劉磊,李彥生,俞浩楠,陳秋松
(天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院PET/CT影像診斷科,天津 300052)
11C左旋間羥基麻黃素制備方法的優(yōu)化及改進(jìn)
劉磊,李彥生,俞浩楠,陳秋松
(天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院PET/CT影像診斷科,天津 300052)
目的:優(yōu)化及改進(jìn)交感神經(jīng)受體顯像劑11C標(biāo)記左旋間羥基麻黃素((-)-[11C]HED)的放射化學(xué)合成反應(yīng)條件和分離純化方法。方法:利用14N(p,α)11C核反應(yīng)生產(chǎn)[11C]-CO2,使用TRACERlab FXc碳多功能化學(xué)合成器在線制備甲基化試劑11C-三氟甲基磺?;淄椋ǎ?1C]-CH3OTf)。將前體間羥胺的乙腈溶液降溫至0℃捕獲[11C]-CH3OTf后,加熱進(jìn)行甲基化反應(yīng)。利用半制備C-18反相色譜柱,以生理鹽水/乙醇95/5(v∶v)作為半制備色譜流動(dòng)相分離純化反應(yīng)產(chǎn)物,切峰、除菌后得到(-)-[11C]HED注射液。采用單因素分析和正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法,選擇放化反應(yīng)溫度(A)、時(shí)間(B)、前體用量(C)為因素各取3水平,按L9(34)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果:放化反應(yīng)溫度為主要因素,前體用量及反應(yīng)時(shí)間為次要因素。結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和純化實(shí)際情況,確定最佳工藝條件為A3B1C3,即反應(yīng)溫度70℃、前體用量0.2 mg、反應(yīng)時(shí)間40 s。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示自[11C]-CO2轟擊結(jié)束計(jì)時(shí),(-)-[11C]HED制備耗時(shí)約25 min。產(chǎn)物的校正產(chǎn)率(校正至[11C]CH3I的活度)為(49.1±5.1)%(43.2%~60.9%)(n=50),放射化學(xué)純度>99%(n= 50),產(chǎn)物放射性比活度(24.4±2.2)(19.4~27.8)GBq·μmol-1(n=50)。細(xì)菌、內(nèi)毒素檢測結(jié)果均為陰性。結(jié)論:制備方法的優(yōu)化及改進(jìn)可使自動(dòng)化制備(-)-[11C]HED過程高效、便捷。
正電子發(fā)射斷層顯像;11C-間羥基麻黃素;放化合成;正交優(yōu)選;分離純化
正電子發(fā)射斷層顯像(positron emission tomogaphy,PET)是當(dāng)代前沿醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)。PET顯像所使用的正電子核素標(biāo)記的藥物進(jìn)入體內(nèi)后發(fā)生衰變,一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子和一個(gè)正電子。正電子在組織中行進(jìn)1~2 mm后與周圍組織中的電子結(jié)合而發(fā)生湮沒,產(chǎn)生一對能量為511 KeV而方向相反的高能γ光子,可被PET探測器檢測并經(jīng)計(jì)算機(jī)重建出斷層及三維圖像。PET的發(fā)展有賴于正電子藥物的發(fā)展,同時(shí)也促進(jìn)了正電子藥物的發(fā)展[1]。間羥胺(metaraminol)為去甲腎上腺素的類似物,其正電子核素放射性標(biāo)記藥物11C左旋間羥基麻黃素((-)-[11C]HED)應(yīng)用于交感神經(jīng)系統(tǒng)PET顯像,可以反映活體臟器腎上腺素受體的分布。(-)-[11C]HED的首篇報(bào)道見于1990年,Rosenspire等[2]成功地放化合成出示蹤劑,并進(jìn)行了動(dòng)物體內(nèi)分布代謝和阻斷實(shí)驗(yàn)。隨后(-)-[11C]HED被嘗試用于充血性心力衰竭診斷、心臟移植檢測、心率失常及糖尿病自主神經(jīng)病變等心臟交感神經(jīng)受體顯像,以及嗜鉻細(xì)胞瘤和神經(jīng)母細(xì)胞瘤等交感神經(jīng)腫瘤的定位診斷[3-17]。雖然隨后學(xué)者們對(-)-[11C]HED的制備方法進(jìn)行過研究和探討[18-21],但至今未見優(yōu)化反應(yīng)條件的報(bào)道。文獻(xiàn)報(bào)道部分研究所得產(chǎn)物溶液無法直接應(yīng)用于臨床顯像,現(xiàn)有分離純化方法有待優(yōu)化改進(jìn)。此外,國內(nèi)尚無利用[11C]-CH3OTf作為反應(yīng)甲基化試劑的報(bào)道。本研究旨在首次采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化(-)-[11C]HED放化合成反應(yīng)條件,同時(shí)進(jìn)一步改進(jìn)分離純化方法。
1.1 儀器設(shè)備TRACERlab FXc碳多功能化學(xué)合成器,MINItrace醫(yī)用回旋加速器(10 MeV)(美國GE公司)。半制備高效液相色譜柱(NUCLESOIL 100-5C18Nautilus反相色譜柱,250 mm×10 mm i. d.,5 μm,德國MACHEREY-NAGEL公司)。分析型高效液相色譜儀(ProStar 210,美國VARIAN公司),分析型高效液相色譜柱(SymmetryTMC-18反相色譜柱,150 mm×4.6 mm i.d.,5 μm,SentryTMC-18保護(hù)柱,美國WATERS公司),ProStar 325高效液相色譜儀紫外-可見檢測器(美國VARIAN公司)。
1.2 化學(xué)試劑(-)-[11C]HED的前體間羥胺(游離堿)(metaraminol free base)和(-)-HED標(biāo)準(zhǔn)品(鹽酸鹽)(HED Hydrochloride)為德國ABX公司產(chǎn)品。乙腈(HPLC級,美國FISHER SCIENTIFIC公司),乙醇(Ph Eur,BP,JP,USP級,德國MERCK公司),0.9%氯化鈉注射液(天津市百特醫(yī)療用品有限公司)。除菌過濾器(Acrodisc 0.2 μm,美國PALL公司)。
1.3 (-)-[11C]HED的放射化學(xué)合成步驟利用回旋加速器轟擊N2/O2混合氣(99%N2,1%O2),發(fā)生14N(p,α)11C核反應(yīng),生產(chǎn)[11C]-CO2。經(jīng)[11C]CH3I在線合成[11C]-CH3OTf(圖1)[22]。
圖1 在線制備[11C]-CH3OTf原理Fig 1On-line radiosynthesis principle of[11C]-CH3OTf
將前體間羥胺的乙腈溶液注入反應(yīng)管,降溫至0℃捕獲[11C]-CH3OTf,待反應(yīng)管內(nèi)所測放射性活度達(dá)到最大后,在一定溫度下加熱進(jìn)行甲基化反應(yīng)(圖2),反應(yīng)完成后加入1.0 mL注射用水淬滅反應(yīng)。1.4(-)-[11C]HED分離純化利用氦氣將反應(yīng)管內(nèi)的反應(yīng)混合物經(jīng)過色譜六通閥,轉(zhuǎn)運(yùn)到半制備HPLC色譜柱上進(jìn)行分離純化。色譜流動(dòng)相為生理鹽水/乙醇95/5(v∶v),流速4.5 mL·min-1,紫外檢測波長設(shè)為280 nm,利用放射性和紫外檢測器檢測流出峰,對比標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間確認(rèn)產(chǎn)物。產(chǎn)物約8.5 min出峰,切峰后經(jīng)0.2 μm除菌過濾器得到(-)-[11C]HED注射液。
1.5 單因素實(shí)驗(yàn)影響(-)-[11C]HED標(biāo)記率的主要因素有甲基化反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和前體用量,分別對以上3因素進(jìn)行標(biāo)記率的單因素實(shí)驗(yàn)。具體過程為0.3 mg前體,反應(yīng)時(shí)間1 min,反應(yīng)溫度分別設(shè)置為0、25、50、60℃和70℃,計(jì)算不同反應(yīng)溫度下(-)-[11C]HED標(biāo)記率。0.3 mg前體,反應(yīng)溫度70℃,反應(yīng)時(shí)間分別設(shè)置為40 s、1 min、1.5 min、2 min和5 min,計(jì)算(-)-[11C]HED標(biāo)記率。反應(yīng)溫度70℃,反應(yīng)時(shí)間40 s,前體用量分別設(shè)置為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg,計(jì)算(-)-[11C]HED標(biāo)記率。以上每個(gè)條件各進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn),結(jié)果以±s形式表示。
1.6 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和前體用量為實(shí)驗(yàn)因素,根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,各選擇3個(gè)影響(-)-[11C]HED標(biāo)記率效果因素中有意義的水平,進(jìn)行正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),經(jīng)方差分析確定最優(yōu)反應(yīng)條件。因素水平設(shè)計(jì)見表1。
圖2 放射化學(xué)合成(-)-[11C]HED過程Fig 2Radiosynthesis of(-)-[11C]HED
表1 優(yōu)化放化合成(-)-[11C]HED反應(yīng)條件的正交實(shí)驗(yàn)因素水平Tab 1Orthogonal experiment factors and levels of radiosynthesis (-)-[11C]HED
1.7 (-)-[11C]HED質(zhì)量控制目測(-)-[11C]HED注射液性狀、測定pH值、測量活度并計(jì)算放射性濃度。使用與半制備色譜同樣的流動(dòng)相,利用分析型HPLC檢測產(chǎn)品的放射化學(xué)純度和化學(xué)純度。分別配制(-)-HED標(biāo)準(zhǔn)品的遞增質(zhì)量濃度(0、5、10、25、50、100、150 μg·mL-1)溶液,經(jīng)分析型HPLC進(jìn)樣,繪制(-)-HED濃度-峰面積標(biāo)準(zhǔn)曲線,根據(jù)線性函數(shù)計(jì)算(-)-HED濃度及產(chǎn)物比活度。細(xì)菌內(nèi)毒素和無菌檢查方法參見《中華人民共和國藥典》2010版(XI E細(xì)菌內(nèi)毒素檢查法和XI H無菌檢查法)。
2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1.1 反應(yīng)溫度在所測范圍內(nèi),標(biāo)記率隨溫度升高而提高。反應(yīng)溫度為70℃時(shí)標(biāo)記率最高,見圖3。
圖3 反應(yīng)溫度-標(biāo)記率曲線Fig 3Reaction temperature-labeling yield curve
2.1.2 反應(yīng)時(shí)間在所測范圍內(nèi),標(biāo)記率隨時(shí)間延長而降低。反應(yīng)時(shí)間為40 s時(shí)標(biāo)記率最高,見圖4。
圖4 反應(yīng)時(shí)間-標(biāo)記率曲線Fig 4Reaction time-labeling yield curve
2.1.3 前體用量在所測范圍內(nèi),標(biāo)記率隨前體用量提高而增大。前體用量為0.5 mg時(shí)標(biāo)記率最高,見圖5。
圖5 前體用量-標(biāo)記率曲線Fig 5The amounts of precursor-labeling yield curve
2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用L9(34)正交表,取反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和前體用量3因素為研究對象,各取3水平。每次以(-)-[11C]HED的放化合成反應(yīng)標(biāo)記率為指標(biāo)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。因素水平設(shè)計(jì)見表1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 優(yōu)化放化合成(-)-[11C]HED反應(yīng)條件的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab 2Orthogonal experiment design and result of optimize radiosynthesis conditions of(-)-[11C]HED
2.3 (-)-[11C]HED放化合成工藝驗(yàn)證結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,前體用量超過0.3 mg會(huì)給增加分離純化工作的難度,致使產(chǎn)物化學(xué)純度大幅下降。因此,本研究最終采取的反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度70℃、前體用量0.2 mg、反應(yīng)時(shí)間40 s。自[11C]-CO2轟擊結(jié)束計(jì)時(shí),本方法制備(-)-[11C]HED耗時(shí)約25 min。產(chǎn)物的不校正產(chǎn)率為(11.51±0.48)%(10.66%~12.33%)(n= 50),校正到[11C]CH3I活度的產(chǎn)率為(49.1±5.1)% (43.2%~60.9%)(n=50)。
質(zhì)量控制結(jié)果顯示本方法制備的(-)-[11C]HED為無色、澄清、透明溶液,pH值為6.5~7.0。從分析色譜的放射性譜圖上看,約5 min出產(chǎn)物峰,與標(biāo)準(zhǔn)品以及摻入標(biāo)準(zhǔn)品的產(chǎn)物紫外譜圖保留時(shí)間一致,證實(shí)產(chǎn)物峰為(-)-[11C]HED(圖6)。產(chǎn)物放射化學(xué)純度>99%(n=50),放射性比活度為(24.4±2.2)(19.4~27.8)GBq·μmol-1(n=50)(美國藥典對受體類正電子藥物要求分別為>90%和>18.5 GBq·μmol-1)。樣品均無菌落發(fā)育,細(xì)菌內(nèi)毒素低于檢測下限(n=50)。所得結(jié)果表明(-)-[11C]HED放化合成條件是穩(wěn)定的。
圖6 (-)-[11C]HED注射液質(zhì)控圖Fig 6Results of quality control of(-)-[11C]HED
在(-)-[11C]HED的放化合成反應(yīng)路線中,國外文獻(xiàn)報(bào)道大多采用反應(yīng)活性較高的[11C]-CH3OTf作為甲基化試劑[2,18-19]。國內(nèi)學(xué)者多選?。?1C]CH3I作為甲基化試劑,他們認(rèn)為[11C]-CH3OTf作為甲基化試劑反應(yīng)步驟較繁瑣[21],或者實(shí)驗(yàn)結(jié)果欠理想[20]。本研究利用[11C]-CH3OTf作為甲基化試劑,因其活性較高在反應(yīng)過程中能降低反應(yīng)溫度,縮短反應(yīng)時(shí)間,減少前體用量。甲基化反應(yīng)中會(huì)伴隨有副產(chǎn)物的生成,半制備HPLC放射性譜圖顯示約11 min出副產(chǎn)物峰,但通過切峰可以有效地分離純化。經(jīng)大樣本實(shí)驗(yàn)研究(n=50)證實(shí)最終產(chǎn)物質(zhì)控合格。
在PET用正電子藥物的研發(fā)和制備領(lǐng)域,運(yùn)用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)的方法優(yōu)化反應(yīng)條件,以達(dá)到獲得較高標(biāo)記率和產(chǎn)率的目的,國內(nèi)外尚罕見報(bào)道。在優(yōu)化(-)-[11C]HED放化合成條件中(1)溫度的升高可以提高標(biāo)記率,溶劑乙腈的沸點(diǎn)是81.8℃,反應(yīng)溫度過高,可能會(huì)造成溶液沸騰損失,因此,在獲得較為滿意的標(biāo)記率情況下,選定70℃為最佳反應(yīng)溫度。(2)分析色譜圖顯示產(chǎn)物未隨反應(yīng)時(shí)間的延長而分解,據(jù)此判斷標(biāo)記率隨反應(yīng)時(shí)間延長而下降的現(xiàn)象,可能的原因?yàn)闃?biāo)記率峰值出現(xiàn)在40 s以內(nèi)。鑒于40 s時(shí)間短暫,在獲得較為滿意的標(biāo)記率情況下,筆者認(rèn)為不必再去探尋確切拐點(diǎn)。(3)前體投放量增加可以提高標(biāo)記率。但增大前體量,雖經(jīng)HPLC分離,產(chǎn)物中前體含量仍會(huì)明顯增加,致使化學(xué)純度下降。數(shù)據(jù)顯示,前體量為0.3 mg時(shí),產(chǎn)物中前體含量>30%,因此本研究選定的最佳前體用量為0.2 mg,以利于降低產(chǎn)物中前體殘留量。此外,前體用量低于文獻(xiàn)報(bào)道[2,18-20],亦有利于節(jié)省生產(chǎn)成本。
目前的國內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道大多利用反相HPLC法分離純化(-)-[11C]HED。有學(xué)者利用磷酸二氫鈉/乙醇體系作為流動(dòng)相[2,20]梯度洗脫,能更有效地去除前體間羥胺,但分離純化耗時(shí)較長。N?gren等[18]利用乙腈/磷酸溶液體系,流出液不適于直接注射,必須經(jīng)過處理后方能應(yīng)用于臨床。國內(nèi)有學(xué)者嘗試?yán)昧姿猁}緩沖鹽水/乙醇體系方法分離純化(-)-[11C]HED[21],其制備中利用活性相對較低的[11C]CH3I作為甲基化試劑,副產(chǎn)物少,易于分離純化。本研究采用生理鹽水/乙醇95/5(v∶v)體系作為分離純化產(chǎn)物流動(dòng)相,產(chǎn)物在8.5 min左右出峰,經(jīng)切峰、除菌后可直接應(yīng)用于臨床顯像。此外,研究中分析色譜采用和半制備色譜相同的流動(dòng)相體系,亦在一定程度上簡化了藥物質(zhì)控過程。
分析色譜紫外譜圖顯示產(chǎn)物溶液中含有微量前體間羥胺,含量<3%。間羥胺是臨床使用的常規(guī)藥物,成人靜脈注射初量為0.5~5 mg,極量1次100 mg(每分鐘0.3~0.4mg)。小兒常用量為靜脈滴注按體質(zhì)量0.4 mg·kg-1。Law等[23]報(bào)道注射0.1~0.2 nmol·kg-1的間羥胺對(-)-[11C]HED心肌攝取沒有明顯影響,但大于10 nmol·kg-1將影響心肌攝取,對其它臟器沒有影響。國內(nèi)有學(xué)者報(bào)道研究結(jié)果[20]與前述研究的心肌攝取結(jié)果類似。經(jīng)計(jì)算,本研究所得產(chǎn)物中所含間羥胺的注射量<0.2 nmol·kg-1,因此不會(huì)對顯像造成顯著影響。
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(2015-01-23收稿)
Optimization and improvement of production of(-)-[11C]meta-Hydroxyephedrine
LIU Lei,LI Yan-sheng,YU Hao-nan,CHEN Qiu-song
(Department of PET-CT Diagnostic,General Hospital,Tianjin Medical University,Tianjin 300052,China)
Objective:To optimize methylated conditions and improve purification protocol of(-)-[11C]meta-Hydroxyephedrine(-)-[11C]HED)synthesis,as a receptor of sympathetic nervous system,to get relatively high labeling yield.Methods:[11C]-CO2was produced via14N (p,α)11C nuclear reaction.11C-Methyl Triflate([11C]-CH3OTf),served as the[11C]methylation reagent,was obtained online by GE TRACERlab FXc synthesis module,and bubbled into reactor at 0℃until maximum radioactivity was accumulated.(-)-[11C]HED was synthesized by direct N-methylation of metaraminol with[11C]-CH3OTf.The product was purified by semi-preparative reversed-phase HPLC with the eluent saline/ethanol 95/5(v∶v).Single factor analysis and orthogonal experimental design were applied to investigate the optimized methylated synthesis conditions with L9(34)orthogonal test.Results:The reaction temperature was the main process factor,and the amount of precursor was the secondary factor.In consideration of the situation of orthogonal experimental results and purification,the optimum condition was A3B1C3,in which the reactor was heated to 70℃to ensure 0.2 mg precursor was methylated with[11C]-CH3OTf for 40 s.The validation test results illustrated that the total synthesis time of the tracer was approximately 25 min from end-of-bombardment.The radiochemical yield was(49.1±5.1)%(43.2%~60.9%)(n=50,corrected to[11C]CH3I).The radiochemical purity of the product was up to 99%(n=50).The specific activity was(24.4±2.2)(19.4~27.8)GBq·μmol-1(n=50)at end of synthesis.Conclusion:Reaction temperature,amounts of precursor and reaction time are the most important conditions for the methylated reaction.The automatic radiosynthesis procedure of(-)-[11C]HED with relatively high radiochemical yield is convenient and efficient.
positron emission tomogaphy;(-)-[11C]meta-Hydroxyephedrine;radiosynthesis;orthogonal design;purification
R445
A
1006-8147(2015)05-0441-05
劉磊(1981-),男,主管技師,碩士,研究方向:藥物化學(xué)
及正電子藥物研發(fā)與合成;通信作者:陳秋松,E-mail:qs_c8@hotmail.com。