Luận án tiến sĩ: Xây dựng quy trình điều chế 18F-NaF cho PET/CT tại Đại học Dược Hà Nội

Kỹ thuật PET/CT ghi nhận các cặp tia gamma phát ra ngược chiều nhau sau phản ứng hủy hạt positron. Hình ảnh thu được phản ánh chính xác quá trình chuyển hóa tế bào ở mức phân tử. Dược chất phóng xạ Sodium Fluoride F-18 nhanh chóng tích tụ vào khung xương sau khi tiêm vào tĩnh mạch. Các ion fluorid trao đổi trực tiếp với nhóm hydroxyl trên bề mặt tinh thể hydroxyapatite của mô xương. Cơ chế này tạo thành hợp chất fluorapatite bền vững tại các vùng xương có hoạt động tạo xương tăng cao. Tỷ lệ bắt giữ thuốc tại tổn thương cao gấp nhiều lần so với mô xương lành xung quanh. Phương pháp ghi hình 18F-NaF PET/CT giúp phát hiện sớm các di căn xương ác tính và bệnh lý thoái hóa. Thời gian thanh thải thuốc khỏi máu nhanh giúp giảm độ nhiễu nền và tăng độ tương phản hình ảnh rõ rệt.

Đồng vị phóng xạ Flo-18 được sản xuất trực tiếp từ máy gia tốc cyclotron. Quá trình bắn phá chùm hạt proton năng lượng cao vào bia chứa nước làm giàu oxy-18 tạo ra hạt nhân 18F. Phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F diễn ra với hiệu suất chuyển hóa cao ở mức năng lượng proton thích hợp. Sau phản ứng, ion [18F]fluoride tồn tại trong dung dịch nước giàu oxy-18 dưới dạng không có chất mang. Nước làm giàu oxy-18 là nguyên liệu đắt tiền nên cần thu hồi triệt để sau quá trình chiếu xạ. Dung dịch chứa hoạt độ phóng xạ cao được chuyển thẳng vào hệ thống che chắn chì để bảo vệ an toàn cho kỹ thuật viên. Việc kiểm soát áp suất, nhiệt độ và dòng chùm hạt trên cyclotron quyết định trực tiếp đến tổng hoạt độ và độ tinh khiết hạt nhân của [18F]fluoride thu được.

Chụp hình 18F-NaF PET/CT sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với kỹ thuật SPECT truyền thống sử dụng 99mTc-MDP. Độ nhạy và độ đặc hiệu của phương pháp 18F-NaF cao hơn đáng kể trong việc phát hiện tổn thương tiêu xương lẫn đặc xương. Độ phân giải không gian của hệ thống PET/CT vượt trội giúp phát hiện sớm các vi tổn thương di căn tủy xương. Thời gian ghi hình rút ngắn xuống còn 30 đến 45 phút sau khi tiêm thuốc. Bệnh nhân tiếp nhận liều bức xạ thấp hơn nhưng thu được chất lượng hình ảnh sắc nét hơn. Khả năng định lượng chính xác giá trị hấp thu chuẩn SUV hỗ trợ theo dõi đáp ứng điều trị ung thư. Dược chất phóng xạ này mở ra bước tiến quan trọng trong chẩn đoán sớm ung thư tuyến tiền liệt, ung thư vú và ung thư phổi di căn xương.

Phần cứng của mô-đun tổng hợp gồm khung đỡ bằng vật liệu bền bức xạ, hệ thống bơm tiêm điện và các van xoay phân phối đa chiều. Bộ kit tổng hợp 18F-NaF sử dụng một lần được chế tạo từ vật liệu nhựa y tế vô trùng, trơ về mặt hóa học. Toàn bộ đường ống dẫn dịch làm từ chất liệu PEEK và teflon cao cấp nhằm chống bám dính ion phóng xạ. Bộ kit tích hợp sẵn các cổng cắm xi-lanh chứa dung môi rửa giải, nước cất pha tiêm và cột tinh chế. Thiết kế tối ưu dạng mô-đun rời cho phép tháo lắp nhanh chóng trước mỗi mẻ sản xuất. Cấu trúc này giúp loại bỏ hoàn toàn nguy cơ lây nhiễm chéo giữa các chu kỳ điều chế liên tiếp. Cảm biến áp suất và cảm biến mức quang học được bố trí tại các vị trí trọng yếu để giám sát liên tục.

Hệ thống phần mềm điều khiển được lập trình chuyên biệt với giao diện trực quan và thân thiện. Người vận hành dễ dàng theo dõi toàn bộ chu trình tổng hợp 18F-NaF qua màn hình máy tính từ xa bên ngoài buồng chì. Phần mềm tự động điều khiển đóng mở van, tốc độ đẩy xi-lanh và lưu lượng dòng khí trơ nén. Các thông số nhiệt độ, áp suất và hoạt độ phóng xạ theo thời gian thực được ghi nhận liên tục vào cơ sở dữ liệu. Chức năng tự động ngắt an toàn được kích hoạt ngay khi phát hiện rò rỉ áp suất hoặc tắc nghẽn đường ống dẫn dịch. Hệ thống lưu trữ nhật ký sản xuất chi tiết phục vụ công tác kiểm tra và thẩm định theo tiêu chuẩn Thực hành tốt sản xuất thuốc GMP.

Độ ổn định của mô-đun tổng hợp tự động và bộ kit dùng một lần được thử nghiệm nghiêm ngặt qua nhiều mẻ sản xuất nguội và mẻ nóng. Thiết bị vận hành trơn tru với độ chính xác cao về thể tích bơm hút và thời gian chuyển dịch. Không xảy ra hiện tượng rò rỉ chất lỏng, kẹt van hoặc thất thoát áp suất trong suốt chu trình làm việc. Thử nghiệm trên các mẻ phóng xạ nóng cho thấy hệ thống hoạt động ổn định dưới tác động của trường bức xạ cao. Tỷ lệ hoàn hồi hoạt độ phóng xạ Flo-18 đạt trên 95% mà không gây hao hụt trên đường ống và van điều hướng. Thiết bị tự chế tạo chứng minh độ tin cậy tuyệt đối, sẵn sàng áp dụng vào quy trình điều chế dược chất phóng xạ thường quy tại bệnh viện.

Kỹ thuật tinh chế cột trao đổi ion sử dụng cột Sep-Pak QMA dạng cacbonat hoặc bicacbonat để bắt giữ chọn lọc ion [18F]fluoride. Dung dịch sau chiếu xạ cyclotron đi qua cột Sep-Pak QMA với tốc độ dòng được kiểm soát chặt chẽ. Ion [18F]fluoride tích điện âm gắn chặt vào các nhóm amoni bậc bốn trên chất mang của cột. Toàn bộ lượng nước làm giàu oxy-18 quý giá không bị giữ lại và được dẫn về bình thu hồi chuyên dụng để tái sử dụng. Cột chiết sau đó được rửa sạch bằng nước cất pha tiêm vô khuẩn nhằm loại bỏ hoàn toàn các tạp chất tan trong nước. Thiết kế cột Sep-Pak QMA cải tiến giúp tăng cường diện tích tiếp xúc, giảm thiểu thể tích chết và tối đa hóa khả năng bắt giữ phóng xạ.

Dung dịch natri clorid đẳng trương NaCl 0,9% được sử dụng làm dung môi rửa giải ion [18F]fluoride ra khỏi cột Sep-Pak QMA. Quá trình trao đổi ion giữa clorid và [18F]fluoride diễn ra nhanh chóng, tạo thành dung dịch Sodium Fluoride F-18. Nghiên cứu tiến hành khảo sát các thể tích dung dịch NaCl 0,9% từ 3 ml đến 10 ml để xác định điều kiện tối ưu. Kết quả cho thấy thể tích rửa giải từ 5 ml đến 7 ml giúp thu hồi hơn 98% hoạt độ phóng xạ khỏi cột. Thể tích nước cất rửa cột trước khi rửa giải cũng được cố định ở mức 10 ml nhằm loại bỏ hoàn toàn tạp chất còn sót. Việc tối ưu hóa thể tích dung môi giúp thành phẩm đạt nồng độ thể tích hoạt độ lý tưởng cho liều tiêm lâm sàng.

Sau khi hoàn thiện ở quy mô phòng thí nghiệm 100 mCi/mẻ, quy trình được mở rộng nâng cấp lên quy mô công nghiệp 1000 mCi/mẻ. Hoạt độ phóng xạ cao đòi hỏi hệ thống mô-đun tổng hợp tự động phải chịu được mật độ thông lượng bức xạ lớn mà không làm biến tính dung môi. Thời gian toàn bộ chu trình tổng hợp được rút ngắn xuống dưới 15 phút từ lúc nhận dịch bia cyclotron đến khi thu thành phẩm. Hiệu suất điều chế hiệu chỉnh theo phân rã phóng xạ đạt trên 90% ở cả hai quy mô sản xuất. Hoạt độ phóng xạ thành phẩm thu được đáp ứng đầy đủ nhu cầu chụp PET/CT cho 15 đến 20 bệnh nhân trong một buổi làm việc. Quy trình nâng quy mô chứng minh tính lặp lại xuất sắc và hiệu quả kinh tế vượt trội.

Độ tinh khiết hóa phóng xạ của dung dịch 18F-NaF được định lượng bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng quét tia phóng xạ Radio-TLC kết hợp sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC. Kết quả phân tích ghi nhận duy nhất một pic đặc trưng của ion [18F]fluoride với hệ số lưu giữ Rf chuẩn xác. Độ tinh khiết hóa phóng xạ của các lô thành phẩm đều đạt trên 99%, vượt xa tiêu chuẩn Dược điển quy định lớn hơn 95%. Độ tinh khiết hạt nhân được xác định qua phổ kế gamma đa kênh bán dẫn Ge siêu tinh khiết. Phổ năng lượng ghi nhận đỉnh bức xạ đặc trưng tại mức 511 keV của bức xạ hủy hạt positron. Thời gian bán rã thực nghiệm được đo lường chính xác trong khoảng 109,7 ± 0,5 phút, khẳng định không có tạp chất phóng xạ lạ.

Dung dịch tiêm 18F-NaF thành phẩm là chất lỏng trong suốt, không màu, không chứa hạt cơ học nhìn thấy bằng mắt thường. Độ pH của chế phẩm nằm ổn định trong khoảng giới hạn sinh lý từ 5,0 đến 8,0. Hàm lượng nhôm và các ion kim loại nặng được kiểm soát ở mức vết dưới ngưỡng cho phép nhờ cột chiết chuyên dụng. Thử nghiệm nội độc tố vi khuẩn bằng phương pháp LAL gel-clot cho kết quả âm tính dưới 175 EU/V. Độ vô khuẩn của sản phẩm được khẳng định thông qua nuôi cấy trên các môi trường vi sinh vật chỉ thị trong 14 ngày. Màng lọc vô khuẩn 0,22 micromet được kiểm tra tính toàn vẹn bằng phép thử điểm bọt sủi bọt khí ngay sau khi kết thúc quá trình phân liều.

Độ ổn định của dược chất phóng xạ Sodium Fluoride F-18 được theo dõi liên tục trong điều kiện nhiệt độ phòng từ 20 đến 25 độ C. Các mẫu kiểm tra được lấy tại các mốc thời gian 0, 2, 4, 6, 8 và 10 giờ sau khi kết thúc điều chế. Độ tinh khiết hóa phóng xạ của dung dịch vẫn duy trì ổn định trên 98% sau 10 giờ bảo quản trong lọ thủy tinh trung tính. Không xuất hiện hiện tượng tự phân hủy do bức xạ hoặc tạo thành các hợp chất hóa học thứ cấp. Độ pH và cảm quan dung dịch hoàn toàn không thay đổi trong suốt thời gian khảo sát. Kết quả này chứng minh hạn dùng của thuốc tiêm 18F-NaF đạt tối thiểu 8 giờ sau sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân phối thuốc đến các cơ sở y tế lân cận.

Thử nghiệm độc tính cấp đường tĩnh mạch được tiến hành trên chuột nhắt trắng khỏe mạnh theo hướng dẫn của Tổ chức Y tế Thế giới. Chuột được tiêm dung dịch 18F-NaF với các mức liều tăng dần quy đổi theo thể trọng cơ thể. Các chỉ số sinh lý, hành vi vận động, mức tiêu thụ thức ăn và trọng lượng chuột được theo dõi sát sao trong vòng 14 ngày liên tục. Không ghi nhận bất kỳ trường hợp chuột tử vong hoặc biểu hiện nhiễm độc thần kinh và tiêu hóa nào trong suốt thời gian thử nghiệm. Kết quả mổ khám đại thể và vi thể các cơ quan nội tạng chính như gan, thận, lách, tim, phổi không phát hiện biến đổi bệnh lý. Dược chất phóng xạ 18F-NaF tự điều chế được kết luận có khoảng an toàn rộng và không gây độc tính cấp.

Khảo sát phân bố sinh học phóng xạ trên mô hình chuột và thỏ cho thấy Sodium Fluoride F-18 hấp thu cực nhanh vào hệ xương. Sau 60 phút tiêm tĩnh mạch, tỷ lệ hoạt độ phóng xạ tập trung tại xương đùi, xương chậu và cột sống đạt giá trị rất cao. Hoạt độ phóng xạ tại các mô mềm như cơ bắp, mỡ, gan và máu giảm nhanh chóng theo thời gian nhờ bài xuất qua thận. Tỷ số bắt giữ phóng xạ giữa xương và mô mềm đạt mức tối ưu sau 45 đến 60 phút. Toàn bộ lượng thuốc tự do không gắn vào xương được đào thải triệt để qua nước tiểu vào bàng quang. Dược động học thuận lợi này tạo điều kiện ghi nhận hình ảnh PET/CT có nền sạch và độ tương phản giải phẫu vượt trội.

Thực nghiệm so sánh hình ảnh ghi hình 18F-NaF PET/CT và 99mTc-MDP SPECT trên cùng mô hình động vật khẳng định ưu thế vượt trội của kỹ thuật mới. Hình ảnh PET/CT cho thấy các chi tiết cấu trúc vi thể của xương cột sống và khớp chi rõ nét gấp nhiều lần so với SPECT. Tỷ số tín hiệu phóng xạ tại xương so với cơ trên ảnh PET/CT cao hơn từ hai đến ba lần so với 99mTc-MDP. Các tổn thương xương nhân tạo kích thước nhỏ dưới 2 milimet được phát hiện sắc nét trên ảnh 18F-NaF PET/CT nhưng không phân biệt được trên ảnh SPECT. Kết quả nghiên cứu chứng minh dược chất phóng xạ 18F-NaF tự điều chế có chất lượng chẩn đoán tương đương các sản phẩm thương mại quốc tế, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam.