Файл: Литературный обзор. 1 Основные принципы пэт.rtf

.3 Методы получения радионуклида 18F

Для получения 18F обычно используется циклический ускоритель (медицинский циклотрон). Две наиболее известные ядерные реакции получения фтора-18: 18O(p,n)18F и 20Ne(d,α)18F [9].

В результате ядерной реакции 20Ne(d,α)18F желаемый радионуклид стабилизируется в форме [18F]F2. Данный способ получения радионуклида относится к так называемым методам с добавлением носителя (carrier-added method), так как небольшое количество молекулярного нерадиоактивного фтора-19 (0,1%, 30-100 мкмоль) должно присутствовать в мишени. Основным недостатком этого метода, помимо изотопного разбавления, является малое сечение ядерной реакции 20Ne(d,α)18F (115 мбарн) и, соответственно, низкая производительность газовой мишени, а значит, невозможность синтеза радиофармпрепаратов с мультидозовой активностью. [18F]F2 производится в циклотроне для участия в электрофильных процессах [10], например, для получения фторированного аналога L-ДОФА - 6-[18F]-фтор-L-ДОФА, который используется для изучения дофаминергической системы. Кроме того, работа с радиоактивным молекулярным фтором создает добавочные трудности в синтезе.

В настоящее время в подавляющем большинстве ПЭТ центров для наработки фтора-18 применяется ядерная реакция 18O(p,n)18F с более высоким сечением (700 мбарн), стандартные параметры облучения представлены в табл.2. В качестве мишени используется вода, обогащенная по изотопу кислород-18, а 18F стабилизируется в форме фторид-иона, сольватированного молекулами воды.
Табл.2 Стандартные параметры получения фтора-18 по реакции 18O(p,n)18F

Химическая форма облучаемого материала	Энергия бомбардирующих частиц, МэВ	Химическая форма стабилизации фтора-18	Удельная активность (ГБк /мкмоль) [11]	Выход радионуклида (ГБк/μА) [11]
H218O (95-97% обогащения)	10-20	18F-(aq)	>100	2,22

Получение фтора-18 в форме фторид-иона (без носителя) с большой активностью в современных циклотронах открывает возможность использования реакций нуклеофильного замещения как основного способа введения метки 18F в биомолекулы. Нуклеофильное радиофторирование позволяет синтезировать радиофармпрепараты в мультидозовых количествах и с высокой удельной активностью (>100 ГБк /мкмоль), что недоступно в случае применения [18F]F2 как источника 18F.

---

1.4 Нуклеофильное ароматическое радиофторирование

Реакционная способность акватированного фторид-иона невысока из-за значительной энергии гидратации вследствие образования водородных связей с молекулами воды [12,13] (см.табл.3).
Табл.3 Энергии гидратации галоген-анионов

Галоген-анион	Энергия гидратации, кДж/моль
F-	485
Cl-	351
Br-	317
I-	280

Поскольку облучение воды, обогащенной кислородом-18, происходит в металлических мишенях, противоион [18F]фторида, как правило, соответствует материалам, из которых они изготовлены. Если фторид-ион и противоион образуют достаточно устойчивые соединения, это может затруднить протекание реакций нуклеофильного замещения [8]. Например, в работе [14] замена материала корпуса мишени с титанового на серебряный позволила значительно увеличить выход продуктов радиофторирования. Это можно объяснить относительно малой энергией связи Ag-F (354,4 кДж/моль) по сравнению с Ti-F (569 кДж/моль).

.4.1 Кинетика и механизм реакции

Проведение реакций ароматического нуклеофильного радиофторирования (SNAr) по сравнению с алифатическим требует некоторых дополнительных условий. Одно из них - наличие подходящей нуклеофугной группы в ароматическом кольце. Среди множества «уходящих» групп широко используются такие, как триметиламмониевые и нитрогруппы, сульфониевые соли и др. [15,16].

По литературным данным известно, что протекание реакций данного типа значительно облегчается в присутствии электроноакцепторных заместителей в орто- и пара- положениях к уходящей группе [17]. Из общего механизма ароматического нуклеофильного замещения (см. рис.2) следует, что такие заместители (-CHO, -CN, -NO2, -CF3 и др.) за счет -M эффекта участвуют в делокализации отрицательного заряда в промежуточном комплексе Мейзенгеймера, тем самым стабилизируя его и активируя ароматическое кольцо к атаке нуклеофила.

---

Рис.2 Механизм нуклеофильного ароматического замещения (SNAr), где X-уходящая группа, Y-нуклеофил
По способности активации нуклеофугной группы можно составить следующий ряд электроноакцепторных заместителей: p-NO2 > p-CF3 ≈ p-CN > p-CHO > p-Ac > m-NO2 [18].

Также при планировании синтеза необходимо обращать внимание на наличие "кислых" протонов в ароматическом кольце (то есть групп -OH, -COOH, NH2), способных образовать с фтором-18 водородные связи, что значительно снижает его реакционную способность [18]. В этом случае необходимо использовать защитные группы, которые будут удалены после проведения радиофторирования.

Обычно реакции нуклеофильного ароматического радиофторирования проводятся в среде апротонных полярных растворителей (ДМСО, ДМФА, ацетонитрил) [19]. При радиофторировании алифатических соединений иногда используют среду полярных протонных растворителей, например, трет-бутанола и трет-амилового спирта, небольшого количества воды [20, 21], что позволяет достичь большей по сравнению с апротонными средами эффективности радиофторирования. Это объясняют образованием водородных связей объемных молекул спирта и воды с уходящей группой, что повышает ее нуклеофугность. Однако при переходе к реакциям SNAr, использование протонных растворителей приводит к значительному уменьшению выхода реакции радиофторирования [22].

По сравнению с радиофторированием алифатических соединений, реакции нуклефильного ароматического радиофторирования требуют более высоких температур (обычно >100°C), поэтому для их проведения выбираются растворители с высокими температурами кипения: ДМСО (Tкип=189°C) и ДМФА (Tкип=153°C).

Радиоактивные изотопы, используемые для получения радиофармпрепаратов в ПЭТ, находятся в чрезвычайно малых количествах (нано- или пикомолярные концентрации) по отношению к субстратам (содержание на уровне миллимолей), вступающих с ними в реакции [23]. Это позволяет быстрее и эффективнее проводить соответствующие реакции по сравнению с традиционной органической химией, однако в этом случае даже малое количество примеси может привести к значительному снижению эффективности реакции.

Ввиду очень малых концентраций радионуклидов и соответственно меченых соединений, реакции с их участием являются реакциями псевдопервого порядка (см.рис.3).

Радиохимический выход продукта является функцией химического выхода и радиоактивного распада, поэтому максимальный радиохимический выход может быть достигнут до полного завершения реакции.

---

Рис. 3 Радиохимический выход (%) как функция времени (псевдопервый порядок реакции) [10]

.4.2 Межфазные катализаторы (МФК)

Для перевода 18F- из водной фазы в среду полярного апротонного растворителя используются различные межфазные катализаторы (МФК). Ими могут выступать четвертичные аммониевые соли, краун-эфиры, криптанды и др.(см.рис.4).

Наибольшее применение в качестве МФК в реакциях радиофторирования нашел криптанд К 2.2.2 (4,7,13,16,21,24-гексаокса-1,10-диазабицикло [8.8.8]гексакозан или криптофикс 2.2.2), формирующий с катионами щелочных металлов устойчивые координационные соединения, в которых ион металла экранирован окружающими атомами криптанда от молекул растворителя и противоиона [24,25]. Наиболее по размеру к полости данного криптанда подходит катион калия, который образует шесть координационных связей с донорными атомами азота и кислорода аминополиэфира (см.рис.5).



Рис.4 Межфазные катализаторы


Рис.5 [К+/K 2.2.2]18F-
После удаления следов воды комплекс криптата калия с [18F]фторид-ионом, лишенным сольватной оболочки, становится чрезвычайно реакционноспособным агентом. В 1986 г. впервые было предложено использовать криптофикс 2.2.2. для получения фторирующего агента [K+/K2.2.2]18F- в синтезе 2-[18F]фтор-2-дезокси-D-глюкозы, известного радиотрейсера метаболизма глюкозы [26]. С тех пор К 2.2.2 стал широко применяться для получения фторированных радиофармпрепаратов, принадлежащих к различным классам химических соединений.

Криптанд K 2.2.2.BB (5,6,14,15-дибензо-4,7,13,16,21,24-гексаокса-1,10-диазабицикло [8.8.8]гексакозан), отличается от K 2.2.2 наличием двух бензольных колец (см.рис.6).



Рис.6 [К+/K 2.2.2BB]18F-
Эффективность радиофторирования при использовании этого лиганда не уступает таковой в случае применения K 2.2.2, как было показано в работе [27]. При этом он менее токсичен, имеет более низкий предел детектирования хроматографическими методами, легко удаляется из препарата экстракцией на одноразовых картриджах. На примере синтеза [18F]ФДГ было показано, что в качестве МФК K 2.2.2.BB может конкурировать с K 2.2.2. В реакциях ароматического радиофторирования он до сих пор не использовался.

---

.4.3 Реакционноспособный фторирующий комплекс [К+/МФК]18F-

Для перевода [18F]фторид-иона в реакционноспособную форму необходимо удалить воду и солюбилизировать комплекс в подходящем органическом растворителе. Это обычно достигается за счет адсорбции радионуклида на анионообменной смоле с последующим элюированием 18F- небольшим объемом смеси ацетонитрил/вода, содержащей межфазный катализатор и слабо нуклеофильное основание (чаще всего карбонат, бикарбонат или оксалат калия). Далее при повышенной температуре и добавлении ацетонитрила (однократном или двукратном) происходит процедура азеотропной осушки комплекса МФК и 18F- под потоком инертного газа [10]. В качестве анионообменника широко используется смола на основе диоксида кремния, модифицированного четвертичными аммониевыми группами, смола упакована в одноразовый картридж QMA Sep Pak Light (Waters), имеющий луэровские коннекторы, позволяющие легко встраивать картридж в любую автоматизированную систему синтеза (см.рис.7).


Рис.7 Анионообменный картридж QMA Sep Pak Light (Waters)
Использование анионообменных смол также позволяет очистить радионуклид от возможных мишенных примесей, которые могут уменьшить реакционную способность 18F-фторид иона или выступить в качестве конкурирующих нуклеофилов.

Определение эффективности процедуры осушки комплекса МФК и 18F- представляется возможным только по оценке окончательного выхода продукта. Предполагается, что некоторое количество воды всегда присутствует в комплексе [К+/МФК]18F-, поэтому образование так называемого "голого" ("naked") [18F]фторид-иона (то есть полностью лишенного сольватной оболочки) не достигается. Но это не является критичным, так как и в этих условиях 18F- является достаточно сильным нуклеофилом для дальнейшего участия в реакции с субстратом. Стоит отметить, что наличие некоторого количества воды в реакционной смеси предотвращает адсорбцию радионуклида 18F на стенках реакционного сосуда [12].

Важную роль при подборе оптимального состава раствора для элюирования радионуклида с анионообменного картриджа играет мольное отношение межфазного катализатора к основанию. В работе [28] при оптимизации синтеза 2-[18F]фтор-2-дезокси-D-глюкозы при использовании в качестве МФК криптанда K 2.2.2, а в качестве основания - карбоната калия, было показано, что для эффективного протекания реакции нуклеофильного радиофторирования оптимальным является соотношение криптофикса к карбонату 2:1 (см.рис.8).

---