第36卷 第1期 核 技 术 V ol. 36, No.1 2013年1月 NUCLEAR TECHNIQUES January 2013
同位素标记葡萄糖的研究进展
刘占峰 李良君 任 征 杜晓宁
（上海化工研究院 上海稳定性同位素工程技术研究中心 上海 200062）
摘要 将11C 、 13C 、14C 、D 、3H 以及18O 等同位素引入葡萄糖中，可合成各种同位素标记的葡萄糖。由于葡萄糖是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质，因此作为示踪剂，在葡萄糖代谢、疾病诊断等方面提供了一个方便、有效的示踪工具。本文主要介绍了同位素标记葡萄糖的合成方法，以及在临床、医药、化工以及生物等方面的应用。
关键词 同位素，葡萄糖，合成，应用 中图分类号 O611.7，R817
葡萄糖(C6H 12O 6) 是人们所熟悉的一种单糖，又称右旋糖或血糖，属于多羟基醛，是自然界中存在量最多的化合物之一。天然的葡萄糖，无论是游离的或是结合的，均属D 构型，在水溶液中主要以吡喃式构形含氧环存在，为α和β构型的衡态混合物[1]。
由于葡萄糖是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质，加上羟基醛所具有的化学性质，使其在食品、医疗、生物工程、印染等行业获得了广泛的应用。
葡萄糖由C 、H 和O 元素组成，每一种元素被其相应的同位素替换，都可成为同位素标记的葡萄糖。已知的有11C 、13C 、14C 、D 、3H 等多种同位素被用于同位素标记葡萄糖的合成[2−7]，其产品作为示踪剂，被广泛应用于代谢、医疗诊断、有机合成等方面。
1 同位素标记葡萄糖的合成
葡萄糖主要来源于两方面：一为自然界的合成，由绿色植物通过光合作用将水和二氧化碳转化为葡萄糖；另一方面为人工合成，主要采用大米、玉米和马铃薯等所含的淀粉经淀粉酶转化制得[9]。同位素标记葡萄糖的合成借鉴于葡萄糖的合成方法，最先利用光合作用法，将放射性11C 标记的二氧化碳转化为C 标记的葡萄糖有机合成法
[12]13
18
11
[10]
[8]
11
C 、14C ，被引入葡萄糖中。
生物法合成同位素标记的葡萄糖
生物法包括光合作用法和微生物法，可将同
1.1
位素标记的水、二氧化碳或碳酸盐引入到葡萄糖中，获得全标记或多标记的葡萄糖。
1.1.1 光合作用法合成同位素标记的葡萄糖
同位素标记葡萄糖合成方面的研究源于早期放射性标记葡萄糖的合成。Lifton 和 Welch[10]将采集的新鲜甜菜叶处于饥饿状态，待叶子中的葡萄糖消耗殆尽，然后通入11C 标记的二氧化碳，在光合作用下，将11C 标记的二氧化碳转化为11C 标记的葡萄糖。Ishiwata [13]将该合成方法加以改进，将定时器、限位开关以及光敏感器等自动化装置引入合成过程。Goulding 等[6]将出芽二周的蚕豆叶子进行光和二氧化碳饥饿18 h，然后将叶子置于密闭的圆柱形容器中，以40 mL/min的流速，连续30 min通入载有11C 标记二氧化碳的氦气流，采用125 W灯间距10 cm进行照明。然后采用乙醇萃取，IR120(H+) 树脂分离。Denutte [3]等将培养好的Scenedesmus obliquus 菌株，放入吸收了11C 标记二氧化碳的磷酸氢二钾溶液中，进行光合作用，经分离纯化，合成
11
C 标记葡萄糖。
1.1.2 微生物法合成同位素标记的葡萄糖
Robert 等[11]利用1或2-13C 标记的醋酸盐为
，随后，微生物法
[11]
、
也得到利用。随着质谱、核磁的应用，
原料，利用酵母发酵合成了葡萄糖-D-3-13C 、葡萄糖-D-4-13C 以及葡萄糖-D-3,4-13C 2。Ehrin 等[14]利用
稳定同位素C 、D 及O 也逐渐替代放射性同位素
——————————————
科技部科研院所技术开发研究专项资金(2010EG116090)资助
第一作者：刘占峰，男，1967年出生，2006年于北京化工大学获博士学位，生物化工专业，现主要从事生物工程和稳定同位素方面的研究 收稿日期：2012-10-17，修回日期：2012-11-23
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绿藻中的生栅藻作为菌种，经生长和耗糖后，将菌体分别悬浮在含有11C 和
14
y-PGA 单体的主要来源。为了研究苄基腺嘌呤(BA)处理后的花生叶片对葡萄糖吸收的影响，李玲等[20]发现，通过10−5 mol/L BA处理过的花生叶片可促进对葡萄糖-14C 的被动吸收量，减弱氯汞基苯对葡萄糖吸收的抑制作用。艾桃山等[21]将荧光极毛杆菌在含有葡萄糖-3H 的培养基中培养后，获得了葡萄糖-3H 标记的细菌，经灭活，莨菪佐剂浸泡后，可不同程度进入鱼体，发现莨菪佐剂能明显促进鱼体对标记细菌抗原的吸收，标记抗原在鱼体各组织器官的分布由大到小依次为肝、脾、前肠、肾、血液、肌肉。Gay 等[22]通过给健康女性进食
13
C 标记的碳酸氢盐溶液
中，在30°C下反应45 min，间隔25 cm，用250 W灯照明，并保持光强度15000−20000 lux。Luthra 等
[15]13
在Ehrin 实验的基础上加以改进，以丰度90%的
C 标记的碳酸盐作为唯一碳源，利用微藻，合成
了丰度为60%的葡萄糖-U-13C 。李健等[16]利用微藻进行光合作用，以16.8 g/L 13C 标记的碳酸氢钠作为种子标记原料，以13C 标记的二氧化碳为发酵碳源，控制温度26°C −28°C，光强度600−1000 uE，通气量0.4−0.6 L/min，发酵8 d，合成了葡萄糖-U-13C 。刘占峰等[17]以毕赤酵母为出发菌株，甲醇-13C 为碳源进行发酵，得到的菌体经处理获得海藻糖-13C 12，再经水解和分离纯化得到葡萄糖-D-13C 6，产品的纯度和丰度分别达到98%以上，丰度几乎没有稀释。 1.2
有机合成法合成同位素标记的葡萄糖 由于葡萄糖结构比较复杂，有机合成法无法将同一元素都引入其中，通常用于制备单标记或多标记的葡萄糖。
Elander 等以阿拉伯糖和
11
[2]
11
C 丰度为
1.083以及含糖55%的食物，时间为3 d，然后改为进食13C 丰度为1.093的食物，时间为5 d，实验期间每天对尿氮、呼出的13CO 2以及血浆中的 13C 标记葡萄糖进行分析，研究肝糖原的代谢动力学和糖质新生。杨月欣等[23]以荷兰产品Custard 、Hylon Ⅶ和Novelose 为试验食物，测定7个受试者在6个小时内血清中总糖和血清中同位素标记的
13
C 标记葡
萄糖的水平，比较普通淀粉、抗性淀粉2型和抗性淀粉3型在小肠中的消化吸收，获得试验食物在小肠中的消化吸收率分别为82%、44%和43%。Hawkins 等[24]利用Glucose-6-14C 作为示踪剂，研究了老鼠大脑葡萄糖的代谢速率。Peronnet 等[25]选取5个年龄在25.5−36.5岁，体重在74.8−99.8 kg的人，在摄入葡萄糖-13C(1.5 g/kg)前后进行20 d 415 km的滑雪运动，通过呼吸的热量、排泄物、呼出的二氧化碳以及血糖的分析，进行养分的选择。Caron 等[26]通过锻炼前摄入
13
C 标记的氰化氨
为原料，首先合成氰醛-1-C ，再经镍催化剂的催化，合成葡萄糖-D-1-11C 。Williams 和Whaley [12]以5-氧代-1,2-O-亚异丙基-D-木-五呋喃糖和Na 13CN 为原料，合成葡萄糖-D-6-C ，产率48%。London 等以阿拉伯糖和糖-D-1-13C 。
2 同位素标记葡萄糖的应用
由于葡萄糖是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质，因此，作为示踪剂，为科学研究提供了一个方便、有效的示踪工具。主要用于代谢、临床诊断以及作为其他标记产品的原料等。 2.1
代谢研究
石宁宁等[19]以Bacillus subtilis NX-2为发酵菌株，在合成Y-聚谷氨酸(y-PGA)过程中，利用葡萄糖-U-13C 作为示踪剂，研究了谷氨酸和葡萄糖两种碳源在合成过程中所起的作用。结果发现，当培养基中葡萄糖-U-13C 浓度为4%时，y-PGA 的碳骨架中由葡萄糖-U-13C 进入的比例约为9%，证明葡萄糖主要用于能量代谢和菌体合成，而谷氨酸为
13
13
13
[18]
C 标记的氢氰酸为原料，首先合成
了葡萄糖腈-D-1-C ，再经还原、水解，合成葡萄
C 标记的葡萄糖，研究了锻炼前
和锻炼期间葡萄糖的氧化效果，发现摄入的外源葡萄糖在锻炼30和60 min期间氧化并未增加[0.36(0.03)对0.30(0.02) g/min]，90 min后氧化速度加快。锻炼前摄入的50 g葡萄糖有26.7(2.1) g被氧化，锻炼期间摄入的110 g葡萄糖有39.0(2.4) g被氧化。Riddell 等[27]利用健康且未参加锻炼的青少年志愿者摄取
13
C 标记的葡萄糖，研究锻炼期间体内
食物的利用。通过四次锻炼(每次30 min，休息5 min) ，完成控制实验(锻炼期间适量饮) 和葡萄糖试验(锻炼期间间歇食用3 g 13C 标记的葡萄糖/kg体重) 。在锻炼5−10 min和25−30 min 时通过热量以及呼气测定，120 min CT和GT 的氧化结果分别为：碳水化合物169.1(12.9) g 和203.1(15.9) g (p
31.0(4.2) g
和
17.1
(2.5) g (p
刘占峰等：同位素标记葡萄糖的研究进展
145.3(11.9) g (p
13
验，观察到降糖药丁基缩二胍与缩二胍相比，能更有效的抑制或延迟小肠对葡萄糖的吸收。V onk 等[37]为了准确诊断肠乳糖酶缺乏，建立了13C/2H 标记葡萄糖测试的新方法。将乳糖耐受者和非耐受者同样摄食25 g天然丰度的乳糖和0.5 g 2H 标记葡萄糖，在45−75 min，分析血浆中13C/2H 标记葡萄糖比率，二者分别为0.93±0.17和0.26±0.09。检测结果与乳糖氢呼气检测法、乳糖
13
CO 2呼气检测法以及
13
C
标记的乳糖消化检测法相比较，此方法精确度更高。 2.3
分析检测应用
王建等[38]用含20%葡萄糖-U-13C 和80%天然葡萄糖的合成培养基喂养维生素B12生产菌Pseudomonas denitrifican，然后将20 mg带13C 标记菌体用1 mL 6 mol/L盐酸在95°C下水解24 h，经分离、浓缩、真空干燥，得到带
13
C 6标记的半胱氨酸进行分
析，证明VLBW 的早产儿可合成半胱氨酸。 2.2
临床诊断研究 临床诊断是
13
C 标记葡萄糖的主要应用之一，C 标记的菌体蛋
如糖尿病、老年痴呆症、柏金森氏症、阿兹海默氏症以及脑癌的诊断等。呼气诊断是糖尿病临床诊断的一种新方法[30−32]，此法无创伤、安全、简便、准确。只需测试者将25 mg的葡萄糖-13C 与15 g普通葡萄糖混合，用水溶解后喝下，被吸收后，将含有
13
白氨基酸。经MBDSTFA 衍生化后得到的TBDMS 衍生物，用气相色谱-质谱(GC-MS)进行分析，得到15种菌体蛋白氨基酸的
13
13
C 标记丰度信息，为
CMFA 在国内进一步发展提供了参考意义。何红
波等[39]利用微生物将13C 标记葡萄糖转化为氨基酸碳骨架，借助于质谱技术检测同位素的富集强度的变化，研究氨基酸分子中碳素转化，建立了稳定同位素培养-气相色谱/质谱联机测定土壤氨基酸手性异构体
13
CO 2的气体呼出，用同位素分析仪检测。葡萄糖
进入人体后经糖酵解，然后进入三羧酸循环。二氧化碳经肺部排出体外。2型糖尿病和其他胰岛素抗性，葡萄糖的吸收将被削弱，产生的13CO 2将减弱，呼吸样品的基线与常规基线进行比较，就能诊断糖尿病。与高胰岛素葡萄糖钳夹技术相比，葡萄糖-13C 呼吸实验的技术指标与QUICKI 类似(r =0.69，p
C 富集比例的方法，确定氨基酸手性异构
体的转化与更新程度在表征土壤有机质的循环转化机制。钟燕等[40]应用双标稳定同位素乳糖-13C 和葡萄糖-2H 负荷试验对乳糖酶缺乏者小肠粘膜乳糖酶活性进行定量分析，他们选用43名乳糖酶缺乏者作为实验对象，根据乳糖不耐受症状记录分为乳糖吸收不良组(LM)和乳糖不耐受组(LI)，以25 g乳糖-13C 和0.5 g葡萄糖-2H 作为受试底物，分析受试者摄入底物之后各时点血浆中总葡萄糖、葡萄糖-13C 和葡萄糖-2H 浓度，并计算各时点13C-葡萄糖-13C 和葡萄糖-2H 吸收百分率的比值，以45、60、75 min时点所得比值的均值作为乳糖消化指数(LDI)来反应小肠乳糖酶活性。Tissot 等[41]利用
13
C 标记的葡萄糖
作为示踪剂，借助于气相色谱-同位素比率质谱仪，研究了葡萄糖在人体中的代谢，检测精度可达到0.001 mol%。相对比，葡萄糖-D-[1-13C]的检测结果要比葡萄糖-D-[6,6-2H 2]的值低一些，而采用葡萄糖-D-U-13C ，检测结果与放射性标记葡萄糖的结果类似。
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2.4 原材料利用
葡萄糖-13C 作为原料可用于微生物发酵或有机
3
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11
合成过程中。张亮等[42]利用葡萄糖-D-13C 6作为碳源进行发酵，合成C 标记的的L-亮氨酸。祁超等酸变位酶等作为酶源，酶法合成了
13
13
[43]
利用葡萄糖-4-13C 为标记物，己糖激酶、葡萄糖磷
C 标记的尿苷
二磷酸葡萄糖。Brand 等[44]根据大肠杆菌DF214利用葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸，然后转化为海藻糖-6-磷酸，经脱磷酸作用合成海藻糖的原理，以标记的葡萄糖为原料，合成了
14
14
C
C 标记的海藻糖，
转化率在50%以上。徐仲杰等[45]采用浓硫酸为催化剂，以D-葡萄糖-13C 6和丙酮为原料合成了
13
C 6-1,2,5,6-O-双异丙叉-α-D-呋喃葡萄糖，收率为
75.6%，产品丰度为99.2%，纯度98.7%。 3 展望
自1971年Lifton 和Welch 开创性的合成了C 标记的葡萄糖以来，同位素标记葡萄糖方面的研究越来越多，尤其是合成方面。同位素标记的种类由
11
7
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C 发展到11C 、13C 、 14C 、D 、3H 等。由于稳定性
同位素，没有放射性，安全，稳定，质谱、核磁共振等分析仪器的研制与应用，标记的同位素由放射性的11C 、14C 、3H ，逐渐向稳定性同位素D 、13C 、
18
O 等方面发展；标记的位置也根据需要由单标记
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变成多标记(如3、4、6) 以及全标记等；同位素丰度也从60%左右发展到98%以上。据美国剑桥同位素公司报价，最便宜的1 g丰度为99%的葡萄糖-D-U-13C 6价格为199美元，1 g丰度为98%的葡萄糖-D-1-D 价格为160美元，而其他标记的价格更高，1 g丰度为98%的葡萄糖-D-5-13C 价格高达1950美元。高昂的价格阻碍了它的应用。因此，提高同位素的转化率势在必行。 参考文献
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刘占峰等：同位素标记葡萄糖的研究进展
The advance in isotope labeled glucose
LIU Zhanfeng LI Liangjun REN Zheng DU Xiaoning
( Shanghai Research Institute of Chemical Industry, Shanghai Engineering Research Center of Stable Isotope, Shanghai 200062, China )
Abstract The different labeled glucose was synthesized when 11C, 13C, 14C, D, 3H or 18O were introduced to glucose. Glucose is the essential nutrients in the organism metabolism, therefore, in the research of glucose metabolism and morbid diagnose, they provide people with a convenient and effective tracing tool. The paper mainly introduces the synthesis and the advances in clinic diagnoses, medicine, biology, pharmacology and chemistry of the isotope labeled glucose.
Key words Isotope, Glucose, Synthesis, Application CLC O611.7，R817
第36卷 第1期 核 技 术 V ol. 36, No.1 2013年1月 NUCLEAR TECHNIQUES January 2013
同位素标记葡萄糖的研究进展
刘占峰 李良君 任 征 杜晓宁
（上海化工研究院 上海稳定性同位素工程技术研究中心 上海 200062）
摘要 将11C 、 13C 、14C 、D 、3H 以及18O 等同位素引入葡萄糖中，可合成各种同位素标记的葡萄糖。由于葡萄糖是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质，因此作为示踪剂，在葡萄糖代谢、疾病诊断等方面提供了一个方便、有效的示踪工具。本文主要介绍了同位素标记葡萄糖的合成方法，以及在临床、医药、化工以及生物等方面的应用。
关键词 同位素，葡萄糖，合成，应用 中图分类号 O611.7，R817
葡萄糖(C6H 12O 6) 是人们所熟悉的一种单糖，又称右旋糖或血糖，属于多羟基醛，是自然界中存在量最多的化合物之一。天然的葡萄糖，无论是游离的或是结合的，均属D 构型，在水溶液中主要以吡喃式构形含氧环存在，为α和β构型的衡态混合物[1]。
由于葡萄糖是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质，加上羟基醛所具有的化学性质，使其在食品、医疗、生物工程、印染等行业获得了广泛的应用。
葡萄糖由C 、H 和O 元素组成，每一种元素被其相应的同位素替换，都可成为同位素标记的葡萄糖。已知的有11C 、13C 、14C 、D 、3H 等多种同位素被用于同位素标记葡萄糖的合成[2−7]，其产品作为示踪剂，被广泛应用于代谢、医疗诊断、有机合成等方面。
1 同位素标记葡萄糖的合成
葡萄糖主要来源于两方面：一为自然界的合成，由绿色植物通过光合作用将水和二氧化碳转化为葡萄糖；另一方面为人工合成，主要采用大米、玉米和马铃薯等所含的淀粉经淀粉酶转化制得[9]。同位素标记葡萄糖的合成借鉴于葡萄糖的合成方法，最先利用光合作用法，将放射性11C 标记的二氧化碳转化为C 标记的葡萄糖有机合成法
[12]13
18
11
[10]
[8]
11
C 、14C ，被引入葡萄糖中。
生物法合成同位素标记的葡萄糖
生物法包括光合作用法和微生物法，可将同
1.1
位素标记的水、二氧化碳或碳酸盐引入到葡萄糖中，获得全标记或多标记的葡萄糖。
1.1.1 光合作用法合成同位素标记的葡萄糖
同位素标记葡萄糖合成方面的研究源于早期放射性标记葡萄糖的合成。Lifton 和 Welch[10]将采集的新鲜甜菜叶处于饥饿状态，待叶子中的葡萄糖消耗殆尽，然后通入11C 标记的二氧化碳，在光合作用下，将11C 标记的二氧化碳转化为11C 标记的葡萄糖。Ishiwata [13]将该合成方法加以改进，将定时器、限位开关以及光敏感器等自动化装置引入合成过程。Goulding 等[6]将出芽二周的蚕豆叶子进行光和二氧化碳饥饿18 h，然后将叶子置于密闭的圆柱形容器中，以40 mL/min的流速，连续30 min通入载有11C 标记二氧化碳的氦气流，采用125 W灯间距10 cm进行照明。然后采用乙醇萃取，IR120(H+) 树脂分离。Denutte [3]等将培养好的Scenedesmus obliquus 菌株，放入吸收了11C 标记二氧化碳的磷酸氢二钾溶液中，进行光合作用，经分离纯化，合成
11
C 标记葡萄糖。
1.1.2 微生物法合成同位素标记的葡萄糖
Robert 等[11]利用1或2-13C 标记的醋酸盐为
，随后，微生物法
[11]
、
也得到利用。随着质谱、核磁的应用，
原料，利用酵母发酵合成了葡萄糖-D-3-13C 、葡萄糖-D-4-13C 以及葡萄糖-D-3,4-13C 2。Ehrin 等[14]利用
稳定同位素C 、D 及O 也逐渐替代放射性同位素
——————————————
科技部科研院所技术开发研究专项资金(2010EG116090)资助
第一作者：刘占峰，男，1967年出生，2006年于北京化工大学获博士学位，生物化工专业，现主要从事生物工程和稳定同位素方面的研究 收稿日期：2012-10-17，修回日期：2012-11-23
核 技 术 2013, 36(1): 010302
绿藻中的生栅藻作为菌种，经生长和耗糖后，将菌体分别悬浮在含有11C 和
14
y-PGA 单体的主要来源。为了研究苄基腺嘌呤(BA)处理后的花生叶片对葡萄糖吸收的影响，李玲等[20]发现，通过10−5 mol/L BA处理过的花生叶片可促进对葡萄糖-14C 的被动吸收量，减弱氯汞基苯对葡萄糖吸收的抑制作用。艾桃山等[21]将荧光极毛杆菌在含有葡萄糖-3H 的培养基中培养后，获得了葡萄糖-3H 标记的细菌，经灭活，莨菪佐剂浸泡后，可不同程度进入鱼体，发现莨菪佐剂能明显促进鱼体对标记细菌抗原的吸收，标记抗原在鱼体各组织器官的分布由大到小依次为肝、脾、前肠、肾、血液、肌肉。Gay 等[22]通过给健康女性进食
13
C 标记的碳酸氢盐溶液
中，在30°C下反应45 min，间隔25 cm，用250 W灯照明，并保持光强度15000−20000 lux。Luthra 等
[15]13
在Ehrin 实验的基础上加以改进，以丰度90%的
C 标记的碳酸盐作为唯一碳源，利用微藻，合成
了丰度为60%的葡萄糖-U-13C 。李健等[16]利用微藻进行光合作用，以16.8 g/L 13C 标记的碳酸氢钠作为种子标记原料，以13C 标记的二氧化碳为发酵碳源，控制温度26°C −28°C，光强度600−1000 uE，通气量0.4−0.6 L/min，发酵8 d，合成了葡萄糖-U-13C 。刘占峰等[17]以毕赤酵母为出发菌株，甲醇-13C 为碳源进行发酵，得到的菌体经处理获得海藻糖-13C 12，再经水解和分离纯化得到葡萄糖-D-13C 6，产品的纯度和丰度分别达到98%以上，丰度几乎没有稀释。 1.2
有机合成法合成同位素标记的葡萄糖 由于葡萄糖结构比较复杂，有机合成法无法将同一元素都引入其中，通常用于制备单标记或多标记的葡萄糖。
Elander 等以阿拉伯糖和
11
[2]
11
C 丰度为
1.083以及含糖55%的食物，时间为3 d，然后改为进食13C 丰度为1.093的食物，时间为5 d，实验期间每天对尿氮、呼出的13CO 2以及血浆中的 13C 标记葡萄糖进行分析，研究肝糖原的代谢动力学和糖质新生。杨月欣等[23]以荷兰产品Custard 、Hylon Ⅶ和Novelose 为试验食物，测定7个受试者在6个小时内血清中总糖和血清中同位素标记的
13
C 标记葡
萄糖的水平，比较普通淀粉、抗性淀粉2型和抗性淀粉3型在小肠中的消化吸收，获得试验食物在小肠中的消化吸收率分别为82%、44%和43%。Hawkins 等[24]利用Glucose-6-14C 作为示踪剂，研究了老鼠大脑葡萄糖的代谢速率。Peronnet 等[25]选取5个年龄在25.5−36.5岁，体重在74.8−99.8 kg的人，在摄入葡萄糖-13C(1.5 g/kg)前后进行20 d 415 km的滑雪运动，通过呼吸的热量、排泄物、呼出的二氧化碳以及血糖的分析，进行养分的选择。Caron 等[26]通过锻炼前摄入
13
C 标记的氰化氨
为原料，首先合成氰醛-1-C ，再经镍催化剂的催化，合成葡萄糖-D-1-11C 。Williams 和Whaley [12]以5-氧代-1,2-O-亚异丙基-D-木-五呋喃糖和Na 13CN 为原料，合成葡萄糖-D-6-C ，产率48%。London 等以阿拉伯糖和糖-D-1-13C 。
2 同位素标记葡萄糖的应用
由于葡萄糖是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质，因此，作为示踪剂，为科学研究提供了一个方便、有效的示踪工具。主要用于代谢、临床诊断以及作为其他标记产品的原料等。 2.1
代谢研究
石宁宁等[19]以Bacillus subtilis NX-2为发酵菌株，在合成Y-聚谷氨酸(y-PGA)过程中，利用葡萄糖-U-13C 作为示踪剂，研究了谷氨酸和葡萄糖两种碳源在合成过程中所起的作用。结果发现，当培养基中葡萄糖-U-13C 浓度为4%时，y-PGA 的碳骨架中由葡萄糖-U-13C 进入的比例约为9%，证明葡萄糖主要用于能量代谢和菌体合成，而谷氨酸为
13
13
13
[18]
C 标记的氢氰酸为原料，首先合成
了葡萄糖腈-D-1-C ，再经还原、水解，合成葡萄
C 标记的葡萄糖，研究了锻炼前
和锻炼期间葡萄糖的氧化效果，发现摄入的外源葡萄糖在锻炼30和60 min期间氧化并未增加[0.36(0.03)对0.30(0.02) g/min]，90 min后氧化速度加快。锻炼前摄入的50 g葡萄糖有26.7(2.1) g被氧化，锻炼期间摄入的110 g葡萄糖有39.0(2.4) g被氧化。Riddell 等[27]利用健康且未参加锻炼的青少年志愿者摄取
13
C 标记的葡萄糖，研究锻炼期间体内
食物的利用。通过四次锻炼(每次30 min，休息5 min) ，完成控制实验(锻炼期间适量饮) 和葡萄糖试验(锻炼期间间歇食用3 g 13C 标记的葡萄糖/kg体重) 。在锻炼5−10 min和25−30 min 时通过热量以及呼气测定，120 min CT和GT 的氧化结果分别为：碳水化合物169.1(12.9) g 和203.1(15.9) g (p
31.0(4.2) g
和
17.1
(2.5) g (p
刘占峰等：同位素标记葡萄糖的研究进展
145.3(11.9) g (p
13
验，观察到降糖药丁基缩二胍与缩二胍相比，能更有效的抑制或延迟小肠对葡萄糖的吸收。V onk 等[37]为了准确诊断肠乳糖酶缺乏，建立了13C/2H 标记葡萄糖测试的新方法。将乳糖耐受者和非耐受者同样摄食25 g天然丰度的乳糖和0.5 g 2H 标记葡萄糖，在45−75 min，分析血浆中13C/2H 标记葡萄糖比率，二者分别为0.93±0.17和0.26±0.09。检测结果与乳糖氢呼气检测法、乳糖
13
CO 2呼气检测法以及
13
C
标记的乳糖消化检测法相比较，此方法精确度更高。 2.3
分析检测应用
王建等[38]用含20%葡萄糖-U-13C 和80%天然葡萄糖的合成培养基喂养维生素B12生产菌Pseudomonas denitrifican，然后将20 mg带13C 标记菌体用1 mL 6 mol/L盐酸在95°C下水解24 h，经分离、浓缩、真空干燥，得到带
13
C 6标记的半胱氨酸进行分
析，证明VLBW 的早产儿可合成半胱氨酸。 2.2
临床诊断研究 临床诊断是
13
C 标记葡萄糖的主要应用之一，C 标记的菌体蛋
如糖尿病、老年痴呆症、柏金森氏症、阿兹海默氏症以及脑癌的诊断等。呼气诊断是糖尿病临床诊断的一种新方法[30−32]，此法无创伤、安全、简便、准确。只需测试者将25 mg的葡萄糖-13C 与15 g普通葡萄糖混合，用水溶解后喝下，被吸收后，将含有
13
白氨基酸。经MBDSTFA 衍生化后得到的TBDMS 衍生物，用气相色谱-质谱(GC-MS)进行分析，得到15种菌体蛋白氨基酸的
13
13
C 标记丰度信息，为
CMFA 在国内进一步发展提供了参考意义。何红
波等[39]利用微生物将13C 标记葡萄糖转化为氨基酸碳骨架，借助于质谱技术检测同位素的富集强度的变化，研究氨基酸分子中碳素转化，建立了稳定同位素培养-气相色谱/质谱联机测定土壤氨基酸手性异构体
13
CO 2的气体呼出，用同位素分析仪检测。葡萄糖
进入人体后经糖酵解，然后进入三羧酸循环。二氧化碳经肺部排出体外。2型糖尿病和其他胰岛素抗性，葡萄糖的吸收将被削弱，产生的13CO 2将减弱，呼吸样品的基线与常规基线进行比较，就能诊断糖尿病。与高胰岛素葡萄糖钳夹技术相比，葡萄糖-13C 呼吸实验的技术指标与QUICKI 类似(r =0.69，p
C 富集比例的方法，确定氨基酸手性异构
体的转化与更新程度在表征土壤有机质的循环转化机制。钟燕等[40]应用双标稳定同位素乳糖-13C 和葡萄糖-2H 负荷试验对乳糖酶缺乏者小肠粘膜乳糖酶活性进行定量分析，他们选用43名乳糖酶缺乏者作为实验对象，根据乳糖不耐受症状记录分为乳糖吸收不良组(LM)和乳糖不耐受组(LI)，以25 g乳糖-13C 和0.5 g葡萄糖-2H 作为受试底物，分析受试者摄入底物之后各时点血浆中总葡萄糖、葡萄糖-13C 和葡萄糖-2H 浓度，并计算各时点13C-葡萄糖-13C 和葡萄糖-2H 吸收百分率的比值，以45、60、75 min时点所得比值的均值作为乳糖消化指数(LDI)来反应小肠乳糖酶活性。Tissot 等[41]利用
13
C 标记的葡萄糖
作为示踪剂，借助于气相色谱-同位素比率质谱仪，研究了葡萄糖在人体中的代谢，检测精度可达到0.001 mol%。相对比，葡萄糖-D-[1-13C]的检测结果要比葡萄糖-D-[6,6-2H 2]的值低一些，而采用葡萄糖-D-U-13C ，检测结果与放射性标记葡萄糖的结果类似。
核 技 术 2013, 36(1): 010302
2.4 原材料利用
葡萄糖-13C 作为原料可用于微生物发酵或有机
3
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11
合成过程中。张亮等[42]利用葡萄糖-D-13C 6作为碳源进行发酵，合成C 标记的的L-亮氨酸。祁超等酸变位酶等作为酶源，酶法合成了
13
13
[43]
利用葡萄糖-4-13C 为标记物，己糖激酶、葡萄糖磷
C 标记的尿苷
二磷酸葡萄糖。Brand 等[44]根据大肠杆菌DF214利用葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸，然后转化为海藻糖-6-磷酸，经脱磷酸作用合成海藻糖的原理，以标记的葡萄糖为原料，合成了
14
14
C
C 标记的海藻糖，
转化率在50%以上。徐仲杰等[45]采用浓硫酸为催化剂，以D-葡萄糖-13C 6和丙酮为原料合成了
13
C 6-1,2,5,6-O-双异丙叉-α-D-呋喃葡萄糖，收率为
75.6%，产品丰度为99.2%，纯度98.7%。 3 展望
自1971年Lifton 和Welch 开创性的合成了C 标记的葡萄糖以来，同位素标记葡萄糖方面的研究越来越多，尤其是合成方面。同位素标记的种类由
11
7
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C 发展到11C 、13C 、 14C 、D 、3H 等。由于稳定性
同位素，没有放射性，安全，稳定，质谱、核磁共振等分析仪器的研制与应用，标记的同位素由放射性的11C 、14C 、3H ，逐渐向稳定性同位素D 、13C 、
18
O 等方面发展；标记的位置也根据需要由单标记
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变成多标记(如3、4、6) 以及全标记等；同位素丰度也从60%左右发展到98%以上。据美国剑桥同位素公司报价，最便宜的1 g丰度为99%的葡萄糖-D-U-13C 6价格为199美元，1 g丰度为98%的葡萄糖-D-1-D 价格为160美元，而其他标记的价格更高，1 g丰度为98%的葡萄糖-D-5-13C 价格高达1950美元。高昂的价格阻碍了它的应用。因此，提高同位素的转化率势在必行。 参考文献
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The advance in isotope labeled glucose
LIU Zhanfeng LI Liangjun REN Zheng DU Xiaoning
( Shanghai Research Institute of Chemical Industry, Shanghai Engineering Research Center of Stable Isotope, Shanghai 200062, China )
Abstract The different labeled glucose was synthesized when 11C, 13C, 14C, D, 3H or 18O were introduced to glucose. Glucose is the essential nutrients in the organism metabolism, therefore, in the research of glucose metabolism and morbid diagnose, they provide people with a convenient and effective tracing tool. The paper mainly introduces the synthesis and the advances in clinic diagnoses, medicine, biology, pharmacology and chemistry of the isotope labeled glucose.
Key words Isotope, Glucose, Synthesis, Application CLC O611.7，R817