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正电子发射计算机断层扫描(PET)是一种广泛用于医学诊断和药物开发的成像技术。顾名思义,PET需要使用到发射正电子的探针分子,通常需要氟或碳放射性同位素进行标记。氟-18(18F)是一种重要的放射性同位素,其半衰期长(t1/2 = 110 min),衰变释放正电子效率高(97%),常被用于PET探针中,比如医学上常用的2-[18F]氟代脱氧葡糖糖([18F]FDG),这种PET探针广泛应用于肿瘤诊断、神经影像学、葡糖糖代谢研究等等。基本原理可以简单的描述为:将放射性同位素氟-18探针分子(如[18F]FDG)注入人体参与人体的代谢过程.氟-18在人体内衰变放出正电子,与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子,被PET探测器探测到,再经计算机处理后产生清晰的图象。许多小分子药物含有芳环或杂环,通过将放射性同位素引入这些常见有机芳杂环,可以得到放射性探针用于PET成像。不过,由于缺乏简单有效的芳基C-H键的18F氟化方法, PET放射性探针的开发收到了不小的限制。
目前,直接芳基C-H键18F氟化通常采用亲电氟试剂,最简单的亲电氟试剂是[18F]F2,但这种气态试剂对很多官能团不兼容,作为产物后摩尔活度(单位质量物质中所含某种核素的放射性活度)很低。其他的亲电氟源如[18F]NFSI和[18F]Selectfluor,除了价格昂贵外,由于其通过[18F]F2制备,导致摩尔活度更低。然而,另一种方案——亲核氟化,虽然可以利用高摩尔活度的氟化物([18F]F-),但却要求底物芳环为多取代且需进行吸电子基团的预官能团化。因此需要发展更先进的放射性氟化方法来拓展底物范围。其他方法,如苯酚的脱氧氟化、锍鎓盐的氟代以及金属参与的氟化反应,对放射化学家来说也存在技术上的困难,而且金属(尤其是化学计量的金属)残留对质量控制也提出较大挑战。
之前的18F标记研究。图片来源:Science
近年来,北卡罗来纳大学教堂山分校(UNC)的David Nicewicz教授课题组已经证明了有机单电子光氧化剂可以催化产生活性物种——芳基阳离子自由基,并可应用在C-H键官能团化中。在这个背景下,Nicewicz教授课题组和该校生物医学研究影像中心的李子博(Zibo Li)教授课题组合作,利用易得的[18F]氟化物盐作为氟源,在蓝光照射下通过有机光氧化还原催化对芳基C-H键进行18F氟化。基于这种便捷、温和的策略,他们合成了多种18F标记的包括药物分子在内的芳烃和芳香杂环化合物,并在小鼠中进行了PET成像验证。相关结果发表在Science 上,共同第一作者为Wei Chen博士、Zeng Huang和Nicholas Tay。
基于有机光氧化还原催化的芳基C-H键18F氟化。图片来源:Science
首先,研究人员利用易得的[19F]氟化物盐(如氟化钾、氟化铯)作为氟源进行反应条件优化,发现在光氧化剂1、氟化铯(CsF)、四丁基铵(TBA)硫酸氢盐、TEMPO体系下在氧气气氛下室温反应24小时,最高以17%的收率得到二苯醚的单氟化产物(para : ortho = 13 : 1)。他们分析,产率较低的原因可能是氟试剂与Brønsted碱在质子性溶剂形成较强的氢键后相对钝化。尽管产率较低,不过这种氟化方法已经非常方便廉价了,因此研究人员决定将此方法应用到放射性氟化中。
反应条件优化。图片来源:Science
在新反应体系下作者改用[18F]F-为缺量试剂。正如前文已经提到,18F的半衰期为110分钟,这就与上述最优反应条件所需的24小时产生矛盾。这里涉及两方面问题:一是[18F]F-如何即时获取、二是如何缩短反应。针对[18F]F-的即时获取,研究人员通过质子轰击含[18O]的水,然后用TBA碳酸氢盐或碳酸钾与氨基聚醚Kryptofix 2.2.2的配合物去捕获[18F],可得到高摩尔活度的[18F]TBAF或[18F]KF-K222。对于反应时间的问题,研究人员发现最初用455 nm的LED照射放射化学产率(RCY)仅0.57%,而改用450 nm的3.5-W激光自上而下照射30分钟RCY可达25.8%(用催化剂S1,对位氟化产物),进一步系统考察条件可提高至37.1%,同时观测到[18F]TBAF的摩尔活度下降。他们认为催化剂S1上抗衡离子BF4-可能会与[18F]TBAF发生氟交换,将抗衡离子换成ClO4-(1)后RCY提高到38.2%(对位氟化产物)。
在上述优化的条件下,研究人员对多种底物进行了测试。对于苯甲醚类底物,氟化位点基本都发生在甲氧基对位,只有当该位置被占据时氟化才发生在邻位,而甲氧基邻位含吸电子基(如8-12)则氟化只能观察到甲氧基对位的氟化产物。研究人员还测试了杂环化合物(26-31),如吡啶、喹啉、喹唑啉酮、吲唑、苯并噁唑及苯并咪唑类化合物,氟化均能顺利进行,且主要发生在最具亲电性的位置。另外,研究人员对几种非甾体抗炎药(如非诺洛芬甲酯32、氟比洛芬甲酯33)和降脂药(如安妥明34、非诺贝特35)以及神经递质前体DL-DOPA(36)进行[18F]标记。其他芳香族氨基酸,如带保护基的O-甲基-邻酪氨酸(38)和4-苯基-苯丙氨酸(40),也成功地进行了放射性氟化,得到[18F]标记的氨基酸(39和41)。
底物拓展。图片来源:Science
至此,研究人员已经可以对药物或生物活性分子进行同位素标记,为体外诊断和药物研发提供更好的帮助。研究人员的一个主要目的就是开发具有临床应用价值的PET探针,他们将这种策略所得的[18F]标记的非诺洛芬甲酯(32)轻松地转化成了[18F]-非诺洛芬(42),并用于TPA诱导的小鼠耳朵炎症模型上。他们发现[18F]-非诺洛芬主要在炎症组织中分布和积累,表明这种方法所得[18F]标记分子探针可以用于药物的组织分布研究。另一个有潜力的应用就是在药物研发中的快速放射配体筛选(rapid radioligand screening),研究人员通过在小鼠MCF7和U87MG两种肿瘤模型中加入[18F]标记的氨基酸(39和41),PET成像研究发现39主要在肿瘤组织中积累,而41则主要在循环系统中积累,这就显示39可以作为肿瘤筛查的放射性探针。
[18F]标记的化合物作为PET探针的应用。图片来源:Science
总结
[18F]标记是一种对生物体进行非侵入性研究的重要工具。David Nicewicz教授和李子博教授合作团队基于光氧化还原催化利用简单易得的[18F]-TBAF作为氟源开发的这种便捷的芳烃氟-18标记的方法,具有广泛的底物适用性,无需使用金属催化剂,在开发PET探针用于医学诊断、药物发现以及体内代谢过程研究中具有广阔的应用前景。
研究人员表示,下一步工作是开发一种设备,使科学家能够更容易地使用这种新方法来制备放射性探针。此外,他们正在努力扩展其技术,以开发使用不同放射性物质(如碳-11)的其他探针分子。“这一发现为从现有药物中生成新的PET药物打开了一扇新窗口,”李子博教授说,“许多非常复杂或几乎不可能被标记的药物可能会使用这种方法。”[1]
原文
Direct arene C–H fluorination with 18F- via organic photoredox catalysis
Wei Chen, Zeng Huang, Nicholas E. S. Tay, Benjamin Giglio, Mengzhe Wang, Hui Wang, Zhanhong Wu, David A. Nicewicz, Zibo Li
Science, 2019, 364, 1170-1174, DOI: 10.1126/science.aav7019
导师介绍
David Nicewicz
https://www.x-mol.com/university/faculty/47859
参考资料:
1. Carolina scientists discover new method for developing tracers used for medical imaging
https://www.unc.edu/posts/2019/06/20/carolina-scientists-discover-new-method-for-developing-tracers-used-for-medical-imaging/
供稿:峰千朵
审校:龙须友