新型放射性標(biāo)記技術(shù)突破PET成像瓶頸：通用三氟甲基化方法助力精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)

正電子發(fā)射斷層掃描（PET）成像已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷與研究不可或缺的工具，但其發(fā)展長期以來受限于放射性標(biāo)記方法的匱乏。尤其是在生物活性分子中日益常見的三氟甲基（CF?）基團(tuán)，如何在非活化的碳（sp3）位點(diǎn)高效引入碳-11（11C）或氟-18（1?F）放射性標(biāo)簽，一直是制約新型PET示蹤劑開發(fā)的重大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有方法往往存在適用范圍窄、前體合成困難、放射化學(xué)產(chǎn)率低或摩爾活度不足等問題，導(dǎo)致許多極具潛力的藥物分子難以轉(zhuǎn)化為實(shí)用的成像探針。

近日，辛辛那提大學(xué)劉巍副教授和美國國立衛(wèi)生研究院Victor W. Pike合作提出了一種通用的解決方案：通過銅介導(dǎo)的放射化學(xué)策略，成功實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的晚期階段，將11C或1?F標(biāo)記的三氟甲基高效引入烷基親電體。該方法利用兩種關(guān)鍵途徑：一是通過芳基自由基促進(jìn)的鹵素原子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)烷基碘化物的三氟甲基化；二是借助光氧化還原催化實(shí)現(xiàn)烷基羧酸的脫羧三氟甲基化。利用易于標(biāo)記的氟仿（CHF?）作為CF?源，研究團(tuán)隊(duì)成功對超過50種復(fù)雜分子及藥物化合物進(jìn)行了1?F或11C標(biāo)記，并合成了兩種長期難以制備的重要放射性配體——[1?F]SL25.1188和[1?F]PS13，為相關(guān)疾病的PET成像提供了半衰期更優(yōu)的1?F替代物。相關(guān)論文以“Trifluoromethylation of alkyl electrophiles with 11C- or 18F-labeled fluoroform for PET applications”為題，發(fā)表在

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研究首先從開發(fā)烷基碘化物的常規(guī)三氟甲基化反應(yīng)入手（圖1）。研究者利用鋅基CF?試劑和位阻芳基重氮鹽，在銅催化下實(shí)現(xiàn)了溫和、快速的轉(zhuǎn)化，反應(yīng)可在20分鐘內(nèi)完成，為適應(yīng)11C短暫的半衰期（20.4分鐘）奠定了基礎(chǔ)。更重要的是，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，使用11C或1?F標(biāo)記的氟仿作為CF?源，通過生成的[11C]CuCF?或[1?F]CuCF?中間體，同樣能高效實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化（對應(yīng)圖2）。其機(jī)理涉及重氮鹽從Cu-CF?物種奪取單電子生成芳基自由基，后者快速攫取烷基碘的碘原子產(chǎn)生烷基自由基，最終與[Cu(II)-CF?]中間體結(jié)合生成三氟甲基化產(chǎn)物。

圖1. 開發(fā)烷基親電體11C-和1?F-三氟甲基化通用方法。 (A) PET示蹤劑開發(fā)受限于有限的標(biāo)記方法。(B) 脂肪族放射性三氟甲基化策略的缺乏影響了PET成像的發(fā)展。(C) 提出的過渡金屬介導(dǎo)烷基親電體11C-和1?F-三氟甲基化通用方法。(D) 一種普遍適用的銅介導(dǎo)1?F-和11C-三氟甲基化烷基碘化物和烷基羧酸的方法，用于高效合成PET示蹤劑。Ar，芳基；Et，乙基；Me，甲基；R，取代基。

在成功建立常規(guī)方法后，研究團(tuán)隊(duì)將其成功應(yīng)用于11C-三氟甲基化（圖2D）。使用由回旋加速器生產(chǎn)的[11C]氟仿，在溫和條件下與多種烷基碘化物反應(yīng)，成功標(biāo)記了包括次級、一級烷基碘在內(nèi)的多種底物，且對羥基、胺基、氯原子、內(nèi)酯、雜環(huán)（如噁唑、吲哚、吡啶、四唑）等敏感官能團(tuán)展現(xiàn)出了良好的兼容性。例如，達(dá)格列凈分子中多個(gè)未保護(hù)的羥基也未對標(biāo)記造成干擾，這突顯了該方法條件溫和、適用性廣的優(yōu)勢。

圖2. 烷基碘化物的11C-三氟甲基化。 (A) 催化性烷基碘化物三氟甲基化反應(yīng)的發(fā)展（更多底物參見附圖S171）。報(bào)告為分離產(chǎn)率。(B) 使用氟仿衍生的CuCF?進(jìn)行的化學(xué)計(jì)量實(shí)驗(yàn)。產(chǎn)率通過1?F核磁共振測定。(C) 三氟甲基化反應(yīng)的擬議機(jī)理。(D) 烷基碘化物11C-三氟甲基化范圍。放射化學(xué)產(chǎn)率基于從分析型HPLC收集相應(yīng)產(chǎn)物的放射性色譜峰面積，并報(bào)告為從[11C]氟仿生產(chǎn)結(jié)束時(shí)起始活度計(jì)算的衰變校正后分離產(chǎn)率。DMSO，二甲基亞砜；Ph，苯基。

隨后，該策略被拓展至1?F-三氟甲基化（圖3）。使用[1?F]氟仿作為來源，在與11C標(biāo)記近乎相同的條件下，一系列烷基碘化物被高效標(biāo)記，產(chǎn)率相當(dāng)。該方法成功應(yīng)用于合成多種已上市藥物或候選藥物的1?F-CF?類似物，包括大麻素受體激動劑STS-135與O-1269的類似物、腫瘤顯像劑FET的CF?類似物[1?F]26、拜耳公司的候選藥物BAY 59-3074以及NKCC1抑制劑IAMA-6。尤為突出的是，該方法成功攻克了長期以來的合成難題，高效制備了單胺氧化酶B（MAO-B）的高性能放射性配體[1?F]SL25.1188，其11C類似物雖成像性能優(yōu)異，但1?F標(biāo)記一直未能實(shí)現(xiàn)。

圖3. 烷基碘化物1?F-三氟甲基化范圍。 (A) [1?F]-三氟甲基化烷基碘化物的開發(fā)。(B) 生物活性分子[1?F]CF?類似物的合成。(C) 含CF?藥物的放射性標(biāo)記。(D) MAO-B放射性配體的放射合成。放射化學(xué)產(chǎn)率基于從分析型HPLC收集相應(yīng)產(chǎn)物的放射性色譜峰面積，并報(bào)告為從[1?F]氟仿生產(chǎn)結(jié)束時(shí)起始活度計(jì)算的衰變校正后分離產(chǎn)率。n=2次重復(fù)報(bào)告單個(gè)結(jié)果，n≥3次重復(fù)報(bào)告平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。顯示了放射性核素生產(chǎn)結(jié)束時(shí)校正的摩爾活度。Boc，叔丁氧羰基。

為了擴(kuò)展底物范圍至不易獲得或穩(wěn)定性差的烷基碘化物，研究者進(jìn)一步開發(fā)了基于烷基羧酸的脫羧放射三氟甲基化策略（圖4）。在藍(lán)光照射和釕光催化劑存在下，由羧酸衍生的N-羥基鄰苯二甲酰亞胺（NHP）酯能與[11C]或[1?F]氟仿來源的Cu-CF?發(fā)生高效脫羧偶聯(lián)反應(yīng)。該光氧化還原催化過程可在短時(shí)間內(nèi)完成，適用于放射性標(biāo)記。研究展示了該法對一系列伯、仲、叔位羧酸衍生物的成功標(biāo)記，產(chǎn)率優(yōu)良，并與芳基自由基促進(jìn)的方法形成了有效互補(bǔ)。利用此方法，團(tuán)隊(duì)高效合成了環(huán)氧合酶-1（COX-1）靶向放射性配體[11C]PS13和[1?F]PS13，其中1?F標(biāo)記產(chǎn)率高達(dá)82%，解決了此前1?F標(biāo)記該分子產(chǎn)率低下的問題。

圖4. 烷基羧酸的脫羧11C-和1?F-三氟甲基化。 (A) 光氧化還原催化脫羧三氟甲基化反應(yīng)的發(fā)展。(B) 11C-和1?F-脫羧三氟甲基化范圍。(C) COX-1放射性配體[11C]PS13和[1?F]PS13的放射合成。放射化學(xué)產(chǎn)率基于從分析型HPLC收集相應(yīng)產(chǎn)物的放射性色譜峰面積，并報(bào)告為從[11C]氟仿或[1?F]氟仿生產(chǎn)結(jié)束時(shí)起始活度計(jì)算的衰變校正后分離產(chǎn)率。n=2次重復(fù)報(bào)告單個(gè)結(jié)果，n≥3次重復(fù)報(bào)告平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。放射性核素生產(chǎn)結(jié)束時(shí)校正的摩爾活度（Am）。Bz，苯甲酰基；E?/?，相對于飽和甘汞電極的還原電位；Phth，鄰苯二甲?；?；r.t.，室溫。

這項(xiàng)研究開發(fā)的兩種銅介導(dǎo)的放射三氟甲基化方法，憑借其廣泛的底物適用性、官能團(tuán)兼容性以及操作相對簡便的特點(diǎn)，為PET示蹤劑開發(fā)領(lǐng)域突破了一個(gè)長期存在的關(guān)鍵技術(shù)壁壘。它不僅實(shí)現(xiàn)了對大量復(fù)雜藥物分子的直接、晚期放射性標(biāo)記，更成功制備了多個(gè)以往難以獲得、具有重要臨床轉(zhuǎn)化潛力的1?F-CF?示蹤劑。這一進(jìn)展證實(shí)了將放射性標(biāo)記的CF?基團(tuán)通過烷基自由基中間體進(jìn)行傳遞的可行性，為未來開發(fā)更多前所未有的11C和1?F標(biāo)記化合物開辟了嶄新道路，有望極大地推動分子影像學(xué)在生物醫(yī)學(xué)研究和精準(zhǔn)醫(yī)療中的應(yīng)用。