Aβ和Tau蛋白分子影像探針診斷阿爾茨 海默病的應(yīng)用與思考

李 丹， 呂中偉

(同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海 200072)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是最常見的癡呆癥，隱匿起病，伴有不同程度的失語(yǔ)、失用、失認(rèn)及記憶障礙，發(fā)病率隨人口老齡化的加劇而急劇增高[1]。AD已成為繼心血管疾病、腦血管疾病和癌癥之后危害老年人健康的“第四大殺手”。因此，迫切需要研發(fā)應(yīng)用于AD的分子探針，以實(shí)現(xiàn)早期檢測(cè)、鑒別診斷、病程發(fā)展監(jiān)測(cè)及藥物療效評(píng)價(jià)等。

隨著分子影像學(xué)的發(fā)展，正電子發(fā)射斷層顯像(positron emission tomography, PET)和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(single photon emission computed tomography, SPECT)等已成為診斷AD的重要手段，是揭示AD病理機(jī)制不可或缺的工具。研究[2]發(fā)現(xiàn)Aβ和Tau蛋白是AD早期特征性病理改變的核心。針對(duì)Aβ和Tau蛋白的PET、SPECT特異性分子探針，為AD的早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷和早期干預(yù)提供了可靠依據(jù)，加深了核醫(yī)學(xué)技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用程度。

1 針對(duì)Aβ顯像的分子探針

大腦中過多的Aβ沉積可能標(biāo)志著神經(jīng)性功能退化，Aβ斑塊形成是引發(fā)AD的重要原因。利用核素顯像方法能夠檢測(cè)腦組織中Aβ的濃度，且具有較高的靈敏性；因此，針對(duì)Aβ特異性分子探針有助于AD的早期診斷，可對(duì)已有藥物治療進(jìn)行臨床療效的評(píng)價(jià)和研究。理想的PET/SPECT成像探針，必須滿足許多先決條件[3]： (1) 對(duì)Aβ斑塊有高選擇性和高結(jié)合親和力；(2) 體內(nèi)代謝高穩(wěn)定性，在腦成像結(jié)束時(shí)代謝率低于80%；(3) 高效放射性標(biāo)記和高特異性放射活性；(4) 能夠快速穿透血腦屏障，在正常腦組織中能快速?zèng)_洗。目前，已經(jīng)研發(fā)出多種成功應(yīng)用于檢測(cè)AD患者腦內(nèi)Aβ濃度的PET分子探針： 硫磺素-T(ThT)衍生物、二苯乙烯類衍生物、99mTc標(biāo)記的分子探針等，以及在人體中測(cè)試的唯一SPECT探針——123I-IMPY。下面將闡述幾種應(yīng)用廣泛的靶向Aβ的分子探針。

1.1 硫磺素-T衍生物

ThT衍生物是一種常用于診斷淀粉樣蛋白結(jié)構(gòu)的苯并噻唑染料，與Aβ纖維的β片結(jié)構(gòu)結(jié)合時(shí)會(huì)顯示出增強(qiáng)的熒光及其發(fā)射光譜的特征性紅移[4]。11C-PiB是迄今為止臨床研究及應(yīng)用最多的檢測(cè)Aβ斑塊的PET成像探針。在ThT衍生物中，11C-PiB具有最低的親脂性及最佳的腦組織藥代動(dòng)力學(xué)，通過與Aβ特異性結(jié)合反映活體腦組織中Aβ沉積的部位和濃度，從而實(shí)現(xiàn)AD的早期診斷；但由于11C半衰期較短、11C-PiB合成難度大，因而限制了其在臨床上的廣泛應(yīng)用[5]。據(jù)此，對(duì)11C-PiB進(jìn)行改造，研發(fā)出了18F標(biāo)記的PiB類似物。但是18F標(biāo)記的探針的親脂性較高，這可能會(huì)導(dǎo)致探針的非特異性結(jié)合增加。因此，開發(fā)針對(duì)Aβ的PET分子探針仍需進(jìn)行更多的研究。研究[6]首次報(bào)道了一系列新的ThT衍生物用作SPECT的成像探針，即咪唑并[1,2-a]-吡啶(IMPY)。其中，123I-IMPY是唯一被用于人體內(nèi)SPECT成像Aβ探針。然而，123I-IMPY的高親脂性、體內(nèi)不穩(wěn)定性及靶向背景比不足等缺點(diǎn)導(dǎo)致其在臨床試驗(yàn)中失敗。此外，Zeng等[7]也合成了一系列咪唑并[1,2-b]-吡啶用于Aβ顯像，然而目前尚未有放射性及體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的研究報(bào)道。

1.2 二苯乙烯類衍生物

研究及臨床應(yīng)用較廣泛的二苯乙烯類衍生物有11C-SB13和18F-AV類等。11C-SB13在人體PET成像中顯示出對(duì)Aβ斑塊的高特異性結(jié)合力，具有檢測(cè)AD患者腦內(nèi)Aβ斑塊的潛能。18F-AV類探針是近幾年發(fā)現(xiàn)的一種新型Aβ顯像劑，在PET成像中顯示出較高的Aβ親和力。與11C-PiB相比，18F-AV類探針更具優(yōu)勢(shì)：18F半衰期大約為11C的5倍，較高的穩(wěn)定性有利于PET成像；對(duì)Aβ具有更高的特異性結(jié)合力，有利于監(jiān)測(cè)Aβ的細(xì)微變化并評(píng)價(jià)AD的嚴(yán)重程度[8]。其中，18F-AV45已被美國(guó)FDA批準(zhǔn)上市。18F-AV45因其顯示出極佳的人腦組織攝取及洗出率、體內(nèi)高安全性及對(duì)Aβ的高特異性親和力[9]，在臨床中被廣泛應(yīng)用。近年來，Yang等[10]報(bào)道了一系列基于二苯乙烯骨架的styrylindole和styrylquinoline衍生物，但是125I標(biāo)記的探針性能不夠理想，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

1.3 其他特異性分子探針

11C-BF227是由Okamura等[11]研發(fā)出的一種用于AD患者腦內(nèi)SP成像的喃惡唑衍生物。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其在體內(nèi)顯示出對(duì)Aβ的高特異性親和力和非常好的腦組織攝取率及血腦屏障通透性。11C-BF227在AD患者大腦皮質(zhì)中攝取率較高，而在正常人對(duì)應(yīng)的部位中沒有結(jié)合。因此，11C-BF227可用于區(qū)分AD患者和正常人。

雖然123I-IMPY以失敗告終，但對(duì)SPECT成像探針的研究并沒有停止。放射性標(biāo)記的DRM106與11C-PiB類似，在轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)檢測(cè)到Aβ的沉積并且顯示出較高的靈敏度。已被應(yīng)用于臨床前和臨床研究的放射性碘化咪唑吡啶衍生物123I-ABC577，在AD患者大腦的額、顳葉和后扣帶皮質(zhì)中顯示出對(duì)Aβ的高親和力，且白質(zhì)中保留率最低[12]。Li等[13]合成并評(píng)估了一種99mTc標(biāo)記的查爾酮衍生物——用Cp99mTc(CO)3核團(tuán)取代查爾酮的一個(gè)苯基。在AD患者腦組織切片的熒光染色中證明了這種復(fù)合物對(duì)Aβ斑塊具有較好的親和力。而且，這種衍生物的初始腦攝取率很高，為99mTc標(biāo)記的Aβ成像探針的可行性提供了依據(jù)。

2 針對(duì)Tau蛋白顯像的分子探針

Tau蛋白異常磷酸化是AD的特征性病理改變之一。Tau蛋白過度磷酸化形成不溶性纖維，稱之為雙螺旋細(xì)絲(paired helical filaments, PHFs)。PHFs在神經(jīng)元胞質(zhì)中積累形成神經(jīng)元纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles, NFTs)。起初，NFTs發(fā)生在跨內(nèi)嗅區(qū)，然后是內(nèi)嗅皮質(zhì)和海馬，最后累及顳皮質(zhì)和其他皮質(zhì)區(qū)域。尸檢結(jié)果顯示，與癡呆和神經(jīng)變性的嚴(yán)重程度相關(guān)的是NFTs，而不是SP[14]。這表明Tau蛋白的聚集對(duì)神經(jīng)變性的影響比Aβ更直接；相對(duì)于Aβ，Tau蛋白更能反映AD的病情嚴(yán)重程度。因此，靶向Tau蛋白的顯像劑的研發(fā)成為了AD分子影像學(xué)研究的熱點(diǎn)。

Tau蛋白的PET成像對(duì)準(zhǔn)確診斷AD及反映AD的認(rèn)知損害程度具有重要意義，因其在體內(nèi)的分布特點(diǎn)決定了特異性分子探針必須克服一系列問題。Tau蛋白與Aβ均含有能與平面多芳烴結(jié)合的β片狀結(jié)構(gòu)。此外，Tau蛋白位于細(xì)胞內(nèi)，且濃度約為Aβ的1/5～1/20。這就意味著放射性示蹤劑須穿過細(xì)胞膜與Tau蛋白結(jié)合而不與Aβ結(jié)合。理想的放射性示蹤劑應(yīng)具備的條件包括： (1) 與PHF-Tau的高結(jié)合親和力；(2) 與PHF-Tau的高結(jié)合選擇性；(3) 高血腦屏障通透性；(4) 正常腦組織中有較好的清除率；(5) 適當(dāng)?shù)挠H脂性；(6) 與白質(zhì)的非特異性結(jié)合少；(7) 體內(nèi)代謝高穩(wěn)定性，代謝物不進(jìn)入腦組織。

2.1 18F-FDDNP

18F-FDDNP是第1個(gè)成功應(yīng)用于檢測(cè)AD患者腦內(nèi)Tau蛋白的PET成像探針。在AD腦組織切片的放射性自顯影中，用免疫組化的方法觀察到18F-FDDNP結(jié)合在NFTs高度聚集的海馬區(qū)[15]。直接比較同一AD患者中FDDNP和PiB分別與Tau蛋白的結(jié)合情況，發(fā)現(xiàn)PiB可忽略不計(jì)，而FDDNP在內(nèi)側(cè)顳葉皮質(zhì)與NFTs有較強(qiáng)的結(jié)合[16]。近年來，18F-FDDNP的PET研究發(fā)現(xiàn)，懷疑患有慢性創(chuàng)傷性腦病(chronic traumatic encephalopathy, CTE)的足球運(yùn)動(dòng)員皮質(zhì)下腦區(qū)和杏仁核的FDDNP攝取增加[17]，這提示PET在腦損傷后病理性的Tau蛋白沉積檢測(cè)中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。此外，在進(jìn)展性核上性麻痹(progressive supranuclear palsy, PSP)的病例中觀察到，18F-FDDNP對(duì)Tau蛋白沉積區(qū)域的成像較敏感[18]。然而，研究[19]發(fā)現(xiàn)18F-FDDNP非選擇性地結(jié)合Aβ和Tau蛋白，體內(nèi)攝取較慢，并且對(duì)Tau蛋白的敏感性不如下面所介紹的放射性示蹤劑。因此，18F-FDDNP在Tau蛋白顯像中的應(yīng)用價(jià)值不大。

2.2 11C-PBB3

11C-PBB3是一種PET示蹤劑，可檢測(cè)AD患者腦組織Tau蛋白沉積以及包括PSP和皮質(zhì)基底變性(corticobasal degeneration, CBD)在內(nèi)的非AD患者腦組織的Tau蛋白病變。Maruyama等[20]開展的研究證實(shí)了11C-PBB3在AD患者海馬中與NFTs的結(jié)合能力。此外，該研究還報(bào)道了1例11C-PBB3在CBD患者的基底神經(jīng)節(jié)中與Tau蛋白結(jié)合的病例。近年來，在轉(zhuǎn)基因小鼠和AD患者的PET定量研究中，11C-PBB3顯示出對(duì)Tau蛋白的高特異性結(jié)合力，為Aβ的40～50倍[21]。但由于11C的半衰期僅有20min左右，且11C-PBB3與非AD疾病中Tau蛋白的結(jié)合，限制其在AD診斷及鑒別診斷方面的應(yīng)用。

2.3 T807和T808

T807和T808是苯并咪唑-嘧啶類衍生物。在患有AD的轉(zhuǎn)基因小鼠以及人腦PET成像研究[22]中，證明了兩者對(duì)Tau蛋白均有高選擇性結(jié)合力，并且在皮質(zhì)中的保留模式與Brakk分期中NFTs的分布一致。與大多數(shù)18F標(biāo)記的淀粉蛋白PET示蹤劑不同，18F-T807與白質(zhì)的非特異性結(jié)合非常低，提高了大腦中的灰白質(zhì)對(duì)比。此外，研究[22]發(fā)現(xiàn)重度AD患者的18F-T807保留率明顯高于輕度AD和輕度認(rèn)知功能障礙(mild cognitive impairment, MCI)患者，表明18F-T807的滯留與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)。相比于18F-T807，18F-T808在大腦中分布速度更快、從正常腦組織中的清除率也更快。然而18F-T808存在脫氟及骨攝取18F現(xiàn)象而不能滿足臨床進(jìn)一步的利用。另一種苯并咪唑-嘧啶類放射性示蹤劑——18F-AV-1451，對(duì)Tau蛋白具有高選擇性結(jié)合力(約為Aβ的25倍)，白質(zhì)攝取率較低，并且與AD的嚴(yán)重程度有很強(qiáng)的相關(guān)性。此外，18F-AV-1451可能在AD與MCI的鑒別診斷方面有潛在價(jià)值。研究[23]發(fā)現(xiàn)，AD患者對(duì)18F-AV-1451的攝取高于MCI；并且在證實(shí)有Aβ沉積的MCI患者中，皮質(zhì)區(qū)有較多的18F-AV-1451攝取，而在Aβ陰性的健康人中，18F-AV-1451 則聚集在海馬區(qū)，并表現(xiàn)出隨著年齡的增長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)。

2.4 THK系列

THK系列示蹤劑是一類18F標(biāo)記的喹啉類衍生物，其中研究較多的包括18F-THK523、18F-THK5105、18F-THK5117等。18F-THK523因其對(duì)Tau蛋白具有較好的選擇性結(jié)合力而應(yīng)用于AD的早期診斷。在AD模型的轉(zhuǎn)基因小鼠腦組織切片中觀察到18F-THK523對(duì)Tau蛋白有較高的親和力；18F-THK523在AD患者的額葉、頂葉、海馬和顳葉皮質(zhì)均被攝取[24]。18F-THK5105的PET研究成功證明了放射性示蹤劑在AD腦中易發(fā)生Tau蛋白沉積部位的滯留，尤其是在NFTs沉積密度最高的顳皮質(zhì)區(qū)[25]。與18F-THK5105相比，18F-THK5117有更高的信號(hào)背景比和更好的藥代動(dòng)力學(xué)特征，并且能反映AD疾病的嚴(yán)重程度[26]。其他研究[27]也報(bào)道了類似的結(jié)果。然而，這些放射性示蹤劑在白質(zhì)和皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)中顯示了非特異性攝取。針對(duì)這一缺點(diǎn)，對(duì)這些示蹤劑展開了進(jìn)一步的研究。研究[28]發(fā)現(xiàn)，18F-THK5117或18F-THK5317的S型對(duì)映體顯示出與18F-THK5117相似的灰質(zhì)保留，且在白質(zhì)和腦干的非特異性攝取較低；這表明它們更有望成為Tau蛋白的特異性分子探針。18F-THK5351是近年來發(fā)現(xiàn)的另一種18F標(biāo)記的2-芳基喹啉衍生物。其特點(diǎn)是在AD患者中的攝取與洗出速度更快，非特異性結(jié)合更低，皮質(zhì)保留率高于MCI。11C-THK951在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中雖顯示出良好的動(dòng)力學(xué)，但是與Tau蛋白的結(jié)合力不如18F-THK523、18F-THK5105和18F-THK5117。

最近，新研發(fā)的化合物RO6931643、RO6924963和RO6958948非常具有成為Tau蛋白高特異性分子探針的潛能，它們能夠選擇性地結(jié)合在Tau蛋白的3H-T808位點(diǎn)上，對(duì)Aβ沒有親和力且在正常腦組織中沒有非特異性結(jié)合[29]。這些放射性示蹤劑目前正在人體中進(jìn)行研究試驗(yàn)。

3 Aβ和Tau蛋白分子影像探針在AD和MCI診斷中的應(yīng)用

AD是一種進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病，在出現(xiàn)典型的臨床癥狀之前，通常會(huì)出現(xiàn)一定時(shí)期的MCI。MCI是介于正常衰老和癡呆之間的一種中間狀態(tài)，是一種認(rèn)知障礙癥候群，但并不是所有MCI患者都會(huì)發(fā)展成AD，每年有10%～15%的人會(huì)發(fā)展成癡呆。AD的臨床診斷，尤其是早期的診斷，仍然是困難的，需要詳細(xì)的病史和一系列神經(jīng)心理測(cè)試，比如簡(jiǎn)易智能精神狀態(tài)檢查量表(mini-mental state examination, MMSE)來診斷癡呆。非特異性的18F-FDG PET與腦血流灌注SPECT可結(jié)合用于評(píng)估AD和MCI。AD患者影像表現(xiàn)為： 疾病早期階段扣帶皮質(zhì)、楔前葉的代謝降低和灌注減少，其次是雙邊或常不對(duì)稱的后顳皮質(zhì)代謝及灌注減少；而額葉皮質(zhì)在晚期會(huì)受到影響。在MCI轉(zhuǎn)化為AD患者中，與MCI未轉(zhuǎn)化為AD和健康對(duì)照組相比，F(xiàn)DG攝取在顳葉和頂葉皮質(zhì)較低，后兩組攝取相似[30]。目前，靶向Aβ和Tau蛋白分子影像探針也越來越多地應(yīng)用于AD的早期診斷、MCI的診斷和MCI患者進(jìn)展到AD的鑒別診斷當(dāng)中。

在AD患者中，額葉、頂葉和顳葉皮質(zhì)以及環(huán)狀回、楔前葉和紋狀體中發(fā)現(xiàn)11C-PiB的攝取增加。早發(fā)性AD患者的11C-PiB攝取較晚發(fā)性AD高，而在MCI患者中，11C-PiB攝取較AD增加。另外，11C-PiB可以用于預(yù)測(cè)MCI發(fā)展為AD的風(fēng)險(xiǎn)，11C-PiB陽(yáng)性攝取的患者發(fā)展為AD的風(fēng)險(xiǎn)為50%～80%[31]，而11C-PiB不攝取的患者發(fā)展為AD的風(fēng)險(xiǎn)僅為0～10%[32]。11C-PiB預(yù)測(cè)MCI患者進(jìn)展為AD的靈敏度為83%～100%，特異度為46%～88%[33]。采用18F-AV45顯影靶向Aβ斑塊顯影，在顯像后1～2年進(jìn)行病理確認(rèn)，診斷MCI的靈敏度和特異度分別為92%～96%和96%。據(jù)報(bào)道[34]，18F-AV45能夠用于預(yù)測(cè)MCI到AD患者認(rèn)知和功能狀態(tài)的逐步惡化。

在MCI患者中，18F-AV-1451的攝取較AD患者少，而且在確定有Aβ斑塊的MCI患者和健康受試人群中，也發(fā)現(xiàn)18F-AV-1451在皮質(zhì)中的攝取，而Aβ陰性的健康對(duì)照人群也有發(fā)現(xiàn)海馬體中18F-AV-1451的攝取，并顯示隨年齡而增加[35]。與健康受試人群相比，在AD患者的皮質(zhì)中有更高的18F-THK5117攝取，這與認(rèn)知障礙的水平相關(guān)，而MCI患者中18F-THK5117的攝取則介于AD和正常對(duì)照之間[27]。MCI患者皮質(zhì)中的18F-THK5351攝取低于AD患者。另外，與正常人相比，AD患者和50%的MCI患者均顯示出較高的18F-FDDNP保留率[36]。

4 展 望

隨著分子影像學(xué)和各類放射性示蹤劑的快速發(fā)展，AD的功能和分子神經(jīng)成像技術(shù)取得了重大進(jìn)步，對(duì)研究AD的潛在病理過程具有重要意義。以SP的核心成分Aβ和NFTs的核心成分Tau蛋白為靶點(diǎn)的特異性分子探針，在早期發(fā)現(xiàn)與疾病相關(guān)的病理、藥物的療效評(píng)估以及AD和非AD的鑒別診斷等方面具有廣泛的研究和應(yīng)用價(jià)值。然而，這些分子探針也存在一定的局限性。與PET相比，用于SPECT成像的分子探針的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后；Aβ顯像探針的親脂性和體內(nèi)穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步改善；針對(duì)Tau蛋白的高特異性分子探針的研究在國(guó)內(nèi)較少，并且大多數(shù)尚處于臨床試驗(yàn)階段。因此，需要展開大量的科研工作，研究AD發(fā)病的分子機(jī)制，改良修飾已研發(fā)的放射性示蹤劑以提高它們的特異性結(jié)合力，尋找其他潛在靶點(diǎn)并開發(fā)新型分子探針，從而提高AD的檢出率。