基于微反应器的铜介导6-[18F]氟-L-多巴（[18F]FDOPA）高效放射性合成

《Pharmaceutics》：Efficient Copper-Mediated Radiosynthesis of 6-[18F]Fluoro-L-DOPA ([18F]FDOPA) in a Microreactor

　　

目的： 诊断用放射性药物6-[18F]氟-L-多巴（[18F]FDOPA）是一种多功能正电子发射断层扫描（PET）示踪剂，用于帕金森病、脑肿瘤和神经内分泌疾病中多巴胺能功能障碍的成像。尽管其临床应用广泛，[18F]FDOPA的生产仍具挑战性。其富电子芳香结构传统上需要采用亲电[18F]F2标记策略，导致摩尔活度低，并可能增加药理学效应风险。利用亲核[18F]氟化物对有机硼前体进行铜介导放射性氟化提供了一种有前景的替代方案，但仍受限于较长的制备时间和较高的前体消耗。研究人员开发了一种基于芯片式微反应器的微尺度铜介导[18F]FDOPA放射性合成方法。方法： 通过高通量微尺度实验，系统评估了一组全面的反应参数，包括相转移催化剂和碱的类型与用量、溶剂和添加剂组成、前体和铜试剂用量、脱保护剂浓度以及反应温度和反应时间。优化后的方案在10 μL反应体积中进行，随后通过分析型放射性高效液相色谱（HPLC）进行脱保护和纯化。结果： 以0.03–1.54 GBq的[18F]氟化物为起始原料，优化方案在25 min的人工操作合成中（n = 16）获得0.02–0.83 GBq的[18F]FDOPA，对应放射性化学产率（RCY）为65 ± 2%，活度产率为56 ± 2%。相比之下，文献报道的传统合成方法制备时间延长4倍以上，从35–63 GBq起始活度中获得2.44 ± 0.70 GBq产物，RCY为10 ± 2%，活度产率为5 ± 1%。微尺度合成的摩尔活度较高（76–621 GBq μmol?1），产物表现出优异的放射性化学纯度（>99%）和对映体纯度（100%）。结论： 该微尺度方法能够以与临床前应用相关的量快速、高产率且资源高效地生产[18F]FDOPA，并支持向未来临床转化方向的进一步发展。

论文解读文章

一、研究背景与意义

6-[¹⁸F]氟-L-多巴（[¹⁸F]FDOPA）是一种重要的正电子发射断层扫描（PET）诊断示踪剂，广泛应用于帕金森病、脑肿瘤、婴儿局灶性先天性高胰岛素血症（CHI）、甲状腺髓样癌（MTC）等多种神经内分泌相关疾病的成像诊断，通过监测多巴胺能功能障碍或异常氨基酸转运实现疾病评估。然而，[¹⁸F]FDOPA的生产长期面临重大挑战。由于其芳香核心上存在强给电子的羟基和氨基酸基团，传统标记路径依赖亲电策略，使用[¹⁸F]F₂或[¹⁸F]乙酰次氟酸进行标记。但[¹⁸F]F₂的生产需引入非放射性[¹⁹F]氟化物，导致所得[¹⁸F]FDOPA摩尔活度极为有限，增加了药理学效应风险。此外，基于[¹⁸F]F₂的生产因涉及气体型放射源的操作难度，在许多放射性化学实验室中并不普及。

为克服上述问题，研究人员转向采用亲核氟化策略，使用[¹⁸F]氟化物。过去十年中，放射化学家开发了多种新型亲核前体，其中铜介导的有机硼前体氟化因其相对简单的合成过程和高放射性化学产率（RCY）而备受关注。Zischler等人在醇溶剂存在下实现了高达40%的RCY，但该过程消耗大量有机硼前体和铜试剂，需采用制备型HPLC系统进行复杂纯化，分离时间长。Mossine等人通过使用无水N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂体系，以较低试剂用量成功获得[¹⁸F]FDOPA，但试剂成本仍较高，产率相对较低（活度产率5–6%），且面临传统自动化合成仪的共性问题，包括制备时间长（110 min）、设备庞大昂贵、需专门基础设施（热室）等，建立新生产设施需重大投资。

为克服现有局限，研究人员首次在微滴反应器系统上开发了[¹⁸F]FDOPA的微尺度金属催化合成方法。微滴反应器已在多种放射性示踪剂的制备中得到探索，具有试剂用量和成本最小化、条件可重复、加热和蒸发速度快、摩尔活度高等优势。在某些情况下，前体消耗相比传统宏观方法可减少多达100倍，同时保持相当或更高的RCY。此外，试剂用量的大幅减少可最小化副产物和杂质的形成，便于使用分析型放射性HPLC（而非半制备或制备型）进行纯化，从而缩短纯化和最终产品配制步骤。

二、主要关键技术方法

研究人员采用基于芯片的微滴反应器系统开展研究。该系统包含2×2阵列的圆形亲水（硅）反应位点（直径4 mm），周围由疏水（Teflon AF）涂层包围，芯片置于温控平台上操作。研究使用来自UCLA回旋加速器中心的[¹⁸F]氟化物/[¹⁸O]H₂O，未经进一步纯化直接用于微滴合成。反应过程中，[¹⁸F]氟化物与相转移催化剂（PTC）和碱在反应位点上干燥，随后加入前体和铜试剂进行氟化反应，再经脱保护和HPLC纯化。产物分析采用多通道放射性薄层色谱（radio-TLC）和放射性高效液相色谱（radio-HPLC）方法，包括正相（NP）分析柱和反相（RP）分析柱，以及手性柱进行对映体纯度验证。摩尔活度通过HPLC紫外检测校准曲线计算确定。

三、研究结果

3.1 氟化条件优化

初步条件筛选： 研究人员首先将Zischler等人的条件缩小120倍至10 μL反应体积，但未检测到期望的氟化中间产物。随后将Mossine等人的条件微尺度化，使用TBAOTf作为PTC、K₂CO₃作为碱，在DMF/Py（96:4）溶剂中获得29 ± 2%的氟化转化率和16 ± 1%的粗氟化产率。空白实验表明铜试剂可能促进[¹⁸F]HF的形成，增加挥发性活度损失。去除碱虽对转化率影响不大，但显著增加挥发性损失，表明碱在稳定[¹⁸F]F^?过程中发挥重要作用。溶剂筛选表明DMF/Py（96:4）效果最佳，PTC类型影响显著，TEAOTf优于TBAOTf，Cs₂CO₃为优选碱。吡啶（Py）作为添加剂至关重要，去除或替换为DMAP使粗氟化产率降低约6倍。

PTC用量优化： 在75–900 nmol范围内粗氟化产率保持相对恒定（39–49%），1050 nmol时显著下降。300 nmol提供最高粗氟化产率（49 ± 2%），被选为后续研究条件。

铜试剂用量优化： 增加Cu(OTf)₂(Py)₄载量同时改善氟化转化率和收集效率，680 nmol时获得最高粗氟化产率（46 ± 3%）。

氟化温度优化： 氟化转化率随温度升高至115 °C而增加，但收集效率因挥发性活度损失增加而逐渐下降。110 °C时获得最高粗氟化产率（44 ± 4%）。120 °C时产率急剧下降，可能因前体降解所致。

氟化时间优化： 转化率随时间增加而提高，收集效率逐渐下降。5 min提供最高粗氟化产率（44 ± 4%）。

前体用量优化： 转化率随前体载量增加而提高，450 nmol以上趋于平台期。450 nmol时获得最高粗氟化产率（60 ± 3%）。

最终优化的氟化方案为：TEAOTf（300 nmol）和Cs₂CO₃（10 nmol）在105 °C干燥1 min，无需共沸干燥；氟化在10 μL DMF/Py（96:4）中110 °C反应5 min，使用450 nmol前体和680 nmol Cu(OTf)₂(Py)₄。

3.2 脱保护条件优化

脱保护时间影响： 使用0.25 M抗坏血酸和12 M HCl混合物（1:3）在100 °C进行脱保护，时间对脱保护产率影响较小，2 min时产率达97–98%。

脱保护剂浓度影响： 脱保护产率随HCl浓度增加而显著提高，12 M HCl时达到峰值98 ± 1%，被选为最终方案条件。

3.3 整体微尺度生产流程开发

纯化和配制条件优化： 研究人员将Mossine等人的正相（NP）HPLC纯化方法适配至分析型Luna NH₂柱，获得优异分离效果和>99%的纯度。但NP-HPLC所需流动相极性较低且含毒性溶剂，需额外配制步骤。随后探索了反相（RP）分析柱（Synergi? Hydro-RP），评估了多种流动相条件。最终确定10 mM磷酸盐缓冲液（PBS）含1% EtOH并添加0.04% AcOH（pH = 4）的流动相，流速1.1 mL/min，实现了[¹⁸F]FDOPA与放射性杂质的完全分离（保留时间差1.2 min），且无需额外配制步骤。

集成微尺度生产流程： 将优化方案与可直接注射的radio-HPLC纯化方法整合。使用DMF/Py溶剂时，分离RCY为30 ± 4%，总制备时间约23 min，活度产率26 ± 3%，摩尔活度53–105 GBq μmol^?1。改用DMI/Py溶剂后，因DMI沸点更高（224–226 °C），氟化步骤无需溶剂补充，简化了流程。DMI/Py的氟化转化率（89 ± 1%）与DMF/Py（87 ± 3%）相当，但收集效率从44 ± 6%大幅提升至80 ± 3%，分离RCY提高至65 ± 2%，活度产率从26 ± 3%增至55 ± 2%，同时保持RCP > 99%和对映体纯度100%。

增加起始活度的[¹⁸F]FDOPA生产： 通过重复手动加载和干燥[¹⁸F]氟化物等分试样，将起始活度从191 MBq增加至最高1540 MBq。收集效率在所有活度水平保持一致的78 ± 2%，分离RCY维持65 ± 2%。总制备时间从约23 min略微延长至约25 min，活度产率保持56 ± 2%，提供105–828 MBq的配制[¹⁸F]FDOPA，摩尔活度150–621 GBq μmol^?1。该活度范围上限超过文献报道的每患者临床注射剂量（113–185 MBq），表明该微尺度方法未来经自动化和验证后可能具备小规模临床研究的生产能力。

四、讨论与结论

讨论部分将微尺度合成性能与已报道的宏观方法进行了系统比较。相比Mossine等人的传统合成，微尺度合成的前体和铜试剂绝对消耗量分别减少约9倍和29倍，反应时间缩短4–5倍（氟化5 min、脱保护2 min），HPLC纯化仅需约13 min（对比半制备柱约25 min）。优化的HPLC方法采用可注射流动相，消除了纯化后去除有机溶剂的额外配制步骤，进一步缩短制备流程。整体而言，微尺度工作流程实现RCY 65 ± 2%和活度产率56 ± 2%，而Mossine等人报道的传统合成RCY仅10 ± 2%、活度产率5 ± 1%。微尺度合成以1.54 GBq起始活度获得0.83 GBq产物，而传统方法需35–63 GBq起始活度才获得2.44 ± 0.70 GBq产物，表明微尺度方法在放射性同位素利用效率上具有显著优势。与Orlovskaya等人的研究相比，微尺度方法实现略高的氟化转化率（89 ± 1% vs. 82 ± 5%），氟化反应时间缩短4倍，RCY更高（65 ± 2% vs. 22.6 ± 0.8%），活度产率约高4倍。

研究结论指出，该工作采用基于液滴的高通量微尺度平台，系统优化了临床确立的PET示踪剂[¹⁸F]FDOPA的铜介导放射性合成。手动优化方案在25 min内实现56 ± 2%的高活度产率（n = 16），具有优异的放射性化学纯度（>99%）、对映体纯度（100%）和高摩尔活度（76–621 GBq μmol^?1）。微尺度方法在递增起始活度下成功验证，可生产与临床前研究相关的活度水平，支持向临床转化的进一步努力。未来工作将聚焦自动化、规模化放大、全面产品质量评估以及cGMP合规条件下的工艺验证，以确立这些微尺度方法用于常规临床生产的可行性。这些结果共同证明了微尺度放射性合成在快速、高产率、资源高效生产[¹⁸F]FDOPA方面的潜力。