加速器直接生產(chǎn)99mTc的化學分離純化研究現(xiàn)狀

范芳麗，程念煒，吳曉蕾，秦 芝

(1.中國科學院 近代物理研究所,蘭州 730000;2.蘭州大學 核科學與技術(shù)學院,蘭州 730000;3.先進能源科學與技術(shù)廣東省實驗室,惠州 516000)

99mTc因具有能量適宜的γ射線(140 keV)、半衰期(T1/2=6.01 h)、輻射損傷小以及良好的顯像分辨率，而被廣泛應用于核醫(yī)學單光子發(fā)射計算機斷層顯像(SPECT)，被稱為現(xiàn)代核醫(yī)學顯像的主力軍[1-4]。全球每年99mTc標記藥物用于核醫(yī)學診斷超過3 000萬次，99mTc的用量在核醫(yī)學診斷放射性核素中的比例超過80%[5-8]。99mTc是99Mo(T1/2=65.94 h)的衰變子體核素，通常由裂變型99Mo-99mTc發(fā)生器和凝膠型99Mo-99mTc發(fā)生器制備。隨著放射性藥物化學和核醫(yī)學的快速發(fā)展，放射性診斷核素99mTc在臨床的應用越來越廣泛，從而使得當前全球?qū)ζ淠阁w核素99Mo的需求不斷增加[9-10]。然而全球99Mo/99mTc的供應面臨很大危機，因為全球超過90%的99Mo/99mTc供應來自于加拿大、南非、澳大利亞和歐洲的幾個反應堆，而這幾座主要的實驗堆服役時間均超過40年，面臨著老化、運行穩(wěn)定性差或退役等問題，如加拿大的NRU反應堆已于2018年關(guān)閉。因此，如何滿足99Mo/99mTc日益增長的供應需求仍是未來核醫(yī)學領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸問題之一，這就需要建立產(chǎn)能高、安全性好的生產(chǎn)方法。

近年來，基于加速器生產(chǎn)99Mo或者直接生產(chǎn)99mTc成為國際上認可的方法，具有無需反應堆、無高濃縮鈾、放射性廢物少、不存在核擴散風險等優(yōu)勢[11-13]。雖然100Mo是直接生產(chǎn)醫(yī)用核素99mTc可行技術(shù)[14-19]，但輻照后的100Mo靶中含有大量Mo載體，傳統(tǒng)裂變型99Mo/99mTc發(fā)生器中的氧化鋁吸附容量有限(2～20 mg/g)，導致該技術(shù)不能應用在加速器直接生產(chǎn)99mTc的分離純化中。同時由于100Mo靶中存在微量的其他Mo同位素，造成質(zhì)子轟擊過程中不可避免地產(chǎn)生化學性質(zhì)相同的其他雜質(zhì)Tc核素，為了獲得臨床應用級別的99mTc產(chǎn)品，其質(zhì)量標準應與從裂變型99Mo/99mTc發(fā)生器洗脫得到的Na99mTcO4相同，由于核素99mTc的半衰期較短，亟需發(fā)展新的化學分離方法，快速完成從含有大量鉬載體溶液分離提取99mTc核素。研究者已經(jīng)開展了大量的化學分離純化工作[20-21]。目前從克量級Mo載體中提取微克量級目標核素99mTc的化學分離以濕法為主，過程包括鉬靶溶解、化學分離純化以及質(zhì)量檢驗，根據(jù)化學分離技術(shù)不同可分為柱色譜分離、溶劑萃取與化學沉淀法。在對利用核反應100Mo(p,2n)直接生產(chǎn)99mTc的研究現(xiàn)狀進行文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，本文對此研究領(lǐng)域所發(fā)展的各種化學分離純化方法進行詳細闡述，以期為我國在開展加速器直接生產(chǎn)99mTc提供一定的參考，促進我國醫(yī)用同位素的發(fā)展。

1 柱色譜分離法

陰離子交換樹脂是報道最早用于Tc與其他元素的分離，后來被改進用于99Mo與99mTc的分離，以期用于從大量鉬載體或者低比活度的99Mo中分離99mTc[22-24]，滿足非鈾基生產(chǎn)99Mo/99mTc的技術(shù)。如Morley等[25]利用陰離子交換樹脂Dowex-1×8開展了加速器直接生產(chǎn)99mTc的分離純化研究，采用0.2 mg/L的四甲基溴化銨(TBAB)二氯甲烷溶液為洗脫液，99mTc的回收效率只有63.2%，約17%的99mTc保留在陰離子交換樹脂上，即使利用自動化分離模塊，回收效率也只提高到70%。2015年，Wojdowska 等[26]再一次利用陰離子交換樹脂Dowex-1×8開展了從大量Mo中分離99mTc的研究(圖1)，并與其他樹脂進行了比較。結(jié)果與Morley等基本一致，99mTc的回收效率約78%，約21%的99mTc保留在陰離子交換樹脂上，說明四甲基溴化銨洗脫陰離子交換樹脂上的99mTc效果不理想，且需要降低有機溶劑在產(chǎn)品中的殘留。另有研究用NaI溶液來洗脫陰離子交換樹脂上的99mTc，但需要通過一個AgCl交換床除去其中的I[23]。

圖1 基于陰離子交換樹脂Dowex建立的99mTc分離純化流程[26]Fig.1 Process separation of 99mTc based on the anion exchange resin[26]

印度Das等[24]用硝酸洗脫陰離子交換樹脂Dowex-1×8吸附的99mTc，已經(jīng)實現(xiàn)自動化操作并開展了從輻照后100Mo靶中分離99mTc的實驗(該裝置命名為TCM-AUTODOWNA，圖2)。輻照后的100Mo靶溶解于(NH4)2CO3溶液中，經(jīng)過一個細長的陰離子交換樹脂Dowex-1×8柱，約95%99mTc保留在柱子上，100Mo直接流出，用4 mL的4 mol/L HNO3可以將90%的99mTc洗脫下來，比四甲基溴化銨的洗脫效率高20%。但用硝酸洗脫的99mTc無法直接使用，需要將其蒸發(fā)，用生理鹽水再溶解，最后過一個酸性Al2O3柱才能得到高锝酸鈉溶液。結(jié)果發(fā)現(xiàn)99mTc的回收率可達80%，質(zhì)量檢測表明，化學純度、放化純度以及放射性核純度都符合臨床醫(yī)用。陰離子交換樹脂可以用于加速器直接生產(chǎn)99mTc的化學分離，但99mTc整體的回收效率較低，流程相對繁瑣，有機溶劑易殘留。因此，利用陰離子交換樹脂分離加速器直接生產(chǎn)的99mTc研究難以進一步推廣。

圖2 自動化TCM-AUTODOWNA分離99mTc的示意圖[24]Fig.2 The schematic diagram of 99mTc separation using automation TCM-AUTODOWNA[24]

圖3 基于ABEC樹脂建立的99mTc分離純化流程[25]Fig.3 Process separation of 99mTc based on the ABEC resin[25]

Gagnon等[29]在開展100Mo靶的回收過程中，對上述利用ABEC-2000樹脂分離99mTc的流程進行了改進，用與ABEC-2000樹脂兼容性良好且可通過高溫分解去除的(NH4)2CO3代替了KOH。該研究僅開展了ABEC-2000樹脂對99mTc的分離以及陽離子交換樹脂中和研究，未進一步純化。制備得到的99mTcO4溶液有雜質(zhì)核素94gTc、95gTc和96gTc存在，而長壽命95mTc和97mTc未能被檢測出，放化純度大于99%。這些研究證明，ABEC-2000樹脂能夠從輻照后的大量100Mo靶中有效分離目標核素99mTc，產(chǎn)品的放化純度也能夠達到《美國藥典》(USP)對高锝酸鹽的要求，但放射性核純度不符合要求。

雖然上面幾種商用PEG樹脂材料對Tc 都具有良好的選擇性，但美國NorthStar Medical Radioisotopes LLC公司對ABEC樹脂具有專利所屬權(quán)，未商業(yè)供應，而且商業(yè)化的其他PEG聚合物樹脂(如Chemmatrix 和Tentagel樹脂)價格高昂[20]。同時在鉬锝分離過程中，樹脂都是一次性使用，導致99mTc的生產(chǎn)成本較高，因此，需要開發(fā)更多性價比高的鉬锝分離樹脂材料。Andersson等[32]制備了PEG聚合化樹脂，將PEG鍵合在疏水性的C18和C30柱上。通過99mTc示蹤實驗明確PEG鍵合在樹脂上的量決定99mTc的吸附量，制備的PEG鍵合C18柱具有和商業(yè)化PEG聚合樹脂一樣的良好性能。采用與ABEC樹脂相同的三柱分離流程，第一個分離柱更換為PEG鍵合C18柱。300 mg100Mo靶經(jīng)過質(zhì)子能量、流強和輻照時間分別為17.9 MeV、40 μA和30 min輻照后，溶解于20 mL 1.5 mol/L的(NH4)2CO3溶液中，經(jīng)過PEG鍵合C18柱的分離純化流程，99mTc的回收效率可以達到91.87%± 0.3%，化學純度與放化純度也符合《美國藥典》要求。該研究表明PEG鍵合C18柱可以用于分離中等量的99mTc，規(guī)?；a(chǎn)99mTc的研究正在進行中。

紅色箭頭——ChemMatrix樹脂；黃色箭頭——陽離子交換樹脂；綠色箭頭——Al2O3柱圖4 幾種ChemMatrix resins樹脂(左)和99mTc的自動化分離流程裝置(右)[31]Fig.4 Some ChemMatrix resins (left)and the automated separation equipment of 99mTc (light)[31]

另外，Wojdowska分別利用PEG鍵合C18柱、陰離子交換樹脂Dowex-1以及AnaLig?Tc-02樹脂開展了從大量Mo中分離99mTc的對比研究[26]。實驗中所用的99Mo/99mTc溶液從Mo-Tc發(fā)生器淋洗出來，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AnaLig?Tc-02樹脂對于99mTc的回收率可達85%。該研究確認了利用AnaLig?Tc-02樹脂從輻照后100Mo靶中分離99mTc的可行性。Pawlak等[33]利用AnaLig?Tc-02樹脂建立的分離純化流程成功地從輻照后的100Mo(富集度為99.82%，2.5 μA質(zhì)子輻照2.5 h，質(zhì)量為723 mg)靶分離出99mTc(圖5)。由于該流程中陽離子交換樹脂的損失比較大，最終99mTc的回收率只有76%，放化純度為99.5%。進一步的核純度測定結(jié)果表明，產(chǎn)品中γ放射性的雜質(zhì)總活度低于《歐洲藥典》要求[34]，其中93Tc、93mTc、94Tc、94mTc、95Tc、95mTc、96Tc、96Nb、97Nb和99Mo的含量在6.7×10-4%～3.4×10-3%，長壽命的97mTc(T1/2=91 d)含量小于9.4×10-3%，確定了基于AnaLig?Tc-02樹脂建立的分離純化流程的可行性。

圖5 基于AnaLig Tc-02建立的分離純化流程[33]Fig.5 Diagram of 99mTc separation using AnaLig?Tc-02 resin[33]

總之，柱色譜分離在加速器直接產(chǎn)生99mTc的分離純化方面已開展大量研究，發(fā)展了多種柱色譜填充材料，后續(xù)的規(guī)?；a(chǎn)還需要驗證這些材料的可靠性。

2 溶劑萃取法

1——溶解罐；2——溶劑萃取柱；3——硅膠柱；4——氧化鋁柱；5——廢液；6——99mTc產(chǎn)品；7——H2O2；8——NaOH溶液；9/10——MEK溶液；11——H2O；12——生理鹽水圖6 基于甲基乙基酮萃取分離Mo-Tc的流程[39]Fig.6 The schematic drawing of the extraction process for Mo-Tc using MEK[39]

3 化學沉淀法

化學沉淀法是一種傳統(tǒng)的分離技術(shù)，通過添加一種化學試劑使得某一種金屬離子形成沉淀而從混合物中分離。通常加入磷酸銨可以使Mo形成不溶性的磷鉬酸銨(NH4)3PMo12O40[41]，從而可以將混合液中的Mo與Tc分開。Gumiela等[42]根據(jù)Mo可以形成不溶性的磷鉬酸銨這一特點，開展了沉淀法對短時間輻照后100Mo分離99mTc的研究(圖7)，輻照后的100Mo用3.5 mol/L HNO3溶解后，加入一定量的磷酸銨形成磷鉬酸銨沉淀，過濾除去大量Mo，測量發(fā)現(xiàn)溶液中有93.1%的99mTc，濾液中Mo的濃度在0.3 mg/L，還需要進一步純化。作者利用AnaLigTc-02樹脂建立的流程進行了額外純化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)從輻照后100Mo靶中僅分離得到33.6%的99mTc。雖然磷鉬酸銨沉淀可將約90%的Mo除去，但99mTc還需要進一步純化才能獲得符合醫(yī)用的高锝酸鈉溶液，步驟相對比較繁瑣。因此，關(guān)于沉淀法分離回旋加速器直接產(chǎn)生的99mTc還需要更多研究來證明這種技術(shù)的可靠性。

圖7 沉淀法分離99mTc的示意圖[42]Fig.7 Separation scheme of the precipitation process for 99mTc[42]

4 熱色譜分離法

a——靶；b——石英外管；c——中間的石英管；d——石英內(nèi)管；e——整體裝置圖8 熱色譜法分離99mTc的過程[44]Fig.8 Thermochromatography separation process of 99mTc[44]

熱色譜分離法是一種干法分離，它是利用鉬酸鹽與锝酸鹽在熱力學性質(zhì)上的差異來開展分離，揮發(fā)性的高低決定了它們在色譜柱中的沉積位置[43]。這種技術(shù)產(chǎn)生的廢物體積相對較少，同時鉬靶材易于回收和復用，已經(jīng)制備成升華型的鉬锝發(fā)生器。Richard等[44]報道了熱色譜法分離加速器直接生產(chǎn)99mTc的研究，使用良好導熱性及高熔點的100MoC2作為靶材，輻照后的鉬靶放置到熱色譜裝置中(圖8)加熱到850 ℃，保溫一段時間加入濕空氣促使MoC2轉(zhuǎn)化為MoO3，形成的99mTc氧化物由于良好揮發(fā)性沉積在溫度較低(約250 ℃)的石英管D中，而MoO3則沉積在較高溫度(約500 ℃)的C管中。最后用8 mL熱NaOH(1×10-4mol/L)溶液沖洗管D得到分離后的99mTc，整個分離時間需要約45 min。上述熱色譜法得到的99mTc還需要經(jīng)過一個預先酸化的Alumina柱，最后用微量生理鹽水洗脫才能得到高比活度的高锝酸鈉產(chǎn)品，生理鹽水的洗脫效率在71%～75%。純化后的產(chǎn)品經(jīng)過藥物標記以及小動物的SPECT檢驗，確定99mTc能夠在某些靶向組織中富集，證明該技術(shù)可以用于醫(yī)用回旋加速器輻照100Mo直接產(chǎn)生99mTc的分離純化。值得注意的是，該技術(shù)中MoC2靶子的制備比較費時，需要先將MoO3轉(zhuǎn)化為七鉬酸銨固體，然后加入環(huán)六亞甲基四胺(HMT)得到(NH4)4(HMT)2Mo7O24化合物，最后經(jīng)過高溫分解才能得到MoC2，100Mo的轉(zhuǎn)化效率約為93%。由于該分離技術(shù)在高溫條件下操作，需要有效防護放射性氣體的污染，同時碳化物靶材中100Mo的含量減少導致99mTc產(chǎn)額降低，因此，關(guān)于熱色譜法分離加速器直接生產(chǎn)99mTc的研究很少，其可行性還需要大量研究來驗證。

5 總結(jié)與展望

雖然回旋加速器生產(chǎn)99mTc的技術(shù)已經(jīng)基本成熟，發(fā)展了各種化學分離純化技術(shù)并已初步實現(xiàn)自動化分離的模塊化，但每一種方法都有各自的缺陷，在成為商業(yè)規(guī)?；鲗Ъ夹g(shù)應用之前必須經(jīng)過嚴格的評估。任何一種分離技術(shù)既要能有效地回收提取高純99mTc滿足臨床要求，同時也要能設(shè)備自動化操作以減少放射性對人員的傷害，還要考慮后續(xù)富集100Mo靶的易于回收等。除陰離子交換樹脂外的多種柱色譜填充材料以及自動化模塊的發(fā)展使得柱色譜分離已經(jīng)成為最常用的一種Mo-Tc分離技術(shù)。此外，Tc雜質(zhì)核素是加速器生產(chǎn)99mTc過程中不可忽視的一個問題，應盡可能地通過選擇合適的質(zhì)子能量、輻照時間、冷卻時間等來減少這些雜質(zhì)Tc核素的量。