同位素类化合物的应用

同位素 (Isotope)：是指具有相同原子序数但质量数 (或中子数) 不同的核素。如：

·氢 (1H)，氘 (2H, D)，氚 (3H, T)

·碳 (12C)，(13C)，(14C)

·氮 (14N)，(15N)

·氧 (16O)，(17O)，(18O)

·氟 (18F)，(19F)

图 1. 氢的同位素原子示意图

同位素的分类

同位素类产品，根据其稳定性和放射性的物理性质，可以分为以下两种：

稳定同位素 (Stable isotope)：是指化学元素中，不发生放射性衰变或不易发生放射性衰变的同位素，稳定同位素即使会发生衰变，因半衰期太长而无法测量出。

放射性同位素 (Radioactive isotope)：是指原子核不稳定、具有放射性的核素。放射性同位素会进行放射性衰变，从而放射出伽玛射线和次原子粒子。若某元素的所有同位素都具有放射性，则该元素会被称为放射性元素，例如铀、镭和氡等。

放射性同位素产品对人体有一定的危害，但稳定同位产品的保存和应用更方便，也更受科研者们的喜爱。

同位素产品的应用

■ 氘代药物 (Deuterated Reagents for Pharmaceuticals)

图 2. 氘代示意图

理论上，在小分子中加入“重氢”可以使药物作用持续时间更长，可改善药物本身的药代动力学和毒性特征。

例如：Deutetrabenazine (氘丁苯那嗪)是全球首个获批的氘代药物，用于治疗与亨廷顿病有关的舞蹈病及成人迟发性运动障碍。与 Tetrabenazine 相比，氘丁苯那嗪表现出良好的药代动力学曲线，并显示出对亨廷顿舞蹈病 (HD) 和成人迟发性运动障碍患者的有效性和可接受的安全性和耐受性。

■ 代谢研究 (Metabolic Research)

通过质谱测定，跟踪稳定同位素示踪剂的代谢物标记可以揭示其代谢途径。

G. D. Marijn Veerman 等人，用 100 ng/mL 的含氘同位素 (afatinib-d6, crizotinib -d5 and erlotinib-d6) 产品做内标，仅在 5 分钟时间就可以测定人血浆中所有化合物 (如 Afatinib，Alectinib，Crizotinib 和 Osimertinib) 的浓度范围，该方法有潜力用于临床前的药代动力学研究。

图 4. 人血浆中的化合物的测定[3]

■ 蛋白质组学 (Proteomics)

在许多疾病的发展进程中(如癌症)，常伴随着某些蛋白质的表达异常。蛋白质组学就是把一个基因组表达的全部蛋白质或一个复杂的混合体系中所有的蛋白质进行精确的定量和鉴定。稳定同位素标记的方法，可以量化样品中的蛋白质浓度差异。因此同位素标记可用于对癌症生物标志物检测、鉴定和验证等。

■ 糖组学 (Glycomics)

大多数核蛋白、膜结合蛋白和分泌蛋白等重要蛋白是糖基化的，用同位素标记糖可以让聚糖的细微变化可视化，可以比较每个生物样品中的精细结构。以 Comparative glycomics using a tetraplex stable-isotope coded tag 一文为例， Michael J. Bowman 等人使用四重稳定同位素编码标签，通过正相毛细管 LC-MS 和纳喷雾质谱，可直接在四个样品中直接比较其多糖组成。这证明了稳定同位素标记方法对于高质量的糖组学组成谱和精细结构分析的应用价值。

图 5. 稳定同位素标记检测糖组分[5]

同位素标记化合物包含的兄弟姐妹

图 6. MCE 氘代产品的主要类型

同位素类的产品主要包含 2H (D)，13C，15N，18O，19F 等一系列稳定同位素类产品，此类产品性质稳定，易于保存和运输。

图 7. 部分氘代物产品

参考文献

1. Charles Schmidt, et al. First deuterated drug approved. Nat Biotechnol. 2017 Jun 7;35(6):493-494.

2. Cholsoon Jang, et al. Metabolomics and Isotope Tracing. Cell, 2018, May 3; 173: 823-837.

3. G.D. Marijn Veerman, et al. Quantification of afatinib, alectinib, crizotinib and osimertinib in human plasma by liquid chromatography/triple-quadrupole mass spectrometry; focusing on the stability of osimertinib. J Chromatoger B.; 2019, 1113; 37-44.

4. Hannah N. Miles，et al. Recent developments and applications of quantitative proteomics strategies for high-throughput biomolecular analyses in cancer research . RSC Chem. Biol., 2021, 2, 1050-1072.

5. Michael J. Bowman, et al. Comparative Glycomics Using a Tetraplex Stable-Isotope Coded Tag. Anal. Chem. 2010, 82, 3023–3031.