Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về kỹ thuật chụp hình phân tử Chụp hình phân tử là kỹ thuật chụp hình để quan sát được các hoạt động sinh học và sinh hóa ở mức độ phân tử của các đối tượng sống, không xâm lấn [43]. Chụp hình phân tử như chụp hình cắt lớp phát xạ positron (PET) và chụp cắt lớp vi tính phát xạ đơn photon (SPECT) sử dụng năng lượng và thiết bị thu nhận khác nhau cho các ứng dụng tương ứng [4], [7], [89]. Các kỹ thuật chụp hình này cung cấp độ phân giải không gian và phát hiện những thay đổi giải phẫu các bệnh lý tốt hơn các kỹ thuật chụp hình khác như cộng hưởng từ (MRI), siêu âm, chụp cắt lớp vi tính (CT). Kỹ thuật SPECT sử dụng gamma camera quay xung quanh bệnh nhân để phát hiện sự phân bố phóng xạ trong cơ thể.
Tia gamma có mức độ đâm xuyên tốt nhưng kỹ thuật SPECT bị hạn chế về độ phân giải không gian, do đó hạn chế trong chụp hình phân tử [31]. Chụp hình PET cho hình ảnh không gian 3 chiều bằng cách tái tạo lại dữ liệu ghi được của các cặp photon phát ra từ hiện tượng hủy hạt của các ĐVPX phát positron xảy ra trong cơ thể sống [79]. PET thích hợp cho chụp hình trong ung thư vì có độ nhạy cao, đâm xuyên đủ sâu và độ phân giải không gian tốt hơn SPECT. PET và SPECT khi kết hợp với CT có thể cung cấp thông tin chi tiết về giải phẫu và chức năng của các cơ quan và mô [27], [52].
Các công nghệ chụp hình phân tử như chụp hình huỳnh quang và chụp hình phát quang sinh học, có thể cung cấp hình ảnh có độ nhạy cao bằng cách lựa chọn các đầu dò hình ảnh thích hợp, nhưng có hạn chế về độ đâm xuyên [43]. So sánh những đặc trưng của các kỹ thuật chụp hình được thể hiện trong Bảng 1. 3 luan an Bảng 1. So sánh một số đặc điểm của các kỹ thuật chụp hình phân tử [85] Kỹ thuật Giới hạn độ phân Giới hạn phát hiện đồng vị/Nồng độ giải không gian thuốc cản quang (mol/kg) MRI 1.3 (5 MHz) Khó định lượng bằng thuốc cản quang SPECT 7 10−8 - 10−10 PET 3 10−9 – 10−12 1.2 Vai trò của dược chất phóng xạ trong kỹ thuật chụp hình PET DCPX là hợp chất chứa ĐVPX gắn với chất mang được dùng để chẩn đoán hoặc điều trị các bệnh lý, đặc biệt các bệnh lý về ung thư.
Một số ĐVPX phát xạ tia beta (β ) hoặc tia gamma (γ ) được sử dụng để xạ trị ngoài (ví dụ: 60 Co, 137 Cs, 192 Ir. Một số ĐVPX phát xạ tia β khác như 14 C, 35 S.ban đầu chỉ được sử dụng để nghiên cứu nhưng hiện nay, hầu hết được sử dụng trên cơ thể người. Một số DCPX dán nhãn với ĐVPX 99m Tc phát xạ tia γ , được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật SPECT hay các ĐVPX có chu kỳ bán rã ngắn phát xạ positron dùng trong PET như 11 C, 18 F, 64 Cu.Hoặc một số ĐVPX sử dụng trong điều trị ung thư như 90 Y.Có những ĐVPX vừa dùng trong cho PET, vừa có thể điều trị ung thư như 67 Cu. Để đánh giá hoạt động chức năng của một cơ quan, mô nào đó thì cần đưa DCPX thích hợp, chúng sẽ tập trung đặc hiệu tại cơ quan cần khảo sát.
Theo dõi quá trình chuyển hoá, đường đi của ĐVPX có trong DCPX, có thể đánh giá tình trạng chức năng của cơ quan, mô cần nghiên cứu qua việc đo hoạt độ phóng xạ ở các cơ quan này nhờ các ống đếm đặt ngoài cơ thể tương ứng với cơ quan cần khảo sát. Trong kỹ thuật PET, các ĐVPX phát xạ positron, các positron gặp các electron lân cận sẽ kết hợp và xảy ra hiện tượng "hủy cặp", tạo ra cặp photon có năng lượng 511 keV, được ghi nhận trong detector và tạo hình PET. Ba tiêu chí cơ bản cho một ĐVPX phát positron được sử dụng trong PET: năng lượng positron thấp, cường độ positron cao và không có tia γ. Một số ĐVPX như như 11 C, 13 N, 15 O, 18 F và 64 Cu, 67 Cu được sản xuất trên cyclotron hoặc từ các máy phát (generator) như 68 Ge/68 Ga và 82 Sr/82 Rb đáp ứng cả ba tiêu chí trên, là ứng cử viên vàng để điều chế DCPX cho kỹ thuật PET (bảng 1.
Hiện nay, tại Việt Nam 4 luan an đã có một vài trung tâm cyclotron sản xuất được ĐVPX 18 F cũng như điều chế được DCPX 18 F-FDG. Đó là tiền đề, là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu sản xuất các DCPX khác dãn nhán ĐVPX 18 F ngoài 18 F-FDG cho các chẩn đoán khác. Một trong những DCPX đó là 18 F-NaF cho xạ hình xương. Một số đồng vị phóng xạ cho PET [85] Đồng vị Nguồn Năng lượng β + Chu kỳ bán rã phóng xạ (MeV) 11 C Cyclotron 0,959 20 phút 13 N Cyclotron 1,197 9,97 phút 15 O Cyclotron 1,738 2,03 phút 18 F Cyclotron 0,635 110 phút 124 I Cycltron 2,13 4,2 ngày 68 Ga Generator 1,9 68 phút 64 Cu Cyclotron 2,91 12,8 giờ 82 Rb Generator 3,15 76 giây 1.3 Hóa phóng xạ của 18 F 1.1 Khái niệm chung về hóa phóng xạ Hóa phóng xạ (HPX) được hiểu là “hóa học của các chất phóng xạ trong tự nhiên cũng như nhân tạo" [61].
Khác với hóa học thông thường, HPX có những đặc tính riêng được xác định bởi lượng chất phóng xạ tham gia phản ứng vô cùng nhỏ [74]. Ví dụ, với 18 F-FDG, liều sử dụng cho một bệnh nhân (BN) khoảng 10 mCi với lượng 18 F chỉ khoảng 10−10 g. Trong các quá trình hóa học, tỷ lệ tham gia phản ứng của mỗi chất chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nồng độ chất tham gia phản ứng, các bước tạo phản ứng, áp suất, nhiệt độ, dung môi, chất xúc tác và tiết diện phản ứng [44]. Trong đó, nồng độ chất tham gia phản ứng và trình tự các bước phản ứng có ảnh hưởng nhiều hơn đến quá trình tổng hợp HPX.
Vì nồng độ các chất phóng xạ tham gia phản ứng siêu nhỏ nên việc tổng hợp HPX luôn là một thách thức bởi chúng dễ dàng bị hấp phụ lên bề mặt của dụng cụ tổng hợp, kể cả màng lọc. Khó khăn trong việc tổng hợp HPX được giải quyết bằng cách sử dụng thêm các chất là đồng vị bền của chất phóng xạ tham gia phản ứng, nhằm giảm sự hao hụt của ĐVPX đó. DCPX có thành phần là ĐVPX và các chất mang. Chất mang được định nghĩa trong Sách Vàng (Gold Book) của Hội hóa học 5 luan an thế giới (IUPAC) như sau: “Chất mang hay còn gọi là chất đánh dấu là chất được cho thêm vào với một lượng thích hợp để kết hợp với một chất nhất định nhằm vận chuyển chất đó trong các quá trình lý hay hóa học”.
Trong quá trình tổng hợp HPX sử dụng chất đánh dấu thì có thể làm giảm hoạt độ phóng xạ riêng (HĐPXR). HĐPXR của một chất phóng xạ được định nghĩa theo IUPAC là “với một ĐVPX nhất định hoặc một hỗn hợp các ĐVPX, HĐPX riêng được xác định bằng cách lấy tổng hoạt độ phóng xạ chia cho khối lượng của chúng” [61].2 Hóa phóng xạ của 18 F 18 F được tạo ra từ lò phản ứng hạt nhân và các máy gia tốc dưới hai dạng chính là [18 F]F2 [82] và 18 F[F− ] [73]. Phản ứng thế ái điện tử của [18 F]F2 [18 F]F2 tồn tại ở dạng khí, khả năng hoạt động cũng như khả năng ăn mòn mạnh, do đó, rất khó tổng hợp HPX của 18 F. Để giải quyết vấn đề này, cần bổ sung các chất mang như amoni acetat và xenon vào [18 F]F2.
Sơ đồ tổng hợp các chất 18 F-fluorid hóa bằng phản ứng thế ái điện tử. Những chất mang chứa Flo được sử dụng để vận chuyển các ion Flo tới các chất giàu điện tử như carbanion và các hợp chất thơm, những chất không thể tham gia phản ứng thế ái nhân trực tiếp (hình 1. Vì sử dụng chất mang nên quá trình flo hóa ái điện tử thường cho sản phẩm có hoạt độ phóng xạ riêng thấp, có thể tạo ra một số sản phẩm phụ không mong muốn và bị hạn chế sử dụng trong một số trường hợp. Để hạn chế việc tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn, người ta sử dụng một số phản ứng hóa học để bảo vệ các nhóm chức của 6 luan an các chất đích trước khi tiến hành flo hóa nhằm làm tăng hiệu suất đánh dấu phóng xạ của các chất mang chứa Flo [17], [28].
Phản ứng fluorid hóa ái nhân của 18 F [18 F]F2 và ion 18 F− được tạo ra từ cyclotron bằng phản ứng hạt nhân 18 O(p,n)18 F trong phương pháp tổng hợp HPX không có chất mang [51]. 18 F− hoàn toàn không hoạt động trong nước. Do vậy, cần sử dụng những phương pháp khác để tăng cường khả năng thế ái nhân của nó. Các anion 18 F− được tạo ra từ phản ứng bắn phá nước giàu 18 O dễ dàng tạo muối với các kim loại kiềm như kali fluorid, cesi fluorid hay bạc forid và với ion H+ trong nước để tạo thành hydro fluorid.
Để loại các tạp chất thì dung dịch chứa 18 F− được cho qua một cột trao đổi anion để bẫy aion 18 F-fluorid, sau đó sử dụng các chất xúc tác chuyển pha trong dung môi lưỡng cực aprotic như kali/kriptofix222 trong acetonitril hay muối tetraalkylamoni trong dimetyl- formamid đi qua cột để bắt 18 F−. Theo phương pháp này, các bazơ như kali oxalat, kali carbonat được cho thêm vào cùng các chất xúc tác chuyển pha trong dung môi lưỡng cực Aprotic nhằm chặn các phản ứng tạo ra hydro fluorid [55]. Tiếp theo, hòa tan đẳng phí nhiều lần với acetonitril nhằm loại bỏ nước dư để thu được các ion flo khan. Phản ứng thế flo ái nhân tiếp theo với dẫn chất thơm hay các chất béo được thực hiện một cách dễ dàng và tạo ra DCPX với hoạt độ phóng xạ riêng cao [39], [72], [81].
7 luan an Hình 1.3 Điều chế dược chất phóng xạ dán nhãn 18 F cho PET Quá trình điều chế một DCPX dùng cho PET, đặc biệt là các DCPX gắn 18 F như 18 F-FDG hay 18 F-NaF là quá trình gắn 18 F vào chất mang, sau đó, tinh chế và tách chiết được DCPX ở dạng thuốc tiêm như hình 1. Quá trình điều chế dược chất phóng xạ cho PET [44] 18 F được sản xuất theo nhiều phương pháp, phương pháp phổ biến nhất hiện nay là bắn bia nước giàu 18 O bằng chùm proton năng lượng cao tạo ra phản ứng hạt nhân chuyển 18 O thành 18 F [39].