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近日，英國牛津大學的Véronique Gouverneur教授團隊通過將卡賓化學引入核成像領域，開發了可以進行多種類型的18F甲基化過程的18F二氟卡賓試劑。該工作以題為“[18F]Difluorocarbene for Positron Emission Tomography”發表在《Nature》上。

【二氟卡賓試劑的初步研究】

在最初的實驗中，作者考慮到揮發性和前體穩定性，選擇了標記 1-(叔丁基)-4-((二氟甲基)磺酰基)苯 (1b)，用18F氟化物對 (溴氟甲基)-(4-(叔丁基)苯基) 硫烷 (2b) 進行親核取代，然后氧化RuCl3/NaIO4得到18F 1b，分離率為 10% ± 2%。18F-1b和KOH的反應以 72% 的放射化學產率 (RCY) 生成 18F標記的3，這表明在這些條件下發生了18F-DFC 釋放和 O-H 插入。放射合成在基于盒式磁帶的 TRASIS AllinOne 平臺上實現自動化，在 72 分鐘的總合成時間內獲得了18F-1b，非延遲矯正活性產率 (AY) 高達 6%，Am 為 10 ± 0 GBq/µmol。

圖1. 二氟卡賓試劑的生成及應用

【反應機理】

以化合物1a為例，反應的最初階段，分子中的S-C鍵在水分子的誘導下逐步延長。通過量子化學理論計算可知，在水分子的誘導下，S-C鍵延長為1.3埃，水分子的H-O鍵伸長為1.4埃。隨著反應的進行，1a中S-C鍵的鍵長繼續延長為3.6埃。此時酚負離子逐漸靠近游離的CF2基團，并生成最終的產物。

作者發現，1a中對位為氯原子的試劑可以提供高13倍的摩爾活性，是一種具有高活性的卡賓試劑?？梢砸?1%的高產率得到最終的18F標記的試劑。

圖2. 反應機理

【底物拓展】

適用該卡賓試劑，作者嘗試了該種方法的底物適用類型。發現對于各類不同取代基，不同取代位置的酚類，該方法均可適用。這表明該方法不受酚類芳環取代基吸電子與供電子基團的限制。且該方法所得的產物產率均在50%-90%的范圍內。該方法還可適用于一些醇類，如對甲氧基芐醇等。另外，對于一些硫酚、含氮雜環類化合物，該方法依然適用，并可以達到較高的收率。

圖3. 底物拓展

【生物活性測試】

在成功建立18F標記的二氟卡賓方法后，作者對18F標記的產物的生物活性進行了測試。抗炎藥羅氟司特 [18F]35 的 18F 同位素體，以及八種18F-OCF2H 和18F-NCF2H 藥物類似物（雌酮18F-34、2'-羥基-3-苯基苯丙酮 18F-36、氯辛18F-37、18F-38、三氯苯達唑18F-39 和噻苯達唑18F-40) 成功標記為 RCY 達到 82%。此外，PET 放射性配體 P2X7R、PMB 保護的 PF-06809247、DASA-23、MPC-6827、DPA-714 和伊潘立酮的18F-OCF2H 類似物是從18F-1d 中獲得的，其RCY高達 98%（18F-41-18F-46)。使用 FCH2CH2O 取代的18F-DPA-714 及其OCF2H類似物18F-46 進行了使用幼稚C57BL/6J小鼠的體內研究。該研究從使用18F-1d 和TRASIS AllinOne 平臺放射合成18F-46 (680 MBq, Am = 40 GBq/µmol) 開始。注射18F-46 后5分鐘的小鼠血漿和腦勻漿提取物基于放射性-HPLC不存在代謝物，這與觀察到放射性標記代謝物的18F-DPA-714形成對比。這些初始數據證實了對OCF2H44代謝穩定性的預期。為了進一步證明這種18F-DFC 方法在支持（前）臨床 PET 研究中的效用，18F-46 成功地用于對亨廷頓病喹啉酸病變模型紋狀體中的小膠質細胞活化進行成像。

圖4. 生物活性

【偶聯方式引入18F標記】

接下來，作者研究了使用過渡金屬配合物捕獲和轉移源自18F-1b 和18F-1d 的18F-DFC 用于位點選擇性芳族 18F-二氟甲基化，這是 18F-放射化學中另一個未解決的問題。在堿性條件下 (40 µL KOH( aq)) 在 Pd2dba3 (2.50 µmol)、Xantphos (7.50 µmol) 和氫醌 (50 µmol) 的 1,4-二惡烷 (1.0 mL) 中，在 130 °C條件下，可以形成苯硼酸被18F標記的二氟卡賓取代的產物。與必須在厭氧條件下進行的 Pd 交叉偶聯反應相比，該方法不需要排除水分或空氣。這些優化的條件適用于各種芳基硼酸，包括藥物開發過程中常見的雜環酸，可產生高達45%RCY 的18F-56、18F-58、18F-60、18F-61。具有諸如烯烴和炔烴等官能團的底物產生18F-62和18F-64，分別為 41% 和 24% RCY。

圖5. 偶聯反應引入18F標記

總結，該工作開發了一種可以產生18F標記的二氟卡賓生成試劑，在溫和的條件下實現了對酚、硫酚、含氮雜環、醇類以及芳基硼酸等廣泛底物的18F二氟甲基標記。該工作為PET分子成像試劑的開發提供了新的機會。