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《Nature》：PET分子成像试剂

文章来源：高分子科学前沿更新时间：2022-04-07 14:55:57

随着科学技术的进步，人们开发了越来越先进的医疗检测设备和技术。正电子断层扫描（PET）技术就是其中最为引人注目的一项。这种分子成像技术通常用于临床诊断和药物开发，需要放射性示踪剂在体内跟踪复杂的生物过程。这些试剂主要是一些能够发射正电子的放射性分子，例如性质最为优异的18F元素标记。这些人工开发的放射性标记的分子实现广泛应用的前提是具有较高的摩尔活性（Am）。对于18F标记的示踪剂，人们主要靠回旋加速器产生的18F对分子进行放射性修饰。并且实现18F标记的聚氟烷基化的分子目前仍然是未被解决的问题。而这一结构是在很多药物分子中广泛存在的，因此，这一缺点极大的限制了18F标记技术的应用。当前，人们通过有机金属化学和自由基化学的相关技术，成功实现了18F标记的三氟甲基化，对于成像效果最好的18F标记的二氟甲基化，目前手段有限。这些实现18F标记的二氟甲基化的手段要么摩尔活性较低，要么合成路线过长。

近日，英国牛津大学的Véronique Gouverneur教授团队通过将卡宾化学引入核成像领域，开发了可以进行多种类型的18F甲基化过程的18F二氟卡宾试剂。该工作以题为“[18F]Difluorocarbene for Positron Emission Tomography”发表在《Nature》上。

【二氟卡宾试剂的初步研究】

在最初的实验中，作者考虑到挥发性和前体稳定性，选择了标记 1-(叔丁基)-4-((二氟甲基)磺酰基)苯 (1b)，用18F氟化物对 (溴氟甲基)-(4-(叔丁基)苯基) 硫烷 (2b) 进行亲核取代，然后氧化RuCl3/NaIO4得到18F 1b，分离率为 10% ± 2%。18F-1b和KOH的反应以 72% 的放射化学产率 (RCY) 生成 18F标记的3，这表明在这些条件下发生了18F-DFC 释放和 O-H 插入。放射合成在基于盒式磁带的 TRASIS AllinOne 平台上实现自动化，在 72 分钟的总合成时间内获得了18F-1b，非延迟矫正活性产率 (AY) 高达 6%，Am 为 10 ± 0 GBq/µmol。

图1. 二氟卡宾试剂的生成及应用

【反应机理】

以化合物1a为例，反应的最初阶段，分子中的S-C键在水分子的诱导下逐步延长。通过量子化学理论计算可知，在水分子的诱导下，S-C键延长为1.3埃，水分子的H-O键伸长为1.4埃。随着反应的进行，1a中S-C键的键长继续延长为3.6埃。此时酚负离子逐渐靠近游离的CF2基团，并生成最终的产物。

作者发现，1a中对位为氯原子的试剂可以提供高13倍的摩尔活性，是一种具有高活性的卡宾试剂。可以以81%的高产率得到最终的18F标记的试剂。

图2. 反应机理

【底物拓展】

适用该卡宾试剂，作者尝试了该种方法的底物适用类型。发现对于各类不同取代基，不同取代位置的酚类，该方法均可适用。这表明该方法不受酚类芳环取代基吸电子与供电子基团的限制。且该方法所得的产物产率均在50%-90%的范围内。该方法还可适用于一些醇类，如对甲氧基苄醇等。另外，对于一些硫酚、含氮杂环类化合物，该方法依然适用，并可以达到较高的收率。

图3. 底物拓展

【生物活性测试】

在成功建立18F标记的二氟卡宾方法后，作者对18F标记的产物的生物活性进行了测试。抗炎药罗氟司特 [18F]35 的 18F 同位素体，以及八种18F-OCF2H 和18F-NCF2H 药物类似物（雌酮18F-34、2'-羟基-3-苯基苯丙酮 18F-36、氯辛18F-37、18F-38、三氯苯达唑18F-39 和噻苯达唑18F-40) 成功标记为 RCY 达到 82%。此外，PET 放射性配体 P2X7R、PMB 保护的 PF-06809247、DASA-23、MPC-6827、DPA-714 和伊潘立酮的18F-OCF2H 类似物是从18F-1d 中获得的，其RCY高达 98%（18F-41-18F-46)。使用 FCH2CH2O 取代的18F-DPA-714 及其OCF2H类似物18F-46 进行了使用幼稚C57BL/6J小鼠的体内研究。该研究从使用18F-1d 和TRASIS AllinOne 平台放射合成18F-46 (680 MBq, Am = 40 GBq/µmol) 开始。注射18F-46 后5分钟的小鼠血浆和脑匀浆提取物基于放射性-HPLC不存在代谢物，这与观察到放射性标记代谢物的18F-DPA-714形成对比。这些初始数据证实了对OCF2H44代谢稳定性的预期。为了进一步证明这种18F-DFC 方法在支持（前）临床 PET 研究中的效用，18F-46 成功地用于对亨廷顿病喹啉酸病变模型纹状体中的小胶质细胞活化进行成像。

图4. 生物活性

【偶联方式引入18F标记】

接下来，作者研究了使用过渡金属配合物捕获和转移源自18F-1b 和18F-1d 的18F-DFC 用于位点选择性芳族 18F-二氟甲基化，这是 18F-放射化学中另一个未解决的问题。在碱性条件下 (40 µL KOH( aq)) 在 Pd2dba3 (2.50 µmol)、Xantphos (7.50 µmol) 和氢醌 (50 µmol) 的 1,4-二恶烷 (1.0 mL) 中，在 130 °C条件下，可以形成苯硼酸被18F标记的二氟卡宾取代的产物。与必须在厌氧条件下进行的 Pd 交叉偶联反应相比，该方法不需要排除水分或空气。这些优化的条件适用于各种芳基硼酸，包括药物开发过程中常见的杂环酸，可产生高达45%RCY 的18F-56、18F-58、18F-60、18F-61。具有诸如烯烃和炔烃等官能团的底物产生18F-62和18F-64，分别为 41% 和 24% RCY。

图5. 偶联反应引入18F标记

总结，该工作开发了一种可以产生18F标记的二氟卡宾生成试剂，在温和的条件下实现了对酚、硫酚、含氮杂环、醇类以及芳基硼酸等广泛底物的18F二氟甲基标记。该工作为PET分子成像试剂的开发提供了新的机会。