国产模块酸水解全自动化合成18F-FDG

李海峰张晓军李云钢张锦明（江西省肿瘤医院 核医学科 南昌 33009）（中国人民解放军总医院 核医学科 北京 00853）

国产模块酸水解全自动化合成18F-FDG

李海峰1张晓军2李云钢2张锦明2
1
（江西省肿瘤医院 核医学科 南昌 330029）2（中国人民解放军总医院 核医学科 北京 100853）

FDG18F-脱氧葡萄糖（18F-FDG）合成模块一般仅能采用一种工艺进行生产，改变工艺条件会对产品质量造成影响，本文旨在解决此问题，同时优化生产工艺。本研究对国产碱水解FDG合成模块进行改进，省去自动加碱装置及在柱水解部件。通过研究亲核反应时间、盐酸量、水解时间及残留溶剂等影响因素，寻求酸水解合成18F-FDG最优化的合成工艺。从淋洗18F-离子至终产品18F-FDG的总合成时间为27 min，合成效率为60.27%±2.29%（n=37，未校正效率），产品放化纯度大于98%，产量（29.15±3.09） GBq （n=37）。改进的合成工艺实现了自动化、稳定合成18F-FDG，产品满足临床需求，实现了两种不同工艺在同一模块上制备18F-FDG。

18F-FDG，自动化合成，正电子发射断层显像/X射线计算机体层成像，质量控制

Key words18F-FDG， Automated synthesis， PET/CT （Positron emission tomography/computer tomography），Quality control

氟［18F］脱氧葡萄糖（18F-FDG）是目前临床正电子发射断层显像/X射线计算机体层成像（Positron emission tomography/computer tomography， PET/CT）最常用的正电子示踪剂［1］，已广泛应用于肿瘤、肝移植及神经疾病等方面的诊断与研究［2-4］。美国药典中收录的第一个正电子类放射性药物就是18F-FDG，我国2015版药典将之收录。目前成熟商品化合成18F-FDG方法有酸水解法［5］和碱水解法［6］，两者相比碱水解法速度快、水解温度低，但碱水解方法合成18F-FDG产品的检测中会存在未知杂质、18F-FDM（2-脱氧- 2-［18F］氟-D-甘露糖）含量高等问题，其中18F-FDM为碱水解法合成18F-FDG产生的副产物，未知杂质为气相色谱检测溶剂残留时发现；而酸水解的主要问题是合成时间较长。FDG模块一般只能采用一种工艺，在模块上改变生产工艺对产品质量会造成较大影响。本研究在Padgett等［7］双管酸水解基础上，改进国产固相碱水解FDG模块，去掉加碱部件及C-18柱水解部件，酸水解后的反应液直接经纯化装置得到产品；对改进的国产模块酸水解进行研究，寻求在国产碱水解模块上采用酸水解方法制备合格的18F-FDG，以避免副产品FDM及未知杂质产生，研究两种不同工艺在同一模块上合成18F-FDG的可行性。

1 实验部分

1.1 仪器与设备

AR-2000薄层放射性扫描仪：美国Eckert & Ziegler公司；全自动化FDG合成模块PET-FDGIT-I：派特（北京）科技有限公司；Endosafe-PTS细菌内毒素快速检测仪：USA Charles River公司；活度计：CRC-15R型，美国Capintec公司；Sep-PakC-18柱、Alumina N柱：美国Waters公司。

1.2 材料与试剂

AG11.A8和Dowex50树脂、18O-H2O、2-三氟甲基磺酰基-β-D-甘露糖（三氟甘露糖）、氨基聚醚（K2.2.2）：江苏华益科技有限公司；碳酸钾：美国Sigma Aldrich公司；浓HCl：AR级，北京化学试剂公司；无水乙醇：AR级，国药集团；无水乙腈：HPLC级，美国 TEDIA公司。

1.3 制备过程

HM-20加速器质子束流65 μA轰击18O-H2O产生18F-，合成分为4个过程：用K2.2.2/K2CO3溶液洗脱阴离子捕获柱（QMA柱）捕获的18F离子，加热除水至干；加入乙腈溶解的三氟甘露糖前体，反应生成18F-FDG中间体（18F-FDG-OAc）；加入HCl溶液，加热到120°C水解反应得到粗产品18F-FDG；粗产品经AG11.A8和Dowex50、C-18柱、Alumina N柱纯化，过无菌滤膜得到注射药品18F-FDG。生产的18F-FDG与国产碱水解模块合成的18F-FDG作对照［8］，比较产品质量。

1.4 制备系统

本研究使用的合成模块由国产碱水解FDG合成模块经改进优化而成，合成模块示意图见图1。改进模块的酸水解反应直接在反应管内进行，反应液从反应管出来直接经纯化装置纯化得到产品，18F-FDG整个合成程序为计算机全程控制，产品制备结束后传送至真空收集瓶，计算机提示合成完成。

图1 全自动合成18F-FDG模块Fig.1 Module of auto-synthesis for18F-FDG.

1.1 自动化合成

改进的FDG合成模块合成及自动化制备过程为：由加速器18O（p，n）18F反应产生18F-，经氮气传输到合成器上，18F-经六通阀后被QMA捕获，18O废水进入收集瓶。

1） 打开六通阀V0、V1，QMA捕获的18F-由含碳酸钾的K2.2.2乙腈溶液经六通阀，将QMA上吸附的18F-淋洗下来进入反应管，时间为40 s。淋洗完毕，打开H1、V7，风浴加热114 °C，同时向反应瓶内通入120 mL·min-1的氮气流，除水至剩余0.1mL左右；打开V2，加2 mL无水乙腈至反应管中，重复上一步除水，时间为240 s，除水至干，降低温度至90 °C，同时负压除水50 s。

2） 打开V3、H1，将1 mL无水乙腈的三氟甘露糖前体液加入到反应管中，进行亲核反应，风浴加热83 °C，时间为60 s。风浴温度升高至114 °C，时间为90 s，蒸发乙腈至0.1 mL左右。

3） 打开P1，冷却反应管至40 °C以下，时间为30 s；打开V4、H1，将2.5 mL 1 mol·L-1HCl溶液加入反应管中，反应温度120 °C，水解600 s。

4） 打开P1，将反应管温度降至100 °C，同时开启负压除乙腈，时间为120 s；打开V5，加水稀释反应液；将反应液从反应瓶转移，经AG11.A8和Dowex50柱、Alumin N柱、C-18柱和无菌滤膜进入真空收集瓶；再用10 mL水分两次清洗反应管，再传输到收集瓶中。以上各个程序步骤为计算机控制，全自动化合成完成，全程用时27 min。

1.2 产品的质量控制

按中国药典2015年版的标准对产品进行检测：检查产品的外观、澄明度，用精密pH试纸检测产品pH值，细菌检测，使用细菌内毒素快速检测仪（Endosafe-PTS）检测终产品；薄层层析法（Thin-Layer Chromatography， TLC）测产品放化纯，展开剂为95%乙腈，展开完毕用AR-2000薄层放射性扫描仪进行扫描；使用碘铂酸钾方法测定K2.2.2，使用气相色谱仪检测产品的溶剂残留［9］。

2 结果与讨论

2.1 合成结果分析

改进的国产全自动化FDG合成模块经酸水解生产18F-FDG，运行次数已超过37次，没有出现失误或差错，本研究采用三氟甘露糖的前体量均为19mg，与碱水解方法用量无明显区别［8］。酸水解制备的18F-FDG平均活度为30.45 GBq （25.31-35.78 GBq），合成效率为60.27%±2.29%（未校正效率（End of Synthesis， EOS）），与文献［8］报道的碱水解法合成效率无太大差别。

2.1.1 亲核反应时间对产率的影响

亲核反应在18F-FDG合成过程中至关重要，本研究调试不同的亲核反应时间，寻求最佳反应时间。采用反应时间分别为30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、300 s，合成效率分别为：46.56%±0.71%、60.87%±1.45%、60.96%±1.08%、61.30%±0.80%、61.53%±1.69%、61.91%±1.18% （n=3，图2）。亲核时间降低至30 s，合成效率45.7%±2.16%；亲核时间大于90 s，产品合成效率并没有太大的提高。为保证合成效率和缩短反应时间，本研究采用亲核时间60 s。

2.1.2 酸水解时间对水解效率的影响

酸水解合成18F-FDG是国内常用的制备方法之一，但盐酸对18F-FDG中间体（18F-FDG-OAc）的水解能力不是很强，酸水解是一个可逆过程，需要较高反应温度、较长反应时间。本文采用2.5 mL 1mol·L-1的盐酸溶液，通过观察6 min、7 min、8 min、9 min、10 min、12 min、15 min，对中间体的水解情况进行估算，结果分别为44.87%±2.5%、64.57%±1.09%、85.71%±2.48%、92.37%±0.86%、93.73%±1.47%、94.4%±0.32%、95.6%±0.62%，结果示于图3。由图3可知，8 min约85.71%的中间体发生水解，10 min约93.73%的中间体水解。水解时间过少，水解反应不完全；水解反应时间不宜过长，如果时间过长不会太多提高水解程度，但会延长总合成时间，本研究认为水解时间10 min为宜。

图2 亲核时间对合成的影响Fig.2 Effect of nucleophilic time on synthesis.

图3 时间对水解效率的影响Fig.3 Effect of time on the hydrolysis efficiency.

2.1.3 盐酸量对水解效率的影响

18F-FDG中间体（18F-FDG-OAc）有4个酯基需要水解，水解反应是可逆的吸热反应，较低温度不利于水解反应，适当提高反应温度有利于加快反应速率和提高反应程度，本研究设定水解反应温度为120 °C［5，10］；加入适量盐酸催化水解反应，可以加快其反应速率。本文采用不同浓度的盐酸量进行研究，分别使用0.5 mol·L-1、1 mol·L-1、1.5 mol·L-1、2mol·L-1、3 mol·L-1盐酸各2.5 mL进行水解试验，结果见图4。盐酸对18F-FDG中间体的水解能力不是很强，本研究试图通过加大HCl的使用量来加快水解反应速度，盐酸用量为3 mol·L-12.5 mL时，终产品的pH值为4.0-5.0，需另外调节pH值或增加中和酸所用填料，同时增加了反应液中盐的浓度，不适合直接用于临床注射；当盐酸使用量较小，中间体水解效果不佳，使用2.5 mL 0.5mol·L-1盐酸进行水解反应，水解时间20 min，仍有23%的中间体未水解。本研究选用2.5 mL 1mol·L-1的盐酸溶液作催化水解且温度控制在120°C为最佳实验方案。

图4 盐酸量对水解效率的影响Fig.4 Effect of HCl concentration on the hydrolysis efficiency.

2.1.4 除乙腈时间对乙腈残留的影响

本研究采用酸水解方法合成18F-FDG，产品的外观、pH值、放射化学纯度、氨基聚醚残留等均符合药典要求，但溶剂残留存在超标问题，本节研究了除乙腈时间对乙腈残留的影响。酸水解反应结束后，反应管内乙腈蒸除时间不足，产品溶剂残留检测时会出现溶剂残留超标；而除乙腈时间过长，会造成部分放射性损失，同时还延长合成时间。本研究采用不同的乙腈蒸除时间，时间分别为：30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、300 s，最后使用气相色谱仪（Gas chromatography， GC）检测各个时间得到产品的溶剂残留量，分析乙腈、乙醇残留量的具体数值见表1，分析结果见图5。蒸除残留溶剂时间降低至30 s，乙腈残留量（13.6±1.30）mg·mL-1。如果蒸除时间较大时（≥150s），产品的乙腈残留量并无太大变化。降低产品中溶剂残留量，同时减少合成时间，提高生产效率，本研究认为蒸除残留溶剂时间120-150 s为宜。产品中乙醇含量主要为防止18F-FDG辐射分解加入少量乙醇（约0.1%）［11］。

碱水解合成模块生产工艺中，在冷却反应液后需将中间体富集于C-18柱，再用蒸馏水清洗C-18柱以除去未反应的18F-、残留溶剂等杂质，再加入适量碱溶液使中间体进行碱水解反应；改进的合成模块在结构上比原合成模块更简单，省去了柱水解和加碱等部件，减少了中间体富集于C-18柱、蒸馏水清洗C-18柱、在柱碱水解等过程；酸水解合成法的亲核反应、酸水解过程可先后在同一反应管内进行，可减少中间体在转移过程中的损失。碱水解制备18F-FDG的纯化装置由IC-H柱、Alumin N柱及C-18柱等组成，本研究以AG11.A8和Dowex50柱、Alumin N柱、C-18柱等组成一套纯化装置，从反应管出来的反应液直接使用此纯化装置进行纯化。碱水解合成模块的其它部件及装置则进行了保留使用，未进行更多的改进或拆除，而省去未用的柱水解和加碱等部件并未进行真正拆除，可方便、简单地重新改回碱水解合成模块装置，为同一合成模块上实现两种不同生产工艺制备18F-FDG提供了硬件保障。

表1 不同时间的溶剂残留Table1 Result of the solvent residue for different time.

图5 时间对溶剂残留的影响Fig.5 Effect of time on the solvent residue.

国内外文献报道［5-10］，一台FDG合成模块一般仅能采用一种生产工艺，同一模块上实现不同工艺的生产，且达到质量要求是目前的难点之一。本研究以改进的国产碱水解合成模块经酸水解生产出合格的18F-FDG，实现了两种不同工艺在同一模块上制备合格的18F-FDG，对FDG合成模块制备18F-FDG生产工艺的申报有借鉴意义。酸水解生产18F-FDG的合成工艺可以避免副产品18F-FDM的产生，气相色谱检测碱水解生产的18F-FDG溶剂残留时，发现在4.5 min左右可能会产生一未知杂质，这一未知杂质可能由强碱溶解C-18柱上硅烷而产生，虽然目前18F-FDG的质量标准并未将其收录，但将来的企业标准或国家标准会对其重视，而酸水解生产工艺可以避免未知杂质的产生。常用酸水解制备18F-FDG的方法为双管或单管法，合成时间为33-50 min不等，本研究的酸水解生产工艺缩短合成时间至27min。

2.2 参数优化后的合成

优化的国产FDG合成模块酸水解全自动化合成18F-FDG条件为：洗脱QMA柱捕获的18F-离子，在氮气保护下与乙腈共沸除水两次；密闭条件下，反应温度为115 °C，亲核反应时间为1 min，生成中间体（18F-FDG-OAc）；盐酸的使用量为1 mol·L-1的盐酸2.5 mL，反应时间10 min，温度120 °C；酸水解反应结束后，蒸除残留溶剂时间120 s为宜；最终产品为无色澄明液体、pH值6.5-7.0，细菌内毒素检查合格，溶剂残留检测均在药典规定范围内，放化纯度均大于98%，平均活度30.45 GBq （25.31-35.78 GBq），合成效率60.27%±2.29% （EOS），放射性浓度（2.92±0.31） GBq·mL-1，与文献［8］报道碱水解法合成效率无太大差别。

2.3 产品的质量控制

本法生产的18F-FDG质量与碱水解法生产的18F-FDG相比，无明显区别。最终产品外观与碱水解合成法一致，均为无色澄明液体，符合药典要求；放射性浓度为0.37-3.0 GBq·mL-1，pH值为6.5-7.0，氨基聚醚（K2.2.2）检测符合药典要求；经TLC检测，放化纯度大于98%；经细菌内毒素检查，产品符合药典要求；气相色谱仪检测产品溶剂残留，乙腈、乙醇溶剂残留均符合药典要求，与碱水解比较结果见表2。

表2 酸水解与碱水解制备18F-FDG质控结果(n=5)Table2 Result of quality control of18F-FDG by acidic and basic hydrolysis (n=5).

3 结语

本研究以国产碱水解FDG合成模块为基础，对此模块进行了改进和优化，改进的合成模块经酸水解合成18F-FDG，并优化了酸水解制备18F-FDG的工艺条件。改进的国产FDG合成模块经酸水解生产的18F-FDG可以满足临床需求，酸水解生产工艺可以避免18F-FDM和未知杂质的产生，实现了同一模块采用两种不同工艺合成18F-FDG，提升了FDG合成模块的利用价值。

1 Rudroff T， Kindred J H， Kalliokoski K K， et al. ［18F］-FDG positron emission tomography-an established clinical tool opening a new window into exercise physiology［J］. Journal of Applied Physiology， 2015，118（10）: 1181-1190. DOI: 10.1152/japplphysiol.01070. 2014

2 李洪生， 吴湖炳， 王巧愚， 等. 呋塞米介入18F-FDG PET/CT双时相显像对膀胱癌的诊断价值［J］. 核技术，2014， 37（2）: 020301. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2014. hjs.37.020301

LI Hongsheng， WU Hubing， WANG Qiaoyu， et al. Value of the dual phase18F-FDG PET/CT with oral diuretic in the diagnosis of bladder cancer before therapy［J］. Nuclear Techniques， 2014， 37（2）: 020301. DOI: 10.11889/ j.0253-3219.2014.hjs.37.020301

3 Bailly M， Venel Y， Orain I， et al.18F-FDG PET in liver transplantation setting of hepatocellular carcinoma:predicting histology？［J］. Clinical Nuclear Medicine， 2016，41（3）: e126-e129. DOI: 10.1097/RLU.0000000000001 040

4 陈志丰， 王晓燕， 梁瑾瑜， 等.18F-FDG PET/CT与超声造影在肝细胞癌复发判断中的对比研究［J］. 中华核医学与分子影像杂志， 2014， 34（2）: 91-95. DOI: 10.3760/ cma.J.issn. 2095-2848.2014.02.003

CHEN Zhifeng， WANG Xiaoyan， LIANG Jinyu， et al. Comparison of18F-FDG PET/CT and contrast enhanced ultrasound for detection of hepatocellular carcinoma recurrence after therapy［J］. Chinese Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging， 2014， 34（2）: 91-95. DOI: 10.3760/cma.J.issn. 2095-2848.2014.02.003

5 Hamacher K， Coenen H H， Stocklin G， et al. Efficient stereospecific synthesis of no-carrier-added 2-［18F］-fluoro-2-deoxy-D-glucose using aminopolyether supported nucleophicic substitution［J］. The Journal of Nuclear Medicine， 1986， 27（2）: 235-238

6 Meyer G J， Matzke K H， Hamacher K， et al. The stability of 2-［18F］fluoro-deoxy-D-glucose towards empimerisation under alkaline conditions［J］. Applied Radiation and Isotopes， 1999， 51: 37-41. DOI: 10.1016/S0969-8043（98）00193-6

7 Padgett H C， Schmidt D G， Luxen A， et al. Computer-controled radio-chemical synthesis: chemistry process control unit for automated production of radiochemicals［J］. Applied Radiation and Isotopes， 1989，40（5）: 433-445. DOI: 10.1002/jlcr.25802601201

8 刘晓飞， 张锦明， 田嘉禾， 等. 固相柱水解和IC-H柱中和法制备18F-FDG及放射性损失分析［J］. 国际药学研究杂志， 2008， 35（1）: 1-4. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0440. 2008.01.001

LIU Xiaofei， ZHANG Jinming， TIAN Jiahe， et al. Preparation of18F-FDG by hydrolysis on solid phase cartridge and neutralization with IC-H cartridge and analysis of the loss of radioactive nuclide［J］. International Journal of Pharmaceutical Research， 2008， 35（1）: 1-4. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0440.2008.01.001

9 李云钢， 张晓军， 刘健， 等. 气相色谱法测量正电子放射性药物中有机溶剂残留及原因分析［J］. 同位素， 2013，26（3）: 152-157. DOI: 10.7538/tws.2013.26.03.0152

LI Yungang， ZHANG Xiaojun， LIU Jian， et al. Analysis of residual solvents in PET radiopharmaceuticals by GC［J］. Journal of Isotopes， 2013， 26（3）: 152-157. DOI: 10.7538/tws.2013.26.03.0152

10 何山震， 王淑侠， 王朋， 等. 单管法酸水解合成18F-FDG中反应条件的探讨［J］. 中山大学学报（医学科学版）， 2009， 30（3S）: 61-63. DOI: 10.3321/j.issn: 1672-3554.2009.z1.016

HE Shanzhen， WANG Shuxia， WANG Peng， et al. Study of influence factors on preparing18F-FDG by hydrolyzing with HCl in single vessel［J］. Journal of Sun Yat-sen University （Medical Sciences）， 2009， 30（3S）: 61-63. DOI: 10.3321/j.issn:1672-3554.2009.z1.016

11 Walters L R， Martin K J， Jacobson M S， et al. Stability evaluation of18F-FDG at high radioactive concentrations［J］. Journal of Nuclear Medicine Technology， 2012， 40（1）: 52-56. DOI: 10.2967/jnmt. 111.097287

Fully automated synthesis of18F-FDG by acidic hydrolysis on domestic module

LI Haifeng1ZHANG Xiaojun2LI Yungang2ZHANG Jinming2
1
（Department of Nuclear Medicine， Jiang Xi Cancer Hospital， Nanchang 330029， China）2（Department of Nuclear Medicine， The People’s Liberation Army
(PLA) General Hospital， Beijing 100853， China）

Background: The FDG18F-fluorodeoxyglucose （18F-FDG） synthesis module was obtained by one process of production generally. The adjusting of synthetic technology would have a significant influence on the quality of product. Purpose: In order to solve the problem and optimize the production process， in this paper， the domestic FDG synthesis module has been improved. Methods: The domestic FDG synthesis module of basic hydrolysis was optimized by removing the components of automatic alkali-adding and on-column hydrolysis. The influencing factors of synthesis process were discussed， including the time of nucleophilic reaction， the amount of HCl， the hydrolysis time and the residual solvents. Results: It took 27 min from18F-to final product of18F-FDG，and a radiochemical yield of 60.27%±2.29% （n=37， End of Synthesis (EOS）） was obtained. The radiochemical purity of18F-FDG was higher than 98% and the radioactivity was （29.15±3.09） GBq （n=37）. Conclusion: The synthetic process was reliable and automated， and the product was suitable for clinical use. Finally， two different processes were used for synthesizing18F-FDG on the same module.

LI Haifeng， male， born in 1981， graduated from Nanchang University with a master's degree in 2011， chemist， mainly engaged in

ZHANG Jinming， E-mail: zhangjm301@163.com

TL92+3

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.080301

军队医疗机构制剂标准提高项目（No.14ZJZ2101）资助

李海峰，男，1981年出生，2011年于南昌大学获硕士学位，化学师，主要从事放射性药物的合成与标记

张锦明，E-mail: zhangjm301@163.com

Supported by the Enhancing Program of Military Hospital Prepared Medicine （No.14ZJZ2101）

radiopharmaceuticals' synthesis and label

2016-04-03，

2016-04-29