南京中醫藥大學校友一作，最新Science：新型放射性標記技術，突破PET成像瓶頸！

新型放射性標記技術突破PET成像瓶頸：通用三氟甲基化方法助力精準醫學

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

近日，辛辛那提大學劉巍副教授和美國國立衛生研究院Victor W. Pike合作提出了一種通用的解決方案：通過銅介導的放射化學策略，成功實現了在復雜分子結構的晚期階段，將11C或1?F標記的三氟甲基高效引入烷基親電體。該方法利用兩種關鍵途徑：一是通過芳基自由基促進的鹵素原子轉移實現烷基碘化物的三氟甲基化；二是借助光氧化還原催化實現烷基羧酸的脫羧三氟甲基化。利用易于標記的氟仿（CHF?）作為CF?源，研究團隊成功對超過50種復雜分子及藥物化合物進行了1?F或11C標記，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，為相關疾病的PET成像提供了半衰期更優的1?F替代物。相關論文以“Trifluoromethylation of alkyl electrophiles with 11C- or 18F-labeled fluoroform for PET applications”為題，發表在

Science

研究首先從開發烷基碘化物的常規三氟甲基化反應入手（圖1）。研究者利用鋅基CF?試劑和位阻芳基重氮鹽，在銅催化下實現了溫和、快速的轉化，反應可在20分鐘內完成，為適應11C短暫的半衰期（20.4分鐘）奠定了基礎。更重要的是，實驗證實，使用11C或1?F標記的氟仿作為CF?源，通過生成的[11C]CuCF?或[1?F]CuCF?中間體，同樣能高效實現這一轉化（對應圖2）。其機理涉及重氮鹽從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生烷基自由基，最終與[Cu(II)-CF?]中間體結合生成三氟甲基化產物。

圖1. 開發烷基親電體11C-和1?F-三氟甲基化通用方法。 (A) PET示蹤劑開發受限于有限的標記方法。(B) 脂肪族放射性三氟甲基化策略的缺乏影響了PET成像的發展。(C) 提出的過渡金屬介導烷基親電體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。

在成功建立常規方法后，研究團隊將其成功應用于11C-三氟甲基化（圖2D）。使用由回旋加速器生產的[11C]氟仿，在溫和條件下與多種烷基碘化物反應，成功標記了包括次級、一級烷基碘在內的多種底物，且對羥基、胺基、氯原子、內酯、雜環（如噁唑、吲哚、吡啶、四唑）等敏感官能團展現出了良好的兼容性。例如，達格列凈分子中多個未保護的羥基也未對標記造成干擾，這突顯了該方法條件溫和、適用性廣的優勢。

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的發展（更多底物參見附圖S171）。報告為分離產率。(B) 使用氟仿衍生的CuCF?進行的化學計量實驗。產率通過1?F核磁共振測定。(C) 三氟甲基化反應的擬議機理。(D) 烷基碘化物11C-三氟甲基化范圍。放射化學產率基于從分析型HPLC收集相應產物的放射性色譜峰面積，并報告為從[11C]氟仿生產結束時起始活度計算的衰變校正后分離產率。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標記近乎相同的條件下，一系列烷基碘化物被高效標記，產率相當。該方法成功應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異，但1?F標記一直未能實現。

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。(B) 生物活性分子[1?F]CF?類似物的合成。(C) 含CF?藥物的放射性標記。(D) MAO-B放射性配體的放射合成。放射化學產率基于從分析型HPLC收集相應產物的放射性色譜峰面積，并報告為從[1?F]氟仿生產結束時起始活度計算的衰變校正后分離產率。n=2次重復報告單個結果，n≥3次重復報告平均值±標準差。顯示了放射性核素生產結束時校正的摩爾活度。Boc，叔丁氧羰基。

為了擴展底物范圍至不易獲得或穩定性差的烷基碘化物，研究者進一步開發了基于烷基羧酸的脫羧放射三氟甲基化策略（圖4）。在藍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?發生高效脫羧偶聯反應。該光氧化還原催化過程可在短時間內完成，適用于放射性標記。研究展示了該法對一系列伯、仲、叔位羧酸衍生物的成功標記，產率優良，并與芳基自由基促進的方法形成了有效互補。利用此方法，團隊高效合成了環氧合酶-1（COX-1）靶向放射性配體[11C]PS13和[1?F]PS13，其中1?F標記產率高達82%，解決了此前1?F標記該分子產率低下的問題。

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的發展。(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。放射化學產率基于從分析型HPLC收集相應產物的放射性色譜峰面積，并報告為從[11C]氟仿或[1?F]氟仿生產結束時起始活度計算的衰變校正后分離產率。n=2次重復報告單個結果，n≥3次重復報告平均值±標準差。放射性核素生產結束時校正的摩爾活度（Am）。Bz，苯甲?；?；E?/?，相對于飽和甘汞電極的還原電位；Phth，鄰苯二甲?；?；r.t.，室溫。

這項研究開發的兩種銅介導的放射三氟甲基化方法，憑借其廣泛的底物適用性、官能團兼容性以及操作相對簡便的特點，為PET示蹤劑開發領域突破了一個長期存在的關鍵技術壁壘。它不僅實現了對大量復雜藥物分子的直接、晚期放射性標記，更成功制備了多個以往難以獲得、具有重要臨床轉化潛力的1?F-CF?示蹤劑。這一進展證實了將放射性標記的CF?基團通過烷基自由基中間體進行傳遞的可行性，為未來開發更多前所未有的11C和1?F標記化合物開辟了嶄新道路，有望極大地推動分子影像學在生物醫學研究和精準醫療中的應用。