以18F-FDG為輔基的18F-氟標(biāo)記方法研究進(jìn)展

丁 暉，李 陽，李 淼

西安交通大學(xué) 第一附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，陜西 西安 710061

以18F-FDG為輔基的18F-氟標(biāo)記方法研究進(jìn)展

丁 暉，李 陽，李 淼*

西安交通大學(xué) 第一附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，陜西 西安 710061

在核醫(yī)學(xué)分子影像領(lǐng)域用于正電子示蹤劑的18F-氟標(biāo)記方法中，基于含18F-氟中間體分子(即輔基)的方法其反應(yīng)條件溫和、化學(xué)選擇性好，產(chǎn)物易純化，是進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的經(jīng)典策略之一。2-18F-氟代-2-脫氧-D-葡萄糖(2-18F-fluoro-2-deoxy-D-glucose,18F-FDG)是目前臨床最常用的正電子示蹤劑，其分子結(jié)構(gòu)簡單、親水性強(qiáng)、易獲得，是用于間接18F-氟標(biāo)記的理想輔基。通過比較其方法學(xué)參數(shù)，并分析標(biāo)記產(chǎn)物性能可知，以18F-FDG為輔基的間接18F-氟標(biāo)記方法有酶法、成肟法、巰基連接法、“點(diǎn)擊化學(xué)”法等，在小分子、肽、酶和納米粒的18F-氟標(biāo)記研究中均有報(bào)道。此外，微流控芯片等新技術(shù)在上述方法中也有應(yīng)用。與18F-FDG連接可方便地同時(shí)實(shí)現(xiàn)被標(biāo)記分子糖基化和18F-氟標(biāo)記，顯著改善標(biāo)記產(chǎn)物的體內(nèi)分布和消除特性，雖存在反應(yīng)步驟多、被標(biāo)記分子需修飾等局限，但以18F-FDG為輔基進(jìn)行18F-氟標(biāo)記仍是一種具有較高可行性和應(yīng)用價(jià)值的間接18F-氟標(biāo)記策略。

18F-氟代脫氧葡萄糖；輔基；間接標(biāo)記；18F-氟標(biāo)記；方法學(xué)

正電子發(fā)射斷層成像(positron emission tomography, PET)是通過探測注入體內(nèi)的正電子類放射性核素標(biāo)記示蹤劑發(fā)射的γ射線信號(hào)表征其分布，間接獲知代謝功能、受體分布、基因表達(dá)等生理病理信息的先進(jìn)分子影像技術(shù)。PET的進(jìn)步主要依靠正電子核素標(biāo)記示蹤劑(以下簡稱“示蹤劑”)的發(fā)展[1]。 通過引入輔基可修飾示蹤劑分子結(jié)構(gòu)，改變其體內(nèi)分布和消除特性[2-3]。糖基化是最常用的修飾策略之一，其優(yōu)勢(shì)在于：(1) 增加水溶性，增加腎消除比例，減少消化系統(tǒng)生理性攝?。?2) 減少內(nèi)皮網(wǎng)狀系統(tǒng)清除，延長靶組織滯留時(shí)間；(3) 加快血液清除，縮短注射到成像的時(shí)間間隔。存在的問題是：(1) 糖基極性大，可能改變被標(biāo)記分子的極性分布，并影響其透過血腦屏障的能力；(2) 糖基空間位阻大，可能影響標(biāo)記產(chǎn)物對(duì)靶標(biāo)的親和力[4]。

2-18F-氟代-2-脫氧-D-葡萄糖(2-18F-fluoro-2-deoxy-D-glucose,18F-FDG)是目前占主導(dǎo)地位的示蹤劑[5]，其分子結(jié)構(gòu)類似單糖，以18F-FDG為輔基進(jìn)行18F-氟標(biāo)記可獲得類似糖基化修飾的效果。1999年以來已有眾多基于18F-FDG制備18F-氟標(biāo)記示蹤劑的研究報(bào)道[6-7]。筆者[8]也曾嘗試采用該策略，對(duì)氨基端存在6-肼基煙?；揎椀碾倪M(jìn)行了18F-氟標(biāo)記研究，該方法簡便，反應(yīng)迅速，所得腙類產(chǎn)物的標(biāo)記率接近35%。6-肼基煙?；浅Ｓ糜?9Tcm-锝標(biāo)記的輔基，早已實(shí)現(xiàn)商品化，故該法具有一定的臨床轉(zhuǎn)化潛力。本工作擬按各方法首次報(bào)道時(shí)間為序歸納相關(guān)進(jìn)展，以期協(xié)助后續(xù)研究選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)類型。

1 酶法

Prante等[9]首次報(bào)道的以18F-FDG為輔基的18F-氟標(biāo)記研究即采用該法。為了規(guī)避酶促反應(yīng)的可逆性影響放射化學(xué)產(chǎn)率(radio-chemical yield, RCY)，Prante等以18F-FDG-1-磷酸為底物對(duì)三磷酸尿苷(uridine triphosphate, UTP)進(jìn)行酶促18F-氟標(biāo)記，制得18F-FDG-二磷酸尿苷(18F-1,圖1)。UTP濃度在0.65 mmol/L時(shí)RCY達(dá)到最高，且酶濃度升高可加快反應(yīng)。

圖1 18F-氟代二磷酸尿苷結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structural formula of 18F-fluoro-uridine diphosphate

Bormans等[10]采用18F-FDG對(duì)二磷酸尿苷-半乳糖進(jìn)行酶促標(biāo)記，制備2′-18F-氟代脫氧乳糖(18F-2)(圖2)。該反應(yīng)速率慢且RCY低。在野生小鼠和高表達(dá)LacZ基因的Rosa-26型小鼠體內(nèi)18F-2的血液清除快，但未見組織攝取，說明18F-2不能跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)，不適用于體內(nèi)成像。

圖2 以18F-FDG為輔基制備的18F-氟代乳糖結(jié)構(gòu)式Fig.2 Structural formula of 18F-fluoro-galactose labeled via 18F-FDG

Phenix等[11]用18F-FDG衍生物標(biāo)記重組酸性β-葡萄糖腦苷酯酶(GCase)，用于表征Gaucher病模型鼠體內(nèi)GCase分布和代謝動(dòng)力學(xué)的研究。該反應(yīng)較快，但標(biāo)記產(chǎn)物18F-GCase(18F-3)(圖3)的純化過程冗長。18F-3在小鼠體內(nèi)巨噬細(xì)胞富集器官(如肝、脾)中濃聚，主要通過腎和肝膽代謝。腦中無攝取說明未解離出18F-FDG。該方法有潛力發(fā)展成為酶替代型示蹤劑的通用制備方法。

圖3 18F-氟標(biāo)記酸性β-葡萄糖腦苷酯酶結(jié)構(gòu)式Fig.3 Structural formula of 18F-fluoro-acid β-glucocerebrosidase

總之，酶法主要利用18F-FDG與葡萄糖結(jié)構(gòu)相似而可被酶選擇性識(shí)別的特性，反應(yīng)條件溫和，可保證標(biāo)記底物和位點(diǎn)的高度選擇性，但也限制了被標(biāo)記分子的種類。酶法RCY較低，耗時(shí)很長，產(chǎn)物難純化，尚不適用于臨床成像。

2 成肟法

成肟法是利用醛/酮羰基與氨氧基在酸性水相體系(pH=4～7)中可選擇性反應(yīng)形成肟的原理。雖然該條件下18F-FDG可開環(huán)暴露醛基(18F-5)，但也易使生物大分子變性。因C=N雙鍵取代基空間位阻的差異會(huì)存在E/Z兩種構(gòu)型的產(chǎn)物(18F-7、18F-9)。因水相溶液中吡喃單糖(包括18F-FDG)存在α/β異頭物(18F-4、18F-6)變旋現(xiàn)象，故18F-7和18F-9也處于以呋喃糖(18F-8)為中間體的互相轉(zhuǎn)化平衡中，在高溫(80～120 ℃)和酸性(pH=1.5～2.5)條件下轉(zhuǎn)化迅速，可認(rèn)為是同一物質(zhì)而無需分離(圖4)。

R：被標(biāo)記分子圖4 成肟法18F-氟標(biāo)記的原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of oxime formation in the 18F-fluoro-labeling via 18F-FDG

文獻(xiàn)[12]首次報(bào)道了以18F-FDG為起點(diǎn)采用成肟法進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的研究，即通過順丁烯二酰亞胺基己基肟連接18F-FDG后再與肽或蛋白質(zhì)的半胱氨酸殘基連接成18F-10(圖5)。采用谷胱甘肽驗(yàn)證方法后Wuest等[13]進(jìn)行了膜聯(lián)蛋白A5的18F-氟標(biāo)記研究。該法對(duì)膜聯(lián)蛋白A5濃度要求低(2.25 μmol/L)，RCY高，但18F-10純化過程復(fù)雜。

R=膜聯(lián)蛋白A5圖5 以18F-FDG-順丁烯二酰亞胺基己基肟為中間體制備的18F-標(biāo)記膜聯(lián)蛋白A5結(jié)構(gòu)式Fig.5 Structural formula of 18F-fluoro-annexin A5 labeled via 18F-FDG-maleimidehexyloxime

圖6 以18F-FDG為輔基標(biāo)記RGD線肽/環(huán)肽的反應(yīng)路線圖Fig.6 Structural formulas of 18F-fluoro-cyclo/linear RGD peptide labeled via 18F-FDG

采用18F-FDG直接對(duì)氨氧基修飾肽進(jìn)行標(biāo)記的方法由Namavari等[14]和Hultsch等[15]分別報(bào)道。Namavari等[14]用18F-FDG分別直接標(biāo)記氨氧乙?；揎椀木€形和環(huán)形精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸短肽(arginine-glycine-aspartic acid, RGD)(圖6)。18F-FDG-RGD環(huán)肽(18F-12)的IC50=0.67 μmol/L，說明18F-氟標(biāo)記未影響其活性。標(biāo)記產(chǎn)物(18F-11、18F-12)分別注入U(xiǎn)87MG荷瘤鼠后120 min，腫瘤攝取顯著低于心臟和腎；18F-11的腫瘤/血攝取比高，腫瘤/肝攝取比低；18F-18的腫瘤/肌肉和腫瘤/肝攝取比高，說明18F-11和18F-12非特異性生理攝取過高，不適用于成像。Hultsch等[15]采用臨床18F-FDG標(biāo)記氨氧基修飾RGD環(huán)肽的研究中以叔丁氧羰基(Boc)保護(hù)氨氧基以減少副反應(yīng)，Boc基可自行熱解離(圖6)。采用小體積18F-FDG與高濃度肽反應(yīng)，在肽過量時(shí)RCY較高，原因可能是原料18F-FDG所含葡萄糖干擾標(biāo)記反應(yīng)。用高效液相色譜法(high performance liquid chromatography, HPLC)分離葡萄糖后標(biāo)記效果顯著改善。18F-13注入M21荷瘤鼠120 min后，腫瘤/血攝取比高，成像性能尚可。

Wuest等[16]還采用18F-FDG標(biāo)記了氨氧乙?；揎椛窠?jīng)降壓肽(8—13)片段(NT8-13)單體、二聚體、四聚體(圖7)。其中單體標(biāo)記產(chǎn)物(18F-14)的RCY最高(80%)，NT8-13聚合程度越高RCY越低，原因可能是多聚體中氨氧基含量相對(duì)低。NT8-13濃度越低RCY越低。Wuest等[16]認(rèn)為18F-FDG開環(huán)醛α位18F-氟取代基可能增加羰基活性，使18F-FDG比葡萄糖更容易與氨氧基反應(yīng)。

圖7 以18F-FDG為輔基對(duì)神經(jīng)降壓肽(8—13)片段衍生物單體/二聚體/四聚體進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式Fig.7 Structural formulas of 18F-FDG-labeled monomeric, dimeric, and tetrameric neurotensin(8-13) derivatives

Simpson等[17]采用18F-FDG標(biāo)記氨氧乙?；途垡叶蓟揎椀纳锼匮苌锏难芯勘砻?，RCY很高，但標(biāo)記產(chǎn)物(18F-17)(圖8)比活度較低，且降低前體濃度會(huì)影響RCY。使用制得后衰變4 h的18F-FDG，RCY仍能達(dá)到近100%。18F-17在體外對(duì)親和素的結(jié)合率可達(dá)85%，非特異性結(jié)合率不足10%。

Jammaz等[18]采用18F-FDG標(biāo)記了氨氧基乙酰碳酰肼基修飾葉酸/甲氨蝶呤，標(biāo)記率高，標(biāo)記產(chǎn)物18F-FDG-葉酸(18F-18)和18F-FDG-甲氨蝶呤(18F-19)(圖9)的比活度和穩(wěn)定性高。18F-18和18F-19對(duì)高表達(dá)葉酸受體的KB細(xì)胞的親和力優(yōu)于18F-氟苯基或18F-氟吡啶基標(biāo)記葉酸，與天然酸相當(dāng)。在正常鼠的血液和組織清除快。KB荷瘤鼠體內(nèi)分布研究顯示，其血液清除快，腫瘤攝取值高，18F-18或18F-19與葉酸共注射后腫瘤和腎的攝取顯著降低，其中18F-19顯示出較優(yōu)越的成像性能。

圖8 以18F-FDG為輔基對(duì)生物素衍生物進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式Fig.8 Structural formula of 18F-FDG-labeled biotin derivatives

圖9 以18F-FDG為輔基對(duì)碳酰肼基葉酸/甲氨蝶呤進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式Fig.9 Structural formulas of 18F-FDG-labeled carbohydrazide-folate/methotrexate derivatives

Frau等[19]報(bào)道了19F-FDG標(biāo)記氨氧基修飾吡唑類化合物NESS125A用于大麻素(cannabinoid, CB)受體顯像的研究。相比NESS125A，兩種化合物(化合物20、21,圖10)對(duì)CB1和CB2受體的親和力及對(duì)CB1受體的選擇性都顯著減弱，說明在吡唑基3-位的親水性基團(tuán)取代會(huì)影響NESS125A的活性，故未進(jìn)行18F-氟標(biāo)記研究。

圖10 以19F-FDG為輔基對(duì)NESS125A衍生物進(jìn)行 19F-氟標(biāo)記的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式Fig.10 Structural formulas of 19F-FDG-labeled NESS125A derivatives

總之，成肟反應(yīng)條件相對(duì)溫和，RCY高，但被標(biāo)記分子濃度低會(huì)影響RCY。以氨氧基修飾被標(biāo)記分子可保證標(biāo)記位點(diǎn)選擇性。以Boc基封閉游離氨氧基可提高標(biāo)記率。臨床用18F-FDG因含有大量葡萄糖會(huì)干擾標(biāo)記反應(yīng)，使用前應(yīng)采用HPLC純化。

3 巰基連接法

圖11 18F-氟標(biāo)記CAKAY肽/RGDfC環(huán)肽結(jié)構(gòu)式Fig.11 Structural formulas of 18F-fluoro-CAKAY peptide/cyclo-RGDfC peptide derivatives

Prante等[20]首次以18F-FDG為輔基采用巰基連接法進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的研究。該法將α-苯磺酸三乙?；?8F-FDG硫酯與含半胱氨酸殘基的CAKAY肽或RGDfC環(huán)肽連接得到標(biāo)記產(chǎn)物(18F-22、18F-23, 圖11)。總體上講反應(yīng)條件溫和，但步驟冗長影響了RCY。在生化和細(xì)胞水平，18F-23與RGDfC環(huán)肽相比，半胱氨酸殘基糖基化未顯著影響對(duì)αvβ3整合素的親和力。

Boutureira等[21]首次從18F-FDG開始對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行位點(diǎn)選擇性18F-氟標(biāo)記的研究。反應(yīng)將1-硫代-18F-FDG與含半胱氨酸或脫氫丙氨酸殘基的枯草桿菌絲氨酸蛋白酶(SBL-S156C或SBL-S156Dha)連接，分別得到二硫鍵和硫醚鍵連接的標(biāo)記產(chǎn)物(18F-24、18F-25，圖12)，反應(yīng)條件溫和，RCY較高。

圖12 18F-氟標(biāo)記枯草桿菌絲氨酸蛋白酶SBL-S156結(jié)構(gòu)式Fig.12 Structural formulas of 18F-fluoro-serine protease subtilisin from Bacillus lentus(SBL) S156

Unak等[22]從四乙?；谆酋８事短情_始對(duì)金納米粒進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的研究。反應(yīng)的RCY和標(biāo)記產(chǎn)物(18F-26)穩(wěn)定性均較高。18F-26對(duì)異粘蛋白高表達(dá)的MCF-7細(xì)胞有較高親和力和較低毒性。該法的缺點(diǎn)是制備步驟多(圖13)，另外原料NaCNBH3毒性強(qiáng)，對(duì)產(chǎn)物純化的要求高。

圖13 以18F-FDG為輔基對(duì)制備的18F-氟標(biāo)記異粘蛋白抗體修飾金納米粒結(jié)構(gòu)式Fig.13 Structural formula of 18F-fluoro-metadherin antibody modified gold nanoparticle labeled via 18F-FDG

Ozkaya等[23]從四乙?；谆酋８事短情_始對(duì)磁性氧化鐵納米粒進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的研究。方法與前述金納米粒相似，最后一步反應(yīng)連接納米粒的產(chǎn)率高(圖14)，但總體RCY仍較低。標(biāo)記產(chǎn)物(18F-27)對(duì)MCF-7細(xì)胞有高親和力和低毒性。

圖14 18F-氟標(biāo)記磁性氧化鐵納米粒結(jié)構(gòu)式Fig.14 Structural formula of 18F-fluoro-magnetic iron oxide nanoparticle labeled

總之，巰基連接法需要被標(biāo)記分子含有暴露的巰基或含有半胱氨酸殘基，該法的優(yōu)勢(shì)在于具有優(yōu)異的位點(diǎn)選擇性，反應(yīng)條件相對(duì)溫和，更適用于生物大分子的18F-氟標(biāo)記。但因反應(yīng)步驟多，反應(yīng)時(shí)間偏長，總體RCY值受到一定影響。該法一般選用二硫鍵和硫醚鍵連接18F-FDG輔基，雖然這兩種鍵比酯鍵更難酶解，但其標(biāo)記產(chǎn)物的體內(nèi)穩(wěn)定性仍有待提高。尚未見該法用于體內(nèi)成像研究的報(bào)道。

4 “點(diǎn)擊化學(xué)”法

“點(diǎn)擊化學(xué)”策略由Sharpless等[24]提出，其條件溫和、化學(xué)選擇性好、操作簡便。其中Cu(Ⅰ)催化-疊氮基-炔基環(huán)化加成反應(yīng)(copper(Ⅰ)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition, CuAAC)是最常用的反應(yīng)類型之一[25]。CuAAC已廣泛應(yīng)用到正電子核素標(biāo)記研究中[26-27]。

Maschauer等[28]首次以18F-FDG為輔基通過CuAAC進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的研究。先制得18F-FDG-疊氮化物，再與丙炔基甘氨酸連接制得18F-28。該法缺點(diǎn)是反應(yīng)步驟太多(圖15)。Maschauer等[29]還嘗試用類似方法對(duì)丙炔基甘氨酸殘基修飾的NT8-13衍生物和RGD環(huán)肽進(jìn)行18F-氟標(biāo)記，標(biāo)記反應(yīng)快，標(biāo)記產(chǎn)物(18F-29、18F-30)的純度和比活度高。18F-29對(duì)NT受體有高親和力(Kd=8.5 nmol/L)和選擇性。18F-29注入HT29荷瘤鼠65 min后，腫瘤/血的放射性攝取比達(dá)3.5；18F-30注入U(xiǎn)87MG荷瘤鼠體內(nèi)30 min后，腫瘤/血和腫瘤/肌肉的放射性攝取比分別為2.3和4.4。18F-29和18F-30均顯示出良好成像性能。

Boutureira等[30]分別采用四乙?；?18F-FDG-疊氮化物和18F-FDG-疊氮化物對(duì)含丙炔基甘氨酸殘基的磷酸丙糖異構(gòu)酶(SsβG)進(jìn)行18F-氟標(biāo)記(圖16)，二者都存在標(biāo)記率低、反應(yīng)時(shí)間長的問題，原因可能是通過基因重組和細(xì)菌表達(dá)制備的SsβG濃度低。采用四乙酰基-18F-FDG-疊氮化物的總體RCY較低，反應(yīng)時(shí)間較長。

Fmoc：芴甲氧羰基；NLys：N-(4-氨丁基)甘氨酸殘基；Tle：叔亮氨酸殘基圖15 18F-氟標(biāo)記甘氨酸、神經(jīng)降壓肽(8—13)片段和RGD環(huán)肽衍生物結(jié)構(gòu)式Fig.15 Structural formulas of 18F-fluoro-glycine/neurotensin(8-13)/cyclo RDGfPra peptide derivatives

SsβG：磷酸丙糖異構(gòu)酶圖16 18F-氟標(biāo)記磷酸丙糖異構(gòu)酶結(jié)構(gòu)式Fig.16 Structural formulas of 18F-fluoro-triosephosphate isomerase barrel protein

Fischer等[31]采用18F-FDG-疊氮化物對(duì)丙炔基甘氨酸修飾葉酸進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的研究。標(biāo)記產(chǎn)物18F-33(圖17)顯示出良好的體外和體內(nèi)穩(wěn)定性。18F-33注入KB荷瘤鼠體內(nèi)90 min后，腫瘤/血液放射性攝取比高于36，顯示出優(yōu)異的成像性能。消化系統(tǒng)的非特異性高攝取懷疑與肝細(xì)胞的受體介導(dǎo)內(nèi)吞有關(guān)。為增加18F-33的血液滯留時(shí)間，F(xiàn)ischer等[32]還在18F-33的基礎(chǔ)上添加了血清白蛋白結(jié)合基團(tuán)制得18F-34(圖17)。18F-34的總體RCY比18F-33略低，但結(jié)合葉酸受體的選擇性未受影響。在KB荷瘤鼠體內(nèi)，18F-34比18F-33的血液清除慢造成本底偏高，但注射后1 h18F-34的腫瘤攝取和腫瘤/腎放射性攝取比更高。

Hugenberg等[33]采用點(diǎn)擊化學(xué)法對(duì)異羥肟酸類基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)抑制劑CGS 27023A和CGS 25966進(jìn)行了多種輔基的19F-氟標(biāo)記。CGS 25966的兩種19F-FDG標(biāo)記產(chǎn)物35和36(圖18)對(duì)MMP-2、8、9、13均有良好親和力(IC50值為0.2～0.6 nmol/L)，由于標(biāo)記產(chǎn)物35、36并非所有19F-氟標(biāo)記產(chǎn)物中IC50和lgD7.4值最佳的產(chǎn)物，故Hegenberg等選擇了其他產(chǎn)物進(jìn)行18F-氟標(biāo)記研究。

圖17 18F-氟標(biāo)記葉酸及其衍生物結(jié)構(gòu)式Fig.17 Structural formulas of 18F-fluoro-folic acid and its derivatives

Held等[34]合成了一種可選擇性結(jié)合神經(jīng)降壓肽2型受體(neurotensin receptor subtype-2, NTS2)的含N-homo-酪氨酸的NT8-13衍生物，并在其N端連接丙炔基甘氨酸后進(jìn)行19F-FDG標(biāo)記。標(biāo)記產(chǎn)物37(圖19)對(duì)NTS2的選擇性和親和力相比被標(biāo)記分子顯著下降，說明該法制備NTS2示蹤劑不可行，故未進(jìn)行18F-氟標(biāo)記研究。

圖18 19F-氟標(biāo)記CGS 27023A和CGS 25966結(jié)構(gòu)式Fig.18 Structural formulas of 19F-CGS 27023A and 19F-CGS 25966

NLys：N-(4-氨丁基)甘氨酸殘基圖19 19F-氟標(biāo)記神經(jīng)降壓肽(8—13)片段衍生物結(jié)構(gòu)式Fig.19 Structural formula of 19F-neurotensin (8-13) derivatives

Banerjee等[35]嘗試對(duì)N-芳基哌嗪三唑類化合物進(jìn)行了多種衍生化和19F-氟標(biāo)記，并測定了標(biāo)記產(chǎn)物對(duì)多巴胺受體和5-羥色胺受體各亞型的親和力。其中兩種19F-FDG標(biāo)記產(chǎn)物38和39(圖20)的親水性相對(duì)于標(biāo)記前有不同程度增加，但對(duì)多巴胺D4受體的親和力僅相當(dāng)于被標(biāo)記分子的1/200和1/10，故未進(jìn)行18F-氟標(biāo)記研究。

Maschauer等[36]采用18F-FDG-疊氮化物對(duì)丙炔基聚乙二醇修飾的內(nèi)皮素A型受體(endothelin receptor A, ETAR)選擇性配體PD156707進(jìn)行了18F標(biāo)記。標(biāo)記產(chǎn)物18F-40(圖21)對(duì)ETAR親和力比ETBR高266倍，但相比PD156707對(duì)ETAR的選擇性仍有所降低。為K1移植瘤裸鼠注射18F-40后血液清除快，60 min腫瘤攝取值為0.62%ID/g，肝、腎攝取低，膽囊和腸生理性攝取高，說明18F-FDG標(biāo)記雖然增加了親水性(lgD=-0.4)，但18F-40仍主要從肝膽清除。

圖20 19F-氟標(biāo)記N-芳基哌嗪三唑類衍生物結(jié)構(gòu)式Fig.20 Structural formulas of 19F-N-arylpiperazine triazole derivatives

圖21 18F-氟標(biāo)記PD156707衍生物結(jié)構(gòu)式Fig.21 Structural formula of 18F-PD156707 derivatives

Lang等[37]采用18F-FDG-疊氮化物對(duì)二芳基吡唑類NTS-1抑制劑SR142948A進(jìn)行了18F-氟標(biāo)記。標(biāo)記產(chǎn)物18F-41(圖22)的水溶性好(lgD7.4=-0.24)，難以透過血腦屏障，對(duì)NTS-1的親和力高(Ki=1 nmol/L)。18F-41注入HT29荷瘤鼠體內(nèi)后血液和肝清除快，注射60 min后腫瘤攝取值為0.74%ID/g，腫瘤/血液的放射性攝取比為4.4。相對(duì)于其他已報(bào)道的NTS-1示蹤劑18F-41的腫瘤攝取值偏低，但腎清除快。

圖22 18F-氟標(biāo)記SR142948A結(jié)構(gòu)式Fig.22 Structural formula of 18F-SR142948A

Pisaneschi等[38]采用18F-FDG-疊氮化物對(duì)表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)氰基喹啉類配體進(jìn)行了18F-氟標(biāo)記。標(biāo)記產(chǎn)物18F-42(圖23)的親水性高。分別用高表達(dá)/低表達(dá)EGFR的A431/MCF7細(xì)胞進(jìn)行體外結(jié)合測定的結(jié)果顯示，18F-42對(duì)EGFR有高親和力和選擇性，但18F-42的體內(nèi)分布研究未見報(bào)道。

總之，CuAAC并非嚴(yán)格意義上從18F-FDG開始的18F-氟標(biāo)記。另外，疊氮基前體制備過程復(fù)雜，需要4步反應(yīng)和HPLC純化[28]，被標(biāo)記分子還需進(jìn)行炔基修飾。然而，由于CuAAC在反應(yīng)條件、位點(diǎn)選擇性、產(chǎn)率、反應(yīng)速率、操作便捷性方面具備其他方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)，目前仍是18F-氟標(biāo)記方法研究中最熱門的反應(yīng)類型之一，尤其是丙炔基甘氨酸等非天然氨基酸摻入方法發(fā)展成熟后，CuAAC尤其在生物大分子18F-氟標(biāo)記中的應(yīng)用越來越受到重視。

圖23 18F-氟標(biāo)記氰基喹啉類化合物結(jié)構(gòu)式Fig.23 Structural formula of 18F-cyanoquinoline

5 其他方法

Patt等[39]借鑒乏氧示蹤劑18F-FAZA的分子結(jié)構(gòu)，從四乙酰基-18F-FDG開始制備18F-FDG與2-硝基咪唑的連接產(chǎn)物18F-43(圖24)。在體外，腫瘤細(xì)胞對(duì)18F-43的攝取低(0.1%～0.2%)。18F-43注入Walker 256荷瘤大鼠體內(nèi)60 min后腫瘤攝取值與除腎以外的組織相比無顯著差異，故18F-43不適用于體內(nèi)成像，原因尚不明。

圖24 18F-氟標(biāo)記2-硝基咪唑結(jié)構(gòu)式Fig.24 Structural formula of 18F-fluoro-2-nitroimidazole

Maschauer等[40]從四乙?；?18F-FDG開始采用三氟化硼(BF3)催化對(duì)絲氨酸和蘇氨酸進(jìn)行側(cè)鏈羥基18F-氟標(biāo)記(18F-44、18F-45, 圖25)。另外Maschauer等[41]還從標(biāo)記率的角度對(duì)四乙?；?18F-FDG連接絲氨酸/蘇氨酸的兩種方法進(jìn)行了討論。BF3法適用于N-芴甲氧羰基(Fmoc)絲氨酸，而氫溴酸-三氟甲磺酸銀法適用于N-Fmoc-C-氧芐基蘇氨酸。該研究為氨基酸和肽的側(cè)鏈糖基化18F-氟標(biāo)記提供了方法學(xué)基礎(chǔ)。

圖25 18F-氟標(biāo)記絲氨酸/蘇氨酸結(jié)構(gòu)式Fig.25 Structural formulas of 18F-fluoro-serine/threonine

6 微流控芯片的應(yīng)用

Bouvet等[42]將微流控芯片技術(shù)應(yīng)用于以18F-FDG為輔基對(duì)肽進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的研究，分別驗(yàn)證了順丁烯二酰亞胺基己基肟法(圖5)和乙?；糠?圖6)。結(jié)果顯示，采用微流控芯片技術(shù)可顯著減少反應(yīng)時(shí)間和前體肽用量，并顯著提高RCY。其短時(shí)、高溫反應(yīng)的條件更適用于熱不穩(wěn)定性分子的18F-氟標(biāo)記。

7 問題與對(duì)策

以18F-FDG為輔基進(jìn)行18F-氟標(biāo)記的優(yōu)勢(shì)在于：(1)18F-FDG成本低，易獲取，相比傳統(tǒng)間接18F-氟標(biāo)記法采用的輔基(如N-丁二酰亞胺基-4-18F-氟苯甲酸酯、4-18F-氟苯甲醛等)，其標(biāo)記位點(diǎn)選擇性高、合成路線簡單、RCY高；(2) 以18F-FDG為輔基的18F-氟標(biāo)記反應(yīng)可在水相進(jìn)行，反應(yīng)體系簡單。該策略的不足之處是：(1) 臨床用18F-FDG所含葡萄糖會(huì)干擾標(biāo)記反應(yīng)，投料前需純化；(2) 其應(yīng)用可能受限于特定類型的前體，或被標(biāo)記分子需先進(jìn)行特定修飾(氨氧基、炔基及Boc基等)。

此外，前述各類方法均有技術(shù)難點(diǎn)：(1) 酶法的難點(diǎn)在于酶易失活，操作不便，反應(yīng)的重現(xiàn)性較差，需要精細(xì)地控制酶的保存、反應(yīng)和產(chǎn)物純化條件；(2) 成肟法的難點(diǎn)在于反應(yīng)需偏酸性環(huán)境和加熱，故對(duì)生物大分子進(jìn)行標(biāo)記時(shí)反應(yīng)條件需小心控制；有學(xué)者開發(fā)了以5-18F-氟代-5-脫氧核糖(5-18F-fluoro-5-deoxyribose,18F-FDR)代替18F-FDG為輔基進(jìn)行18F標(biāo)記的方法，采用18F-FDR在室溫和pH=6.0時(shí)即可獲得高RCY；此外采用苯胺類化合物催化也可顯著加快反應(yīng)[7,43]；(3) 巰基連接法的難點(diǎn)在于被標(biāo)記分子上的暴露巰基不穩(wěn)定易氧化，因此反應(yīng)體系需惰性氣體保護(hù)和偏堿性環(huán)境；(4) CuAAC的難點(diǎn)在于2-三氟甲磺酰四乙?；B氮前體尚未商品化，故有研究采用6-三氟甲磺酰基疊氮予以替代；制備四乙?；?18F-FDG-疊氮化物時(shí)，反應(yīng)體系pH值偏高則2-三氟甲磺酰四乙?；B氮前體可能分解，可在洗脫18F-F-的K2CO3溶液中加入適量KH2PO4調(diào)整pH值；另外炔基修飾的被標(biāo)記分子濃度(應(yīng)大于33 μmol/L，生物大分子有時(shí)難以達(dá)到)會(huì)影響標(biāo)記率[28]；CuAAC需要Cu+催化，引入有毒的重金屬離子為產(chǎn)物純化和質(zhì)量控制帶來不便，故有學(xué)者發(fā)展了非銅催化環(huán)化加成以及其他生物正交反應(yīng)類型，體現(xiàn)出良好的前景。

目前尚無任何一種前述反應(yīng)類型適用于所有被標(biāo)記分子，前述各類方法各有優(yōu)勢(shì)(方法學(xué)參數(shù)對(duì)比見表1)。例如以18F-FDG為輔基對(duì)RGD環(huán)肽進(jìn)行18F-氟標(biāo)記分別有成肟法、巰基連接法和“點(diǎn)擊化學(xué)”法的研究報(bào)道，“點(diǎn)擊化學(xué)”法制備總耗時(shí)最短(70 min)，成肟法RCY最高(可達(dá)93%)，巰基連接法反應(yīng)條件最溫和，需根據(jù)實(shí)際條件和需求選擇。尤其是成肟法和“點(diǎn)擊化學(xué)”法仍不斷有新的改進(jìn)見諸報(bào)道，哪種方法更具有臨床應(yīng)用價(jià)值尚無定論。

藥物質(zhì)量控制是標(biāo)記方法開發(fā)需考慮的重要因素。理想的標(biāo)記方法應(yīng)盡可能少的引入毒性原料(如NaCNBH3、重金屬、有機(jī)溶劑等)，產(chǎn)物與原料、副產(chǎn)物易分離，純化過程簡便快速。前述方法中僅個(gè)別涉及毒性原料，多數(shù)方法反應(yīng)步驟多，體系較復(fù)雜，故大多采用HPLC結(jié)合固相萃取法進(jìn)行終產(chǎn)物純化，可有效克服副產(chǎn)物對(duì)標(biāo)記產(chǎn)物結(jié)合靶標(biāo)的干擾，但缺點(diǎn)是分離時(shí)間太長會(huì)影響產(chǎn)物比活度。

總而言之，以18F-FDG為輔基進(jìn)行18F-氟標(biāo)記是一種可行的間接標(biāo)記策略。隨著步驟更簡單、條件溫和的新反應(yīng)類型被開發(fā)應(yīng)用、新型靶向分子的發(fā)現(xiàn)和合成設(shè)備的進(jìn)步，以18F-FDG為輔基的間接18F-氟標(biāo)記法還將繼續(xù)發(fā)展并逐步向臨床應(yīng)用靠近。如何繼續(xù)提高標(biāo)記率，減少反應(yīng)步驟、反應(yīng)時(shí)間和前體用量將是未來研究關(guān)注的重點(diǎn)方向。

[1] Jiang L, Tu Y, Shi H, et al. PET probes beyond18F-FDG[J]. J Biomed Res, 2014, 28(6): 435-446.

[2] Ermert J.18F-labelled intermediates for radiosynthesis by modular build-up reactions: newer devel-opments[J]. Bio Med Res Int, 2014, 2014: 812973.

[3] Richter S, Wuest M, Bergman C N, et al. Rerouting the metabolic pathway of18F-labeled peptides: the influence of prosthetic groups[J]. Bioconjugate Chem, 2015, 26(2): 201-212.

[4] Wangler C, Waser B, Alke A, et al. One-step18F-labeling of carbohydrate-conjugated octreotate-derivatives containing a silicon-fluoride-acceptor (SiFA):invitroandinvivoevaluation as tumor imaging agents for positron emission tomography (PET)[J]. Bioconjugate Chem, 2010, 21(12): 2289-2296.

[5] Hamacher K, Coenen H H, Stocklin G. Efficient stereospecific synthesis of no-carrier-added 2-[18F]-fluoro-2-deoxy-D-glucose using aminopoly-ether supported nucleophilic substitution[J]. J Nucl Med, 1986, 27(2): 235-238.

[6] Prante O, Hamacher K, Coenen H H. Chemoen-zymatic n.c.a. synthesis of the coenzyme uridine diphospho-2-deoxy-2-[18F]fluoro-β-D-glucose[J]. J Labelled Compd Rad, 1999, 42(2): S111-S112.

[7] Maschauer S, Prante O. Sweetening pharmaceutical radiochemistry by18F-fluoroglycosylation: a short review[J]. Bio Med Res Int, 2014, 2014: 214748.

[8] 李淼，李宏利，郭佑民，等.18F-FDG直接標(biāo)記GKLVFFGK寡肽的方法探討[J].功能與分子醫(yī)學(xué)影像學(xué)(電子版)，2014，3(4):528-532.

[9] Prante O, Hamacher K, Coenen H H. Chemoenzymatic n.c.a. synthesis of the coenzyme UDP-2-deoxy-2-[18F]fluoro-α-D-glucopyranose as substrate of glycosyltransferases[J]. J Labelled Compd Rad, 2007, 50(1): 55-63.

[10]Bormans G, Verbruggen A. Enzymatic synthesis and biodistribution in mice of β-O-D-galactopyranosyl-(1,4′)-2′-[18F]fluoro-2′-deoxy-D-glucopyranose(2′-[18F]fluorodeoxylactose)[J]. J Labelled Compd Rad, 2001, 44(6): 417-423.

[11]Phenix C P, Rempel B P, Colobong K, et al. Imaging of enzyme replacement therapy using PET[J]. P Natl Acad Sci USA, 2010, 107(24): 10842-10847.

[12]Berndt M, Pietzsch J, Bergmann R, et al. A novel role for [18F]FDG: synthesis and application of a [18F]FDG-based prosthetic group for peptide and protein labeling[J]. J Nucl Med, 2006, 47(Suppl 1): 29.

[13]Wuest F, Berndt M, Bergmann R, et al. Synthesis and application of [18F]FDG-maleimidehexyloxime ([18F]FDG-MHO): a [18F]FDG-based prosthetic group for the chemoselective18F-labeling of peptides and proteins[J]. Bioconjugate Chem, 2008, 19(6): 1202-1210.

[14]Namavari M, Cheng Z, Zhang R, et al. A novel method for direct site-specific radiolabeling of peptides using [18F]FDG[J]. Bioconjugate Chem, 2009, 20(3): 432-436.

[15]Hultsch C, Schottelius M, Auernheimer J, et al. (18)F-Fluoroglucosylation of peptides, exemplified on cyclo(RGDfK)[J]. Eur J Nucl Med Mol I, 2009, 36(9): 1469-1474.

[16]Wuest F, Hultsch C, Berndt M, et al. Direct labelling of peptides with 2-[18F]fluoro-2-deoxy-d-glucose ([18F]FDG)[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2009, 19(18): 5426-5428.

[17]Simpson M, Trembleau L, Cheyne R W, et al. One-pot production of18F-biotin by conjugation with18F-FDG for pre-targeted imaging: synthesis and radio-labelling of a PEGylated precursor[J]. Appl Radiat Isot, 2011, 69(2): 418-422.

[18]Jammaz I A, Al-Otaibi B, Amer S, et al. Novel synthesis and preclinical evaluation of folic acid derivatives labeled with (18)F-[FDG] for PET imaging of folate receptor-positive tumors[J]. Nucl Med Biol, 2012, 39(6): 864-870.

[19]Frau S, Dall’Angelo S, Baillie G L, et al. Pyrazole-type cannabinoid ligands conjugated with fluoro-deoxy-carbohydrates as potential PET-imaging agents: synthesis and CB1/CB2 receptor affinity evalua- tion[J]. J Fluorine Chem, 2013, 152(SI): 166-172.

[20]Prante O, Einsiedel J, Haubner R, et al. 3,4,6-tri-O-acetyl-2-deoxy-2-[18F] fluoroglucopyranosyl phenylthiosulfonate: a thiol-reactive agent for the chemoselective18F-glycosylation of peptides[J]. Bioconjugate Chem, 2007, 18(1): 254-262.

[21]Boutureira O, Bernardes G J, D’Hooge F, et al. Direct radiolabelling of proteins at cysteine using [18F]-fluorosugars[J]. Chem Commun, 2011, 47(36): 10010-10012.

[22]Unak G, Ozkaya F, Medine E I, et al. Gold nanoparticle probes: design andinvitroapplications in cancer cell culture[J]. Colloid Surface B, 2012, 90: 217-226.

[23]Ozkaya F, Unak P, Medine E I, et al.18FDG conjugated magnetic nanoparticle probes: synthesis andinvitroinvestigations on MCF-7 breast cancer cells[J]. J Radioanal Nucl Chem, 2013, 295(3): 1789-1796.

[24]Kolb H C, Finn M G, Sharpless K B. Click chemistry: diverse chemical function from a few good reactions[J]. Angew Chem Int Edit, 2001, 40(11): 2004-2021.

[25]Rostovtsev V V, Green L G, Fokin V V, et al. A stepwise huisgen cycloaddition process: copper(Ⅰ)-catalyzed regioselective “l(fā)igation” of azides and terminal alkynes[J]. Angew Chem Int Edit, 2002, 41(14): 2596-2599.

[26]Pretze M, Pietzsch D, Mamat C. Recent trends in bioorthogonal click-radiolabeling reactions using fluorine-18[J]. Molecules, 2013, 18(7): 8618-8665.

[27]Leila M, Lachlan C, Rudi A D, et al. Application of click chemistry for PET[J]. Curr Org Chem, 2013, 17(19): 2108-2118.

[28]Maschauer S, Prante O. A series of 2-O-trifluoromethylsulfonyl-D-mannopyranosides as precursors for concomitant18F-labeling and glycosylation by click chemistry[J]. Carbohyd Res, 2009, 344(6): 753-761.

[29]Maschauer S, Einsiedel J, Haubner R, et al. Labeling and glycosylation of peptides using click chemistry: a general approach to (18)F-glycopeptides as effective imaging probes for positron emission tomography[J]. Angew Chem Int Edit, 2010, 49(5): 976-979.

[30]Boutureira O, D’Hooge F, Fernandez-Gonzalez M, et al. Fluoroglycoproteins: ready chemical site-selective incorporation of fluorosugars into proteins[J]. Chem Commun, 2010, 46(43): 8142-8144.

[31]Fischer C R, Muller C, Reber J, et al. [18F]fluoro-deoxy-glucose folate: a novel PET radiotracer with improvedinvivoproperties for folate receptor targeting[J]. Bioconjugate Chem, 2012, 23(4): 805-813.

[32]Fischer C R, Groehn V, Reber J, et al. Improved PET imaging of tumors in mice using a novel18F-folate conjugate with an albumin-binding entity[J]. Mol Imaging Biol, 2013, 15(6): 649-654.

[33]Hugenberg V, Breyholz H J, Riemann B, et al. A new class of highly potent matrix metalloproteinase inhibitors based on triazole-substituted hydroxamates: (radio)synthesis andinvitroand firstinvivoevaluation[J]. J Med Chem, 2012, 55(10): 4714-4727.

[34]Held C, Plomer M, Hubner H, et al. Development of a metabolically stable neurotensin receptor 2 (NTS2) ligand[J]. Chem Med Chem, 2013, 8(1): 75-81.

[35]Banerjee A, Maschauer S, Hubner H, et al. Click chemistry based synthesis of dopamine D4 selective receptor ligands for the selection of potential PET tracers[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2013, 23(22): 6079-6082.

[36]Maschauer S, Michel K, Tripal P, et al. Synthesis andinvivoevaluation of an (18)F-labeled glycoconjugate of PD156707 for imaging ETA receptor expression in thyroid carcinoma by positron emission tomography[J]. Am J Nucl Med Mol Imaging, 2013, 3(5): 425-436.

[37]Lang C, Maschauer S, Hubner H, et al. Synthesis and evaluation of a (18)F-labeled diarylpyrazole glycoconjugate for the imaging of NTS1-positive tumors[J]. J Med Chem, 2013, 56(22): 9361-9365.

[38]Pisaneschi F, Slade R L, Iddon L, et al. Synthesis of a new fluorine-18 glycosylated “click” cyanoquinoline for the imaging of epidermal growth factor receptor[J]. J Labelled Compd Rad, 2014, 57(2): 92-96.

[39]Patt M, Sorger D, Scheunemann M, et al. Adduct of 2-[18F]FDG and 2-nitroimidazole as a putative radiotracer for the detection of hypoxia with PET: synthesis,invitro- andinvivo-characterization[J]. Appl Radiat Isot, 2002, 57(5): 705-712.

[40]Maschauer S, Pischetsrieder M, Kuwert T, et al. Utility of 1,3,4,6-tetra-O-acetyl-2-deoxy-2-[18F]fluoro-glucopyranoside for no-carrier-added18F-glycosylation of amino acids[J]. J Labelled Compd Rad, 2005, 48(10): 701-719.

[41]Maschauer S, Kuwert T, Prante O.18F-glycosylation using Koenigs-Knorr conditions: a comparative study[J]. J Labelled Compd Rad, 2006, 49(2): 101-108.

[42]Bouvet V R, Wuest F. Application of [18F]FDG in radiolabeling reactions using microfluidic tech-nology[J]. Lab Chip, 2013, 13(22): 4290-4294.

[43]Rashidian M, Keliher E J, Dougan M, et al. Use of18F-2-fluorodeoxyglucose to label antibody fragments for immuno-positron emission tomography of pancreatic cancer[J]. ACS Cent Sci, 2015, 1(3): 142-147.

Methodological Progress of18F-Fluoro-Labeling Employing18F-FDG as Prosthetic Group

DING Hui, LI Yang, LI Miao*

Department of Radiology, the First Affiliated Hospital, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710061, China

In the field of nuclear medicine molecular imaging,18F-fluoro-labeling methods based on intermediate molecule containing18F-fluoro (i.e. prosthetic groups) has mild reaction condition, fine chemo-selectivity and simple purification for product. Therefore, the indirect18F-fluoro-labeling via prosthetic group is a classical strategy in the development of tracers for positron emission tomography(PET). 2-18F-fluoro-2-deoxy-D-glucose (18F-FDG), which has simple scaffold, high hydrophilicity and easy accessibility, is the most popular tracer in PET practice and ideal prosthetic molecule for18F-fluoro-labeling. In this paper, we review related methodological progress in literatures. The methodological parameters and product properties in these reports are compared and analyzed. Overall, several18F-fluoro-labeling solutions employing18F-FDG have emerged, including enzymic method, oxime formation, sulfydryl ligation and click-chemistry. They were tried in the18F-fluoro-labeling of small molecules, peptides, enzymes and nanoparticles. New technology such as microfluidic reactor was applied in some solutions aforementioned. Glycosylation and18F-fluoro-labeling of precursor molecule can be achieved synchronically by the conjugation with18F-FDG. Consequently, theinvivobio-kinetics of labeling product are significantly improved. Although the18F-fluoro-labeling employing18F-FDG needs multi-step reaction and especial modification in precursor, it is generally a feasible and valuable indirect labeling strategy.

18F-FDG; prosthetic group; indirect labeling;18F-fluoro-labeling; methodology

2016-05-03；

2016-09-05

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院科研基金青年創(chuàng)新項(xiàng)目(2014YK8)

丁 暉(1970—)，男，山東曹縣人，主管技師，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)影像技術(shù)，E-mail: 2330996003@qq.com

*通信聯(lián)系人：李 淼(1983—)，男，陜西安康人，博士，助理研究員，研究方向?yàn)榉肿佑跋衽c分子探針，E-mail: 43086906@qq.com

R811.3

A

0253-9950(2017)03-0193-15

10.7538/hhx.2017.39.03.0193