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18F-标记含硅氟受体（SiFA）功能化放射性示踪剂用于正电子发射断层扫描

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DOI：

10.3791/60623

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2020年1月11日

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1Department of Oncology, University of Alberta, 2Department of Nuclear Medicine, University Hospital of Munich, 3ENETS Centre of Excellence, Interdisciplinary Center of Neuroendocrine Tumors of the GastroEnteroPancreatic System, LMU Munich, 4Biomedical Chemistry, Department of Clinical Radiology and Nuclear Medicine, Medical Faculty Mannheim of Heidelberg University, 5Molecular Imaging and Radiochemistry, Department of Clinical Radiology and Nuclear Medicine, Medical Faculty Mannheim of Heidelberg University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

用于正电子发射断层扫描的氟-18（18F）标记放射性药物的合成通常需要数月的经验积累。当硅-氟受体（SiFA）结构被引入放射性示踪剂后，可实现一种简便的18F标记方案，该方法无需昂贵设备和前期培训，同时减少了前体用量，并采用更温和的反应条件。

摘要

被称为硅-氟受体（SiFA）的对位取代二-叔丁基氟硅基苯结构基元，是放射化学工具箱中有用的标记物，可用于将放射性[18F]氟离子引入示踪剂，以用于正电子发射断层扫描。与传统的放射性标记策略相比，SiFA中的氟-19与[18F]氟离子之间的同位素交换反应在室温下进行，且所需参与反应的组分极少。因此副产物的生成可忽略不计，纯化过程也大大简化。然而，尽管用于标记的前体分子与最终的放射性标记产物在同位素上是不同的，但它们在化学结构上完全相同，因此在纯化过程中无法分离。此外，SiFA标记物在[18F]氟离子处理和干燥过程中产生的碱性条件下容易发生降解。“四滴法”是指仅使用固相萃取洗脱液的前四滴[18F]氟离子，该方法可减少反应中的碱量，允许使用更少的前体摩尔量，并降低降解程度。

引言

氟-18（半衰期109分钟，正电子发射占比97%）是正电子发射断层扫描（PET）中最重要的放射性核素之一。PET是一种无创成像技术，可用于可视化并定量分析多种疾病中放射性标记示踪剂在体内的生物分布1。由于多肽和蛋白质的标记需要通过多步合成构建中间体，因此使用[18F]氟化物对其进行标记尤为困难2。为了简化18F放射标记的复杂性，硅-氟受体（SiFA）最近被引入作为可靠的标记工具3。SiFA基团由一个中心硅原子构成，该硅原子连接两个叔丁基、一个经衍生化的苯基片段以及一个非放射性氟原子。叔丁基赋予硅-氟键水解稳定性，这一特性对于SiFA偶联物作为成像探针在体内的应用至关重要。

当连接到小分子或生物分子时，SiFA结构单元能够在纳摩尔浓度下通过氟-19与氟-18的交换反应结合放射性[18F]氟离子，且不会产生大量放射性副产物4。此外，在低温条件下使用极性非质子溶剂对SiFA基团进行标记，可快速获得高放射化学产率。这与传统的同位素交换反应形成鲜明对比，后者所生成的放射性示踪剂比活度较低5。在传统方法中，必须使用大量前体（毫克级）才能实现[18F]氟离子的合理掺入。而基于SiFA的同位素交换反应效率显著更高，动力学研究和密度泛函理论计算已证实了这一点6,7。标记后的SiFA可通过固相萃取轻松纯化，因为标记与未标记的SiFA化合物在化学上完全相同。这与传统的放射性标记示踪剂不同——在传统情况下，前体分子与标记产物属于两种不同的化学物质，必须在放射性标记后通过高效液相色谱法（HPLC）进行分离。利用SiFA结构单元，可通过无需复杂纯化步骤的一步或两步标记方案，成功地将[18F]氟离子标记到小分子、蛋白质和多肽上（图1）4,8,9。此外，一些SiFA标记的化合物在体内成像中表现出良好的稳定性，可用于血流和肿瘤的显像10。SiFA化学的简便性使得即使未经专门训练的研究人员也能使用[18F]氟离子进行放射性示踪剂的合成与开发。

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方案

警告：必须注意18F是一种放射性同位素，因此所有操作均需在适当的屏蔽后进行。针对此类辐射，铅屏蔽是合适的。在整个操作过程中务必佩戴辐射检测徽章。此外，在合成结束后接触任何物品前应立即更换手套，因为手套可能已被放射性物质污染。应使用手足污染监测仪以及平板型盖革计数器检查袖口、手部和足部是否受到污染。

1. 18F阴离子的共沸干燥

注意：图2A 展示了该操作流程的工作流程图，整个过程耗时约10分钟。

  1. 使用碳酸钾溶液（0.5 M K2CO3，10 mL）对季铵型甲基（QMA）阴离子交换小柱（材料表）进行预处理，使其通过小柱，随后用去离子水（10 mL）冲洗。
  2. 使用公对公接头，将 [18F]F-/[18O]H2O 的水溶液（100−500 MBq）反向通过已预处理的 QMA 小柱。弃去 [18O]H2O。
    注意：这些步骤可通过自动化合成模块完成，或在注射器外加额外屏蔽后手动操作。
  3. 将固定在 QMA 小柱上的 [18F]氟离子的前四滴洗脱液收集至预先准备好的含有[2.2.2]穴状配体（材料表）（10 mg）、0.2 M K2CO3（50 μL，10 μmol）和乙腈（1 mL）的厚壁 v 型小瓶中，并密封小瓶。
    注意：仅使用前四滴，因为大部分放射性 [18F]氟离子均在此几滴中被洗脱下来。此举可减少 [18F]氟离子储备液中带入的碱量，避免 SiFA 基团发生降解。
  4. 密封小瓶后，将其置于加热板上的 90 °C 矿物油浴中。在小瓶盖的隔垫上插入一根通气针和一根连接氩气气流的针头，在温和的氩气流下加热 5 分钟以蒸发溶剂。加入 1 mL 乙腈以促进共沸蒸馏，去除残留的微量水分。重复此步骤两次，确保体系完全干燥。
  5. 当溶剂明显蒸发完全后，停止通入氩气，从小瓶盖上移除针头，并将小瓶从油浴中取出。
  6. 将干燥的 [18F]氟离子重新溶解于所选的反应溶剂中。
    注意：本实验中加入乙腈（1 mL）以制备高反应活性的 [18F-]F- 储备液（100−500 MBq）。该溶液现可用于标记反应。

2. 一步法SiFA-配体标记

注意：图2B 展示了该操作流程的工作流程图，整个过程耗时约15分钟。

  1. 使用乙醇（10 mL）和蒸馏水（10 mL）冲洗C-18固相萃取柱（材料表），对其进行预处理。
  2. 将[18F-]氟化物储备溶液加入含有SiFA标记前体的反应小瓶中（100 μL，20−100 nmol）。在室温下静置反应5分钟，期间不搅拌溶液。
    注意：可根据所需反应活度，加入全部储备溶液或部分分装液。
  3. 用一支20 mL注射器吸取反应混合物，并加入0.1 M磷酸盐缓冲液（9 mL），然后将溶液通过已预处理的C-18固相萃取柱，以捕获标记的示踪剂。
  4. 用蒸馏水（5 mL）洗涤固相萃取柱，随后用乙醇（300 μL）洗脱捕获的示踪剂，并用无菌磷酸盐缓冲液稀释至注射体积（3 mL）。
  5. 将纯化后的[18F]SiFA-示踪剂通过无菌滤膜过滤。
    注意：为获得清晰的小动物成像PET图像，分装给动物的剂量应为5−8 MBq；用于人体时，分装剂量应为200−300 MBq。
  6. 取少量纯化后的[18F]SiFA-示踪剂（约4 MBq），注入配备反相C-18色谱柱的高效液相色谱（HPLC）系统，以确认其放射化学纯度大于95%。

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结果

简单的 SiFA 同位素交换反应能够以最低的合成复杂性实现 [18F]氟离子较高的放射化学结合率（60−90%）（图 1）。大多数分子均可通过一步反应使用 [18F]氟离子进行放射性标记，且无需高效液相色谱（HPLC）纯化（图 2）。放射性高效液相色谱（radio-HPLC）可用于质量控制，其中终产物的紫外（UV）吸收峰应与放射性峰重合，且重合部分应占总峰面积的 95% 以上（图 3）。若 radio-HPLC 色谱图显示生成了显著量的 UV 活性或放射性杂质，则前体可能在弱碱性放射标记条件下不稳定。可在将 [18F]氟离子储备液加入 SiFA 前体之前，向其中加入溶于有机溶剂的稀草酸溶液，以降低体系碱性；然而，过度降低碱性会减弱 [18F]氟阴离子的亲核性。因此，所需草酸的摩尔量需预先通过实验确定。或者，若杂质生成量显著但可控，则可在步骤 2.3 之后通过 HPLC 对标...

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讨论

SiFA标记化学是首批利用超高效同位素交换反应在室温下进行18F标记的方法之一。典型的放射化学反应依赖于通过消除或取代途径，使[18F]氟离子与氟反应性官能团反应形成碳-氟键。这些反应条件通常较为剧烈，需在极端pH值或高温下进行，并产生大量副产物或反应残留物，必须通过高效液相色谱（HPLC）等繁琐且耗时的技术加以去除。而采用SiFA标记技术时，标记前体与18F标记化合物在化学结构上完全相同。此外，由于反应在极为温和的条件下进行，通常不会产生副产物。这些特性使得标记更复杂的分子成为可能（例如蛋白质、自由基生成剂、金属螯合物、荧光团、生物发光前体），这些分子在更具反应活性的条件或较高温度下通常会发生分解或差向异构化。此外，含18F标记的SiFA化合物可通过简单的固相萃取技术快速纯化。

该标记方法采用“四滴法”，即在将捕获的 [18F]氟离子从QMA小柱上洗脱时，仅使用前4滴碱性洗脱液。这一改进旨在减少 [18F]氟离子储备液中的碱量，因为如果 [...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
[18F]F-/H2[18O]O（回旋加速器生产）--
[2.2.2]CryptandAldrich291110Kryptofix 2.2.2
无水乙腈Aldrich271004-
去离子水BaxterJF7623-
无水乙醇Commercial Alcohols-
碳酸钾Aldrich209619-
QMA 小柱Waters186004540QMA SepPak Light（46 mg）小柱
仪器
C-18 小柱WatersWAT023501C-18 SepPak Light 小柱
C18 色谱柱Phenomenex00G-4041-N0HPLC Luna C18 250 × 10 mm，5 µm
高效液相色谱仪Agilent Technologies-HPLC 1200 系列
micro-PET 扫描仪Siemens-micro-PET R4 扫描仪
放射性薄层色谱板读取仪Raytest-Radio-TLC Mini Gita
0.22 µm 无菌滤器MilliporeSLGP033RS-

参考文献

  1. Wahl, R. L., Buchanan, J. W. Principles and practice of positron emission tomography. , Lippincott Williams & Wilkins. Philadelphia, PA. (2002).
  2. Wängler, C., Schirrmacher, R., Bartenstein, P., Wängler, C. Click-chemistry reactions in radiopharmaceutical chemistry: Fast & easy introduction of radiolabels into biomolecules for in vivo imaging. Current Medical Chemistry. 17, 1092-1116 (2010).
  3. Schirrmacher, R., et al. 18F-labeling of peptides by means of an organosilicon-based fluoride acceptor. Angewandte Chemie International Edition. 45, 6047-6050 (2006).
  4. Kostikov, A. P., et al. Oxalic acid supported Si-18F-radiofluorination: One-step radiosynthesis of N-succinimidyl 3-(di-tert-butyl[18F]fluorosilyl)benzoate ([18F]SiFB) for protein labeling. Bioconjugate Chemistry. 23 (1), 106-114 (2012).
  5. Cacace, F., Speranza, M., Wolf, A. P., Macgregor, R. R. Nucleophilic aromatic substitution; kinetics of fluorine-18 substitution reactions in polyfluorobenzenes. Isotopic exchange between 18F- and polyfluorobenzenes in dimethylsulfoxide. A kinetic study. Journal of Fluorine Chemistry. 21, 145-158 (1982).
  6. Schirrmacher, E., et al. Synthesis of p-(di-tert-butyl[18F]fluorosilyl)benzaldehyde ([18F]SiFA-A) with high specific activity by isotopic exchange: A convenient labeling synthon for the 18F-labeling of N-amino-oxy derivatized peptides. Bioconjugate Chemistry. 18, 2085-2089 (2007).
  7. Kostikov, A., et al. N-(4-(di-tert-butyl[18F]fluorosilyl)benzyl)-2-hydroxy-N,N-dimethylethylammonium bromide ([18F]SiFAN+Br-): A novel lead compound for the development of hydrophilic SiFA-based prosthetic groups for 18F-labeling. Journal of Fluorine Chemistry. 132, 27-34 (2011).
  8. Wängler, B., et al. Kit-like 18F-labeling of proteins: Synthesis of 4-(di-tert-butyl[18F]fluorosilyl)benzenethiol (Si[18F]FA-SH) labeled rat serum albumin for blood pool imaging with PET. Bioconjugate Chemistry. 20, 317-321 (2009).
  9. Iovkova, L., et al. para-Functionalized aryl-di-tert-butylfluorosilanes as potential labeling synthons for 18F radiopharmaceuticals. Chemistry. 15, 2140-2147 (2009).
  10. Wängler, C., et al. One-step 18F-labeling of carbohydrate-conjugated octreotate-derivatives containing a silicon-fluoride-acceptor (SiFA): In vitro and in vivo evaluation as tumor imaging agents for positron emission tomography (PET). Bioconjugate Chemistry. 21, 2289-2296 (2010).
  11. Ilhan, H., et al. First-in-human 18F-SiFAlin-TATE PET/CT for NET imaging and theranostics. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 46, 2400-2401 (2019).

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18 4 QMA C18 PET

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