靶向多巴胺D3受體PET分子探針的研究進(jìn)展

張 格,薛井泉,趙世倫,劉 宇,3,楊文江

(1.中國科學(xué)院高能物理研究所,北京市射線成像技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,北京 100049;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.濟(jì)南中科核技術(shù)研究院,濟(jì)南 250131)

多巴胺是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì),在大腦中分布廣泛,含量豐富,參與許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的調(diào)控,如運(yùn)動(dòng)行為、情感、認(rèn)知、獎(jiǎng)勵(lì)等[1]。多巴胺通過與突觸后膜的多巴胺受體結(jié)合,激活多巴胺能通路上的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑(胞內(nèi)環(huán)腺苷酸/蛋白激酶A信號(hào)通路、G蛋白門控內(nèi)向整流鉀離子通道、N型鈣離子通道等)[2],發(fā)生特定的生理效應(yīng),在維持多巴胺濃度平衡,調(diào)控多巴胺系統(tǒng)功能,維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)信息傳遞中發(fā)揮重要作用[3-4]。其中多巴胺D3受體(D3R)雖發(fā)現(xiàn)較晚但其在腦內(nèi)邊緣區(qū)域的特殊分布,涉及運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知、獎(jiǎng)賞、情感等功能,提示多巴胺D3R可能與帕金森病、精神分裂癥、藥物成癮等多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病關(guān)系密切。

大腦是人體最精密復(fù)雜的器官,深入研究腦功能及神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病離不開分子影像學(xué)的輔助。正電子發(fā)射斷層顯像(PET)技術(shù)是分子影像學(xué)的重要部分,PET具有高靈敏度與分辨率,能定量、無創(chuàng)、可視化地跟蹤體內(nèi)代謝過程,從而在分子水平上發(fā)現(xiàn)疾病早期變化[5-6]。應(yīng)用PET顯像技術(shù)將使人們對(duì)D3R在各種精神疾病的病理生理中的作用有客觀、科學(xué)的認(rèn)識(shí)[7]。

D3R的PET顯像依賴于高特異性的顯像劑,本研究對(duì)多巴胺D3R PET分子探針的研究情況進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)論,并探討未來D3R PET探針開發(fā)的挑戰(zhàn)與方向。

1 多巴胺受體的分類與功能

按照初級(jí)結(jié)構(gòu)和藥理性質(zhì)的相似性歸類,可以將多巴胺受體分為D1類(D1、D5)和D2類(D2、D3、D4)受體[8-10],D1類受體在尾殼核、伏隔核、黑質(zhì)、嗅球、額葉皮質(zhì)、杏仁核分布較多,少量位于丘腦、邊緣系統(tǒng),其主要功能是與激活型G蛋白(Gs)偶聯(lián)促進(jìn)胞內(nèi)環(huán)腺苷酸的合成,使下游靶蛋白磷酸化,改變細(xì)胞膜對(duì)離子的通透性,調(diào)節(jié)信號(hào)傳導(dǎo)而發(fā)揮功能。工作記憶的恢復(fù)是治療精神分裂癥最棘手的問題,大量研究已經(jīng)證實(shí)前額葉皮質(zhì)D1R信號(hào)傳導(dǎo)不足會(huì)導(dǎo)致工作記憶功能缺陷,以D1R為靶點(diǎn)的藥物有望幫助精神分裂癥患者認(rèn)知功能的恢復(fù)[11]。研究發(fā)現(xiàn),D5R基因位點(diǎn)(染色體4p15.1-16.1)與原發(fā)性高血壓有關(guān),D5R通過作用于腦、腎和動(dòng)脈,在血壓調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。研究D5R對(duì)血壓的調(diào)節(jié)機(jī)制可能有助于預(yù)防和治療原發(fā)性高血壓[12]。

D2類受體在紋狀體、邊緣系統(tǒng)、黑質(zhì)、丘腦、皮層等都有分布,其通過與抑制型G蛋白(Gi/o)偶聯(lián)從而抑制胞內(nèi)環(huán)腺苷酸的合成[13-15]。D2類受體家族在神經(jīng)疾病的研究中一直備受關(guān)注,其中D2R的研究歷史最為悠久,研究表明早期PD患者D2R數(shù)量代償性上調(diào),后期則減少,臨床上已將D2R作為診斷和治療帕金森病的靶點(diǎn)。目前,多巴胺D4R的功能和藥理意義仍然是所有多巴胺受體亞型中了解最少的。D4R參與調(diào)節(jié)額皮質(zhì)紋狀體谷氨酸能神經(jīng)元的傳遞,其介導(dǎo)的信號(hào)的高激活或低激活可能是注意缺陷與多動(dòng)障礙(ADHD)等神經(jīng)精神疾病的原因[17-18]。早期研究對(duì)D2R家族亞型的細(xì)化不足,并未有D3R的概念,其一直被誤當(dāng)做D2R研究,因而研究結(jié)果常有矛盾的現(xiàn)象,直至1990年,Sokoloff等[16]克隆出D3R,發(fā)現(xiàn)其在分子性質(zhì)、組織分布、藥理學(xué)以及可能的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)方面有別于D2R,這一成果在D3R研究中具有里程碑意義,D3R在疾病治療與診斷中的價(jià)值也逐漸被發(fā)掘。

2 多巴胺D3R與神經(jīng)精神疾病

D3R在中腦邊緣區(qū)域(伏隔核、嗅結(jié)節(jié)、卡耶哈島、丘腦等)有高水平的表達(dá),在紋狀體、黑質(zhì)致密部、腹側(cè)被蓋區(qū)、海馬體有適當(dāng)表達(dá),皮層部分區(qū)域也有少量分布[19]。但D3R在腦內(nèi)分布存在物種間的顯著差異,一定程度上限制了D3R介導(dǎo)行為在物種間的普適性[20]。D3R在腦內(nèi)總數(shù)量很少,但其與內(nèi)源多巴胺的結(jié)合親和力卻遠(yuǎn)高于其他多巴胺受體[16],因此D3R數(shù)量和功能的微小變化可能會(huì)對(duì)突觸間信息傳遞產(chǎn)生顯著影響。眾多研究表明,D3R與認(rèn)知、獎(jiǎng)勵(lì)、行為強(qiáng)化和渴望等情感行為及帕金森病(PD)、精神分裂、藥物成癮等神經(jīng)精神疾病息息相關(guān)[21-22]。

對(duì)精神分裂患者的尸檢結(jié)果表明,相比于正常人,患者腦內(nèi)多巴胺D3R數(shù)量明顯升高,而接受抗精神病藥物治療的患者D3R表達(dá)與正常人接近[23-24]。一般認(rèn)為,D3R功能升高是精神分裂癥患者認(rèn)知與記憶功能損傷的原因,調(diào)節(jié)D3R可能改善認(rèn)知和精神分裂癥陰性癥狀[25]。唯一進(jìn)入精神分裂癥臨床測(cè)試的高選擇性D3R拮抗劑ABT-925(體外D3R/D2R選擇性:約100倍)被發(fā)現(xiàn)具有促進(jìn)人類認(rèn)知功效,且不良反應(yīng)較少[26]。

典型抗精神病藥物以D2R為主要靶點(diǎn),通過阻斷多巴胺黑質(zhì)紋狀體通路發(fā)揮抗精神病作用,然而該通路與運(yùn)動(dòng)功能密切相關(guān),因而該通路的阻斷會(huì)導(dǎo)致錐體外系副反應(yīng),而D3R所在的中腦邊緣通路與運(yùn)動(dòng)控制無關(guān),因此對(duì)D3R具有高親和力的非典型抗精神病藥物如氨磺必利、卡利拉嗪優(yōu)先占據(jù)D3R發(fā)揮抗精神病作用,相比于典型抗精神病藥在治療時(shí)引起錐體外系反應(yīng)等不良反應(yīng)較少[27]。

D3R因其在大腦邊緣區(qū)以及蒼白球分布相對(duì)豐富,可能與帕金森病的精神和運(yùn)動(dòng)并發(fā)癥有關(guān),因而備受關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn),未服用過藥物的早期PD患者腹側(cè)紋狀體D3R數(shù)量輕微減少,蒼白球D3R數(shù)量顯著減少[28],這是對(duì)中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元丟失的響應(yīng)。長期使用左旋多巴治療帕金森病往往損壞神經(jīng)細(xì)胞對(duì)多巴胺功能的調(diào)節(jié)從而引發(fā)運(yùn)動(dòng)障礙(LID)[29-31],研究表明LID中D3R表達(dá)上調(diào)[32-33],D3R激動(dòng)劑BP897、FAUC329能夠提高多巴胺神經(jīng)元中腦源性和膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子水平,幫助多巴胺神經(jīng)元的恢復(fù),減輕PD病的運(yùn)動(dòng)癥狀,抑制左旋多巴導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)障礙[14,27,34]。

中腦腹側(cè)被蓋區(qū)(VTA)投射到伏隔核(NAc)、杏仁核、嗅結(jié)節(jié)海馬體等結(jié)構(gòu)的環(huán)路涉及了正性強(qiáng)化效應(yīng)、渴求、獎(jiǎng)賞。其中D3R富集區(qū)域-伏隔核是多巴胺的主要投射目標(biāo),伏隔核多巴胺的增多是成癮藥物刺激后產(chǎn)生快感與獎(jiǎng)勵(lì)的原因[35],D3R在藥物、酒精、煙草、毒品成癮中的研究也因此備受關(guān)注。甲基苯丙胺(冰毒)、可卡因?yàn)E用人群腦內(nèi)D3R密度明顯升高,這與反復(fù)接受冰毒或可卡因刺激導(dǎo)致中腦邊緣多巴胺能信號(hào)傳遞增強(qiáng)引起對(duì)多巴胺刺激的超敏反應(yīng)有關(guān),為解釋藥物成癮行為提供依據(jù)[36-37]。Pilla等[38]對(duì)D3R部分激動(dòng)劑BP897研究發(fā)現(xiàn),BP897能夠緩解癮君子對(duì)可卡因的依賴,且不存在內(nèi)在獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。

數(shù)學(xué)問題解決是一種積極探索和克服障礙的活動(dòng)過程,它所采用的途經(jīng)和方法是新的，至少其中某些部分是新的，這些方法和途徑是已有數(shù)學(xué)知識(shí)和方法的重新組合,這種重新組合通常構(gòu)成一些更高級(jí)的規(guī)則和解題方法，因此數(shù)學(xué)問題解決的過程又是一個(gè)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新的過程.

總之,為了在臨床上更好的認(rèn)識(shí)D3R,具有良好的物理化學(xué)和藥代動(dòng)力學(xué)特性的高親和力、高選擇性D3R配體必不可少。

3 多巴胺D3R PET分子探針及其應(yīng)用

PET顯像可顯示活體內(nèi)D3R數(shù)量變化以及受體占用情況,在疾病診斷、發(fā)病機(jī)制、藥物開發(fā)及治療劑量估計(jì)等方面發(fā)揮重要作用,然而實(shí)現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵是開發(fā)高選擇性D3R的PET配體。18F與11C是PET顯像最常用的放射性核素。18F具有長短適中的半衰期(T1/2=109.7 min),并且正電子能量較低(Emax=635 keV)。氟原子或含氟基團(tuán)在天然產(chǎn)物和生物活性分子中廣泛存在,很多對(duì)D3R具有高親和力的分子結(jié)構(gòu)中都有F的存在。對(duì)于這類分子,放射性18F的引入,并不會(huì)改變其生物活性[39]。C是生物分子的重要組成部分,放射性核素11C標(biāo)記的化合物與未標(biāo)記的化合物相比,其親脂性等物理化學(xué)及生化特性沒有改變,11C的物理半衰期短(T1/2=20.4 min)適用于短生物半衰期化合物的標(biāo)記,可以在短時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行重復(fù)研究,且生產(chǎn)11C的靶材料較18F更便宜,制備更方便,因此11C的使用也十分廣泛,但短半衰期限制了其使用,一般只在能生產(chǎn)11C的場(chǎng)所開展研究[39]。目前已報(bào)道的多巴胺D3R靶向PET探針,都是18F與11C標(biāo)記。根據(jù)分子結(jié)構(gòu),可以大致分為如下三類:四氫吡咯烷類、氨基四氫萘類、苯基哌嗪類。

3.1 四氫吡咯類

該類結(jié)構(gòu)為苯甲酰胺通過一個(gè)亞甲基連接一個(gè)四氫吡咯環(huán),通過在苯環(huán)上引入烷烴鏈、甲氧基、鹵素原子、羥基等基團(tuán)以及改變吡咯烷氮上烷基的長度對(duì)化合物進(jìn)行修飾。用烯丙基替換D2R探針[18F]FPMB吡咯烷氮上的乙基合成了[18F]fallypride,其具有更優(yōu)良的親脂性(LogP=2.43),入腦效果顯著提高。它對(duì)D2R、D3R皆有次納摩爾的親和力(D2R:Ki=0.05 nM,D3R:Ki=0.3 nM),與內(nèi)源多巴胺競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng),且從非特異性部位快速清除,可以在杏仁核等受體密度較低區(qū)域顯像,具有良好顯像效果[40]。由于其選擇性更偏向于D2R(D2R/D3R=10),使得對(duì)D3R顯像時(shí)受到一定限制[41]。但其可作為D2R/D3R顯像劑使用,用于帕金森病的臨床診斷、研究精神分裂癥等腦神經(jīng)疾病。PD患者與正常人進(jìn)行[18F]fallypride PET掃描結(jié)果表明,PD患者較正常組腹側(cè)中腦受體結(jié)合力下降39%,杏仁核下降33%,丘腦下降30%,海馬體下降22%,蒼白球下降16%,尾狀核下降11%,而殼核與腹側(cè)紋狀體變化微小[42]。在研究抗精神分裂癥藥物方面,對(duì)服用抗精神病藥物氯氮平的精神分裂患者和正常人進(jìn)行[18F]fallypride PET研究,結(jié)果顯示,下顳葉皮層D2R/D3R占有率降低55%,丘腦降低44%,殼核降低36%,尾狀核降低43%,從而解釋了氯氮平的治療效果可能更多源自與外紋狀體區(qū)域多巴胺受體的結(jié)合[43]。

11C標(biāo)記的fallypride與[18F]fallypride具有相似的腦區(qū)定位,[11C]fallypride與[18F]fallypride都已被廣泛用于D2R/D3R PET顯像的研究,但[11C]fallypride有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì),11C核素標(biāo)記的示蹤劑在60～90 min內(nèi)可以獲得良好顯像數(shù)據(jù),而[11C]fallypride在90 min左右可以在外紋狀體區(qū)域(丘腦、杏仁核、皮層等)實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)合動(dòng)力學(xué),因此可以對(duì)外紋狀體區(qū)域在1 d內(nèi)對(duì)個(gè)體進(jìn)行重復(fù)掃描以研究藥物效應(yīng),并且短的掃描時(shí)間有效避免了被試者移動(dòng)的干擾,這點(diǎn)[18F]fallypride無法做到[44]。

另一種已用于臨床研究的四氫吡咯烷類PET顯像劑[11C]raclopride,是一種非選擇性D2R/D3R放射性示蹤劑(D2Rlow:Ki=2.5 nM,D2Rhigh:Ki=1.3 nM,D3R:Ki=3.5 nM)。用于了解帕金森病、可卡因成癮、煙癮中D2R/D3R的變化[45]。早期PD患者,在發(fā)病肢體對(duì)側(cè)半腦的殼核中,[11C]raclopride的結(jié)合力減少33%,左右半腦殼核與[11C]raclopride結(jié)合的差異與左右肢體癥狀差異一致[46]。[11C]raclopride對(duì)內(nèi)源多巴胺競(jìng)爭(zhēng)敏感,用于研究可卡因成癮者在條件刺激(觀看吸食可卡因的視頻)相比于非條件刺激(觀看中性視頻)多巴胺的變化,PET結(jié)果顯示[11C] raclopride在殼核和尾狀核的特異性結(jié)合顯著減少(說明該部位受體被內(nèi)源多巴胺占用),減少程度與成癮者描述的可卡因渴望程度正相關(guān),提示多巴胺在毒品渴望時(shí)分泌增多,是毒品成癮中的重要部分[47]。但在用于D3R研究時(shí)要先用非放射性的D2R配體消除D2R信號(hào)的干擾。

此外[11C]FLB 457同樣廣泛用于人體PET顯像,研究抗精神病藥物的療效,但對(duì)D2R和D3R有同等的親和力(Ki=0.02 nM),是非選擇性D2R/D3R顯像劑,并不適合單獨(dú)用作D3R顯像[48]。

3.2 氨基四氫萘類

該類化合物具有氨基四氫萘框架,在四氫萘的苯環(huán)上常進(jìn)行羥基化或甲氧基化修飾,并且氨基四氫萘的2位連接N,N-二丙基鏈。氨基四氫萘類化合物[11C]-(±)-PHNO最早被認(rèn)為是D2R顯像劑,但隨著研究的深入,現(xiàn)已被證實(shí)為D3R偏好性顯像劑(D2R:Ki=8.5 nM,D3R:Ki=0.16 nM)。體內(nèi)結(jié)合實(shí)驗(yàn)顯示,在D3R分布區(qū)域蒼白球有高特異性攝取,在丘腦、腦干也有一定的特異性攝取。[11C]-(±)-PHNO是目前唯一用于選擇性對(duì)D3R顯像的放射性藥物。臨床上常用于評(píng)價(jià)抗精神病藥物在D2R、D3R中占有率情況,從而對(duì)藥物作用機(jī)理與療效進(jìn)行分析。對(duì)13名服用布南色林的精神分裂癥患者與7名正常人進(jìn)行[11C]-(±)-PHNO掃描,比較兩組D2R、D3R占用情況,結(jié)果顯示,布南色林在殼核中占用55%,尾狀核60%,蒼白球48.9%,黑質(zhì)34%,此結(jié)果證實(shí)了布南色林在治療精神分裂癥時(shí)同時(shí)占用D2、D3兩種受體[49]。由于[11C]-(±)-PHNO對(duì)內(nèi)源多巴胺的變化非常敏感,因此在臨床上也用來測(cè)定突觸多巴胺濃度的急性變化[50]。在研究酒精濫用方面,對(duì)17例酗酒者與18例正常人的[11C]-(±)-PHNO PET掃描,發(fā)現(xiàn)酗酒者感覺運(yùn)動(dòng)皮層結(jié)合力下降12.3%,黑質(zhì)結(jié)合力下降16%,酗酒者組內(nèi)黑質(zhì)結(jié)合下降越厲害對(duì)酒精依賴程度越高[51]。但由于[11C]-(±)-PHNO對(duì)D3R/D2R的選擇性只有53,因此在D2R與D3R均表達(dá)的腦區(qū)如紋狀體等,D2R的存在仍是干擾,需要用非標(biāo)記的D3R拮抗劑消除D3R PET信號(hào)再反推出D3R存在區(qū)域攝取值[52]。此外,該類結(jié)構(gòu)還有[11C]PPHT(D2R:Ki=0.65 nM)、[11C]ZYY-339(D2R:Ki=0.01 nM)等D2/D3非選擇性PET探針,但都由于與D2R親和力過強(qiáng)而不適于做選擇性D3R探針開發(fā)[53]。

圖2 氨基四氫萘類示蹤劑Fig.2 Chemical structure of aminotetralin tracers

3.3 苯基哌嗪類

早期D3R探針的設(shè)計(jì)源自一些已知的多巴胺受體配體,包括氨基四氫萘類、四氫吡咯烷類等,但往往選擇性較差,多為D2R/D3R探針。多年來研究者們對(duì)D3R配體的開發(fā),由他們的構(gòu)效關(guān)系總結(jié)出了一定的規(guī)律,即一個(gè)芳基或芳基取代酰胺(①),通過一個(gè)功能化的烴基部分(②)連接一個(gè)含芳基末端的結(jié)構(gòu)(③)。①部分為較大芳環(huán)的苯甲酰胺類對(duì)維持共平面結(jié)構(gòu)有重要作用,部分小環(huán)結(jié)構(gòu)也具有良好選擇性,如苯乙烯類。D3R的多巴胺結(jié)合位點(diǎn)比D2R更深,配體要以一種更線性、延伸的結(jié)構(gòu)與D3R結(jié)合,研究發(fā)現(xiàn)②部分為四個(gè)碳的烴基時(shí)對(duì)維持①與③之間的幾何距離和空間構(gòu)象最佳,表現(xiàn)出的親和力效果最好[54]。③部分為含氮取代基的芳環(huán),在這部分結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改性對(duì)提高選擇性有關(guān)鍵影響,近年來通過計(jì)算機(jī)模型研究此部分與D3R正構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)(OBS)、次級(jí)結(jié)合位點(diǎn)(SBS)的相互作用發(fā)現(xiàn),苯基哌嗪藥效團(tuán)具有最強(qiáng)大的選擇性[55]。因此,近年來設(shè)計(jì)的D3R PET探針大多為苯基哌嗪類衍生物。

圖3 苯基哌嗪類示蹤劑結(jié)構(gòu)通式Fig.3 General fomula of phenylpiperazines tracer

Robert等[56]設(shè)計(jì)合成了一系列具有柔性構(gòu)象的苯基哌嗪類苯甲酰胺分子,其中化合物5在苯基哌嗪芳環(huán)的2位上用氟乙氧基進(jìn)行修飾,并在苯甲酰胺的4位用3-噻吩環(huán)取代,發(fā)現(xiàn)該化合物對(duì)D3R的親和力以及D3R/D2R選擇性最優(yōu),對(duì)D3R的親和力達(dá)到次納摩爾量級(jí),D3R/D2R選擇性高達(dá)160(D2R:Ki=21.7 nM,D3R:Ki=0.17 nM)。而后該團(tuán)隊(duì)以化合物5為目標(biāo)通過18F親核取代標(biāo)記法合成了[18F]FTP。恒河猴腦部PET顯像顯示,其在紋狀體、丘腦等D3R富集區(qū)域有高攝取,在其他非D3R區(qū)域未見明顯攝取[57],是目前最具有臨床應(yīng)用前景的PET探針。但由于異氟烷麻醉導(dǎo)致的多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體(DAT)構(gòu)象發(fā)生變化,使得突觸間隙多巴胺濃度增加,從而大量占據(jù)突觸后膜的多巴胺受體,阻礙了[18F]FTP與D3R的結(jié)合。安定藥物勞拉西泮(Lorazepam)可以降低內(nèi)源多巴胺水平,在未使用Lorazepam抑制多巴胺分泌時(shí),恒河猴腦部PET結(jié)果顯示,示蹤劑的腦內(nèi)分布在個(gè)體間差異較大,但在Lorazepam抑制后不同個(gè)體間[18F]FTP在腦內(nèi)分布情況一致,即在紋狀體、丘腦等D3R所在區(qū)域有明顯攝取。因此該探針最大的缺陷在于內(nèi)源多巴胺的干擾。然而與之親和力相似而選擇性差的[18F]fallypride卻不受內(nèi)源多巴胺影響,其原因可以歸結(jié)為[18F]FTP的丁基苯基哌嗪部分與D3R正構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合的作用力比[18F]fallypride弱很多,而多巴胺恰在D3R正構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合,不過[18F]FTP的芳基酰胺部分與D3R的次構(gòu)位點(diǎn)的作用力比[18F]fallypride強(qiáng)得多,而次構(gòu)位點(diǎn)的結(jié)合決定著選擇性[58]。通過對(duì)這兩種探針差異的比較,提示在配體設(shè)計(jì)時(shí)要在正構(gòu)位點(diǎn)有適當(dāng)高的作用力足以競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)源多巴胺,而且在次構(gòu)位點(diǎn)也要有一定作用力以提供選擇性。目前[18F]FTP的研究還缺乏對(duì)清醒的恒河猴的顯像研究以及臨床顯像研究以驗(yàn)證其對(duì)D3R顯像能力。

Langer等合成的11C標(biāo)記的化合物[11C]RGH-1756,其結(jié)構(gòu)為咪唑并噻吩基通過丁氧基苯連接甲氧基苯基哌嗪。與D3R親和力高達(dá)次納摩爾級(jí)(D2Rlow:Ki=15.2 nM,D2Rhigh:Ki=12.2 nM,Ki=0.12 nM),D3R/D2R選擇性超過100倍,被認(rèn)為有對(duì)D3R顯像的巨大潛力,但獼猴的PET顯像表現(xiàn)出全腦的較均勻攝取,抑制實(shí)驗(yàn)表示能夠與D3R的特異性結(jié)合,通過引入利血平來消除內(nèi)源多巴胺對(duì)D3R的占據(jù),但仍未見腦中特異性攝取的增加,因而排除了內(nèi)源性多巴胺競(jìng)爭(zhēng)D3R的影響,作者認(rèn)為低攝取是由于體內(nèi)條件下與D3R親和力不足[59-61]。

St??el等[62]對(duì)其團(tuán)隊(duì)前期合成的高選擇性、高親和力D3R配體FAUC329[63]進(jìn)行略微結(jié)構(gòu)調(diào)整,合成放射性配體[18F]2,其結(jié)構(gòu)為2-吡唑[1,5-a]吡啶基酰胺通過四個(gè)碳的烴基連接氟乙氧基苯基哌嗪,該化合物對(duì)D3R親和性達(dá)次納摩爾級(jí),D3R/D2R選擇性高達(dá)100倍左右(D2Rlow:Ki=39 nM,D2Rhigh:Ki=21 nM,D3R:Ki=0.31 nM),LogP為3.93。對(duì)大鼠的體外放射自顯影顯示,在D3R富集的區(qū)域如卡耶哈島、紋狀體、部分皮質(zhì)區(qū)都有明顯攝取。然而體內(nèi)放射自顯影僅在腦室有攝取,經(jīng)BP897阻斷后側(cè)腦室攝取率下降7%～12%,第三腦室下降5%～14%,PET顯像也未在大鼠腦內(nèi)D3R富集區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯攝取,但在垂體有明顯攝取,40 min時(shí)垂體攝取值為(0.394±0.016) %ID/g,能被BP897阻斷25%。體外放射自顯影與活體PET顯像中[18F]2在腦內(nèi)的定位區(qū)域明顯不一致,這可能來自血腦屏障(BBB)的阻礙,體外實(shí)驗(yàn)中血腦屏障不起作用,因而[18F]2能夠在腦內(nèi)區(qū)域定位。腦室中充斥著腦脊液,某些物質(zhì)能夠通過由脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞和毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞及其基膜組成的血-腦脊液屏蔽(BCSFB),在血液與腦脊液之間進(jìn)行物質(zhì)交換。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示,[18F]2在腦室、脈絡(luò)從中的攝取說明其可以通過BCSFB。

Nebel等[64]合成18F標(biāo)記的苯偶氮基酰胺類似物[18F]2b,其結(jié)構(gòu)為氟苯偶氮基通過丁基連接甲氧基苯基哌嗪,對(duì)D3R有較高親和性(Ki=3.5 nM),D3R/D2R選擇性大于10倍,LogP為2.1。在鼠腦中體內(nèi)外分布差異同[18F]2類似,體外放射自顯影在卡耶哈島(Kd=0.1 nM)、伏隔核(Kd=0.11 nM)、紋狀體(Kd=0.08 nM)有明顯特異性攝取,體內(nèi)PET顯像顯示腦白質(zhì)的低攝取(注射后65s時(shí)攝取值0.14%ID/g),D3R富集區(qū)域未見明顯攝取,但垂體可見高攝取(5 min時(shí)攝取值0.94%ID/g)且可被BP897抑制35%,第四腦室初始攝取值0.4%ID/g,可被BP897抑制50%,第三腦室與側(cè)腦室初始攝取值均為0.25%ID/g左右。因?yàn)榇贵w中有D3R,而[18F]2b在垂體的攝取可被抑制說明其在體內(nèi)能與D3R特異性結(jié)合,雖然能夠證明該探針具有D3R親和力,但垂體與大腦攝取藥物方式等的不同,活體中垂體內(nèi)的受體結(jié)合親和力不反映大腦內(nèi)的親和力,因而無法從垂體的攝取評(píng)價(jià)探針在腦內(nèi)的效果。該團(tuán)隊(duì)還對(duì)[18F]2b的偶氮基類似物[18F]2a進(jìn)行了研究,不同于[18F]2b,[18F]2a在丁基鏈上進(jìn)行了3-羥基取代,苯基哌嗪部分用2,3-二氯替代甲氧基,其對(duì)D3R親和力與[18F]2b接近(Ki=3.6 nM),LogP為2.56。體外放射自顯像顯示為全腦的均勻非特異性攝取,PET顯像同[18F]2b一樣顯示腦室和垂體的特異性攝取(垂體:25 min時(shí)0.6%ID/g),[18F]2a的入腦量比[18F]2b低1.5倍,可以歸結(jié)于[18F]2a的高血漿蛋白結(jié)合率([18F]2a:82%;[18F]2b:20%)。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)證實(shí)了[18F]2b在腦室、脈絡(luò)從等區(qū)域的攝取不來自于與腦脊液蛋白質(zhì)的結(jié)合。其能通過血-腦脊液屏障與腦室部分層面中的D3R特異性結(jié)合,腦室不同層面中的非均勻攝取來源于表達(dá)D3R的脈絡(luò)從室管膜細(xì)胞的分布差異。

Hocke等[65]合成了18F標(biāo)記的吡啶苯基酰胺類似物[18F]6、[18F]5,苯基哌嗪部分別用2-氯和2,3-二氯取代。他們對(duì)D3R親和力高,D3R/D2R選擇性超過100([18F]6:D3R:Ki=0.58 nM,D2Rhigh:Ki=42 nM;D2Rlow:Ki=120 nM;[18F]5:D3R:Ki=0.53 nM,D2Rhigh:Ki=17 nM,D2Rlow:KiR=18 nM)[66-67],與血漿蛋白的結(jié)合率低([18F]5:6.5%,[18F]6:20.6%)且代謝穩(wěn)定性好,其中[18F]5雖然能夠透過BBB(10 min全腦生物分布:0.75%ID/g),但由于親脂性(LogP=5.27)過強(qiáng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的非特異性攝取,可能掩蓋了特異性攝取信號(hào)。[18F]6的親脂性(LogP=2.88)處于合理范圍,入腦量低于[18F]5(10 min全腦生物分布:0.26%ID/g),但放射自顯影顯示,示蹤劑在整個(gè)腦灰質(zhì)部分表現(xiàn)出均勻攝取,說明腦內(nèi)存在較多非特異性攝取。多巴胺D3R主要分布于垂體后葉[68],[18F]6和[18F]5在垂體有攝取且能被BP897部分抑制,可以證明他們?cè)隗w內(nèi)與D3R有親和力可以特異性結(jié)合。

Nebel等[64]報(bào)道的[18F]1與[18F]5結(jié)構(gòu)相似,不同之處僅在丁基鏈上用3-OH取代,對(duì)D3R親和力為1.9 nM,這種結(jié)構(gòu)改變?cè)黾恿擞H水性,LogP為2.5,但在腦內(nèi)也表現(xiàn)為大量非特異性攝取。[18F]1在垂體和腦內(nèi)的攝取幾乎未被BP897抑制,反映了其體內(nèi)D3R低親和性。Hofling等[69]設(shè)計(jì)了18F標(biāo)記的肉桂酰胺類探針[18F]8,其苯基哌嗪的苯環(huán)部分用2-甲氧基取代。具有次納摩爾的D3R親和力以及30倍的D3R/D2R選擇性(D2Rlow:Ki=27 nM,D2Rhigh:Ki=21 nM,D3R:Ki=0.34 nM),LogP值為2.07,理論上適合入腦。體內(nèi)放射自顯影顯示在D3R分布的紋狀體和皮層有明顯攝取,且能被BP897阻斷90%,但在其他D3R富集區(qū)域如伏隔核、卡耶哈島未見明顯攝取,在腦室區(qū)域有高于紋狀體區(qū)域3.7倍的攝取且能被BP897抑制50%,腦室的攝取可能和[18F]2、[18F]2b有著同樣的解釋,即與腦室中室管膜細(xì)胞上的D3R結(jié)合,但作者認(rèn)為這種結(jié)合也可能來自[18F]8代謝物,具體原因還有待代謝實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

研究發(fā)現(xiàn),次構(gòu)位點(diǎn)上選擇大芳烴環(huán)結(jié)構(gòu)往往對(duì)D2R產(chǎn)生不利的空間相互作用,降低D2R結(jié)合親和力而對(duì)D3R不影響,從而增加D3R/D2R選擇性[55,70-71]。Stewart等[72]在大環(huán)化合物BP897的苯基哌嗪結(jié)構(gòu)上用CF3基團(tuán)替換甲氧基,在酰胺的羰基碳上進(jìn)行標(biāo)記合成化合物[11C]naphthamide1,具有高D3R親和力和D3R/D2R選擇性(D2R:Ki=1 553 nM,D3R:Ki=1.1 nM),能透過BBB,代謝穩(wěn)定性好,注射后15min血液中仍有80%完整示蹤劑存留。[11C]naphthamide1體外自顯影大鼠PET圖像清晰顯示在D3R存在區(qū)域的攝取,但高低密度D3R分布區(qū)域最大標(biāo)準(zhǔn)攝取值SUV差異不顯著(嗅結(jié)節(jié):1.5,包括伏隔核的紋狀體:1.2,下丘腦:0.9,小腦:1),作者認(rèn)為可能存在非特異攝取,有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

Turolla等[73]研究萘甲酰胺類示蹤劑[11C]1與苯并呋喃酰胺類示蹤劑[11C]2,他們的酰胺部分通過丁基鏈連接2,3-二氯苯基哌嗪。細(xì)胞結(jié)合實(shí)驗(yàn)顯示具有高D3R親和力與選擇性(1:D2R:Ki=720 nM,D3R:Ki=0.6 nM;2:D2R::Ki=720 nM,D3R:Ki=0.13 nM),體內(nèi)放射自顯影能夠顯示腦內(nèi)定位,說明他們能夠通過BBB。生物分布和放射自顯影雖顯示,在伏隔核、紋狀體等D3R富集區(qū)域有輕微攝取,但在小腦、皮層等D3R低密度區(qū)域也有較多攝取([11C]1:伏隔核:0.087%ID/g,小腦:0.092%ID/g,前額皮質(zhì):0.089%ID/g,前部紋狀體:0.074%ID/g;[11C]2:伏隔核:0.077%ID/g,小腦:0.078%ID/g,前額皮質(zhì):0.088%ID/g,前部紋狀體:0.069%ID/g),全腦的均勻攝取很大一部分可能來自血液中的放射性,因?yàn)榉艉恕⒒咨窠?jīng)節(jié)、皮層與血漿的攝取比之間無明顯差異(5 min時(shí),[11C]1:伏隔核/血漿=0.65,后紋狀體/血漿=0.64,前額皮質(zhì)/血漿=0.77;[11C]2:伏隔核/血漿=1.01,前紋狀體/血漿=0.93,前額皮質(zhì)/血漿=1.18)。也可能是由于探針過高的脂溶性(cLogP1=5.61,cLogP2=4.98)造成的非特異攝取,因此并不適宜體內(nèi)顯像。

[11C]FAUC346的結(jié)構(gòu)為苯并噻吩酰胺通過四個(gè)碳丁基連接甲氧基苯基哌嗪,細(xì)胞結(jié)合實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)次納摩爾D3親和力與高選擇性(D3R:Ki=0.23 nM,D2R/D3R:380,D4R/D3R:65),LogP為2.36,大鼠生物分布實(shí)驗(yàn)中顯示血液清除率快,腦內(nèi)停留時(shí)間長(60min未見明顯放射性下降)且腦內(nèi)97%放射性以原藥形式存在,腦內(nèi)各區(qū)域攝取值與D3R分布密度不一致。使用D3或D2/D3競(jìng)爭(zhēng)劑抑制時(shí),紋狀體、海馬體、嗅結(jié)節(jié)、皮層的[11C]FAUC346攝取均能被抑制80%～90%,說明[11C]FAUC346具有D3R特異性但也可能具有D2R特異性。在狒狒的PET顯像中各腦區(qū)呈現(xiàn)均勻分布,BP897阻斷實(shí)驗(yàn)未見放射性水平的改變,因而在非人靈長類動(dòng)物中并不適用[74]。

吲哚酰胺類化合物[11C]BAK4-51,苯基哌嗪的苯環(huán)上由2-甲氧基和3-氯取代,在細(xì)胞結(jié)合實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好親和力與選擇性(D3R:Ki=0.39 nM,D2R:Ki=53 nM),LogP值為3.33。體內(nèi)代謝穩(wěn)定(30 min是血漿原藥76%,腦內(nèi)原藥99%)。但在大鼠與猴子腦內(nèi)富集區(qū)域僅比非富集區(qū)域攝取略高。使用D2R拮抗劑spiperone對(duì)大鼠D2R抑制時(shí),[11C]BAK4-51的攝取未見下降,說明未與D2R結(jié)合。使用D3R拮抗劑BP897對(duì)大鼠D3R抑制時(shí),[11C]BAK4-51的攝取未見下降,因此很可能不具有D3R特異性。Tariquidar是P-糖蛋白(P-gp)抑制劑,可以減少底物與P-gp的結(jié)合從而減少底物從腦內(nèi)的泵出,增加在腦內(nèi)的保留,Tariquidar抑制實(shí)驗(yàn)與P-gp/BCRP基因敲除實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該放射性配體是鼠類和猴子的外排轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白P-gp的底物,在使用tariquidar對(duì)外排轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白進(jìn)行抑制后注射[11C]BAK4-51,腦內(nèi)攝取值整體上升,但D3R富集區(qū)域與非富集區(qū)域比值未見明顯提高(殼核/小腦SUV:未經(jīng)tariquidar處理為1.4,經(jīng)tariquidar處理后1.7),雖然殼核/小腦的攝取比增加但殼核清除速率也比小腦等其他其他區(qū)域更快。因此外排轉(zhuǎn)運(yùn)體并不是造成[11C]BAK4-51對(duì)D3R富集與非富集區(qū)域攝取差異小的關(guān)鍵因素,根本原因可能在于對(duì)D3R結(jié)合力不夠甚至未結(jié)合。小腦區(qū)域的高攝取也證實(shí)了大部分放射性攝取為非特異性結(jié)合或脫靶。因此[11C]BAK4-51不適合作為D3R顯像劑[75]。

最近的一篇文獻(xiàn)報(bào)道的苯并呋喃酰胺類探針[18F]8b,其在苯基哌嗪苯環(huán)的間位引入了三氟甲基基團(tuán),實(shí)驗(yàn)顯示具有優(yōu)良的親脂性(LogP=2.24),入腦量高(5 min生物分布腦攝取量:1.01%ID),能夠快速被紋狀體和皮層攝取(5 min生物分布:紋狀體攝取量:0.76%ID/g,皮層:0.93%ID/g),PET顯示紋狀體最高標(biāo)準(zhǔn)攝取值為1.61%,能被BP897抑制39%,顯示在紋狀體區(qū)域有D3R的特異性攝取[76]。

綜上,雖然通過配體三維定量構(gòu)效關(guān)系(3D-QSAR)、分子對(duì)接等分子動(dòng)力學(xué)研究對(duì)D3R配體的結(jié)構(gòu)總結(jié)出了一定規(guī)律,認(rèn)為苯基哌嗪系列的配體對(duì)D3R有著高親和力(Ki)高選擇性,然而應(yīng)用到生物體內(nèi)的真實(shí)結(jié)果往往并非如此,在細(xì)胞結(jié)合實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出次納摩爾親和力以及高選擇性的配體在體內(nèi)放射自顯影和PET顯像中的結(jié)果卻差強(qiáng)人意。因?yàn)轶w內(nèi)外生理狀態(tài)有很大差別,如內(nèi)源多巴胺對(duì)受體的占用、受體的密度和活化狀態(tài)對(duì)激動(dòng)劑配體的影響,體外的細(xì)胞結(jié)合實(shí)驗(yàn)往往模擬不到這些體內(nèi)環(huán)境,因而測(cè)得的Ki可能并不反應(yīng)實(shí)際情況。因此,多巴胺D3R探針的篩選要基于多種評(píng)價(jià)手段,僅根據(jù)體外測(cè)得的Ki就否定探針的效果似乎不合理,同時(shí)PET顯像等活體生物評(píng)價(jià)是篩選過程中不可省略的一部分。PET顯像評(píng)價(jià)中,最好在被試者清醒狀態(tài)下顯像,以避開麻醉刺激下多巴胺增加對(duì)探針與D3R結(jié)合可能造成的干擾。由于D3R含量少的特點(diǎn)以及種屬差異,僅通過大鼠腦PET顯像很難獲得可觀數(shù)據(jù),大動(dòng)物顯像或許更適合D3R探針的顯像研究。

探針設(shè)計(jì)時(shí),除D2R外,探針與5-羥色胺(5-HT)受體以及其他多巴胺受體等的結(jié)合親和力要低并盡量避免腦內(nèi)非特異攝取。探針還應(yīng)盡量避免成為P糖蛋白的底物,以免藥物被泵出腦外。此外,還應(yīng)考慮血漿蛋白結(jié)合、親脂性、代謝穩(wěn)定性等藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。對(duì)于D3R這類腦內(nèi)含量較少的靶點(diǎn),放化標(biāo)記的比活度對(duì)顯像結(jié)果有很大影響,因此自動(dòng)化模塊標(biāo)記是最佳選擇。

圖4 苯基哌嗪類示蹤劑Fig.4 Chemical structure of phenylpiperazines tracers

4 總結(jié)

在過去的幾十年里,關(guān)于開發(fā)靶向D3R的放射性分子探針的研究絡(luò)繹不絕。四氫吡咯類非選擇性D2/D3R探針[18F]fallypride、[11C]fallypride、[11C]raclopride已廣泛應(yīng)用于人體PET顯像研究。具有D3R偏好性的氨基四氫萘類D3R/D2R探針[11C]-(±)-PHNO使得與D3R相關(guān)的藥理學(xué)研究向前邁出了一大步。苯基哌嗪類高選擇性D3R探針[18F]FTP的出現(xiàn)更是為特異性D3R探針的發(fā)展帶來希望。

可惜的是,目前并沒有高選擇性的D3R放射性示蹤劑被用于臨床。主要原因在于,D3R與D2R在跨膜結(jié)合域有高達(dá)80%的同源性[16],這對(duì)開發(fā)高選擇性D3R探針有相當(dāng)大的難度。D3R數(shù)量少(約為D2R的1%)以及D3R與內(nèi)源多巴胺的結(jié)合能力強(qiáng)[77],都對(duì)探針的親和力提出了相當(dāng)高的要求。

毋庸置疑,D3R與PD病、精神分裂、成癮等神經(jīng)精神性疾病有著緊密聯(lián)系,開發(fā)高選擇性高親和力的D3R PET分子探針雖然道路坎坷但不可或缺,期待未來會(huì)得到答案。