放射化學基礎篇Q&A

Q1：Radionuclide和Radiopharmceutical有什麼不同？
A1：放射性核種radionuclide就是一種具有放射性的元素，例如Tc-99m、I-131以及F-18等等，核醫常用的核種大部分是來自於反應爐或是迴旋加速器所製造的，其中由反應爐所生成的核種通常半衰期都比較長，價格也比較便宜，而且很容易拿的到，因此多用於影像診斷以及治療方面，常見的反應爐製造核種包括Mo-99、I-131、Y-90以及Sr-89等等；另一方面由迴旋加速器所製造的核種通常其半衰期都很短，價格昂貴而且不是每個地方都能拿的到，這些核種包括F-18、I-123、C-11、O-15以及N-13等等。當這些核種和一些特殊的藥物結合後，它們便稱之為放射藥劑Radiopharmceutical，這些結合物由於它們本身的生化特性以及生理活性而能夠到達某些特定的組織，而這些種類繁多的放射藥劑最主要的製造目的便是在於診斷各種的疾病。

Q2：核醫所使用的放射藥物有那些特性？
A2：放射藥物這個名稱在核醫界已廣為接受，但若是以製備的過程來看，該稱之為診斷用放射性物質radiodiagnostic agents會更貼切，這些具有活性的成分，也就是有標幟放射性的化學物質有幾個特性，就是所使用的量非常低，通常少於1 ng，這個濃度遠低於足以在人的身上引發藥物生理反應的藥物濃度，在大多數的狀況下，不具放射活性的部分其所佔的比例通常遠比有放射活性的部分超過很多，這些無放射性的部分像是蛋白質，ligand或是其他用於製備過程中用以穩定反應的carrier載體等等，但是必須再重複提一次，它們的濃度都是低到不具任何藥理活性的。在極罕見的情況下也有例外，就是當被檢查者本身對於注射放射藥物的某個成分特別敏感的話，就很容易會引發過敏反應，另外還有一些被設計為用來治療的藥物，因為自放射性元素的原子核會釋放出粒子的輻射，因此具有細胞毒性。在設計放射藥物時會同時考慮生理和化學的特性，使得它們能準確的到達目標器官或組織，至於其他有關於如何設計放射藥物的課題則必須再進一步研讀其他的參考資料。

Q3：Tc-99m的cold kits裡頭是如何運作的？

A3：Tc-99m的cold kits通常含有所有足以製備放射性藥物的成分，當然Tc-99m是不包含在內的，它們大多由業者所製造而且保存期限一般都可以長達12個月，不過有些會比較短，像是HMPAO的kit就屬於這一種類型。Cold kits的種類眾多，也就是說它有著各式各樣的產品可供各地的核醫科依需求而有不同的選擇，而所謂的kit就是一個小的玻璃瓶，裡頭裝有特定量的反應用物質，這些通常是以冷凍乾燥的粉末狀態存在，但是也有的是以冰凍溶液的方式來保存。這些放射性標幟完成的產物在體內的分佈是依據Tc-99m所接合上ligand本身的自然特性而決定，當標幟反應一開始時Tc-99m必須先自+7價的狀態還原到較低的氧化狀態，通常是+3或是+5價，如此才能和那些ligand發生複雜的化學結合反應，比較常見的ligand有DTPA，MDP以及PYP等等。至於在還原劑的選擇方面，則多是採用Sn(Ⅱ)(SnCl2或是SnF2)；因為tin錫在二價的狀態下毒性並不強，但是因為它的化合物很容易就會形成膠狀的氫氧化物或是含水的氧化物，因此為了避免這個問題的發生，選擇適當且易溶於水的亞錫化合物是很基本的要件。要能成功的製造以及將cold kits商品化，有個前提是它的有效期限要夠長，最好有12個月或者更久，所以為了防止空氣將Sn(Ⅱ)氧化，所有的反應物都要冷凍乾燥處理而且瓶內採抽真空或是灌上一些像氮氣這類的氣體；另外還會加入一些抗氧化劑(以Vit C或gentisic acid最常用)，不但更能提昇kits的長期穩定度，而且對於標幟完成的放射藥物也可以延緩它們的氧化程度，譬如說Tc-99m MDP的製備過程中若是不添加抗氧化劑，那麼當病人所注射的藥劑是數小時之前就已經配製好的狀況下，影像上就會出現甲狀腺以及胃部的放射活性聚積，這問題是在於自藥物製備好到使用時的中間，已經有游離的Tc-99m O4-生成的關係，而這一點僅需在製備藥物的步驟中加入一些抗氧化劑就可以解決了。

Q4：以HMPAO為特例來說明錫在Tc-99m標幟的放射性藥物中扮演著多重要的角色？
A4：錫在Tc-99m標幟的放射性藥物中所扮演的關鍵性角色，可以用HMPAO這個kit來說明。當藥瓶中錫的含量理想狀態的6 μg時，Tc-99m HMPAO在製成後可以在30分鐘內保持穩定的狀態，而且其放射化學純度可以＞85％，不過其水解產物以及free的TcO4-以及一些膠狀的不純物仍然會隨著時間而不斷增加。如果說將kit用生理食鹽水稀釋成5份來配製藥物的話，由於放射化學純度相對的降低了，這會導致free的TcO4-增加的速度變快，不過如果能額外的添加一些錫，使其含量達到理想狀況(每瓶6 μg)的話，放射化學純度就可以維持在85％，使得反應產物Tc-99m HMPAO的安定性可以維持到30分鐘。Kumar以及Chu曾對錫在調節free的TcO4-以及HMPAO分解中扮演什麼樣的角色做了一些研究：當配製完成1小時後，放射化學純度會小於65％，此時若加入少量的錫(6 μg)，藉著降低freeTcO4-的量而可以使放射化學純度回到85％的狀況，但是如果將錫的量加到10μg，HMPAO自親脂性解離為親水性的速度反而會加快，而且這是不可逆的現象。由以上的觀察便顯示出，錫在調節Tc-99m標幟放射性藥物中扮演著關鍵性的角色。

Q5：顆粒狀的放射藥物在體內的分佈是由什麼因素決定的？
A5：顆粒狀的放射藥物包括了放射膠狀體、巨集蛋白以及標幟後的血球，比較小的膠狀體像Tc-99m antimony sulfide(平均顆粒大小為10 nm)，當採取皮下注射時，會沿著淋巴的循環而聚積在淋巴節裡，當採靜脈注射時，它在血中停留的時間以及肝與脾臟的攝取量都會比一般顆粒較大的膠狀體來的長以及少，相對的在骨髓的攝取量則較高。因此當顆粒的大小越大，譬如說像sulfur colloid它們會被kupffer cell吞噬而聚積在肝臟，因此很明顯的，當顆粒越大，血中的清除率就會越快，而且肝脾的攝取量也會越高。不過其中在整個膠狀體分佈中顆粒較小的部分在脾臟的攝取率仍然是偏低的，這種情形可以用Tc-99m PHYTATE來說明，因為Tc-99m PHYTATE在注射時並未加入鈣離子，它是在進入血液後才與血中的鈣離子結合而形成Tc-99m calcium PHYTATE的膠狀顆粒，若要得到較佳的脾臟影像，顆粒的大小要介於100～1000 nm才行，要做到這點，只有在Tc-99m PHYTATE注射前先加入鈣離子先形成Tc-99m calcium PHYTATE的膠狀顆粒才行。
當顆粒的大小超過8 μm時(紅血球的大小)，這些顆粒就會被肺部的微血管給捕捉住，不過肺部灌注掃瞄所使用的藥物顆粒都遠大於此(20～40 μm)，因此甚至早在之前較粗的血管(微血管前的肺小動脈)就被卡住了。 要偵測活血球細胞在體內的分佈，最主要取決於它們的生理活性，因此放射性標幟的血球必須仍在血液中循環；要標幟紅血球，最好選擇半衰期較長的核種，像是以鉻酸鹽形式存在的Cr-51(半衰期27.7天)，這種方式被廣泛的使用在測定紅血球的壽命方面。不過這種方法因為Cr-51會自標幟好的的紅血球中慢慢的游離出來，因此在長期的測量過程裡，紅血球的壽命(T2/1)最多只有30天(平均值)罷了。
另外在時間較短的檢查不管是in vivo或是in vitro都是利用Tc-99m來對內部已充滿亞錫離子的紅血球進行標幟，這種技巧在於做心臟血管類的檢查特別合適，另外如果把這些標幟後的紅血球加熱到50度的話，這些細胞會變成橢圓形的，這樣當循環時就會被脾臟給吞噬清除掉。如果加熱的時間過長的話，因為細胞被破壞的太厲害，會造成有破裂的現象，而導致肝臟也出現活性聚積的現象。 用In-111加上oxinate複合物來標幟血小板的話，可以定位循環中是否有血拴的存在。要標幟白血球也可以用In-111或是Tc-99m膠狀物的方式來進行，這是利用白血球會吞噬細菌或是外來物質的特性來完成(這是較以前所使用的方法站長註)。白血球可能因在標幟的過程中被刺激活化的因素，而導致注射回血液中時有部分會移動至肺部，不過大約1小時候就會回到循環之中，不過若是因為如此而想抑制標幟過程中白血球的活化程度，這些白血球反而會出現聚集的現象，而導致肺部的聚積會持續很長的時間才會散去。

Q6：Radionuclidic，radiochemical，chemical以及biological有什麼不同？
A6：國家藥典中的放射藥物專論對於放射藥品的純度以數個不同的角度來規範，以自Mo-99/Tc-99m孳生器沖出的Tc-99mO4-為例對於討論這些規範將十分有幫助。
Radiochemical Purity放射化學純度：
在放射核種中一些不要的或是具有不同化學結構的東西就是所謂的放射化學不純物，因此在Tc-99mO4-沖出液裡膠狀的Tc-99mO2就算是個放射化學不純物的例子。我們可以藉著濾紙色層分析法來得知不純物所佔的比例，在英國的藥典中有規定，整個Tc-99m的活度中Tc-99mO4-所佔的比例不得少於95％。
Radionuclidic Purity放射核種純度：
這個項目是說放射核種中存有其他核種的情形，在英國的藥典中，對於γ發射核種像Mo-99、I-131、Pu-103等等以及β發射核種像Sr-89、Sr-90加上α發射核種的不純度都有所限制。要正確的測量γ發射核種的不純度需要使用到γ-spectrometry。另一種較粗略的方法適用dose calibrator去度量用鉛瓶包住的Tc-99m沖出液來充當Mo-99的活度。這是因為利用鉛的屏蔽來擋掉Tc-99m的140 KeV能量，而去量取由Mo-99所發射更具穿透力的740以及780 KeV的能量。然而這個方法對於其他核種的能量並不具有判斷力，因此很可能會無法得知之是否會有其他更具穿透力核種存在的狀況。
Chemical Purity化學純度：
產物中一些不具放射性的化學物質可視為化學不純物，在Tc-99m孳生器的沖出液裡頭，最主要不希望參雜於其中的化學污染物質就是Al3+鋁離子，如果它超過了10 μg/mL，可能會造成紅血球的聚集或是造成配製膠狀放射藥物時發生凝聚的現象。這種鋁的不純度可能是因為用已包覆Mo-99的鋁柱會慢慢的剝蝕的關係。
Biological Purity生物純度：
這個項目是關於藥物是否曾遭受微生物(無菌sterility)或是它們生長時所產生的毒素(pyrogenicity熱原性)所污染。要判斷產物是否無菌或是不具熱原性必須用國家藥典中所規定的辦法，目前的無菌測試必須使用適合好氧及厭氧菌生長的培養機連續培養14天來測試。Pyrogens熱原或者稱之為endotoxins內毒素都是一種微生物的代謝產物，它具有水溶性以及熱穩定性，當這些注射進血液循環後會引起流汗、嘔吐、頭痛以及體溫升高等的症狀。這些細菌性的內毒素無法藉著無菌過濾或是高溫高壓滅菌來消除，要將它破壞至少得以160度高溫連續加熱4小時以上才行。內毒素並不會被正常被健康的腸胃道內層或是皮膚吸收，不過若是藉著靜脈注射或是藉著受傷的組織而進入循環之中的話，那就危險了。傳統用來測量熱原性的方法是觀察在藥物注射到兔子體內的前後，其肛溫變化的情形。現在被認為是較新且是替補的辦法稱之為Limulus test，最原始的方式是利用Limulus(鱟，一種甲殼類生物)的血液(LAL)在遇到內毒素時會形成膠狀物的特色來檢測，後來經過修正的新方法則是利用色層分析法來做，利用內毒素會將小分子的染色質分解的特性來定量出內毒素的濃度。LAL測試比兔子測驗來的敏感許多，尤其是如果藥物是用於脊髓注射用時，因為內毒素污染造成的後果相對嚴重許多，因此就更有價值了。

Q7：Tc的氧化狀態對於Tc-99m標幟的放射藥物有什麼重要性？
A7：一個元素的氧化狀態對於其所形成的各種不同化合物來說是一個很重要的化學性質，因為它會決定其化合物的型態或是離子的狀態。氧化狀態是以在形成陽離子或陰離子時所失去或得到的電子數來定義的，過渡金屬包括Tc等等的特色就是它們擁有許多種不同的氧化狀態，每一個狀態的電子組態都有所不同，目前Tc已被證實有-1到+7價氧化態的化合物存在，其中+7價是最穩定的狀態，是以TcO4-的形式存在。在這種狀態下，Tc-99m的活性很低，必須將其還原至較低的氧化狀態才能夠與其他的接合物形成化合物。不幸的是多數的化合物中裡頭所含較低氧化態的Tc-99m很容易就會被大氣中的氧給氧化，因此都必須保存在真空瓶或是充滿氮氣的瓶子裡，以延遲Tc-99m化學不純物的生成，因此不論是配製前的kit或是配製後的產物，都必須注意製造商所列的保存期限。就如同上面所討論的，最常用於Tc-99m放射藥物的還原劑就是Sn2+離子，它能提供電子而形成Sn4+的離子。其它的還原方法都需要特殊的環境，像是電解法要使用sodium borohydrite或是有機還原物如pyridoxal以及formamidine sulfinic acid之類的東西，大多數的方法都不像Sn2+這樣立刻就可以發生反應，它們都需要一些實驗室的手工技巧如調整pH值或是加熱的方式才得以達成。改變不同的氧化狀態能夠製備出很多種具有不同生理特性的化合物，在氧化數很低的情況下，必須藉著一些特殊的接合物向isonitrile或是phosphines，它們的電子軌道可以排列以容納金屬離子額外的電子。另外即使是相同的接合物，如果是和氧化狀態不同的Tc-99m結合的話，也會製造出生理活性不同的產物。像以DMSA為例，如果是在酸性環境下與Tc-99m3+結合的產物，它會停留在腎臟的皮質裡；如果是在pH 8.5的環境下配製，就會形成另外一種不同的化合物，Tc-99m(5+) DMSA，這種化合物大部分會由尿液排出，剩下的會聚積在一些腫瘤組織，特別是甲狀腺髓質癌以及腦癌。

Q8：為什麼Tc-99m標幟物中的Tc-99m不能以I-131來置換？
A8：Tc-99m能夠用來標幟許多東西，從簡單的離子(PYP)到複雜的分子(如蛋白質)都可以。在結合時接合物的分子必須重新排列組合以具有螯合chelation的功能。以小分子為例，這些接合物在形成複雜結構時通常會失去原有的生理活性，因為帶正電的陽離子會干擾到這些接合物的電子雲排列，而發生擾亂效應。因此化合物的結構也會比較複雜(接合物：:陽離子＝2：:1 or 3：:1)。上面所提到有關小分子的種種因素對於大分子(蛋白質類)來說，除非是金屬離子佔據了蛋白質的活性位置，或是金屬：蛋白質的比例過高時，才會影響到蛋白質原本的生理活性。I-131或是其他碘放射核種的標幟反應則需要以另一種模式來解釋，由於它並非陽離子，因此碘沒有辦法利用螯合反應來進行標幟，而是必須直接替換掉分子上的氫原子，而直接鍵結在碳原子上，這種碳與碘的鍵結若是發生在芳香族的環形結構上，會更加的穩固，尤其是tyrosine的苯環，正是蛋白質碘化的最主要位置。R-H + I2 --> R-I + HI，由於會形成HI，所以標幟產率最大也只有50%，如果可以利用ICl來做標幟的話，或者是藉由一些較弱的氧化劑如chloramine-T來將I2氧化成I+，產率當然會更好；另一種更複雜的方法則是用一些像Bolton-Hunter的反應試劑來當作標幟前的中間物，它會藉著醯基化反應而接合在蛋白質自由端的amino acid上。就如同金屬類的放射核種，如果一個蛋白質中結合了太多的碘原子，也會擾亂了它原本的生物活性，要避免這種現象的發生，可以藉著一些高專一性的碘化反應來減少碘：蛋白質的比例；另外在碘標幟的過程裡，大多數的蛋白質在使用一些較強烈的試劑或是在較激烈的環境進行反應時，很容易會發生變質的現象，因此必須格外小心。

Q9：Technegas generator的使用原理是什麼？目前對於產物的了解有多少？
A9：Technegas是目前由澳洲研發的一種可供肺部通氣掃瞄lung ventlation使用的商品化generator，當使用時會藉著呼吸的過程將放射活性吸進而沈積停留在肺泡裡，如此一來就能悠悠閒閒的對肺部照不同角度的影像。Technegas的製造方法是先將Tc-99mO4-置於一通電的石墨製坩鍋，其中充填著氬氣，在加熱至攝氏2400 ℃後Tc-99m就會揮發形成微小的懸浮粒，這就是所謂的Technegas，它可能是一種標幟上Tc-99m的超微小顆粒，在剛從機器製造出來的時候它的顆粒只有0.005 μm，不過若是儲存過久沒使用的話，這些顆粒就會互相聚集形成較大的粒子，大概每分鐘有20％的小顆粒會方發生上述的狀況，因此建議在10分鐘內使用完畢，以保持檢查結果的穩定性。雖然說目前對於Technegas的性質還不清楚，但是它製備的方式和一種碳60聚合物的製備方式十分相似，這種碳60聚合物C60 fullerene是一種碳的組合型態，將60個碳原子做一球狀的排列，就像足球的形狀一樣。儘管已經研發出來許多種碳的聚合組成，但是其中最常見以及穩定的還是碳60，這種球狀的籠狀物可以將金屬離子封閉在其中，這也是其中一種能夠用來解釋Technegas形成的可能原因之一，藉著在Technegas的製成過程中，將內含薄片的探針置於石墨製坩鍋上便能收集並證實這個碳聚合物的存在，另外值得注意的，如果石墨坩鍋中氬氣的氧含量超過3％的話，就製造不出Technegas了。經過更進一步X光的光電子光譜分析以及穿透掃瞄式電子顯微鏡都指出Tc可能是以(TcO2)的聚合物或者是(TcO2)與碳的奈米微粒結合的型態存在，不過至目前為止，還是沒有進一步的證據能證實Technegas與碳聚合物有什麼樣的關係。