單管法11C-CH3I的合成條件優化及膽堿生產與臨床應用

何山震,王淑俠,徐衛平,王思云,王 朋

(廣東省醫學科學院廣東省人民醫院PET中心,廣東 廣州 510080)

[N-甲基-11C]膽堿(11C-膽堿)是一種重要的PET腫瘤顯像劑,其血液清除快,可用于腦瘤、肺癌、食管癌、直腸癌、前列腺癌、軟組織腫瘤和膀胱癌等診斷[1-3],特別是在對泌尿系統和部分腦腫瘤的病變診斷上明顯優于18F-FDG[4]。

目前11C-膽堿的標記主要是通過11C-CH3I與前體N,N-二甲基乙醇胺反應得到。由于11C的半衰期只有20 min,故其合成必須簡單快捷。Diksic等[5]最早合成得到了11C-膽堿,但操作復雜無法應用于臨床;Pascali等[6]采用離子交換法簡化了合成方法,但自動化程度不高;張錦明等[7]在Pascali的基礎上進行了改進,實現了自動化合成11C-膽堿,但合成產率不太理想,穩定性較差。本研究擬在張錦明等工作的基礎上,通過優化標記的反應條件,以提高標記產率和生產的穩定性。

1 主要材料

1.1 主要儀器

RDS-111型加速器:美國 CTI公司產品;Waters2487高效液相色譜儀:美國Waters公司產品;Bioscan Flow Count放射性檢測儀:EG&G公司產品;CRC-15R型活度計:美國Capintec公司產品;11C合成模塊:江蘇大華電器公司產品。

1.2 主要試劑

含1.5%氧氣的高純氮氣:廣州氣體廠提供;USP乙醇、N,N-二甲基乙醇胺:Aldrich產品;濃度為1.0 mol/L的LiAlH 4的THF溶液、57%HI:ABX產品;C-18柱、CM 柱:Waters產品;0.22μm無菌過濾器:Millipore產品。

1.3 病例

腦膠質瘤和前列腺瘤疑似患者各1例。臨床疑似腦膠質瘤患者:男,54歲,頭痛一個星期,MR發現有占位性病變;臨床疑似前列腺癌患者:男,67歲,體檢B超發現前列腺肥大同時伴PSA升高。

2 方 法

2.1 11C-CH3 I與11C-膽堿合成方法

按文獻[7]方法采用加速器,經14N(p,α)11C反應得到11C,11C與靶內的氧氣反應生成11CCO2。11C-CO2與 LiAlH4反應生成11C-甲醇,11C-甲醇再與HI發生取代反應得到11C-CH 3 I。C18柱上預裝N,N二甲基乙醇胺前體,同時將C18柱和CM柱連接到儀器對應位置,生成的11C-CH 3I在氮氣載帶下經2個四通閥進入C18柱和CM柱與前體反應。反應完畢分別打開乙醇和水的閥門,以氮氣為動力,用乙醇和水淋洗C18柱,廢液進入廢液瓶,用生理鹽水將吸附在CM柱上的11C-膽堿淋出,經無菌過濾膜后進入收集瓶。

2.2 合成條件的優化

11C-CH 3I與11C-膽堿合成中主要影響因素有:LiAlH4、N,N-二甲基乙醇胺和57%氫碘酸的用量、反應的載氣流量和壓力、蒸發時間等,分別考察這些因素對標記效率的影響,以尋找最佳合成條件。

2.3 質量控制

產品用精密p H試紙測試,HPLC測定產品的放化純度:0.05 mol/L NaH2 PO4為流動相,C18柱為分離柱。11C-膽堿的參考保留時間為4.3 min,雜質11C-CH3I的參考保留時間為16.5 min。采用EDS-99型熱源檢測系統(37±0.1℃)檢測產品的熱原。由本院檢驗科協助進行產品的無菌檢測。

2.4 臨床應用

臨床疑似腦膠質瘤和前列腺瘤疑似患者各1例,18F-FDG PET/CT檢測均為低代謝冷區顯像,24 h后靜脈注射740 MBq11C-膽堿,10 min后進行PET/CT三維局部顯像,采集數據進行迭代重建。11C-膽堿PET/CT三維局部顯像圖像與18F-FDG的PET/CT圖像行對比研究,并以病理結果或療后隨訪驗證準確性。

3 結果與討論

3.1 載氣流量和壓力對11 C-CH 3I產率的影響

載氣流量和壓力對11C-CH3 I產率的影響列于表1(選定LiAlH 4用量為0.3 mL,57%的 HI的用量為0.5 mL)。從表1可以看出,載氣的流量對碘代甲烷合成影響較大。流量太大,11CO2不能被有效吸附,11C-CH 3 I的產率低,進而導致11C-膽堿的產量低;流量太小,11C-CH3I滯留在反應管內導致合成失敗;而載氣的壓力對反應影響不大。綜合分析表 1,選擇載氣流量為28 mL/min,載氣壓力為0.28 k Pa,此時合成產率最高,達63.9%±2.3%。

3.2 反應原料用量對11C-CH3 I產率的影響

在選定載氣流量為28 mL/min、載氣壓力為0.28 k Pa后,對反應原料用量進行優化,結果列于表2。從表2可看出,57%HI的用量對最終產率的影響不明顯,但LiAlH 4用量少時,11CO2吸收率低,廢氣固體NaOH吸收瓶劑量明顯升高,同時有可能發生蒸干現象,直接導致合成失敗。而LiAlH4的用量多時,由于溶劑THF不能被有效清除,導致11C-CH 3I的產率明顯下降。因此,選擇 LiAlH4用量為 0.3 mL、57%的 HI用量為0.5 mL,此時,11C-CH 3I的產率最高,達62.8%±3.2%。

表1 載氣流量和壓力對產率的影響(ˉx±s,n=5)

表2 反應原料用量對產率的影響(ˉx±s,n=5)

3.3 反應溫度及蒸發時間對11 C-CH3I產率的影響

選定 LiAlH 4用量為0.3 mL,57%的 HI的用量為0.5 mL,載氣流量為28 mL/min,載氣壓力為 0.28 kPa,反應溫度及蒸發時間對11CCH3 I產率的影響列于表3。表3數據顯示,反應溫度為150～180℃時對產率影響不大,而溫度較低(＜100℃)時和較高(＞200℃)時,11CCH3 I的產率均較低。這是由于在較低溫度下,溶劑THF不能去除,導致合成失敗;而溫度較高,放射性揮發損失大,導致產率低。

蒸發時間可隨加入HI的量適當調節,本研究中,由于加入的HI的量為0.5 mL,反應溫度在180℃時稍微延長蒸發時間到12 min可以得到61.5%±3.6%的產率。

表3 反應溫度及蒸發時間對產率的影響(ˉx±s,n=5)

3.4 常規合成20批次的結果分析

分別采用優化前與優化后的條件合成11C-膽堿10批次。在條件優化前合成的10批次中,3批次失敗,其中2批次產率過低,1批次發生蒸干;在條件優化后合成的10批次中,1次失敗,后查明為加57%HI的針管泄漏,HI沒有進入反應管導致失敗。優化前后的合成結果示于圖1。由圖1可知,條件優化后,產率明顯提高,生產的穩定性有明顯改善,11C-CH 3I的校正產率為62.2%±3.4%。

圖1 優化前后的產率結果對比◆——優化前;□——優化后

11C-膽堿標記分兩步,其關鍵一步是11CCH 3I的合成,第二步甲基化可以在室溫下進行,產率穩定,達95%以上。因此,11C-CH3 I的合成產率對總的產率有直接影響。由于合成11C-CH 3I涉及到對水相當敏感的試劑 LiAlH4,反應操作過程作隔水除水處理可以大幅提高標記的效率和成功率。另外,在靶氣11CO2的出口端裝一個P2O5干燥小柱,一方面可以有效去除11CO2中的痕量水蒸氣,另一方面可以防止反應溶劑倒吸進入合成模塊,從而防止管道被腐蝕或堵塞使標記失敗。

3.5 11C-膽堿的質量控制

所合成的11C-膽堿外觀澄清透明,無渾濁,經精密p H試紙測試,p H為6.5～8.0;HPLC測定產品的放化純度＞95%。11C-膽堿的熱原檢測結果均為陰性。無菌檢測:本院檢驗科對11C-膽堿產品進行細菌培養兩天,未見有菌生長。

3.6 11C-膽堿的臨床應用

2例臨床表現為腦膠質瘤和前列腺癌的患者的18F-FDG和11C-膽堿PET/CT顯像結果示于圖2。由圖2c可以看出,2例患者18F-FDG顯像結果均為低代謝的病變區。為進一步明確病變,24 h后行11C-膽堿 PET/CT顯像(圖2a)。圖2a顯示2例患者病變區11C-膽堿PET/CT顯像均表現為高代謝,靶與本底的放射性攝取比高,對比明顯。從顯像的圖像上看,11C-膽堿PET/CT顯像表現為陽性顯像,比18F-FDG顯像的冷區顯像更易識別和辨別。

前列腺癌患者術后病理結果為惡性病變,腦膠質瘤疑似患者進行臨床保守治療,3個月后進行隨訪已惡化為全身病變。

圖2 腦膠質瘤和前列腺癌患者的18 F-FDG與11 C-膽堿PET/CT顯像結果第一排為腦膠質瘤顯像,第二排為前列腺癌顯像a——11C-膽堿圖像;b——對應的 CT 斷層圖像;c——18 F-FDG 圖像

4 結 論

通過優化合成11C-CH 3 I的反應條件,提高了11C-CH3I的產率,并且在生產的穩定性上也有了明顯的改善。另外,工作中也發現,在使用后對儀器及時進行清潔維護和保養也是日常工作中非常重要的一部分,可以減少因儀器故障引起的合成失敗。

臨床顯像應用表明,在一些腫瘤病變上,11C-膽堿PET顯像可以彌補18F-FDG顯像的不足,聯合使用11C-膽堿和18F-FDG 進行PET/CT顯像可以大幅提高PET診斷的特異性和準確性。

[1] Shinoura N,Nishijima M,Hara T,et al.Brain tumors:detection with11C-choline PET[J].Radiology,1997,202:497-503.

[2] Hara T,Kosaka N,Kishi H.PET imaging of prostate cancer using11C-choline[J].J Nucl Med,1998,39:990-995.

[3] Zhang H,Tian M,Oriuchi N,et al.11C2-choline PET for the detection of bone and soft tissue tumors in comparison with FDG PET[J].Nucl Med Commun,2003,24:273-279.

[4] 劉續磊,陶榮杰.應用11C-膽堿PET/CT鑒別惡性膠質瘤復發與壞死的研究進展[J].現代腫瘤學,2007,15(11):1 692-1 694.

[5] Diksic Y,Yamamoto L,Feindel W.Synthesis of11C-labeled choline[J].J Labelled Comp Radiopharm,1984,14:9-15.

[6] Pascali C,Bogni A,Iwata R,et al.11C-methylation on a C18 Sep-Pakcartridge:a convenient way to produce N-methyl-11C-choline[J].J Labelled Comp Radiopharm,2000,43:195-203.

[7] 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.