LOOP环改良法全自动化制备11C-胆碱

李海峰，徐仁根，何玉林，陈志军，张晓军，李云钢，张锦明

(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)

11C-胆碱(11C-Choline，11C-CH)在临床诊断膀胱癌、尿路上皮癌和前列腺癌等方面有着良好应用前景[1-6]。目前，临床研究11C-CH的制备方法主要是C18柱固相合成法和液相合成法等[7-9]，液相合成法的合成时间较长，步骤较繁琐，合成效率较低[10]，不能满足临床需求；C18柱固相合成法操作简单，制备时间较短，已在临床上推广使用，取得较好的效果，但合成效率不理想[11]。文献[12]使用LOOP环法合成11C-CH，LOOP环管径较大，反应不充分，管壁产品残留多，合成效率有待提高。本研究对国产11C-多功能合成模块进行改进，使用管径较小、比表面积大的聚四氟乙烯LOOP环(1 mm×0.5 mm×2 m)，寻求在国产模块上全自动化LOOP环法合成11C-CH，与C-18柱固相法比较，实现合成方法简单可靠，合成效率高的目的。

1 仪器与试剂

1.1 仪器

自动化11C多功能合成模块(PET-CM-3H-IT-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；分析天平：AB104G型号，Switzerland Mettler Toledo公司；活度计：CRC-15R型，USA Capintec公司；分析型HPLC仪、Sep-PakC-18柱、CM柱：美国Waters公司；无菌滤膜：Merck Millipore 公司。

1.2 试剂

N,N-二甲基乙醇胺、57% HI、LiAlH4四氢呋喃溶液(1 mol/L)：USA Sigma Aldrich公司；浓硫酸、磷酸二氢钠、氢氧化钠、无水乙醇：AR级，国药集团化学试剂有限公司；0.9%生理盐水：青岛华仁药业公司；灭菌注射用水：石家庄四药有限公司；乙腈、丙酮：HPLC级，USA TEDIA公司。

2 实验方法

2.1 11C-CH3I的合成

参考文献[10]，液相法制备11C-CH3I：HM-20加速器经14N(P, ɑ)11C核反应在回旋加速器内产生11CO2，氮气作为载气将11CO2传送到11C-多功能合成模块，传送完毕，开启自动化程序，11CO2被N2载带至反应管与0.2 mL四氢锂铝的四氢呋喃溶液(1 mol/L)反应，加热并通入N2，除去THF，再加入0.3 mL 57%的氢碘酸，生成的11C-CH3I通入到LOOP环与前体反应。

2.2 产品的制备与纯化

前体N,N-二甲基乙醇胺装于LOOP环中，11C-CH3I通入到LOOP环中与前体进行反应，室温反应1 min，用乙醇溶液将LOOP环内反应液带至CM柱，经灭菌注射用水清洗，再用生理盐水将产品淋洗至无菌瓶中，自动化合成系统图示于图1。

V6，V7，V8，V3，V14，V15，V4，V4_0，V2，V1，V9，V10，V13，V11，V11_1，V12—开关阀；R1，R2，R3，R4—核素活度计；T0—加热；H1—注射图1 11C-CH自动化合成系统Fig.1 Auto systhesis of 11C-CH

2.3 合成效率的影响因素

2.3.1溶剂 使用11C-CH前体量100 uL，选择丙酮、乙腈、乙醇各100 uL及无溶剂等不同的溶剂条件，比较其合成效率。

2.3.2前体用量 取11C-CH不同前体量(5～300 uL)装于LOOP环中，通入在线生成的11C-CH3I，室温反应，寻求合适的前体量。

2.4 产品的实验室质量控制

检查产品外观，精密pH试纸测试产品pH，使用Endosafe-PTS细菌内毒素快速检测仪检测产品的细菌内毒素，高效气相仪检测产品有机溶剂残留，通过HPLC测量产品放化纯度和比活度：分析产品11C-CH的分析柱为离子交换柱(150 mm×7.8 mm,pH=1～3)，流动相硫酸溶液(pH=3.0,0.01 mmol/L)，流速1 mL/min。

3 结果与讨论

3.1 碱量对11C-CH反应的影响

前体N,N-二甲基乙醇胺本身提供碱催化，与11C-CH3I 反应生成11C-CH盐，可以被富集在CM柱上，再用乙醇、水清洗有机杂质和无机杂质。整个合成过程没有用到无机碱，无机碱的存在会破坏11C-CH盐的生成而不易富集，因此，采用缓冲溶液调节产品pH。

3.2 溶剂

反应溶剂对合成效率影响的结果列于表1。由表1结果可知，乙腈、丙酮、乙醇溶剂中的反应效率均低于无溶剂，无溶剂反应更适合LOOP环法合成11C-CH，本研究认为丙酮、乙腈、乙醇不适合LOOP环法，合成11C-CH时选用无溶剂较好。

表1 溶剂对合成的影响Table 1 Effect of solvent on the synthesis

11C-CH的前体N,N-二甲基乙醇胺与11C-CH3I发生的是类似季铵盐反应，N,N-二甲基乙醇胺本身为液体且极性较强，既可以做碱催化，也可以做溶剂，反应前体的浓度较高，更有利于取代反应的进行；加入不同的溶剂时，底物的反应浓度减小，不利于反应的进行。本研究采用11C-CH的前体本身为溶剂的LOOP环法来制备11C-CH。

季铵盐具有盐的性质，易溶于水而不易溶于非极性有机溶剂，而在加热时易分解为叔胺和卤代烷，熔点为270～272 ℃。季铵盐与强碱如KOH、NaOH等作用得到含有季铵碱的平衡混合物。如果有醇类溶液，由于碱金属的卤化物难溶于醇，能将反应进行到底。季铵碱的碱性较强，不宜直接用于临床研究。合成反应中，11C-CH前体与11C-CH3I发生的是SN2反应，受溶剂影响较大，溶剂极性越大，越有利于SN1反应，而对SN2反应不利。SN2反应过程中，由原来电荷比较集中的亲核试剂变成电荷比较分散的过渡态，溶剂极性的增加使电荷集中的亲核试剂溶剂化，降低反应效率。同时反应物浓度越高越有利于反应进行，在这几类反应溶剂中，无溶剂反应合成效率最高，因而，本研究选用无溶剂进行反应。

3.3 前体用量

前体用量对11C-CH效率的影响示于图2。11C-CH的前体本身既可以做碱催化，也可以做溶剂，11C-CH的前体量过小，N,N-二甲基乙醇胺不能有效的捕获11C-CH3I，不利于反应进行；本研究使用的LOOP环可容纳的体积为1.2 mL左右，11C-CH的前体量过大，并不会提升合成效率，而且有可能部分前体随着氮气流进入废液，造成前体浪费。本研究的反应为类似季铵盐的反应，其合成效率与前体浓度呈正相关，提高前体浓度可提升合成效率；但前体量过大会造成化学纯度降低，同时浪费前体。为了保证合成效率、控制产品中前体含量，同时降低成本，选择11C-CH前体用量60～150 uL为宜。

图2 前体量对11C-CH合成效率的影响Fig.2 Effect of the precursor on the synthesis efficiency of 11C-CH

3.4 自动化合成及质量控制

优化11C-CH自动化合成条件为：自动合成器LOOP环中装有60～150 uL的11C-CH前体N,N-二甲基乙醇胺，通入11C-CH3I，LOOP环处放射性计数稳定后，室温静置反应；打开V9、V13，用8 mL乙醇溶液将LOOP环内的反应液带至CM柱，打开V10、V13，用10 mL水清洗产品，最后打开V11、V12，用8 mL生理盐水将产品从CM柱上洗脱，经无菌滤膜进入收集瓶中。11C-CO2传至LOOP环后，开启自动合成程序，从11C-CO2到取代反应、纯化至终产品，总计用时10 min。对产品抽检进行质量控制，终产品的外观、pH、HPLC检测放化纯度、细菌内毒素检测、气相色谱仪检测溶剂残留等质量控制结果均符合静脉注射要求，并与C18柱固相法进行比较，结果列于表2。

3.5 LOOP环法与C18柱固相法的比较

目前，临床上制备11C-CH的方法主要是C18柱固相合成法和液相合成法。1984年Diksic等[13]报道了11C-胆碱的合成，利用N,N-二甲基乙醇胺在100 ℃加热条件下与11C-CH3I反应5 min，再用阳离子交换树脂纯化，经高压液相色谱(HPLC)纯化后得到11C-胆碱。产品需经加热反应、HPLC纯化后使用，此合成方法操作繁杂，不便于临床推广使用。Hara等[9]对Diksic制备方法进行了改进，合成过程仍需要加热反应、HPLC纯化得到11C-胆碱，不能满足临床需求。

Pascali等[8]采用C18柱固相合成法制备11C-胆碱，前体药N,N-二甲基乙醇胺与11C-CH3I在C18柱上反应，再将粗产品吸附在离子交换柱CM柱上，进行简单纯化得到11C-胆碱。此C18柱固相合成法简化了繁琐的合成过程，减少加热反应、HPLC纯化等步骤，有利于临床推广使用，但其自动化程度不高，增加了合成时间。张锦明等[10，14]在Pascali C18柱固相合成法的基础上进行了改进，将前体N,N-二甲基乙醇胺预装于C18柱上，省去再装载步骤，同时将注射器加淋洗液方法改成以氮气流为动力，实现了自动化合成11C-胆碱，更有利于临床应用，但合成效率一般。何山震等[11]通过优化标记的反应条件，以提高标记产率和生产的稳定性，但合成产率有待提高。龙婷婷等[15]经过工艺优化，使用自制的Light C18 柱，使11C-胆碱的标记产率得到较大提升，具有一定的临床意义，在临床推广使用过程中，应保证自制的Light C18 柱安全性。高志麒等[16]将PET-CS-Ⅰ合成模块小型化，使其体积缩小80%，合成模块运行稳定，合成效率和质量同原模块无差，且缩短传输管道后，管道内残留减少，而改造后模块比较专一化，不利于开发更多放射性药物合成的用途。张政伟等[8]尝试LOOP环法合成11C-CH，其自制LOOP环管径较大，反应不充分，管壁产品残留多，合成效率受到影响。

本研究使用LOOP环法合成11C-CH，寻求一种简单可靠、合成效率高、全自动合成11C-胆碱的方法。先对国产11C-多功能合成模块进行改进，使用的LOOP环材料为聚四氟乙烯。本研究优化了11C-CH的LOOP环法合成条件，并与常用的C18柱固相合成法进行比较，其合成效率明显提高，结果示于图3；两种方法合成结果具体比较列于表3。

表3 11C-CH的合成结果Table 3 Results of synthesis of 11C-CH

改进后的LOOP 环法制备11C-CH，可有效提高合成效率，保证产品质量：1) LOOP 环法制备11C-CH过程中，LOOP 环可以重复、多次使用，同时减少了Sep-PakC-18柱的使用量，降低生产药物合成成本；2) LOOP环，管径较小，比表面积大，有利于11C-CH3I与前体充分反应，同时管壁产品残留较少，合成效率提高，产品的产量大大提高；3) LOOP 环法还应用于制备11C-乙酸盐、11C-蛋氨酸、11C-carfentanil等药物的研究，扩展了制备方法使用范围。

LOOP 环法制备11C-CH也有一定的局限性，产品制备后需要对LOOP环进行及时清洗，管壁残留反应液可能会影响下次产品合成效率；LOOP环最佳重复使用次数也有待研究。

4 结论

本研究采用LOOP环法合成11C-CH，并优化了11C-CH的合成条件。采用前体N,N-二甲基乙醇胺本身做反应溶剂，同时提供碱催化，反应前体的浓度较高，更有利于取代反应的进行；确定11C-CH前体的使用量为60～150 uL；与文献报道的LOOP环法及C18柱固相合成法相比，本研究的LOOP环法合成产量有较大提高；缩短了制备终产品所需的时间；减少了C-18柱的使用量，LOOP环可以重复、多次利用，降低了生产成本；LOOP 环法还应用于11C-乙酸盐、11C-蛋氨酸等药物研究，扩展了制备方法使用范围；LOOP环法制备11C-CH的合成效率提高至(72.16±2.96)%(n=19,11C-CH3I未校正效率)；优化条件后合成的11C-CH质量控制结果符合静脉注射要求。