核医学第4章放射性核素标记化合物

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1、1,第四章 放射性核素标记化合物 Radionuclide Labeled Compounds,核医学教研室,2014-2-28,2,示踪技术,观察野生动物大熊猫的生活习性 无线电发射器 示踪物,放射性核素 酶 荧光素,3,1923年, G.Hevesy首次通过测定放射性铅的射线来观察其在动、植物体内的分布； 1952年 Hershey 32P、35S DNA是遗传物质； 1959年 Berson、Yalow RIA； 1958年 Meselson、Stahl DNA半保留复制； 1977 年，Frederick Sanger 等采用放射性标记技术和ARG，成功地进行了DNA 序列测定。,示踪

2、实验之父,32P、131I、14C、3H先后被用于医学实验研究,RNA-DNA逆转录、遗传的三联密码、细胞周期、微量物质测量等均离不开示踪技术。,History,4,如何用噬菌体感染实验 证明DNA 是遗传信息的载体？,Introduction,5,如何用噬菌体感染实验证明DNA 是遗传信息的载体？,6,如何用噬菌体感染实验证明DNA 是遗传信息的载体？,子代,分离蛋白质外壳及DNA内核，并测量放射性,蛋白质外壳无放射性，DNA上有放射性！,DNA是遗传物质！,7,为什么要用放射性核素作为示踪剂？,一般非放射性物质进入机体后无法区别哪些是外来的？哪些是原有的物质？ 有些物质进入机体后发生代谢转

3、化、分解，无法再找到它的踪迹。,Tracer,8,核医学应用,9,PET and SPECT: Advanced Imaging Systems,Positron Emission Tomography,Single-Photon Emission Computed Tomography,A PET scan can be an effective tool to diagnose Parkinsons disease,Radiopharmaceutical,Radiotherapy Principle,11,Definition,放射性核素标记化合物：它是指在化合物分子中引入可起示踪作用的放

4、射性核素，并保持原有化合物的理化和生物学性质不变的一类化合物。,本章内容,13,第一节 基本概念,14,一、几个重要参数,1.放射性浓度：它是指单位体积的溶液中含有的放射 性活度。以Bq/L或Bq/ml等表示。 2.放射化学纯度：指所指定的放射性标记化合物的放 射性活度占该样品的总放射性活度的百分比。要求 放化纯度要达到95%以上 放化纯度(%)=(标记物的放射性活度)/(样品总的放射性活度)100% 放射性示踪实验是以测量放射性的踪迹来显示该物质的行踪的，如果示踪剂中含有放射数杂质，就会使实验结果紊乱，甚至失败。 放射性杂质不仅可以从原料及制备过程中引入，而且也会随着标记物贮存时间的延长而逐

5、渐产生。因此不仅制备标记化合物时得要进行纯化分离，而且在贮存过程中仍要密切监测它的放射化学纯度，特别是高比活度的氚标记化合物。,3. 放射性比活度 对比活度的要求因使用目的而异：一般用于竞争结合分析法测定微量物质时要求比活度高，以提高分析方法的灵敏度。作为示踪剂用于观察某些物质的体内过程时，则要求尽量接近生理状态下的用量而同时具有可测量的放射性活度。 过高或过低均不好： 放射线比活度越高，示踪的灵敏度也越高，但制备和使用高比活度标记物，有如下因素的限制：一是受原料比活度和制备方法的限制；二是比活度愈高，制备操作难度愈大；三是比活度高时，特别是氚标记物，易引起辐射自分解，还会对被示踪的机体产生毒

6、性(如研究对象的细胞损伤和蛋白变性) ，影响实验结果。 过低的比活度因其灵敏度过低而达不到预期的实验目的。,15,单位质量（摩尔、容积）物质所含放射性的多少，后者常称为放射性浓度。 单位：MBq/mg、GBq/mg、TBq/g或MBq/mmol、GBq/mmol、MBq/ml。,3. 放射性比活度 放射线核素的理论比活度:当该种核素的丰度是100%时其放射性活度。它的大小只取决于核素的半衰期。 A理论=N阿伏加德罗常数=0.693/T1/26.021023 标记化合物的放射性比活度: 该化合物上的放射线核素活度(Bq) 化合物质量(g)或摩尔数(mol),16,A=,17,4.化学纯度:指某一

7、化学形式存在的物质量在该样品的总重量中所占的百分比。 5.放射性核素纯度：是指特定的放射性核素的放射性活度占总放射性活度的百分数，表示为： 放射性核素纯度(%) = (特定的放射性核素的活度)/(样品的总放射性活度)100% 一般要求放射性核素纯度要达到99%以上。,18,6. 标记位置及命名: 标记化合物命名，通常先指出标记部位再指出标记核素，最后列出化合物名称，三部分中以二短横线相联，如：1-14C-醋酸。,19,二、同位素标记与非同位素标记,同位素标记：指化合物中的某一稳定核素被其放射性同位素置换的方法。如用3H取代化合物分子中的1H。 非同位素标记：采用并非原化合物所含元素的放射性核素

8、(一般选用性质比较接近的放射性核素)进行标记的方法。如蛋白质用131I或125I标记，所得标记物与原来化合物不完全相同。,20,21,三、定位标记与非定位标记,定位标记：指标记原子标记在化合物的指定位置上，以符号“S”表示。例如1(S)-14C-醋酸、2(S)-14C-醋酸，前者表示14C标记在醋酸羧基碳上，即CH3-14COOH，后者则标记在甲基碳上，即14CH3-COOH，两者所能示踪的基团不同，制备二者的合成路线也完全不同。,22,三、定位标记与非定位标记,非定位标记：标记原子的结合部位无法确定。分为均匀标记和全标记。 均匀标记：指放射性原子均匀地分布于分子中，以“U”表示。如用14CO

9、2通过植物光合作用制得的14C-葡萄糖其中分子六个碳原子从统计学上看被均匀标记上14C，故可写成14C-葡萄糖(U)或u-14C-葡萄糖。 全标记：是指放射性核素的原子随机地无严格定位地分布于被标记化合物分子结构上，以“G”表示。如G-3H-胆固醇，标记分子中的所有氢原子都可被取代，但机率各不相同。 非定位标记化合物不能用于观察分子上特定基团或原子的去向，而只是代表整个分子的代谢、分布等状况。非定位标记可以得到较高的比活度因为在一个分子中，可能存在几个标记原子，且制备方法的选用面也较宽,准定位标记,23,24,四、双标记与多标记,双标记：在化合物分子的不同部位，引入两种不同的放射性核素原子(如

10、3H和14C)或引入一种元素的两种同位素原子。双标使得人们可以在同一机体或离体组织中同时观察两个指标。,它们在示踪应用时，可在同一机体或离体组织中同时观察两个指标，不仅减少工作量，还可排除和减少由于个体差异所引起的实验误差在研究化合物的不同代谢物在代谢中的相互关系、动力学过程以及生物反应机制等问题中，双(多）标记示踪剂能解决一般示踪实验不易解决的问题。,放射性核素标记化合物，除了与相应的非标记化合物具有同样的化学、生物学特性外，更由于分子中引入了放射性原子，增加了不稳定因素：1）放射性衰变引起的不稳定性；2）由放射线引起的辐射自分解；3）由于标记位置不牢固或外界因素的影响，引起放射性原子脱落或

11、定位标记物中放射性原子发生位移等造成不稳定性。 一般来说，放射性原子应标记在分子中牢固的、不易脱落的位置，对于14C、35S13N、32P等放射性核素，标记物位置都比较稳固，而3H在分子中往往不稳定，即使与碳原子相连的氚，由于邻近基团等影响，与水的交换率可以很明显，如苯环上与羧基处于邻位或对位的氚原子及碳基碳上的氚原子都不稳定。,五、标记化合物的不稳定性,26,第二节 放射性核素标记化合物的制备,27,一、放射性核素的选择,不改变原有化合物的理化和生物学性质； 结合牢固、稳定性好； 有合适的半衰期； 射线容易测量； 其它：是否容易标记、价格是否可以接受、射线是否容易防护。,28,二、放射性核素

12、的来源,在发现人工核反应前，放射性核素都是从天然放射性铀钍矿物中分离提取，由于品种不多，且特性不适于医用，故应用有限。自从发现人工核反应及加速器和反应堆问世以后，人们才有可能生产许多品种的放射性核素。 目前，医用放射性核素主要通过人工核反应，从反应堆和加速器中生产。据统计，全世界所生产的放射性核素中，约有80一90用于医学。 不论用反应堆还是加速器所生产的放射性核素，都必须经过必要的分离、纯化等放射化学处理，经鉴定放射核纯度合格，并测定比活度后，才能供使用。,29,二、放射性核素的来源,(一)反应堆生产放射性核素 1.利用中子引起的核反应：用中子轰击稳定性核素是获取人工放射性核素的来源之一。能

13、量较低的中子，核反应后，俘获中子而放出光子，如(n、)反应；能量较高的中子，核反应后，释放带电粒子如质子或粒子等。 23Na+10n(低)24Na+ 或 23Na(n.) 24Na 6Li+10n(高)3H+4He 或 6Li(n、) 3H 2.核裂变产物燃料废料中分离提取：核反应堆中所用核燃料235U或239po，在其裂变过程中可产生许多放射性核素，供医用的有：99Mo、131I、132I、133Xe和137Cs等。,30,二、放射性核素的来源,(二)加速器生产 利用加速器将质子或氘核等粒子加速后，用其轰击稳定性核素而得到放射性核素。 这类放射性核素的衰变方式多为正电子发射或电子俘获。生产医

14、用放射性核素的加速器主要是回旋加速器。生产的11C、15O和13N等放射性核素的T1/2相当短，用处极大。,31,三、制备放射性标记化合物要考虑的因素,放射性核素的获取及其价格：起始原料通常是由反应堆生产的无机物 标记物的稳定性：做示踪剂的化合物稳定；标记原子所在的位置也要牢固 微量操作技术：一般在毫克或微克级水平 进行冷试验：即用非放射线原料代替放射性原料的模拟实验,由人工核反应所制得的放射性核素，一般均为简单比合物，如3H2、Ba14C03、Na125I等。为了得到合适的分析试剂或示综剂，还需进一步以简单放射性化合物为原料，制备所需的放射性标记化合物。 制备标记化合物的基本方法有同位素交换

15、法、化学合成法、生物合成法及络合物/螯合物生成法等方法。,32,四、放射性标记化合物制备的基本方法,33,四、放射性标记化合物制备的基本方法,1、同位素交换法 放射性核素与要标记的化合物中同一元素的稳定同位素相互交换来制备放射性标记化合物的方法。 优点：方法简便，易于操作。适宜于稀有、结构复杂的有机化合物的标记。 缺点：无进行定位标记，且有机化合物主链上的原子无法标记，标记物的比放射性低。,34,四、放射性标记化合物制备的基本方法,1、同位素交换法 放射性核素与要标记的化合物中同一元素的稳定同位素相互交换来制备放射性标记化合物的方法。 如：制备G-3H-河鱼屯毒素 可逆反应，反应速度的快慢与反

16、应条件有关，常以交换半值期作为选择最适反应条件的指标。一般反应3-5个半值期即可。 交换半值期的物理意义：产物的浓度等于交换反应达到平衡时产物浓度的1/2所需时间。 影响交换反应速率的因素： 温度、酸度、压力，所用溶剂性质，反应的浓度及选用合适的催化剂等。,同位素交换法的优缺点 优点：方法简便，易于操作：不需制备前体，无复杂的合成步骤，待标记的化合物用量少(一般为mg级)，更适用淤标记稀有昂贵的复杂有机化合物，如反应条件选择适当，也可获得较高放射性活度与比活度，放射性核素利用率也可以很高。 缺点：a.化合物的中心原子（如有机化合物主链上的原子）不易用交换法标记，所以用交换法制备标记化合物，最常用的放射性核素是氚和放射性碘，而14C标记化合物由于反应条件要求高，就不易用此法制备。b.如果在通常条件下，即不加温、不用特别的pH或不用催化剂等，就能交换的系统，亦不能用于制备标记化合物，因为这样的标记物，在一般生理条件下，标记原子亦易交换下来c.如一