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. 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, 137Cs, 192Ir.
Một số ĐVPX phát xạ tia β khác như 14C, 35S.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 99mTc 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 11C, 18F, 64Cu.Hoặc một số ĐVPX sử dụng trong điều trị ung thư như 90Y.Có những ĐVPX vừa dùng trong cho PET, vừa có thể điều trị ung thư như 67Cu. 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, 13N, 15O, 18F và 64Cu, 67Cu được sản xuất trên cyclotron hoặc từ các máy phát (generator) như 68Ge/68Ga và 82Sr/82Rb 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 đã có một vài trung tâm cyclotron sản xuất được ĐVPX 18F cũng như điều chế được DCPX 18F-FDG.
Đó là tiền đề, là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu sản xuất các DCPX khác dãn nhán ĐVPX 18F ngoài 18F-FDG cho các chẩn đoán khác. Một trong những DCPX đó là 18F-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 18F 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 18F-FDG, liều sử dụng cho một bệnh nhân (BN) khoảng 10 mCi với lượng 18F chỉ khoảng 10−10g. 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 5 và các chất mang. Chất mang được định nghĩa trong Sách Vàng (Gold Book) của Hội hóa học 6 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 18F 18 chính cho các 18 là [tạo F được F]F ra 2từ[82] lò và 18ứng phản F[F−hạt ] [73]. Phản ứng thế ái điện tử của [18F]F2 [18F]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 18F. Để giải quyết vấn đề này, cần bổ sung các chất mang như amoni acetat và xenon vào [18F]F2. Sơ đồ tổng hợp các chất 18F-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 7 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 18F [18F]F2 và ion 18F− được tạo ra từ cyclotron bằng phản ứng hạt nhân 18 O(p,n)18F trong phương pháp tổng hợp HPX không có chất mang [51].
18F− hoàn toàn khác để không tăng hoạt cường động khả trong năng nước. thế ái nhânDo củavậy, nó.cần sử dụng những phương pháp 18 − 18 Các tạo muối vớianion F loại các kim đượckiềm tạo ranhư từ phản ứng bắncesi kali fluorid, phá fluorid nước giàu O dễforid hay bạc dàngvà 18 − 18 dịch chứa với ion F được H+ trong nướccho quathành để tạo một cột traofluorid. hydro đổi anion để bẫy Để loại aionchất các tạp F-fluorid, thì dung sau đó sử dụng các chất xúc tác chuyển pha trong dung môi lưỡng cực aprotic formamid qua cột để bắt 18 oxalat, nhưđikali/kriptofix222 F−. Theo trong phương acetonitril haypháp muốinày, các bazơ nhưtrong tetraalkylamoni kali dimetyl- 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].3 Điều chế dược chất phóng xạ dán nhãn 18F cho PET Quá trình điều chế một DCPX dùng cho PET, đặc biệt là các DCPX gắn 18 F như 18F-FDG hay 18F-NaF là quá trình gắn 18F 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 18O bằng chùm proton năng lượng cao tạo ra phản ứng hạt nhân chuyển 18O thành 18F [39]. Lượng 18F-fluorid trong dung dịch nước giàu 18O tạo ra phụ thuộc từng loại cyclotron, hệ thống bia và việc cài đặt các thông số bắn bia (ví dụ: cường độ chùm tia, thời gian bắn bia) [81].
Sau khi bắn bia, dung dịch 18F-fluorid trong nước được vận chuyển đến thiết bị thổng hợp HPX thành DCPX dạng tiêm. Một mẫu DCPX được lấy ra để kiểm tra chất 9 lượng nhằm 10 đảm bảo an toàn khi sử dụng trên bệnh nhân. Sau khi tiêm DCPX, các bệnh nhân được chụp hình PET. Hình ảnh PET thu được để sử dụng cho việc chẩn đoán [32].