脑阿片受体PET-CT显像剂[11C]Carfentanil 全自动合成方法及临床前研究

GE Healthcare China 李宏利 齐汝海 王海兵 关艳
山东省立医院PET-CT中心 刘庆伟 李军

脑阿片肽（Opioid Peptides）包括脑啡肽类(Enkephalins)、内啡肽类(Endorphines)、强啡肽-新啡肽类(Dynorphine-neoendorphine)等作为一类重要的神经递质对神经系统信息传递、感觉、运动、认知、免疫等系统的功能具有重要调节作用。而阿片类药物以强大的镇痛作用、情绪效应和成瘾性成为一类极其重要的药物。阿片通过和阿片受体作用后而发挥作用。阿片受体属G蛋白偶联受体，分为m、d、k三种亚型。G蛋白结合区位于胞浆侧，与G蛋白偶联的G蛋白由3个亚单位基组成：a、b和g，其中a决定G蛋白的专一性。根据G蛋白的功能，又可分为Gs、Gi、Go、Gq、Gt等。阿片受体与激动剂结合后激活Gi蛋白，使G蛋白的bγ亚基与α亚基解离。bγ亚基与α亚基分别介导了胞内多条信号通路的激活，如腺苷酸环化酶活性的抑制、G蛋白偶联受体激酶(GRK)、钙依赖蛋白激酶（PKC）和原活化的蛋白激酶（MAPK）的激活等。阿片受体在中枢和外周神经系统均有分布。在脑内，人与猴、大白鼠、牛等动物的阿片受体分布基本相同，在纹状体、杏仁核、中脑导水管周围灰质和脊髓罗氏胶质区等密度高，白质及小脑等部位密度低[1]。

受体显像对肿瘤、心脏及神经系统疾病诊断具有重要的价值，特别是神经系统疾病诊断，受体显像是目前基础研究和临床应用最佳的选择方案。目前PET-CT或PET和MRI相比对受体疾病诊断、鉴别诊断及治疗方案选择具有独到之处，而且PET-CT已经将受体显像作为临床神经系统疾病常规的临床诊断方法，MRI却仍然在临床前期研究阶段。因此开展受体显像对于PET-CT来讲就显得更加重要[2、3]。 [11C]Carfentanil作为临床最常用阿片受体显像剂，对于镇痛作用、情绪效应、认知变化和阿片成瘾性研究具有重要的价值。[11C]Carfentanil能够特异和脑m阿片受体结合[4]。由于以前[11C]Carfentanil标记均采用人工标记或半自动标记的方法，这导致[11C] Carfentanil在临床应用受到了极大的限制。因此采用全自动化方法合成[11C] Carfentanil已经成为PET-CT脑阿片受体显像的前提。

GE TRACElab FXc系统在一个模块中整合了生产11C标记的示踪剂所有步骤需要的功能：捕获[11C]CO2，将其转化为甲基碘化物（[11C]CH3I），甲基化，纯化及最终产物设计。所有的生产步骤都完全自动化。系统包括一套专用的制备HPLC和UV（紫外线探测）系统，其软件也整合到系统软件中。每个合成过程都根据GMP条例进行记录。同使用的材料相关的数据如批号，可以被输入到控制系统中，永久保存并打印在产物报告上。重要的时间依赖性的信号如来自温度、压力及放射活性探头的信号在合成过程中被记录并以图形化形式实时显示，而后被永久保存。这些数据以图形化的形式被打印在合成方案中。这样，正确的合成进程被记录。该单元中放射性物质的转运及反应过程是处于控制之下的，其过程也被记录并定量。所以本文重点介绍采用GE TRACElab FXc全自动合成[11C] Carfentanil 受体显像剂的技术和方法。

1. 反应原理：
[11C] Carfentanil可由甲基化的方法合成，详细合成方法、原理及药物部分等见报道[5]。

脑阿片受体PET-CT显像剂[11C]Carfentanil 全自动合成方法及临床前研究



2.合成过程使用的前体Desmethylcarfentanil和标准品从ABX公司直接购买。为了保证合成质量，我们所使用的前体从ABX公司直接购买，其它相关的试剂在当地购买。

3.采用GE TRACERlab FXc合成[11C] Carfentanil 的过程：下图是采用TRACERlab FXc合成[11C] Carfentanil的示意图。示意图表明了合成过程的详细流程。

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  • 使用GE MINItrace全自动化生产[11C]CO2。
  • 将[11C]CO2传输进入反应器与氢气混合，在Ni催化剂的作用下，于400°C高温反应，生成11CH4。
  • 11CH4与升华的碘在720°C高温下反应生成11CH3I。
  • 碘甲烷（11CH3I）在氦气流（20 mL/min）的作用下进入反应池（室温，1.5 mg Desmethylcarfentanil Na salt 溶于 500 μl DMSO，然后加入0.5-1 mg LiH）。
  • 混合液80 °C反应5分钟，然后冷却至室温。
  • 混合物进入HPLC进行分离纯化，C18柱，淋洗液MeOH/0.17M NH4formate pH 8.5, 65/35，λ= 220 nm，流速4 ml/min。收集放射性峰组分。收集部分用Sep-Pak C18柱再次分离纯化，然后用一个0.2 mm的无菌滤膜过滤。得到产物[11C] Carfentanil。
  • 上述过程均在计算机控制下全自动化完成。

4、临床前动物实验
选择活体雄性猴，麻醉后静脉注射4 mCi [11C] Carfentanil后进行快速3D动态采集，采集协议为6ｘ30秒、5ｘ60秒、5ｘ300秒。采用FORE-FBP重建方法重建图像（见下图）。可以看出[11C] Carfentanil猴脑皮质和垂体、脑基底结区有较高的摄取。

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整个合成过程在一个全自动、全密闭的系统中进行的，并且在必要的时候可以进行人工干预，确保合成的顺利进行。 在合成过程中，反应的前半部分，即甲基碘的生成部分，TRACERlab FXc采用了全新的气相反应方法。加速器生产的CO2直接与氢气反应生成甲烷，然后与气态碘生成甲基碘。这个合成过程不需要对合成器进行任何干预，也不需添加任何药物，完全在全自动的密闭系统中进行，相对于传统的采用LiAlH4作为还原剂的液相反应方法具有无法比拟的优越性，既大大简化了操作（LiAlH4的活波性大大限制了它的用途，同时也增加了操作的复杂程度），避免了由还原剂失效带来的反应失败，同时也避免了这部分由于人工添加还原剂及其它试剂带来的质量保证问题。

我国受体显像研究的工作开始较早，但是一直处在采用人工或半自动化合成方法的阶段，特别是在[11C] 标记的受体方法方面研究的极少。这样一来明显影响受体显像的工作在临床开展和应用。为此我们介绍[11C] Carfentanil一步法全自动化合成的方法。目的就是在国内尽快普及[11C] Carfentanil PET-CT显像。目前临床已经使用的[18F]FDG是仅仅反映糖代谢的正电子放射性药物，[18F]FDG对肿瘤诊断缺乏特异性；在神经系统基础研究、临床应用范围很小，仅仅反映神经系统血流灌注的变化以至近几年PET在神经系统诊断检查项目趋于下降。但是[11C] Carfentanil 反映的是中枢系统阿片受体分部和密度，这些和神经系统阿片受体疾病具有密切关系，特别是对诊断具有非常高的特异性，这对于基础研究、诊断和治疗具有重要意义。我们可以看出在国内普及和推广[11C] Carfentanil的临床应用具有重要实用价值。

参考文献：

  1. 方秀斌 编著 神经肽与神经营养因子 人民卫生出版社
  2. 全国第二届正电子放射性药物临床应用研讨会 2004年4月
  3. 吕宝璋、卢建、安明榜 主编 受体学 安徽科学技术出版社
  4. Israel Lberzon, et al. m-Opioid Receptors and Limbic Responses to aversive emotional stimuli. Neurology 2002;99:7084-7089
  5. Frost JJ, et al. Multicompartmental analysis of [11C] Carfentanil binding to opiate receptors in humans measured by positron emission tomography. J Cereb Blood Flow Metab 1989;9:389-409.