J Nucl Med Technol Vol. 22, No. 2, October 2018 Original Article [ 11 C] 아세트산의방사화학적수율증가를위한연구 연세의료원세브란스병원핵의학과 박준영 손정민 Improvement of Radiosynthesis Yield of [ 11 C]acetate Jun Young Park and Jeongmin Son Department of Nuclear Medicine, Severance Hospital, Yonsei University Health System, Seoul, Republic of Korea Purpose Materials and Methods Results Conclusion Key Words [ 11 C]acetate has been proved useful in detecting the myocardial oxygen metabolism and various malignancies including prostate cancer, hepatocellular carcinoma, renal cell carcinoma and brain tumors. The purpose of study was to improve the radiosynthesis yield of [ 11 C]acetate on a automated radiosynthesis module. [ 11 C]acetate was prepared by carboxylation of grignard reagent, methylmagnesium chloride, with [ 11 C]CO 2 gas, followed by hydrolysis with 1 mm acetic acid and purification using solid phase extraction cartridges. The effect of the reaction temperature (0, 10, -55 ) and cyclotron beam time (10 min, 15 min, 20 min, 25 min) on the radiosynthesis yield were investigated in the [ 11 C]acetate labeling reaction. The maximum radiosynthesis yield was obtained at -10 of reaction temperature. The radioactivities of [ 11 C]acetate acquired at -10 reaction temperature was 2.4 times higher than those of [ 11 C]acetate acquired at -55. Radiosynthesis yield of [ 11 C]acetate increased with increasing cyclotron beam time. This study shows that radiosynthesis yield of [ 11 C]acetate highly dependent on reaction temperature. The best radiosynthesis yield was obtained in reaction of grignard reagent with [ 11 C]CO 2 at -10. This radiolabeling conditions will be ideal for routine clinical application. [ 11 C]Acetate, Grignard reagent, Hepatocellular carcinoma, Radiopharmaceutical 2) 서론 [ 11 C] 아세트산양전자단층촬영은허혈성심질환, 간세포 암, 신세포암, 전립샘암, 뇌종양등의진단에유효한것으로 알려져있다. 1) 아세트산은세포에섭취된후아세틸조효소 A 합성효소 (acetyl CoA synthetase) 에의해아세틸조효소 A (acetyl coenzyme A, acetyl-coa) 로변환하게된다. 변환된 아세틸조효소 A 는콜레스테롤과지방산으로합성되어세 포막의성분으로사용되는동화작용경로 (anabolic pathway) 에사용되거나, 미토콘드리아내에서트리카복실산회로 (tricarboxylic acid cycle) 에의해이산화탄소와물로산화되 Received: October 01. 2018 Accepted: October 11. 2018 Corresponding author: Jun Young Park Department of Nuclear Medicine, Yonsei University College of Medicine, 50-1 Yonsei-ro, Seodaemun-gu, Seoul 03722, Republic of Korea Tel: +82-2-2228-4870, E-mail: abies60@naver.com 면서에너지를만드는이화작용경로 (catabolic pathway) 에사용된다. 1-4) 생체내투여된 [ 11 C] 아세트산은심장에섭취되어트리카복실산회로를통해 [ 11 C]CO 2 로대사되는데, 이때심근에서 [ 11 C] 아세트산의제거율은심근의산소소모와밀접한연관성이있어 [ 11 C] 아세트산을이용해산소소비량을비침습적으로측정할수있다. 5,6) 대부분의종양세포는정상세포보다당대사가증가되어있어 [ 18 F]flurodeoxyglucose ([ 18 F]FDG) 의섭취가증가된다. 하지만간암이나전립선암등은특이하게포도당섭취가낮지만아세트산의섭취는증가된다. 7,8) 아세트산의종양세포에서의축척에대한정확한기전은밝혀지지않았으나 Yoshimoto 등의연구에의하면 C-14이표지된아세트산은종양세포에섭취시포스파티딜콜린 (phosphatidylcholine) 과지질의합성에주로사용된다고보고하였고 9), Vavere 등은전립선암세포에서지방산합성효소 (fatty acid synthase) 를억제할경우 [ 11 C] 아세트산의섭취가감소되는것을보고하였다 10). 이러한연구를통해 74
박준영 손정민. [ 11 C] 아세트산의방사화학적수율증가를위한연구 [ 11 C] 아세트산은 [ 18 F]FDG 의섭취가낮은종양세포에서섭 취후지질대사를통해지질합성에주로사용되는것으로 사료되며, 종양세포가빠르게성장함에따라 [ 11 C] 아세트산 의섭취율도증가되기때문에간암이나전립선암등의진단 제로사용할수있다. 11) [ 11 C] 아세트산의합성은반응용기내담겨있는그리냐르 시약에 [ 11 C]CO 2 가스를직접불어넣어반응시키는기체포 집반응법 (bubbling method) 12) 과테프론혹은폴리에틸렌튜 브를루프형태로만든후관내부에그리냐르시약을도포후 [ 11 C]CO 2 가스를불어넣어반응시키는루프법 (in-loop method) 13) 으로분류할수있다. 표지반응후 [ 11 C] 아세트산 은고성능액체크로마토그래피 (High-performance liquid chromatography, HPLC) 혹은고체상추출 (solid phase extraction, SPE) 카트리지로분리정제한다. 본연구에서는 기체포집반응법에서그리냐르시약과 [ 11 C]CO 2 가스의반 응온도를최적화함에따라 [ 11 C] 아세트산의방사화학적수 율을증가하는방법을소개하고자한다. 대상및방법 본연구에서사용된 methylmagnesium chloride (CH 3 MgCl; 3.0 M in tetrahydrofuran) 와무수 tetrahydrofuran 은 Sigma- Aldrich (St. Louis, MO, USA) 로부터구입하여별도의정제 없이사용하였다. Maxi-Clean IC-H 카트리지 (0.5, Part no.5122575), Maxi-Clean IC-Ag 카트리지 (1.5, Part no.5122569) 및 Maxi-Clean SAX 카트리지 (600 mg, Part no.5122471) 는 Grace Davison-Alltech (Deerfield, IL, USA) 사 에서구매하여사용하였다. 사용전 Maxi-Clean IC-H 와 IC-Ag 카트리지는주사용수 10 로충진물을활성화시킨 후사용하였고, Maxi-Clean SAX 는 70% 에탄올 10 로씻어준후생리식염수 5 을흘려준다음다시주사용수 10 을흘려주어충진물을활성화시킨후사용하였다. 방사성동 위원소 [ 11 C]CO 2 가스는사이클로트론 (PETtrace 16.5 MeV cyclotron, GE Healthcare, WI, USA) 을사용하여 0.1% 고순도산소를포함하는고순도질소가스에양성자빔을조 사하여 14 N(p,α) 11 C 의핵반응으로생산하였다. [ 11 C] 아세트 산의합성은 GE 사의 TRACERlab FX C-Pro 자동합성장치를 사용하였다 (Fig. 1). Fig. 1. Configuration of TRACERlab FX C-Pro module for [ 11 C]acetate production. [ 11 C] 아세트산의표지방법은다음과같다. 사이클로트론 에서생산된 [ 11 C]CO 2 가스를 TRACERlab FX C-Pro 자동합 성장치의 molecular sieve 컬럼에포집한후컬럼을 350 로 가열하여 [ 11 C]CO 2 가스를컬럼으로부터분리시킨후고순 도헬륨가스를이용하여 0.5 M CH 3 MgCl 이담겨있는반응 용기에불어넣었다. 이때반응용기는액체질소로냉각하여 0, -10, -55 가각각되게한후표지반응을진행하였 다. 반응후 3 의 1 mm 아세트산용액을넣어반응액을희 석한후 IC-H 카트리지와 IC-Ag 카트리지를통과시켜불순 물을제거하였고, 최종산물인 [ 11 C] 아세트산은 SAX 카트리 지에통과시켜흡착하였다. 10 의주사용수를 SAX 카트 리지에통과시켜유기용매및불순물을제거한후 5 의생 리식염수로카트리지에흡착된 [ 11 C] 아세트산을용출한후 0.22-μm Millex GS (Millipore, Bedford, MA, USA) 멸균필 터를사용하여멸균하였다. 사이클로트론의빔가속시간에따른 [ 11 C] 아세트산의생 산량을비교하기위하여빔전류 (beam current) 를 50 μa 로 고정후 10 분, 15 분, 20 분, 25 분간각각조사후 -10 로냉각 된반응용기담겨있는 0.5 M CH 3 MgCl 에 [ 11 C]CO 2 가스를불 어넣어 [ 11 C] 아세트산을표지하였다. 분리정제방법은동일 하게진행하였다. 제조완료후방사화학적순도는 Bioscan 사의 FC-200 가 장착된 Waters 사의 HPLC (Alliance e2695 HPLC system) 를 사용하여측정하였다. 고정상으로역상 Zorbax SB-Aq 컬럼 (4.6 250 ; Agilent) 을사용하여분석하였고, 이동상으로 생리식염수를사용하여 1 /min 의유속으로분석하였다. 75
결 과 본연구에서는 [ 11 C] 아세트산의합성을위하여기체포집 반응법과고체상추출카트리지분리정제를병행한방법을 사용하였다. 그리냐르시약으로 3.0 M CH 3 MgCl 를사용하 였으며, 합성시무수 tetrahydrofuran 을사용하여 0.5 M CH 3 MgCl 로희석후사용하였다. 그리냐르시약은수분에 상당히민감하고공기중의이산화탄소와도반응하므로표 지반응직전에완전히건조된상태의반응용기에서희석하 였다. 합성후 [ 11 C] 아세트산의분리정제는 IC-H, IC-Ag, SAX 등 3 가지의고체상추출카트리지를사용하여분리하 였다. 강한양이온교환 (strong cation-exchange) 카트리지인 IC-H 는부가물질인 [ 11 C]acetylmagnesium chloride 를가수분 해시키는역할을하고, 양이온교환카트리지인 IC-Ag 는염 소이온의농도를낮춰표지된 [ 11 C] 아세트산이 SAX 카트리 지에서용출되는것을방지하는역할을한다. 14) 그리고강한 음이온교환 (strong anion-exchange) 물질이충진되어있는 SAX 카트리지는최종산물인 [ 11 C] 아세트산을흡착하는역 할을한다. 사이클로트론의빔전류를 50 μa 로고정하고빔조사를 20 분간하여생산된 [ 11 C]CO 2 가스를그리냐르시약과반응 시킬때표지반응온도가 0 일때 15.2 ± 1.6 GBq (409.8 ± 44.3 mci, n=5) 의 [ 11 C] 아세트산이합성되었고, 표지반응온 도가 -10 일때는 18.7 ± 2.1 GBq (505.1 ± 58.1 mci, n=19) 가 합성되었으며, -55 일때는 7.7 ± 1.7 GBq (208.4 ± 45.9 mci, n=19) 가합성되었다 (Table 1). Table 1. Produced radioactive of [ 11 C]acetate depend on reaction temperature Reaction Temperature [ 11 C]Acetate activities 0 18.9 ± 0.9 GBq (509.8 ± 25.5 mci) -10 20.5 ± 2.8 GBq (555 ± 74.9 mci) -55 12.3 ± 1.4 GBq (333.4 ± 38.4 mci) 사이클로트론의빔가속시간에따른 [ 11 C] 아세트산의생 산량을비교하기위해 50 μa 에서 10 분, 15 분, 20 분, 25 분간 조사한 [ 11 C]CO 2 가스를방사화학적수율이가장높았던반 응온도 -10 에서불어넣어합성하였을때 [ 11 C] 아세트산의 생산량은빔조사시간이 10 분일때 9.6 ± 2.8 GBq (260.2 ± 75.3 mci, n=6) 이었고, 15 분일때 15.6 ± 1.9 GBq (422.6 ± 52.9 mci, n=19), 20 분일때 18.7 ± 2.1 GBq (505.1 ± 58.1 mci, n=19) 이었으며 25 분일때는 20.5 ± 2.8 GBq (555.0 ± 74.9 mci, n=5) 의 [ 11 C] 아세트산이생산되었다 (Fig. 2). 제조완료 후방사화학적순도는모두 98% 이상이었다. Fig. 2. Produced radioactive of [ 11 C]acetate depend on cyclotron beam time. 고찰및결론 [ 11 C] 아세트산의합성은 methylmagnesium chloride 와 methylmagnesium bromide 와같은그리냐르시약을사용한 다. 그리냐르시약은프랑스의화학자빅토르그리냐르 (Victor Grignard) 가발견한시약으로이산화탄소와반응하 여카르복실산 (carboxylic acids) 을생성하는원리로 [ 11 C] 아 세트산을합성할수있다. 15) 초기 [ 11 C] 아세트산의합성은복 잡한화학반응으로표지가쉽지않았으나최근자동화합성 장치의개발과고체상추출방법의보편화에따라보다빠르 고간단하며재현성있는표지반응을진행할수있게되었 다. 양전자방출방사성동위원소인 C-11 은 20 분의비교적짧 은반감기를가지고있어 C-11 방사성의약품의표지, 분리정 제, 멸균, 정도관리및배송까지의시간을고려하였을때임 상에서는높은방사화학적수율이요구된다. 이에본연구에 서는기체포집반응법을이용하여 [ 11 C] 아세트산을합성시 [ 11 C]CO 2 가스와그리냐르시약의반응을다양한온도에서 실시하여 [ 11 C] 아세트산의방사화학적수율을증가시킬수 있는방법을개발하고자하였다. 본실험에서 [ 11 C]CO 2 가스와그리냐르시약의표지반응 온도가 -10 일때 [ 11 C] 아세트산의생산량은표지반응온도 가 -55 일때보다약 2.4 배증가하였고, 표지반응온도가 0 일때보다약 1.2 배증가함을확인할수있었다. 또한, 빔 조사시간에따라서도 [ 11 C] 아세트산의합성수율이증가하 는것을확인할수있었는데, 10 분간빔을조사할때보다 20 분간조사할경우약 1.9 배생산량이증가하는것을확인할 수있었다. 본연구를통해 [ 11 C]CO 2 가스와그리냐르시약을 -10 에서반응할경우방사화학적수율을크게개선할수 76
박준영 손정민. [ 11 C] 아세트산의방사화학적수율증가를위한연구 있어향후임상에서통상적으로생산시유용한표지조건으 로활용될수있을것이라기대된다. 요 약 본연구는그리냐르시약과 [ 11 C]CO 2 가스의반응온도를 최적화하여 [ 11 C] 아세트산의방사화학적수율을향상시킬 수있는방법을개발하고자하였다. 본연구에서는 TRACERlab FX C-Pro 자동합성장치에기체포집반응법과고체상추출카 트리지분리정제법을적용하여 [ 11 C] 아세트산을합성하였 다. 그리냐르시약으로 3.0 M CH 3 MgCl 를사용하였으며, 표 지반응시무수 tetrahydrofuran 을사용하여 0.5 M CH 3 MgCl 로희석하여사용하였다. 사이클로트론에서생산된 [ 11 C]CO 2 가스를포집후반응용기에담겨있는그리냐르시 약에불어넣을때반응용기를액체질소로냉각하여 0, -1 0, -55 가각각되게한후표지반응을진행하였다. 표지 반응후 1 mm 아세트산용액을넣어반응액을희석한후고 체상추출카트리지 IC-H 와 IC-Ag 를차례로통과시켜불순 물을제거하고, 최종산물인 [ 11 C] 아세트산은 SAX 카트리지 에통과시켜흡착시킨후주사용수를통과시켜유기용매및 불순물을제거한후생리식염수로용출하였다. 용출된 [ 11 C] 아세트산은 0.22-μm 멸균필터를사용하여멸균후 HPLC 로 방사화학적순도를측정하였다. 사이클로트론의빔전류를 50 μa 로고정하고빔조사를 20 분간하여생산된 [ 11 C]CO 2 가스를그리냐르시약과반응시킬때온도가 0 일때 15.2 ± 1.6 GBq (n=5) 의 [ 11 C] 아세트산이합성되었고, 표지반응온 도가 -10 일때는 18.7 ± 2.1 GBq (n=19) 가합성되었으며, -55 일때는 7.7 ± 1.7 GBq (n=19) 가합성되었다. 방사화학 적수율이가장높았던 -10 에서빔조사시간에따른 [ 11 C] 아세트산의합성수율을비교하였을때 10 분간빔을조사할 때보다 20 분간조사할경우약 1.9 배생산량이증가하는것 을확인할수있었다. 본연구를통해 [ 11 C]CO 2 가스와그리 냐르시약을 -10 에서반응할경우방사화학적수율을크 게개선할수있어향후임상에서통상적으로생산시유용한 표지조건으로활용될수있을것이라기대된다. REFERENCES 1. Grassi I, Nanni C, Allegri V, Morigi JJ, Montini GC, Castellucci P, et al., The clinical use of PET with 11 C-acetate. Am J Nucl Med Mol Imaging 2012;2:33-47. 2. Choudhary, C., Weinert, B.T., Nishida, Y., Verdin, E., and Mann, M. The growing landscape of lysine acetylation links metabolism and cell signalling. Nat Rev Mol Cell Biol 2014:15;536-550. 3. Pietrocola F, Galluzzi L, Bravo-San Pedro JM, Madeo F, Kroemer G. Acetyl coenzyme A: a central metabolite and second messenger. Cell Metab 2015;21:805-821. 4. DeBerardinis RJ, Chandel NS. Fundamentals of cancer metabolism. Sci Adv 2016;2:e1600200. 5. Arakawa K, Kudo T, Ikawa M, Morikawa N, Kawai Y, Sahashi K, et al., Abnormal myocardial energy-production state in mitochondrial cardiomyopathy and acute response to L-arginine infusion. 11 C-acetate kinetics revealed by positron emission tomography. Circ J 2010;74:2702-2711. 6. Naya M, Tamaki N. Imaging of myocardial oxidative metabolism in heart failure. Curr Cardiovasc Imaging Rep 2014;7:9244. 7. Oyama N, Akino H, Suzuki Y, Kanamaru H, Sadato N, Yonekura Y, Okada K. The increased accumulation of [ 18 F]fluorodeoxyglucose in untreated prostate cancer. Jpn J Clin Oncol 1999;29:623-629. 8. Ho C, Yu S, Yeung D. 11 C-acetate PET imaging in hepatocellular carcinoma and other liver masses. J Nucl Med 2003;44:213-221. 9. Yoshimoto M, Waki A, Yonekura Y, Sadato N, Murata T, Omata N, et al., Characterization of acetate metabolism in tumor cells in relation to cell proliferation: acetate metabolism in tumor cells. Nucl Med Biol 2001;28: 117-122. 10. Vāvere AL, Kridel SJ, Wheeler FB, Lewis JS. 11 C-acetate as a PET radiopharmaceutical for imaging fatty acid synthase expression in prostate cancer. J Nucl Med 2008;49:327-334. 11. Yoo MJ, Lee JD. Imaging of cancer metabolism using positron emission tomography. J Korean Med Assoc 2009; 52:113-120. 12. Roeda D, Dollé F, Crouzel C. An improvement of [ 11 C]acetate synthesis non-radioactive contaminants by irradiation-induced species emanating from the [ 11 C]carbon dioxide production target. Appl Radiat Isotopes 2002;57: 857-860. 13. Davenport RJ, Dowsett K, Pike VW. A simple technique for the automated production of no-carrier-added 77
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