放射性标记化合物制备与其应用

第8章放射性标记化合物的制备及其应用 自1912年G Hevesy和F Paneth将放射性核素作为示踪剂以来 示踪实验已成为目前科学研究的重要手段之一 该技术在生物学 医学和农业科学等领域中 已得到了广泛的应用 对带有示踪原子的标记化合物的需求量增大 标记化合物的制备就成为示踪实验能否进行的前题 四十年代后期 人工放射性核素大规模生产 快速制备方法与快速分离技术的发展 为半衰期短的如11C 13N 15O等作为标记物的使作提供了可能 标记化合物 是指化合物中某一个或多个原子或其化学基团被其易辨认的同位素或其它易辨认的核素或基团所取代而得到的产物 这种取代过程称为标记 放射性标记化合物 若取代的核素是放射性核素 则所得产物就称为放射性标记化合物 此标记过程称为放射性标记 8 1概述 1 标记化合物的命名无机化合物 通常只要在化合物名称的前面注明标记核素的符号即可 如 也可在分子式中直接注明标记核素 有机标记化合物 通常采用前置方括命名法 即在标记化合物名称中表示标记核素所处部位之前加一方括号 在其中标明核素标记的位置与数目 希腊字母或词头以及标记核素等标示性符号 对结构复杂的标记化合物 当一般命名还不足以说明问题或易被误解时 宜在命名的同时附以标明位置的结构式 2 标记化合物的分类按标记化合物的种类不同可分为 无机标记化合物 如 有机标记化合物 如 生物标记化合物 如 按标记核素的不同可分为 同位素标记物和非同位素标记物 金属标记物 如 和非金属标记物 如 还可按标记物状态的不同分为 液体标记物 胶体标记物 固体标记物 3 标记化合物的若干基本概念1 同位素标记与非同位素标记同位素标记 化合物中的原子被其同位素的原子所取代 由于取代后化合物在物理 化学和生物学性质上不会引起显著差异 因此亦称理想标记 131I 127I 3H 1H 14C 12C等 非同位素标记 非理想标记 用组成化合物以外的原子进行标记 非同位素标记的产物在性质上所引起的变化比同位素标记要大 因此又称非理想标记 131I 1H 甲胎球蛋白中的H 2 定位标记与名义定位标记定位标记 S 指标记原子处于标记化合物的指定位置 书写时 可省备S 5 T 尿嘧啶 95 以上的3H是在尿嘧啶分子的第5位碳原子的C H键上 名义定位标记 n 又称准定位标记 指在标记过程中 从标记方法预测标记原子应该在某特定位置上 而实际标记结果未作鉴定 或鉴定结果在特定位置上的标记原子数不能肯定大于95 6 7 n T 雌二醇 3 全标记与均匀标记它们均属于非定位标记 全标记 用G表示 如 G T 胆固醇 指标记分子中所有稳定位置上的氢原子都可能被标记原子所取代 但程度不同 均匀标记 用U表示 指标记原子从统计学看 均匀地分布在标记化合物的分子中 14CO2光合作用标记葡萄糖 U 14C 葡萄糖 非定位标记化合物只能用于研究整个分子的行为 不能用来观察分子上特定基因或原子的行为 但此可得到较高的比活度 且制备方法选择余地也较大 因此常被采用 4 双标记与多标记双标记 多标记 若化合物分子中的原子被两种或多种元素的同位素原子以及被同一种元素的两种或多种同位素原子所取代 称为双标记或多标记 如 利用双标记或多标记化合物可同时观察两个或多个指标 不仅可减少工作量 还可以排除和减少因个体差异所引的实验误差 这是单标记化合物难以达到的 但其制备较难 价格也贵 4 放射性核素的选择在制备放射性标记化合物时 首先必须选择放射性核素 其原则是 1 能否得到所需的标记化合物 2 用这种标记化合物能否得到预期的研究结果或诊断 治疗效果 3 核素的物理 化学性质和核性质以及生产方式 产品纯度是不合适 4 标记 测量 鉴定的方法是否容易 5 实验周期的长短 核素本身和杂质的毒性以及价格等要进行考虑 表几种重要的放射性标记核素 5 放射性标记化合物的特点与制备要求最大的特点是 放射性 不稳定性 自身衰变 自辐射分解 标记核素脱落 易位等 如用3H标记过的化合物较不稳定 要求 1 制备放射性标记化合物的原料来源不易 制备中应充分利用 未标记上的要回收 2 生产规模限制在微量水平 通常在10 6 10 3mol 在制备 分离 鉴定过程中要用到微量或超微量技术 操作中尽量减少放射性核素的稀释 避免引入不必要的载体 3 要求标记流程步骤少 时间短 尽可能在标记的最后阶段引入放射性核素 以减少其损失 副反应的发生以及防护上的困难 可做冷实验 4 放射性核素引入到化合物指定位置并进行纯化等 标记化合物的同位素效应与辐射自分解1 同位素效应不能忽视因同位素效应引起标记化合物与原化合物之间产生的性质上的差异 主要是3H和14C 其它核素的同位素效应并不显著 在共价键结构的有机化合物分子中 12C 12C的键能为82 6kcal mol 1 而14C 12C的键能要高6 10 3H O 3H N 3H C键要比1H O 1H N 1H C键稳定得多 2 辐射自分解分初级内分解 初级外分解和次级分解 分初级内分解 它是由标记化合中放射性核素衰变所造成的 核衰变结果产生含有子核的放射性或稳定杂质 初级外分解 它是由标记的放射性核素放出的射线与标记化合物分子作用 造成化学键的断裂 产生放射性或稳定杂质 次级分解 标记化合物周围的介质分子 由于吸收射线的能量而被激发或电离 进而生成一系列自由基 激化分子或离子 它们再与标记化合物作用 使分子断键而分解 次级分解常常是标记化合物辐射自分解的主要因素 用以下方法可减少标记化合物的分解1 降低标记化合物的比活度2 加入自由基的清除剂3 调节贮存温度降低温度 使分解产生的自由基与标记化合物作用的速度减慢 能使标记化合物的分解减少 8 2放射性标记化合物的制备方法 1 化学合成这是制备有机放射性标记化合物经典方法之一 主要有以下几种 1 逐步合成法 用最简单的含放射性核素的化合物按预定的合成路线一步一步合成复杂的有机化合物 优点 放射性核素的种类 标记位置 标记数量和比活度预先设计 反应易于控制 有较好的重现性 放射性核素的收率 产品的比活度 化学纯度和放射化学纯度均较高 是制备放射性标记化合物最常用的一种方法 缺点 步骤繁 流程长 副反应多 纯化困难等 该法应用最多的是14C标记的有机化合物 其主要原料是反应堆提供的Ba14CO3 1 2 根据需要 合成相应的物质 2 加成法 利用具有双键或三键的不饱和有机化合物作前体 将放射性核素或其简单化合物通过加成反应 结合到前体上 达到标记的目的 最常用的是氚标记 如 此法主要用于有机物的标记 3 取代法 置换法 有机化合物分子中的原子或原子团被放射性核素或其原子团所置换而达到标记目的的方法 此法常用于氚和放射性碘的标记 4 间接标记法 把放射性核素先标记在某种易与欲标记物反应的试剂 然后再与欲标记物偶联 借助于具有双功能基团的螯合剂进行标记 先把某种双功能螯合剂结合到欲标记分子上 再将放射性核素核素标记到此螯合剂上 由此形成稳定的放射性核素 螯合剂 欲标记化合物复合物 主要用于很难用于直接标记法得到产品或直接标记法能得到产品但损伤较大 对于许多金属放射性核素 要将它们标记到蛋白质上 特别是单克隆体 McAb 上去 都必须借助于具有双功能基团的螯合剂进行间接标记 2 生物合成法生物合成法是利用动物 植物 微生物的生理代谢过程或酶的生物活性 将简单的放射性物质在体内或体外引入化合物中而制得所需标记物 有两大类 全生物合成法和酶促合成法 全生物合成法是利用完整的生物或其某一个器官的生理代谢过程来进行标记的 常用的生物有 细菌 绿藻 酵母等低等生物 14C 标记物 海绿藻合成14C均匀标记的多种氨基酸 1 海绿藻避光24h 造成 光饥饿 2 通入14CO2 光照36h 使14CO2随光合作用掺藻体细胞内 3 从标记的海绿藻中提取蛋白质 4 将其水解 用离子交换或薄层色谱法分离水解产物 可得到14C标记的16种氨基酸 酶促合成法利用生物组织中某些特定的酶促进标记前体物质的合成反应 生成所需的标记产物 酶促合成法也可作是应用物殊催化剂的化学合成法 3 同位素交换法同位素交换法是利用同一元素的放射性同位素与稳定同位素在两种不同化学状态之间发生交换反应来制备标记化合物 AX BX AX BX目前同位素交换法是制备氚标记化合物的重要方法 它也可用于放射性碘 磷 硫的标记 有 气相曝射交换法 液相催化交换法 气相曝射交换法原理 将欲标记物置于高比活度的氚气中曝射 借助于氚衰变的辐射能量诱导氚 氢发生交换反应 从而得到氚标记物 此法反应速度慢 能产生各种副反应和辐射分解产物 改正 一是用高频放电 X射等能量来激活或电离氚和被标记物 二扩大氚与被标记物的接触面 三反应体系中加入催化剂等 4 金属络合法上述合成法多用于非金属放射性核素的标记 而用于医用的一些金属放射性核如 金属放射性核素直接形成络合物 络合物又称配位化合物 它是由一定数目的可以给出孤对电子或多个不定域电子的离子或分子与具有接受孤对电子或多个不定域电子的空位原子或离子按一定的组成和空间结构所形成的化合物 由两部分组成 即中心原子及配位体构成 Cu NH3 4 SO4Cu 中心原子 NH3 配位体 N 配位原子 4 配位数 螯合物具有环状结构的络合物为螯合物 把能形成螯合物的配位体称为螯合剂 螯合剂分子或离子具有两个或两个以上的配位原子同量与一个中心离子或原子配位 形成一个或多个包含中心离子或原子在内的环状结构 如铜离子与两个乙二胺分子配位时可形成螯合离子 5 其它标记方法热原子反冲标记法 利用核反应过程中产生的放射性原子核的强大反冲能量使其从原来的化合物中挣脱出来 结合到被标记的化合物上去 14N n p 14C的14C与被标记物反应等 加速离子标记法 利用放射性核素或其它化合物经电离后形成离子 在电场中加速到一定能量 轰击欲标记物质 从而制得标记化合物 辐射合成法 利用有机化合物辐射分解产生的各种自由基相互作用而得到一系列标记化合物 6 放射性标记化合物的纯化与质量鉴定1 必要性 副反应产生副产物 未标记的放射性核素 欲标记物母体化合物 其它杂质 标记物的自行脱落等 要去除这些杂质 必须进行纯化 2 纯化方法 常量物质的分离方法进行纯化 萃取法 沉淀法 蒸馏法等 微量纯化色谱法 电泳法进行 3 质量鉴定有物理鉴定 化学鉴定和生物鉴定 8 3单克隆抗体的标记用放射性核素标记的单克隆抗体 McAb monoclonalantibody 由于具有特异的免疫反应 因此可定位到某种肿瘤上 1975年克勒等人发展了杂交瘤技术 从此可以大量制备 McAb 111In和99Tcm等金属放射性核素的应用 其性能优良于131I 使单克隆抗体技术得到了发展 同时促进了放射性免疫显像 RII radioimmunoimaging 和放射性免疫治疗 RIT radioimmunotherapy 的进步 1 放射性核素标记单克隆抗体的技术单克隆抗体目前用得最多的放射性核素是111In 99Tcm 131I 其次是67Ga 68Ga 90Y 186Re 32P 77Br等 标记的方法有直接 间接标记法 1 直接标记法它是通过放射性核素与蛋白质上的碳原子形成共价键来实现的 但在许多情况下 放射性核素是金属 只有当这些金属类核素对蛋白质具有很强的亲和性或能与蛋白质稳定结合时 才能进行直接