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氟-18

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氟-18,18F
氟-18 衰變0至24小時後的含量
基本
符號18F
名稱氟-18、F-18、氟-18
原子序9
中子數9
CAS號13981-56-1  checkY
核素數據
豐度放射性同位素
半衰期109.771(20) min
衰變產物18O
原子量18.0009380(6) u
自旋1+
過剩能量873.431± 0.593 keV
結合能137369.199± 0.593 keV
衰變模式
衰變類型衰變能量MeV
正電子發射 (97%)0.6335
電子捕獲 (3%)1.6555
氟的同位素
完整核素表

氟-1818F)是放射性同位素,在自然界中相當罕見。它的原子質量為 18.0009380(6) u ,半衰期為 109.771(20) 分鐘。它有97%的概率會以正電子發射進行衰變,也有3%的概率以電子捕獲來完成。兩種衰變方式都會產生氧-18

氟-18是正電子的良好來源,因此是正子斷層造影中最常用的同位素[1]

製備

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氟-18常見的形式有氟氣及水溶液兩種,它們的製備工序及化學性質都不相同,兩者間的化學性質差異可能會影響到後續的放射性藥品合成[1]。氟氣非常活躍,與許多基底物一接觸就會爆炸。故合成時,必須在低溫條件下,再以稀有氣體稀釋再開始反應。醫學上通常在氖氣中將其稀釋至0.1% 濃度。儘管如此,反應仍會在一瞬間完成,並造出大量副產物,基底物亦會被氧化破壞。目前只有少數放射性藥品仍會選用氟氣合成,如18F-FDOPA[1]

水溶液合成被發明後,已在大部分情景取代了氟氣合成。這條路線以親核反應為基礎,較為溫和,故可以與複雜精巧的藥品合成而不會將其破壞。目前最重要的正電子藥品氟代脫氧葡萄糖(FDG)正是以此方法合成,需時30分鐘,產率有50%[1]

水溶液製備

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現今在核醫學中用到的氟-18都是人工製造的水溶液。方法是利用迴旋加速器直線加速器,將高能量(約18MeV質子轟擊純水或濃縮的重氧水(又稱18O水),可製出含有氟-18陰離子的水溶液。[2]溶液立即與其他藥品(如甘露糖)進行化學反應,合成出所需的放射性藥物。放射性藥物不能通過將藥品與[18O]結合來製造,因為轟擊[18O]時所用到的高能量質子束會同時破壞掉藥品的化學結構。因此,製造含有氟-18的放射性藥物時,只能先生產氟-18,再合成含氟藥物。

氣體製備

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製備氟氣的方法則有兩種。第一,用高能量(40 MeV以上)的氘核轟擊含有0.1-0.2%氟氣雜質的高壓(約25氖氣,可以製備出含氟-18的氟氣。這是第一種被發明的氟-18製備方法,於1980年代面世[3],於1990年已十分常用。該方法產率約有一至兩成。由於氖有多種同位素,轟擊產物有十多種,處理不便。[4]

另一種合成方法是以含有氧-18氧氣為目標,在氪氣中用11 MeV質子轟擊,也可以得到含氟-18的氟氣。本方法適合只能操作質子的舊式迴旋加速器。本方法可細分為兩部分:首先,以為基底,用質子轟擊加壓的98% 氧-18氣體,可產生黏著在鎳上的氟-18,可在低溫條件下收集。第二步則將1%的氟氣及99%的氪氣混合物短暫轟向鎳,通過同位素交換將氟-18置換出來。本方法的產率約有50%。如改用氟氣及氖氣的混合物,則產率有25%。但因氟氣過於活躍,經常與基底物發生反應,故需用同位素交換將氟-18置換出來,降低了反應產率。此外,若氧氣標靶有一星期以前未經使用,產率將大幅下跌。[5][6]

化學性質

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由於氟-18 的電負性及空間位阻羥基相似,它可以替代母體分子中的羥基,合成為放射性追蹤劑。例子包括氟代脫氧葡萄糖18F-FDG)。它可以替代羥基的原因是它們的物理性質類似。然而,由於氟-18的極性與羥基相反,這可能會影響到部分化學反應的進行[7]

應用

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氟-18是正電子發射計算機斷層掃描(PET)自發展早期(1960年代)就開始使用的核素之一。[8]其主要優勢是半衰期適中(約2小時),對人體長遠影響較少,但仍有足夠時間進行後續的藥物合成步驟及運輸到其他醫院;以及所發射的正電子動能較低,故在體內的移動路徑較短,造成的影像定位失真較輕微。此外,在化學層面上,碳-氟鍵相當穩定,氟-18很少從放射性藥物中分解,故不會污染其他正常的器官。與其他鹵素相比,氟擁有較小的離子半徑,讓它可以模擬成人體已有的分子,參與生物反應。至今,氟-18依然是大多數正電子掃描所使用的核素[1]

放射性示蹤劑的機理可以分為以下數種:模擬成骨頭所需的礦物質、模擬成熱量的提供物、模擬成磷脂蛋白質DNA合成所需的原材料、參與配體反應、或是針對某種疾病而特製的分子影像試劑。氟-18於上述各類的示蹤劑中均有應用。

氟化鈉於1972年獲美國食品藥品監督管理局批准用於骨骼成像,是第一批獲准使用的放射性示蹤劑。骨頭的主要成分羥磷灰石本身就含有少量氟離子,故氟-18可藉此途徑進入骨頭。經靜脈注射後,氟化鈉迅速從血液中進入骨頭,短時間內即可產生骨骼背景對比值很高的影像[9]。氟化鈉造影可以判斷成骨性及蝕骨性的腫瘤遠端轉移[1],效果比傳統的Tc99m-MDP英語Technetium (99mTc) medronic acid要準確[10]

氟代脫氧葡萄糖 (FDG)則模擬成葡萄糖,引誘細胞將其吸收。FDG的結構與葡萄糖極為相似,但其中 18F 取代了一個氫氧基葡萄糖載體蛋白英語Glucose transporter將FDG運輸進入細胞後,由於FDG並非葡萄糖,無法被分解,故會在細胞內積存。利用此項特性,可以偵測出體內大量消耗葡萄糖的身體部分[11]。FDG被廣泛用於偵測心臟肌肉活性、發炎部位、腫瘤等[1]。由於FDG的吸收量與腫瘤的增生速度有密切關係,它亦被用於腫瘤分級[12]

在磷脂合成時需要大量膽鹼,故將氟-18與膽鹼合成,則可讓氟-18參與磷脂合成。採用此方法的示蹤劑包括18F-FMC[13]18F-FECh[14]等。癌細胞的增生需要大量磷脂來製造細胞膜,所以本類藥物能偵測出癌細胞活躍的部位。目前18F-FMC主要用於前列腺癌的監察[1]

蛋白質合成則以氨基酸為材料,故18F-FET18F-DOPA等示蹤劑則是將氟-18標記到氨基酸上,讓示蹤劑參與蛋白質合成[15]。本方法常用於腦腫瘤神經內分泌腫瘤的造影,以至偵測帕金森氏症相關的神經元退化[1]

同樣地,在DNA合成時,細胞外的核苷會經由補救途徑進入細胞參與合成,故將氟-18標記到胸苷上,示蹤劑就可進入細胞參與DNA合成。採用此方法的示蹤劑包括18F-FLT[16]。由於癌細胞增生時會合成大量新的DNA,DNA合成速度,以至18F-FLT的細胞內濃度都可以用作反映癌細胞的增生速度。目前18F-FLT主要用於監察治療癌症的成效[1]

有部分示蹤劑則利用荷爾蒙受體結合的特性,將氟-18標記到荷爾蒙上。採用此方法的氟-18示蹤劑包括:仿造雌激素18F-FES、仿造雄激素18F-FDHT、含氟-18標記的攝護腺特異性膜抗原18F-DCFBC)等等[17] [1]

在分子影像試劑方面,示蹤劑則針對某種疾病的特性,與其某部分的產物結合,從而偵測出該種疾病。例如Vizamyl英語Flutemetamol (18F)能與阿茲海默症產生的類澱粉蛋白結合,有助診斷輕微的阿茲海默症[18]氟咪唑則只會停留在缺乏氧氣的細胞內,正常細胞則會將它重新氧化並排出細胞外。由於癌細胞經常缺氧,這項特性可用於偵測缺氧的癌細胞[19]。其他正在研究的分子影像試劑包括仿造胱天蛋白酶18F-CP18、仿造整合素αVβ3氟-18標記多肽英語18F-fluciclatide等等[1]

此外,亦有研究嘗試將氟-18標記到抗體上,與癌症抗原英語Tumor antigen結合來偵測癌細胞 [20]

參考資料

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  1. ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 Volterrani, Duccio; Erba, Paola Anna; Carrió, Ignasi; William Strauss, H.; Mariani, Giuliano. Nuclear Medicine Textbook: Methodology and Clinical Applications. 10 August 2019. ISBN 978-3-319-95564-3. 
  2. ^ Fowler J. S. and Wolf A. P. (1982) The synthesis of carbon-11, fluorine-18 and nitrogen-13 labeled radiotracers for biomedical applications. Nucl. Sci. Ser. Natl Acad. Sci. Natl Res. Council Monogr. 1982.
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相鄰較輕同位素:
氟-17
氟-18是
同位素
相鄰較重同位素:
氟-19
母同位素
氖-18
氟-18的
衰變鏈
衰變產物
氧-18