題記
記得，同位素、同位素標(biāo)記這些詞匯首次被輸入進(jìn)大腦，可追溯到少時學(xué)習(xí)“光合作用”的年代...是啊，我們曾經(jīng)學(xué)了那么多東西，真正能用到日后工作中的，又能有多少？而這眾多的“知識點(diǎn)”，倘若能在日后有所接觸，就已經(jīng)十分不易了...曾經(jīng)的同位素標(biāo)記，告訴了我們“光合作用中釋放的氧到底是來自于水，還是來自于二氧化碳”，而今天工作中的同位素示蹤，又能告訴我們哪些信息呢？而我們又需要了解哪些與藥物相關(guān)的同位素信息呢？筆者作為一名藥物合成人員，作了如下歸納總結(jié)，希望能對君有益！
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同位素簡介
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同位素為相同化學(xué)元素的原子，由于在原子核中存在不同的中子數(shù)而具有不同的質(zhì)量，有輕、重同位素之分；根據(jù)物理特性，又可將同位素分為放射性和穩(wěn)定性兩種形式。放射性同位素(如：3H、14C)經(jīng)歷著自身的衰變過程，并放射出輻射能，是不穩(wěn)定的，具有物理半衰期；穩(wěn)定性同位素?zé)o放射性，物理性質(zhì)穩(wěn)定，以一定比例(豐度)存在于自然界，對人體無害，可采取化學(xué)合成的方法將其標(biāo)記到藥物分子中去，并通過氣質(zhì)、液質(zhì)等儀器對其進(jìn)行跟蹤檢測。
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“同位素標(biāo)記”在藥物研發(fā)過程中的2個主要方向
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&藥代動力學(xué)研究
在定量分析靈敏度方面，放射性同位素標(biāo)記化合物要高于穩(wěn)定同位素標(biāo)記物，且放射性的測量不受非放射性雜質(zhì)和化學(xué)狀態(tài)的影響，因此定量分析更加簡便，分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。放射性同位素標(biāo)記化合物除了用于解決常規(guī)分析方法無法解決的分析難題，更重要的是可用作示蹤劑，從而來研究藥物在體內(nèi)的分布、代謝、療效、作用機(jī)制等，為藥物的藥代動力學(xué)研究提供重要的依據(jù)，同時為創(chuàng)新藥物的研發(fā)提供方法。
&毒性研究
潛在毒性研究是藥物的發(fā)現(xiàn)和臨床過程中必須進(jìn)行的一個環(huán)節(jié)，以往的毒性研究多采用對大量的化合物進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)和動物實(shí)驗(yàn)，需要花費(fèi)大量的金錢和時間，且對毒性產(chǎn)生的機(jī)理也無法解釋。使用穩(wěn)定同位素標(biāo)記的化合物可以追蹤藥物的代謝過程，找出毒性產(chǎn)生的原因，并能預(yù)測新化合物潛在的毒性。
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“放射”VS“穩(wěn)定”簡述
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&放射性同位素標(biāo)記
放射性同位素得以廣泛應(yīng)用于活性物質(zhì)示蹤主要依賴于其最重要的兩個特點(diǎn)：1)是與被示蹤的物質(zhì)有同一性，即放射性核素與其同種元素的非放射性核素在化學(xué)和生物學(xué)行為上具有高度一致性，不致擾亂和破壞體內(nèi)外生理過程的平衡狀態(tài)；2)是與被示蹤的物質(zhì)有可區(qū)別性，放射性核素的原子核不斷衰減，發(fā)出能被放射性探測儀所探測的射線，從而實(shí)現(xiàn)對標(biāo)記物的定量及定位。此外，放射性同位素示蹤技術(shù)還具有靈敏度高、專屬性強(qiáng)、適用性廣、檢測方法簡便等優(yōu)點(diǎn)，因此在藥物ADME研究中得到了廣泛的應(yīng)用，且美國FDA早已將放射性同位素標(biāo)記藥物給藥后的藥動學(xué)數(shù)據(jù)作為新藥安全性評價(jià)的重要依據(jù)，并制定了相關(guān)指南。
&穩(wěn)定性同位素標(biāo)記
穩(wěn)定同位素標(biāo)記試劑較放射性同位素標(biāo)記試劑而言，最主要的優(yōu)點(diǎn)在于無放射性、無需復(fù)雜的放化設(shè)備及防輻射防護(hù)措施，且無環(huán)境污染。目前，在我國國內(nèi)已完成了15N、18O、20Ne、22Ne、13C等穩(wěn)定同位素分離技術(shù)的研究，并逐步將穩(wěn)定同位素標(biāo)記試劑的制備和檢測技術(shù)進(jìn)行國產(chǎn)化研發(fā)，從而打破國外壟斷。
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示蹤劑如何選擇？
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&放射性同位素示蹤劑
在藥物ADME的研究中，常用的放射性同位素包括14C、3H、32P、33P、35S、125I、131I等。隨著小型PET儀器的發(fā)展，利用11C、13N、15O、18F等放射性核素進(jìn)行ADME研究的實(shí)例也日漸增多。在放射性示蹤劑的選擇上，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)周期以及操作者安全等幾方面綜合考慮，包括所選放射性同位素的射線類型、半衰期、放射化學(xué)純度、比活度、毒性及標(biāo)記位置等。常用的放射性示蹤劑多為單一放射性同位素標(biāo)記的化合物，有時為了實(shí)驗(yàn)的特殊需要，也可以采用雙標(biāo)記或多標(biāo)記的放射性物質(zhì)，但此時選用的標(biāo)記原子最好是不同能量或發(fā)射不同類型射線的核素。常見的有14C/3H、14C/125I、125I/131I等。
低能量的14C和3H是藥物ADME研究中最常用的2種放射性核素，這2種核素的半衰期分別為5730年和12.35年，由于其半衰期長，在實(shí)驗(yàn)周期中測得的數(shù)據(jù)一般不需要作物理半衰期的校正，便于測量及結(jié)果計(jì)算。再者，14C和3H兩種元素發(fā)射的β-射線能量較低，易于防護(hù)，并可用液閃技術(shù)測得，實(shí)驗(yàn)操作及結(jié)果檢測十分方便。此外，14C和3H還可通過放射自顯影技術(shù)進(jìn)行檢測，顯影清晰，這又進(jìn)一步擴(kuò)大了這2種核素的標(biāo)記物在ADME研究中的應(yīng)用。
&穩(wěn)定性同位素示蹤劑
藥學(xué)領(lǐng)域常用于示蹤的穩(wěn)定性同位素，主要為2H、13C、15N、18O。嚴(yán)格來講，穩(wěn)定性同位素是指某元素中不發(fā)生或極不易發(fā)生放射性衰變的同位素，如12C和13C均是碳的穩(wěn)定性同位素，且在代謝研究中，“穩(wěn)定性同位素”常用來表示天然豐度比較低的那一種穩(wěn)定性同位素。碳在自然界中主要以12C的形式存在，13C僅占1.11%，氮元素則以14N為主，15N僅占0.37%。
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標(biāo)記位置的選擇
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在制備標(biāo)記藥物前，首先要選好合適的同位素作為標(biāo)記元素并決定標(biāo)記的位置。作為示蹤研究用的標(biāo)記藥物要使標(biāo)記的原子盡量能代表該藥物整個分子在生物體內(nèi)的作用，并且要注意到藥物在體內(nèi)可能發(fā)生的變化。在選用作為標(biāo)記原子的同位素時應(yīng)考慮到藥物分子的結(jié)構(gòu)，同位素的半衰期，射線的能量，是否易把標(biāo)記原子引入以及示蹤試驗(yàn)的特殊要求等因素。最常用的同位素有14C、3H和35S；有時也采用32P、131I。
14C作為最常用的放射性核素通常標(biāo)記在分子的骨架結(jié)構(gòu)上，其標(biāo)記位點(diǎn)較為穩(wěn)定；3H易與周圍環(huán)境中的1H發(fā)生交換，導(dǎo)致比活度下降，因此穩(wěn)定性不如14C；此外，3H相對于14C來說有較明顯的同位素效應(yīng)，也在一定程度上限制了其應(yīng)用。不過在一般的示蹤實(shí)驗(yàn)中，由同位素效應(yīng)引起的誤差常在實(shí)驗(yàn)允許誤差內(nèi)，可忽略不計(jì)。此外，考慮到3H標(biāo)記物的合成較為簡便，因此在3H標(biāo)記物能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求的情況下，也常選用3H標(biāo)記物作為示蹤劑。
除以上，在標(biāo)記位點(diǎn)的選擇時，還可利用計(jì)算機(jī)輔助代謝物預(yù)測技術(shù)(CAMP)預(yù)測化合物分子結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定部位。一般來說，應(yīng)首先考慮對分子結(jié)構(gòu)中的芳香環(huán)或脂環(huán)上的C原子進(jìn)行標(biāo)記，而盡可能避免在羧基、羥基、巰基、氨基、亞氨基等活性部位進(jìn)行標(biāo)記。因?yàn)橐坏┻@些不穩(wěn)定基團(tuán)脫離母體化合物，就失去了對母體藥物及主要代謝物的示蹤的能力。此外，標(biāo)記位點(diǎn)還應(yīng)遠(yuǎn)離化學(xué)鍵斷裂位置，以避開同位素效應(yīng)的影響。如果母體化合物在代謝過程中因化學(xué)鍵斷裂同時生成2個重要代謝產(chǎn)物，在母體化合物標(biāo)記時可考慮采取雙標(biāo)記技術(shù)。
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同位素標(biāo)記試劑的化學(xué)合成
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&放射同位素標(biāo)記試劑的合成
放射性化合物的合成制備，受限于其有限資源和高昂的費(fèi)用，因此一般新藥進(jìn)入實(shí)質(zhì)性研發(fā)階段才采用放射性標(biāo)記化合物進(jìn)行示蹤研究。放射性化合物在藥物研發(fā)中的應(yīng)用多數(shù)傾向于限制在臨床前或臨床研究階段。而進(jìn)入臨床前和臨床研究階段之前的相關(guān)研究中通常可用直接氚化等新技術(shù)，如用氚水、氚氣、氚復(fù)合物以及近期發(fā)展起來的氚化試劑等目標(biāo)化合物分子中直接引入氚原子，得到簡單的非定位氚標(biāo)記目標(biāo)化合物，而不必進(jìn)行放射性合成方法進(jìn)行定位標(biāo)記。此類方法有一定缺陷，如在體內(nèi)易于與體內(nèi)的氫原子交換而導(dǎo)致原藥及其代謝產(chǎn)物失去放射性。但此類非定位標(biāo)記方法有著放射性示蹤物易于標(biāo)記，技術(shù)手段簡單、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，而且足以完成新藥研究初期目標(biāo)物質(zhì)在體內(nèi)外大致定性和定量目的。但新藥研究后期，化合物在體內(nèi)ADME研究、代謝動力學(xué)研究及物料平衡研究等深入確切的定位定量，甚至進(jìn)一步進(jìn)行代謝產(chǎn)物的定性定量研究中需要穩(wěn)定的定位標(biāo)記化合物來完成。因此，用化學(xué)合成方法將新藥目標(biāo)化合物中代謝穩(wěn)定基團(tuán)的C，H，I，F(xiàn) 等元素用
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