南京中医药大学校友一作，最新Science：新型放射性标记技术，突破PET成像瓶颈！

新型放射性标记技术突破PET成像瓶颈：通用三氟甲基化方法助力精准医学

正电子发射断层扫描（PET）成像已成为现代医学诊断与研究不可或缺的工具，但其发展长期以来受限于放射性标记方法的匮乏。尤其是在生物活性分子中日益常见的三氟甲基（CF₃）基团，如何在非活化的碳（sp³）位点高效引入碳-11（¹¹C）或氟-18（¹⁸F）放射性标签，一直是制约新型PET示踪剂开发的重大挑战。现有方法往往存在适用范围窄、前体合成困难、放射化学产率低或摩尔活度不足等问题，导致许多极具潜力的药物分子难以转化为实用的成像探针。

近日，辛辛那提大学刘巍副教授和美国国立卫生研究院Victor W. Pike合作提出了一种通用的解决方案：通过铜介导的放射化学策略，成功实现了在复杂分子结构的晚期阶段，将¹¹C或¹⁸F标记的三氟甲基高效引入烷基亲电体。该方法利用两种关键途径：一是通过芳基自由基促进的卤素原子转移实现烷基碘化物的三氟甲基化；二是借助光氧化还原催化实现烷基羧酸的脱羧三氟甲基化。利用易于标记的氟仿（CHF₃）作为CF₃源，研究团队成功对超过50种复杂分子及药物化合物进行了¹⁸F或¹¹C标记，并合成了两种长期难以制备的重要放射性配体——[¹⁸F]SL25.1188和[¹⁸F]PS13，为相关疾病的PET成像提供了半衰期更优的¹⁸F替代物。相关论文以“Trifluoromethylation of alkyl electrophiles with 11C- or 18F-labeled fluoroform for PET applications”为题，发表在

Science

研究首先从开发烷基碘化物的常规三氟甲基化反应入手（图1）。研究者利用锌基CF₃试剂和位阻芳基重氮盐，在铜催化下实现了温和、快速的转化，反应可在20分钟内完成，为适应¹¹C短暂的半衰期（20.4分钟）奠定了基础。更重要的是，实验证实，使用¹¹C或¹⁸F标记的氟仿作为CF₃源，通过生成的[¹¹C]CuCF₃或[¹⁸F]CuCF₃中间体，同样能高效实现这一转化（对应图2）。其机理涉及重氮盐从Cu-CF₃物种夺取单电子生成芳基自由基，后者快速攫取烷基碘的碘原子产生烷基自由基，最终与[Cu(II)-CF₃]中间体结合生成三氟甲基化产物。

图1. 开发烷基亲电体¹¹C-和¹⁸F-三氟甲基化通用方法。 (A) PET示踪剂开发受限于有限的标记方法。(B) 脂肪族放射性三氟甲基化策略的缺乏影响了PET成像的发展。(C) 提出的过渡金属介导烷基亲电体¹¹C-和¹⁸F-三氟甲基化通用方法。(D) 一种普遍适用的铜介导¹⁸F-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示踪剂。Ar，芳基；Et，乙基；Me，甲基；R，取代基。

在成功建立常规方法后，研究团队将其成功应用于¹¹C-三氟甲基化（图2D）。使用由回旋加速器生产的[¹¹C]氟仿，在温和条件下与多种烷基碘化物反应，成功标记了包括次级、一级烷基碘在内的多种底物，且对羟基、胺基、氯原子、内酯、杂环（如噁唑、吲哚、吡啶、四唑）等敏感官能团展现出了良好的兼容性。例如，达格列净分子中多个未保护的羟基也未对标记造成干扰，这突显了该方法条件温和、适用性广的优势。

图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应的发展（更多底物参见附图S171）。报告为分离产率。(B) 使用氟仿衍生的CuCF₃进行的化学计量实验。产率通过¹⁹F核磁共振测定。(C) 三氟甲基化反应的拟议机理。(D) 烷基碘化物¹¹C-三氟甲基化范围。放射化学产率基于从分析型HPLC收集相应产物的放射性色谱峰面积，并报告为从[¹¹C]氟仿生产结束时起始活度计算的衰变校正后分离产率。DMSO，二甲基亚砜；Ph，苯基。

随后，该策略被拓展至¹⁸F-三氟甲基化（图3）。使用[¹⁸F]氟仿作为来源，在与¹¹C标记近乎相同的条件下，一系列烷基碘化物被高效标记，产率相当。该方法成功应用于合成多种已上市药物或候选药物的¹⁸F-CF₃类似物，包括大麻素受体激动剂STS-135与O-1269的类似物、肿瘤显像剂FET的CF₃类似物[¹⁸F]26、拜耳公司的候选药物BAY 59-3074以及NKCC1抑制剂IAMA-6。尤为突出的是，该方法成功攻克了长期以来的合成难题，高效制备了单胺氧化酶B（MAO-B）的高性能放射性配体[¹⁸F]SL25.1188，其¹¹C类似物虽成像性能优异，但¹⁸F标记一直未能实现。

图3. 烷基碘化物¹⁸F-三氟甲基化范围。 (A) [¹⁸F]-三氟甲基化烷基碘化物的开发。(B) 生物活性分子[¹⁸F]CF₃类似物的合成。(C) 含CF₃药物的放射性标记。(D) MAO-B放射性配体的放射合成。放射化学产率基于从分析型HPLC收集相应产物的放射性色谱峰面积，并报告为从[¹⁸F]氟仿生产结束时起始活度计算的衰变校正后分离产率。n=2次重复报告单个结果，n≥3次重复报告平均值±标准差。显示了放射性核素生产结束时校正的摩尔活度。Boc，叔丁氧羰基。

为了扩展底物范围至不易获得或稳定性差的烷基碘化物，研究者进一步开发了基于烷基羧酸的脱羧放射三氟甲基化策略（图4）。在蓝光照射和钌光催化剂存在下，由羧酸衍生的N-羟基邻苯二甲酰亚胺（NHP）酯能与[¹¹C]或[¹⁸F]氟仿来源的Cu-CF₃发生高效脱羧偶联反应。该光氧化还原催化过程可在短时间内完成，适用于放射性标记。研究展示了该法对一系列伯、仲、叔位羧酸衍生物的成功标记，产率优良，并与芳基自由基促进的方法形成了有效互补。利用此方法，团队高效合成了环氧合酶-1（COX-1）靶向放射性配体[¹¹C]PS13和[¹⁸F]PS13，其中¹⁸F标记产率高达82%，解决了此前¹⁸F标记该分子产率低下的问题。

图4. 烷基羧酸的脱羧¹¹C-和¹⁸F-三氟甲基化。 (A) 光氧化还原催化脱羧三氟甲基化反应的发展。(B) ¹¹C-和¹⁸F-脱羧三氟甲基化范围。(C) COX-1放射性配体[¹¹C]PS13和[¹⁸F]PS13的放射合成。放射化学产率基于从分析型HPLC收集相应产物的放射性色谱峰面积，并报告为从[¹¹C]氟仿或[¹⁸F]氟仿生产结束时起始活度计算的衰变校正后分离产率。n=2次重复报告单个结果，n≥3次重复报告平均值±标准差。放射性核素生产结束时校正的摩尔活度（Am）。Bz，苯甲酰基；E₁/₂，相对于饱和甘汞电极的还原电位；Phth，邻苯二甲酰基；r.t.，室温。

这项研究开发的两种铜介导的放射三氟甲基化方法，凭借其广泛的底物适用性、官能团兼容性以及操作相对简便的特点，为PET示踪剂开发领域突破了一个长期存在的关键技术壁垒。它不仅实现了对大量复杂药物分子的直接、晚期放射性标记，更成功制备了多个以往难以获得、具有重要临床转化潜力的¹⁸F-CF₃示踪剂。这一进展证实了将放射性标记的CF₃基团通过烷基自由基中间体进行传递的可行性，为未来开发更多前所未有的¹¹C和¹⁸F标记化合物开辟了崭新道路，有望极大地推动分子影像学在生物医学研究和精准医疗中的应用。