系統疾病中的應用。[11C]-MET是氨基酸代謝顯像劑，能反映氨基酸的轉運和代謝，在顱腦的本底較低，因此彌補了[18F]-FDG顯像的不足[2]。本研究基于安徽省立醫院PET-CT中心PET-CS-II-IT-I型碳-11碘代甲烷合成模塊、PET-CS-I-IT-I型碳-11多功能合成模塊組成的碳-11顯象劑化學合成模塊兩步法，采用“二合一”合成工藝合成[11C]-MET注射劑，并用于臨床中樞神經系統腫瘤患者的PET-CT檢查，并初步探討其質控方法。

1 材料與方法

1.1臨床資料2009年2月至2011年5月安徽省立醫院住院患者，36例，其中男26例，女10例；膠質瘤術前檢查12例，膠質瘤術后、放療后復查22例，腦轉移瘤放療后復查2例(良性病變16例，惡性病變20例)，年齡(40.42±14.56)歲，年齡范圍為7～78歲，所有受研究對象均經過安徽省立醫院倫理委員會審核通過并簽署患者知情同意書進行全身PET-CT檢查。

1.2儀器設備及合成試劑(1) 儀器設備。儀器設備醫用回旋加速器型號：Eclipse RD，德國Siemens公司；化學合成模塊型號：PET-CS-II-IT-I型碳-11碘代甲烷合成模塊、PET-CS-I-IT-I型碳-11多功能合成模塊， 北京派特生物科技公司；薄層色譜分析(TLC)系統，美國Bioscan公司；高效液相分析(HPLC)系統，美國安捷倫公司；放射性探測儀，美國Bio scan公司；活度計型號：CRC-25PET， 美國Capintec公司。(2) 試劑。合成試劑L-高胱氨酸硫內酯，德國ABX公司；57%氫碘酸，美國Sigma公司；氫化鋰鋁四氫呋喃溶液，德國ABX公司；五氧化二磷、固體氫氧化鈉、無水乙醇均為國產試劑；C-18柱，美國Waters公司；無菌過濾器，美國Millipore公司；10 ml和30 ml無菌真空瓶，北京派特生物科技有限公司；滅菌注射用水，石家莊四藥有限公司， 0.05 mol·L-1磷酸鈉溶液、1 mol·L-1氫氧化鈉溶液均為自己配置試劑。

1.3國產模塊液相兩步法合成[11C]-MET(1) [11C-]的生產。11 MeV回旋加速器通過14N(p， α)11C核反應， 40 μA束流連續轟擊靶材料為：0.5%氧的氮30 min，常規得到1 000 mCi的[11C]-CO2，在靶體中等待傳輸。

(2) [11C-]的捕獲。使用靶轉換器將傳輸管路切換，使用氬氣次序使用低氣流、高氣流將傳輸過來的[11C-]傳輸進完全浸泡在液氮中的不銹鋼loop環中，[11C-]遇到極低氣溫的loop，立刻以干冰形態凍結在loop中，沒有被捕獲的[11C]被收集在廢氣收集裝置中。

(3) [11C]-甲醇的生成。將液態氮氣裝置緩慢下降，浸泡在液氮中loop環受到環境溫度的自然加溫，[11C]-CO2從干冰狀態通過長針頭緩慢的釋放進入裝有0.1～0.2 mL氫化鋰鋁四氫呋喃溶液內密閉反應管之中，與氫化鋰鋁反應生成[11C]-甲醇。未反應的[11C]-CO2由堿性柱吸附。

(4) [11C]-碘代甲烷的生產。待[11C]-CO2與氫化鋰鋁反應完畢，打開裝載有氫碘酸注射器的閥門，緩慢推入57%氫碘酸，同時加熱反應管至120 ℃，[11C]-甲醇與氫碘酸反應立刻生成的[11C]-碘代甲烷，借助反應管的高溫，通入高純氮氣后被蒸出并進入下一步反應。

(5) V-MET的掛柱。[11C]-碘代甲烷通過自制的除水小柱(五氧化二磷、固體氫氧化鈉填充的小柱)后與通過裝載有L-高胱氨酸硫內酯前體的C-18柱(預裝方法：取適量等體積的無水乙醇和新鮮配制1 mol·L-1NaOH溶液混合；用1 mL注射器抽取混合溶液0.2 mL溶解3 mg前體；把溶有前體的0.2 mL混合溶液加載C-18柱里)，與柱上前體反應，生成的[11C]-MET掛在C-18柱上。

(6) [11C]-MET的洗脫/除菌。取0.05 mol·L-1磷酸鈉淋洗掛有[11C]-MET的C-18柱，經過乙醇預處理的另一只C-18柱子，最后產品通過孔徑為 0.22 μm的滅菌過濾器，洗脫出[11C]-MET進入最終產物瓶，[11C]-MET注射液全部制備完畢。(預處理C-18柱的準備：在產品出口端接上一只經5 mL乙醇活化處理過的C-18柱、無菌濾膜和最終產物瓶)

1.4[11C]-MET化學合成路線見圖1。

圖1 L-高胱氨酸硫內酯與碘代甲烷反應生成[11C]-MET

1.5[11C]-MET注射液質量控制(1) 形態外觀：透過肉眼觀察注射液是否澄清、無顆粒、無絮狀物；(2) pH值測定：使用精密pH試紙(杭州特種紙業有限公司)測定；(3) 放射化學純度測定：采用薄層色譜法用毛細玻璃管吸取少量產品在預先準備好的硅膠板上點樣，使用展開劑為V(CH3OH) ∶V(CHCl3) ∶V(NH4OH)=8 ∶8 ∶4溶劑，將硅膠板放入盛有展開劑的展開試管中，注意觀察展開劑展開產品快接近硅膠板末端的時候取出，用薄層色譜儀(型號：MINI-SCAN)檢測[11C]-MET放射化學純度； (4) 無菌和內毒素測定：合成批次的[11C]-MET注射液送檢本院檢驗科。

1.6腫瘤患者PET-CT顯像通過淺靜脈，注射0.2 mCi～0.25 mCi·kg-1[11C]-MET，20 min后顯像，三維采集重建圖像。

2 結果

2.1[11C]-MET注射液的一般參數(1) [11C]-MET注射液外觀呈現澄清、透明、無混濁沉淀；(2) [11C]-MET注射液的pH值為7～8之間，符合示蹤劑注射用要求；(3) [11C]-MET放化純度>98%，保留時間為0.697 min(圖2)。

圖2 [11C]-MET的薄層色譜圖

2.2無菌內毒素測定結果無菌內毒素測定結果表明: [11C]-MET注射液無菌落生長，內毒素含量均小于15 EU·mL-1。

2.336例患者[11C]-METPET-CT檢查結果12例膠質瘤術前檢查者呈高代謝者9例，SUV(Standard Uptake Value ,標準化攝取值)最大值范圍1.1～7.7(典型病例參見圖3)，呈低代謝者3例；22例膠質瘤術后、放療后復查者呈術區環形、團塊狀高代謝者17例，SUV最大值范圍1.8～5.3，提示病灶仍有活性，考慮復發或轉移，呈低代謝者5例，提示術后、放療后病灶無活性；2例腦轉移瘤放療后復查患者1例術區呈低代謝改變，提示病灶無活性，1例呈環形高代謝，提示病灶仍有活性。

3 討論

[18F]-FDG是葡萄糖類似物，在細胞內轉化成[18F]-FDG -6-磷酸鹽不能被細胞代謝掉，濃聚于細胞，因此[18F]-FDG作為一種PET-CT探針被廣泛應用[4]。中樞神經系統生理性耗能，造成[18F]-FDG腦生理性攝取，腦部攝取的本底較高。鑒于[11C]-MET腦部本底攝取低作為中樞神經系統疾病的顯像劑存在先天優勢。采用國產模塊全自動一體化“兩步法”合成[11C]-蛋氨酸[3]。合成采用單管液相反應的方法，最大程度減少了放射性的轉移，提高產物的合成效率；合成時間和溫度可以根據需要隨意設置；合成時間短，合成成本低，操作簡單，合成出來的[11C]-碘代甲烷可直接進入下一步反應。合成反應的第一步先生成[11C]-碘代甲烷，[11C]-碘代甲烷進入碳-11多功能合成模塊，通過監測和控制在線柱，啟動碳-11多功能合成模塊合成程序，[11C]-碘代甲烷標記到C-18柱子上面的L-高胱氨酸硫內酯，生成[11C]-蛋氨酸，對[11C]-蛋氨酸進行純化，洗脫滅菌后得到[11C]-蛋氨酸注射液。本法的優勢在于使用液相法合成碘代甲烷，避免了碘升華法超高溫，高密封性帶來的合成困難，有學者[4]使用美國通用的TRACERlab FX-C化學模塊鎳催化氣相捕獲反應方法合成碘代甲烷。本法采用氫化鋰鋁作為還原劑的液相反應方法，鑒于氫化鋰鋁活性高、還原性強不易控制，因此液相合成存在一定的局限。本法采用C-18上填充L-高胱氨酸硫內酯，碘代甲烷與前體在柱反應，無需高效液相色譜[5](HPLC)純化，只不過是在Al2O3柱子上填充L-同型半胱氨酸硫醇酯即為L-高胱氨酸硫內酯。未校正合成效率為21.2%±7.9%，放射化學純度為>99%。

注：男，43歲，靜脈注射[11C]-MET 20 mCi。A示PET顯示大腦左側顳葉、基底節區團塊狀[11C]-MET代謝增高灶(箭頭處)，SUV最大值2.8，B示同機CT示病灶伴有大片狀高密度鈣化，C示PET-CT融合圖像提示患者腦部惡性病變，D示病理(HE染色×100)證實為高級別膠質瘤(WHO Ⅲ～Ⅳ級)

圖3某患者PET-CT融合顯像片

各種碳11和氟18標記的氨基酸顯像劑的研發已經應用于PET之中[6]。大多數腦瘤患者氨基酸吸收的比例比正常的大腦要多很多。這些氨基酸包括天然氨基酸如L-[11C]-亮氨酸，L-[11C]-蛋氨酸，和L-[11C]-酪氨酸和非天然的氨基酸如[11C]-氨基異丁酸，[11C]-環戊胺-1-羧酸等，在腫瘤學成像中也有123I標記的氨基酸顯像劑[7-10]。約20個氨基酸轉運系統已確定。大部分的氨基酸是由通過能量非依賴氨基酸L型轉運系統和Na+依賴轉運系統A還有B系統進行轉運氨基酸。腫瘤細胞氨基酸需求高于正常細胞，因此氨基酸代謝顯像劑在腫瘤細胞內濃聚。腫瘤細胞被發現過度表達氨基酸轉運系統。[11C]-蛋氨酸，[11C]-酪氨酸，[18F]-酪氨酸等已經廣泛應用于檢測腫瘤，它們被各種氨基酸轉運蛋白轉移到細胞中，并被參與蛋白質合成中。在蛋白質中加入的放射性氨基酸的比例通常比在細胞中吸收的總量要小。這些天然氨基酸圖像是基于氨基酸運輸和蛋白質結合的。[11C]已廣泛應用于腦、頭、頸、肺、乳腺癌及淋巴瘤的檢測。它可以穿過血腦屏障。它主要被納入蛋白質，但也被納入脂質、RNA和DNA。[11C]與[18F]-FDG[11]相比，PET成像對放療更敏感，對于監測癌癥的治療很有用。

[11C]-MET屬于氨基酸類顯像劑。在[11C]-MET參與蛋白質的合成或轉化為S-腺苷蛋氨酸作為機體甲基的供體。[11C]-MET在膠質瘤中濃聚可能與腫瘤細胞蛋白質合成增加、血腦屏障破壞及血管密度增加有關。閆文明等[3]應用[11C]-MET-PET/CT診斷腦膠質瘤放療后腫瘤復發和放射性壞死的靈敏度為92.0%，特異度為83.33%，準確性為94.29%，約登指數為0.753，在腦膠質瘤放療后區分腫瘤復發和放射性腦壞死方面敏感性和準確性均較高，且較MRI更敏感和準確；與本研究實驗結果吻合。[11C]-MET是在腦膠質瘤放療指導方面應用最多的具有潛力的PET探針， 勾畫腫瘤界限與范圍、評價治療效果要優于[18F]-FDG，但是在病理學分級[18F]-FDG存在一定的優勢，如[18F]-FDG和[11C]-MET雙探針顯像，優勢互補，可大幅度提高對中樞神經系統腫瘤的診斷準確性，和評估后續臨床治療。碳元素是人體組成元素， [11C]標記的正電子藥物有巨大很好的生物學相容性，尤其是11C-MET的廣泛應用[12-15]，由于半衰期僅有20 min左右，限制其應用，在一定范圍內仍可以彌補[18F]-FDG臨床應用的不足。