動物分子影像技術(shù)在帕金森病診斷研究中的運用

涂清強(qiáng)，李紅宇

(中山大學(xué)實驗動物中心，廣州 510080)

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一種運動功能障礙性疾病，持續(xù)時間長，危害大[1-2]，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前PD患者超過300萬，隨著我國老齡化進(jìn)程的加快，患病人數(shù)屢增不減，由于PD具有運動遲緩或喪失、姿勢不穩(wěn)以及病程時間長等特點，對國家和家庭都是極大的負(fù)擔(dān)[3-5]。因此，65歲以上老年人早預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)和早治療PD應(yīng)成為重要的健康準(zhǔn)則[6]。就當(dāng)前而言，無論是臨床和臨床前的診斷及治療研究都存在一定的局限性，但是隨著更多診斷技術(shù)的發(fā)展和革新，極大的提升了PD的診斷水平，尤其是分子影像技術(shù)在PD臨床前研究的運用獲得了廣泛的關(guān)注，也取得了良好的成果[7-9]。

分子影像技術(shù)能夠評估非侵入性的分子在人類及動物體內(nèi)生理和代謝過程[10]。隨著分子影像技術(shù)的發(fā)展，臨床以正電子發(fā)射型計算機(jī)斷層顯像(positron emission tomography/computed tomography，PET/CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)和單光子發(fā)射計算機(jī)斷層成像術(shù)(single-photon emission computed tomography，SPECT)為代表對PD等神經(jīng)系統(tǒng)疾病進(jìn)行診斷，影像技術(shù)的結(jié)合使用能夠有效的觀察到PD的結(jié)構(gòu)和功能特點，對PD與帕金森疊加綜合征的鑒別診斷效果良好，而臨床前的研究則通過小動物PET/CT[11]、小動物MRI[12]以及小動物SPECT[13]進(jìn)行活體PD模型的腦部顯像，充分利用動物分子影像技術(shù)在PD模型動物中的診斷優(yōu)勢，最終與臨床研究結(jié)果達(dá)到一致性[14]。本文綜述了近些年國內(nèi)外關(guān)于動物分子影像技術(shù)在PD動物模型中的基礎(chǔ)研究。

1 動物PET/CT顯像

探測器技術(shù)的進(jìn)步使PET的空間分辨率有了很大的改進(jìn)(1～2 mm)[15]。隨著放射化學(xué)和示蹤技術(shù)的發(fā)展，多種內(nèi)源性和外源導(dǎo)入基因的表達(dá)可以進(jìn)行觀察研究，這開辟了迅速發(fā)展的分子影像領(lǐng)域，針對動物模型、人體內(nèi)正常細(xì)胞和病變體無創(chuàng)的生物過程[16]。分子影像的優(yōu)勢是能夠分析特定的分子在同一個實驗對象隨時間變化的動力學(xué)，廣泛應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)的研究[17]。分子影像技術(shù)對識別潛在的分子治療靶點具有重要意義，能夠成功的運用于臨床診斷。

1.1 PD小鼠PET/CT顯像

Honer等[18]比較了18F-FDOPA、18F-FMT和8F-FeCNT三種示蹤劑在C57BL/6 PD小鼠多巴胺能神經(jīng)傳遞的情況。18F-FDOPA和18F-FMT未能清楚的顯示小鼠紋狀體，而使用18F-FeCNT能夠清楚的分辨小鼠的紋狀體。

1.2 PD大鼠PET/CT顯像

相對于小鼠而言，實驗大鼠的腦部結(jié)構(gòu)更加清晰和完整，因此，被大量用于臨床前的腦部結(jié)構(gòu)研究，PD模型大鼠的研究范圍相對小鼠更為廣泛。例如2006年Casteels等[19]對十只成年Wistar PD大鼠分別用18F-FDG(氟代脫氧葡萄糖)、18F-FECT，以及11C-Rracopople示蹤劑進(jìn)行PET顯像。大鼠尾狀殼核18F-FDG攝取率范圍為1.7%-6.4%，11C-Rracopople和18F-FECT攝取率最大值分別為11%和5.3%。小動物PET有助于大鼠腦功能空間定位和精確評估。2008年[20]該課題組對十八只成年Wistar雌性PD大鼠[八只6-羥基多巴胺(6-OHDA)誘導(dǎo)，對照組十只]進(jìn)行18F-FDG和18F-FECT顯像。圖像數(shù)據(jù)結(jié)合SPM2軟件分析，在6-OHDA模型中，同側(cè)感覺運動皮層葡萄糖代謝顯著降低，同側(cè)尾殼核、伏隔核和黑質(zhì)的DAT代謝嚴(yán)重下降，經(jīng)行為學(xué)和組織學(xué)相關(guān)分析證實：同側(cè)海馬DAT受損程度與糖代謝變化呈正相關(guān)，小腦葡萄糖代謝與DAT受損程度呈負(fù)相關(guān)。Sun等[21]利用動物PET觀察大鼠單側(cè)紋狀體病變及早期紋狀體D2受體功能變化。結(jié)果顯示，大鼠內(nèi)側(cè)前腦束損傷模型和紋狀體損傷模型有不同的動態(tài)病理過程。內(nèi)側(cè)前腦束損傷模型是PD的早期階段，而紋狀體損傷模型是帕金森綜合征，如帕金森血管綜合征。Jang等[22]對6-OHDA單側(cè)誘導(dǎo)的PD大鼠進(jìn)行18F-FDG顯像，與藥物誘導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)試驗進(jìn)行比較。在PD大鼠中，原發(fā)運動皮質(zhì)、黑質(zhì)和橋腦在同側(cè)18F-FDG代謝明顯降低。相反，誘導(dǎo)后能夠觀察到初級軀體感覺皮層和尾狀核殼核區(qū)域的神經(jīng)元激活現(xiàn)象。在初級運動皮層中，黑質(zhì)和腦橋被蓋核的葡萄糖代謝存在顯著相關(guān)性，此外，腹側(cè)尾狀核、黑質(zhì)、和初級運動皮層葡萄糖代謝顯著相關(guān)，初級運動皮層與黑質(zhì)也表現(xiàn)出葡萄糖代謝的顯著相關(guān)性。D?br?ssy等[23]通過新型放射性示蹤劑18F-DMFP檢測PD大鼠多巴胺D2/D3受體表達(dá)。從PET圖像清楚地顯示病變引起的D2R受體代謝變化。藥代動力學(xué)分析D2R代謝變化與體外放射自顯影顯著相關(guān)。18F-DMFP能夠很好的評估PD大鼠體內(nèi)D2R受體表達(dá)，還可用于監(jiān)測細(xì)胞治療。Li等[24]利用新型的放射性示蹤劑10-11C-DTBZ對6-OHDA誘導(dǎo)的PD大鼠進(jìn)行顯像，結(jié)果表明：與正常組對比，PD大鼠單側(cè)病變紋狀體的攝取明顯不對稱，差異有顯著性，10-11C-DTBZ能夠有效的診斷PD癥狀。Bu等[25]為了研究視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞移植術(shù)治療PD，利用18F-P3BZA示蹤劑對PD豬紋狀體進(jìn)行PET/CT顯像。結(jié)果顯示：植入管細(xì)胞活性隨處理時間的減少而降低，18F-P3BZA可作為一種動態(tài)監(jiān)測體內(nèi)植入RPE細(xì)胞活性的方法。Park等[26]用18F-FP-CIT示蹤劑結(jié)合PET技術(shù)評價骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)在PD大鼠中的功能。各時間點骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療組FP-CIT攝取率具有顯著差異，對照組在任何時間點均無顯著性差異。SPM分析顯示，只有BMSC治療組大鼠右側(cè)基底節(jié)區(qū)多巴胺轉(zhuǎn)運體活性增強(qiáng)，與對照組相比，BMSC能夠明顯改善大鼠的旋轉(zhuǎn)行為和修復(fù)TH陽性神經(jīng)元損傷。通過多巴胺轉(zhuǎn)運體的PET數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn)功能和組織病理學(xué)研究，證實了靜脈注射骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞能夠有效的治療PD大鼠。Zhou等[27]通過PET顯像數(shù)據(jù)分析了6-OHDA誘導(dǎo)的PD大鼠中腺苷2 A受體和多巴胺D2受體的變化。Crabbé M等[28]研究了PD大鼠發(fā)病后大腦中的mGLUR5和谷氨酸/谷氨酰胺的變化情況。PET數(shù)據(jù)顯示：隨著左旋多巴的用量加大，MGLUR5對側(cè)運動皮層和體感皮層的攝取增加mGluR5在PD大鼠皮質(zhì)區(qū)的參與性強(qiáng)于谷氨酰胺。

1.3 四氫吡啶(MPTP)誘導(dǎo)的PD猴PET/CT顯像

猴作為最為熟悉的靈長類動物，與人有著極為相似的基因，對PD猴的診斷研究對臨床具有很大的參考價值。Ando等[29]利用PET影像對PD狨猴進(jìn)行觀察，能夠無創(chuàng)的監(jiān)測其神經(jīng)退化過程。Riverol等[30]通過PET顯像觀察了PD獼猴黑質(zhì)紋狀體的功能活性。經(jīng)左旋多巴和安慰劑治療后，黑質(zhì)(SN)中發(fā)現(xiàn)數(shù)量相近的多巴胺能細(xì)胞，兩組動物紋狀體DAT含量均降低，左旋多巴治療后的動物殼核TH水平顯著低于安慰劑組。Peng等[31]對比了健康獼猴和PD獼猴的視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(hRPE)PET圖像。結(jié)果顯示，未誘導(dǎo)的PRP活性半球攝取相對于正常組升高(P<0.00005)，而視網(wǎng)膜半球色素上皮植入后攝取降低(P<0.05)，hRPE細(xì)胞植入手術(shù)在非人靈長類PD動物有一定效果。

磷酸二酯酶抑制劑(PDE)4是中樞神經(jīng)系統(tǒng)催化細(xì)胞內(nèi)cAMP水解最常見的第二信使抑制劑。通過PDE4抑制治療，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)cAMP水平穩(wěn)定，改善精神病和神經(jīng)退行性疾病包括抑郁、記憶喪失和PD的癥狀。用11C標(biāo)記的PDE4抑制劑R-(-)-咯利普蘭可用于研究PDE4在體內(nèi)非侵入性方式的示蹤劑，并評估新的PDE4治療藥物。Thomae等[32]合成了[18F]MNI-617示蹤劑，對PD猴行PET顯像，結(jié)果顯示：示蹤劑能夠迅速進(jìn)入大腦，測得SUV值在4-5之間，與PDE4的攝取路徑一致。

2 動物MR顯像

MRI是一種生物磁自旋成像技術(shù)，它是利用原子核自旋運動的特點，在外加磁場內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激發(fā)后產(chǎn)生信號，用探測器檢測信號并輸入計算機(jī)，經(jīng)過計算機(jī)處理轉(zhuǎn)換后在屏幕上顯示圖像[33]。

Jenkins等[34]使用MRI技術(shù)無創(chuàng)性的分析了PD小鼠谷氨酸的化學(xué)變化。小鼠局部或全身注射3-硝基丙酸(3-NP)、丙二酸和疊氮化物毒素從而引起繼發(fā)性興奮性病變，結(jié)合線粒體呼吸引起的紋狀體乳酸濃度升高，導(dǎo)致了選擇性抑制作用。N-乙酰天冬氨酸(NAA)在病變部位的濃度降低。通過磁共振結(jié)合冷凍鉗技術(shù)生化法測定乳酸含量和病灶大小。實驗證實了細(xì)胞的能量代謝間接產(chǎn)生了具有損害性的興奮毒性，證明了體積小的代謝物在體內(nèi)神經(jīng)化學(xué)顯像的可行性。Guzman等[35]為了研究帕金森模型大鼠腦神經(jīng)活動情況，將大鼠分別注射6-OHDA和QA并放置在一個專門設(shè)計的PVC裝置中，配有一個靈活的表面線圈和T2加權(quán)自旋回波序列，隨后移植胚胎組織。T2加權(quán)圖像顯示在6-OHDA與QA病變部位都出現(xiàn)彌漫性高信號。移植組織出現(xiàn)在T1加權(quán)像高信號邊緣的低信號區(qū)。研究還表明血腦屏障修復(fù)時間也可以被監(jiān)測。Bjarkam等[36]對帕金森病模型豬進(jìn)行MRI影像診斷，對模型豬行干細(xì)胞移植和腦深部電刺激手術(shù)。結(jié)果表示，帕金森模型定向手術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)小型豬CNS中樞神經(jīng)修復(fù)功能，可以動態(tài)評估腦成像結(jié)果。

3 動物SPECT顯像

單光子發(fā)射的多巴胺能系統(tǒng)成像(SPECT)，特別是多巴胺轉(zhuǎn)運體(DAT)成像被廣泛接受，SPECT技術(shù)成功開發(fā)出了圖像的神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)，包括PD大鼠和小鼠模型突觸前DAT和突觸后多巴胺D2/3受體的表達(dá)[37]。

Andringa等[38]分析了MPTP誘導(dǎo)的帕金森C57BL/6小鼠體內(nèi)多巴胺神經(jīng)元變性表達(dá)，監(jiān)測模型小鼠退行性過程以及藥物在體內(nèi)的神經(jīng)保護(hù)或恢復(fù)時間。誘導(dǎo)小鼠時間分別為1 d、3 d和5 d，觀察不同時間的DAT水平變化。小鼠MPTP注射5 d后行[(123)I]FP-CIT-SPECT顯像，MPTP注射6 d后灌注，數(shù)據(jù)顯示：不同時間內(nèi)誘導(dǎo)的小鼠非特異性結(jié)合紋狀體減少比例分別是59%(1 d)、82%(3 d)和76%(5 d)，體內(nèi)和體外觀察指標(biāo)呈正相關(guān)。本研究首次證實了[(123)I]FP-CIT結(jié)合動物SPECT顯像能準(zhǔn)確檢測小鼠紋狀體DAT水平，大面積的多巴胺病變也可以被檢測到，SPECT檢測方法至少可以證明神經(jīng)保護(hù)治療在小鼠多巴胺缺失中是有效的。Alvarez-Fischer等[39]利用同樣的方法觀察兩種PD模型小鼠紋狀體多巴胺的水平，結(jié)果顯示：SPECT顯像能夠精確測量紋狀體多巴胺的濃度，但不一定與黑質(zhì)多巴胺能細(xì)胞數(shù)相關(guān)，能夠判斷在PD中FP-CIT SPECT紋狀體多巴胺能神經(jīng)末梢是否完整，而不能夠預(yù)測黑質(zhì)多巴胺能細(xì)胞數(shù)量。Nierola-Baizán等[40]利用該技術(shù)對6-OHDA誘導(dǎo)的大鼠多巴胺能神經(jīng)傳遞系統(tǒng)進(jìn)行體內(nèi)評價。十四只大鼠在左側(cè)內(nèi)側(cè)前腦束中接受6-OHDA注射(4 μg或8 μg)，3周后，行SPECT顯像，免疫組化分析黑質(zhì)紋狀體病變，證實兩個水平的多巴胺能退變，放射性攝取分別為61%和76%，兩組之間相比，放射性攝取和損傷程度差異均有顯著性。

Suwijn等[41]報道了SPECT-HEEPSECT顯像系統(tǒng)用于有意識小鼠腦成像的研究。使用運動校正技術(shù)，驗證了麻醉劑對DAT成像的影響，評估了麻醉劑結(jié)合放射性示蹤劑對麻醉效果的影響，同時該影響還與動物的神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)和行為有關(guān)，最后證明超高分辨率顯像系統(tǒng)能準(zhǔn)確地評估PD小鼠體內(nèi)的多巴胺能表達(dá)。

4 結(jié)語

分子影像技術(shù)的發(fā)展促使臨床和臨床前疾病診斷研究更加精準(zhǔn)和可靠，建立了轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更結(jié)實的技術(shù)橋梁。臨床前的研究無論對影像設(shè)備還是技術(shù)分析都要求更高，從本論文的綜述可以看出，當(dāng)前動物分子影像技術(shù)對PD與帕金森疊加綜合征的診斷及預(yù)后評估效果顯著，受到國內(nèi)外眾多研究者的關(guān)注，小動物PET/CT、小動物MRI和小動物SPECT都各具診斷優(yōu)勢，能夠?qū)Υ?、小鼠以及非人類靈長類動物進(jìn)行腦部掃描，得到清晰的圖像，同時可以進(jìn)行三維數(shù)據(jù)重建和多元化的腦部數(shù)據(jù)分析，定量出分析模型動物腦部各分區(qū)的變化情況，獲得統(tǒng)計學(xué)意義。因此，分子影像技術(shù)的綜合運用具有一定的前瞻性和可靠性，新型示蹤技術(shù)和影像技術(shù)的結(jié)合更是診斷PD及其他神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病的未來發(fā)展趨勢。