中樞神經(jīng)系統(tǒng)α7煙堿型乙酰神經(jīng)膽堿受體顯像劑研究進展

高 航，張華北

(放射性藥物教育部重點實驗室 北京師范大學 化學學院，北京 100875)

乙酰膽堿(acetylcholine, Ach)是廣泛分布于生物體內(nèi)的一種具有興奮功能的神經(jīng)遞質(zhì)。乙酰膽堿通過神經(jīng)末梢中的乙酰膽堿轉(zhuǎn)化酶催化乙酰輔酶A及膽堿進行生物合成。乙酰膽堿是神經(jīng)元之間信息傳遞的關(guān)鍵物質(zhì)。而乙酰膽堿受體(acetylcholine receptor, AChR)更是藥物研發(fā)中重要靶點之一，乙酰膽堿受體已被發(fā)現(xiàn)與很多重大疾病及多種疾病所產(chǎn)生的病理生理現(xiàn)象有密切關(guān)系[1-2]。

影像學對阿爾茲海默癥診斷方法主要分為兩種：(1) 以傳統(tǒng)CT、MRI為主的結(jié)構(gòu)解剖影像學；(2) 以PET、SPECT、擴散張量顯像(diffusion tensor imaging, DTI)、功能磁共振波譜顯像(functional magnetic resonance spectroscopy, fMRI)等的功能影像學。目前應用于臨床的PET顯像劑主要是以18F-FDG為主的代謝顯像劑，其優(yōu)點為能明確腦能量代謝過程及途徑，缺點為輕度AD患者難檢測到，不適用于常規(guī)老年癡呆癥治療效果評價。

為了解決如上問題，乙酰膽堿受體顯像劑的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展為我們在診斷AD病人以及評價治療效果上起到了重要作用。乙酰膽堿受體顯像劑應有如下特點：高親和力、良好的選擇性、血腦屏障(blood brain barrier, BBB)透過能力、在腦內(nèi)適宜的滯留等。本文總結(jié)了近幾年來不同骨架的α7煙堿型乙酰膽堿受體顯像劑的研究現(xiàn)狀及進展。

1 乙酰膽堿受體的分類與結(jié)構(gòu)

乙酰膽堿受體可按照在突觸后膜產(chǎn)生不同生物學效應分為毒覃堿型(mAChR)和煙堿型乙酰膽堿受體(nAChR)。兩種類型均廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)[3]。其中毒覃堿型乙酰膽堿受體屬于G蛋白偶聯(lián)受體家族，并可以被覃毒堿激動，被阿托品特異性阻斷。而煙堿型乙酰神經(jīng)膽堿受體，屬于半胱氨酸環(huán)配體門控的離子通道受體家族，可以被煙堿(nicotine)激動，而被箭毒阻斷。目前已經(jīng)克隆出的nAChR蛋白單體共有十余種，包括在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的α2～α10及β2～β4；以及在外周肌肉型的α1，β1，δ，γ，ε型單體。α7型nAChR是由5個相同的α7亞基構(gòu)成的五聚體跨膜蛋白。α7 nAChR對鈣離子有較高的通過性，可以調(diào)節(jié)鈣離子在細胞膜膜內(nèi)外的濃度，以及乙酰膽堿的釋放。研究表明，α7 nAChR與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)，例如老年癡呆癥(alzheimer disease, AD)、癲癇(epilepsy)、帕金森病(parkinson’s disease, PD)、精神分裂癥(schizophrenia)、炎癥(inflammation)、動脈粥樣硬化(atherosclerosis, AS)等密切相關(guān)[4-9]。

2 α7煙堿型乙酰膽堿受體與退行性神經(jīng)疾病

研究表明AD、PD等退行性神經(jīng)疾病與α7 nAChR有密切關(guān)系。用免疫組化、放射性配體受體結(jié)合實驗等方法對α7 nAChR在體內(nèi)密度研究表明，在退行性神經(jīng)疾病中發(fā)現(xiàn)了α7 nAChR的減少[10]。

此外，AD的主要病理特征之一為，在大腦海馬區(qū)和大腦皮層出現(xiàn)β樣淀粉蛋白沉淀聚集而形成的老年斑，隨著研究的深入，更多證據(jù)表明Aβ1-42在腦中會部分與神經(jīng)性的α7 nAChRs結(jié)合[11-12]，這種結(jié)合促使腦中聚集Aβ1-42-α7 nAChRs復合物[13]，并迅速使Tau 蛋白磷酸化[14]，從而使α7 nAChRs離子通道受到嚴重阻滯或破壞，最終導致膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)損傷[11]以及神經(jīng)細胞死亡[15]，臨床表現(xiàn)為影響記憶和認知障礙[16]。這些研究都表明在AD病人腦中的α7 nAChRs被Aβ42慢性破壞從而導致神經(jīng)缺陷和障礙，最終造成Aβ斑塊和磷酸化的神經(jīng)纖維纏結(jié)(phosphorylated nerve fiber tangles, NFTs)沉淀聚集。

Lee等[17]研究發(fā)現(xiàn)，除了淀粉樣蛋白前體(APP)的大量存在和淀粉樣的沉淀聚集，缺失α7 煙堿型乙酰神經(jīng)膽堿受體還會導致AD模型老鼠中突觸的完整性(通道和生長)，進而影響學習和記憶等活動行為[18]。因此，干擾Aβ1-42-α7 nAChRs的相互作用可以減少Aβ1-42調(diào)節(jié)中的功能缺陷，神經(jīng)退行行為以及其他可能的AD臨床病理表現(xiàn)。盧家紅等[19]采用免疫組化單染方法和共染方法觀察了α7 nAChRs在AD患者腦中沉積的情況與Aβ1-42的關(guān)系，研究結(jié)果表明，在AD患者腦中有α7 nAChRs的異常沉積，并且分布與Aβ1-42形成的老年斑的部位大致相同，后續(xù)實驗發(fā)現(xiàn)了α7 nAChRs與Aβ1-42的特異性結(jié)合可以被α7 nAChRs的激動劑所拮抗。這些結(jié)果都表明了α7 nAChRs在Aβ1-42調(diào)節(jié)的病理生理學方面都起到了非常重要的作用。而α7 nAChRs的激動劑也將成為潛在的治療以AD為主的退行性神經(jīng)疾病藥物。

在基因剔除、亞型選擇性配體等方面的研究表明，靶向性α7 nAChRs受體激動劑能夠提高認知能力以及改善聽覺門控缺陷。PNU-282987[20-21]、PHA-543613[22]、ARR17779，SSR180711[23]以及A-582941[24]等高選擇性的α7 nAChRs受體激動劑提高了感覺-門控缺陷、改善了短期工作記憶、以及記憶固化等模型的認知功能。

3 α7煙堿型乙酰膽堿受體配體及激動劑研究現(xiàn)狀

在近年來研究中，高選擇性的α7煙堿型乙酰神經(jīng)膽堿配體結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，開拓出了不同骨架的結(jié)構(gòu)。最初的結(jié)構(gòu)主要集中于假木賊堿衍生物(GTS-21[25])和螺環(huán)惡唑烷酮類衍生物(AR-R17779[26])。近年來文獻中又報道了若干新骨架，如以氮雜雙環(huán)二胺為骨架的結(jié)構(gòu)以及奎寧環(huán)氨基甲酸酯[27]、奎寧環(huán)酰胺[28](PHA-613,543和PHA-487,568[22,29])、奎寧環(huán)醚[30]以及1,4-二氮雜環(huán)[3,2,2]壬烷取代的衍生物(SSR180711[23,31-32]),以及A-941,582[33]、PHA-829,709[34](如圖1)。

在所發(fā)現(xiàn)的高親和力配體中，部分α7 nAChRs的激動劑已經(jīng)作為退行性神經(jīng)疾病治療藥物進入臨床試驗，例如GTS-21(DMXBA)。DMXBA是天然產(chǎn)物假木賊堿的衍生物，并于2003年開始了Ⅰ期臨床試驗；在2006年底進入了Ⅱ期臨床試驗[34]。另一個選擇性α7受體激動劑SSR180711目前也已經(jīng)進入了臨床試驗[35]。SSR80711在老鼠和人類α7受體親和實驗中都表現(xiàn)出了高親和性(Ki=(22±4)；(14±1) nM)。除此之外，其余一些選擇性的α7 nAChRs 藥物如PHA-543613、AR-R17779、A-582941等都已經(jīng)進行了動物和人體實驗，實驗表明其都能有效提高感覺-門控缺陷、改善短期工作記憶、以及改善記憶固化等認知功能。因此，這些配體化合物有望成為潛在的α7 nAChRs靶向性的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療藥物以及放射性配體的先導化合物。

為了實現(xiàn)AD的早期診斷，用于活體診斷放射性核素顯像劑的研發(fā)至關(guān)重要。體內(nèi)顯像核素主要有PET顯像的正電子核素11C、18F、76Br，以及用于SPECT顯像的單光子核素123I、125I等，將放射性核素標記相應配體后獲得的高選擇性、高親和力的靶向α7煙堿型乙酰膽堿受體的放射性配體化合物可用于以AD及PD為例的神經(jīng)退行性疾病的診斷。

圖1 α7煙堿型乙酰膽堿受體配體激動劑結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of α7nicotinic acetylcholine receptor agonists

4 α7煙堿型乙酰膽堿受體放射性配體研究進展

4.1 喹寧環(huán)及喹寧環(huán)酰胺為主的α7 nAChR顯像劑

最早報道的α7nAchR放射性配體為兩種碘標記物以及一種氚標記化合物。[125I]α-bgt[36](又名銀環(huán)蛇毒素，Kd=(1.5±0.7) nM)。[125I]MLA[37](又名甲基牛扁堿，Kd=(1.8±0.4) nM) 以及[3H]MLA[38](甲基牛扁堿，Kd=(1.86±0.31) nM)，它們與α7煙堿型乙酰膽堿受體均有較高的特異性結(jié)合，而且在腦中的濃度分布也基本相似。但是，α-bgt和MLA分別來源于天然物質(zhì)抗銀環(huán)蛇毒血清和百合花種子，均具有較大毒性。且兩種物質(zhì)均為生物大分子，難以透過血腦屏障，不能用于正常的體內(nèi)研究。且不具有標記18F等正電子核素的位點，故不能發(fā)展成為合適的α7 煙堿型乙酰神經(jīng)膽堿受體體內(nèi)顯像劑。但鑒于其高選擇性和親和力，目前主要用于進行體外活性測定等研究。

近幾年當中，α7 nAChR的放射性配體獲得了不斷的發(fā)展，尤其是正電子核素標記的放射性配基。

圖2 四種放射性配體[39]Fig.2 Radioactive ligands[39]

2005年，Pomper等[39]報道了四種放射性配體(圖2)，4個化合物Ki抑制常數(shù)分別為0.54、5.8、18、0.26 nM。化合物1、2、3在腦中的吸收值都較低并且沒有區(qū)域選擇性。而化合物4能夠在有效進腦的情況下還獲得一定的靶向性吸收，但其BPND值(靶向性區(qū)域吸收/小腦吸收-1)僅為0.6，并不適合作為進一步的顯像劑進行研究。

2006年，Ogawa等[40]研究了單光子放射性顯像劑[125I]I-TSA(圖3)，其取代物I-TSA和Br-TSA的親和力Ki值分別為0.54 nM和1.11 nM，有較高的特異性和選擇性。同時，[125I]I-TSA在腦區(qū)域分布也符合α7 nAChRs在腦中的分布，在海馬中較高，小腦中最低，且小腦中的清除速率也明顯快于其他的靶組織。但是，在藥物自阻斷實驗當中，非標記的I-TSA和MLA均不能夠抑制放射性吸收。雖然[125I]I-TSA擁有較高的受體親和力、選擇性、腦攝取以及代謝穩(wěn)定性等性質(zhì)，但是它較高的非特異性結(jié)合也證明了它不適合進一步作為α7 煙堿型乙酰膽堿受體放射性顯像劑。

圖3 [125I]I-TSA[40]Fig.3 [125I]I-TSA[40]

4.2 α7 nAChR激動劑標記

GTS-21作為α7 nAChRs的部分激動劑，能夠有效提高以AD為主的退行性神經(jīng)疾病患者的認知能力。而4-OH-GTS-21是GTS-21在體內(nèi)的主要代謝產(chǎn)物之一，該化合物也被證實有較好的藥效，據(jù)此Kim等[41]在2007年對GTS-21的不同取代基位置以及它的兩個體內(nèi)代謝產(chǎn)物進行了11C標記，得到了四種正電子標記的化合物物(圖4)，同時研究了它們的動力學性質(zhì)和體內(nèi)PET顯像。研究結(jié)果表明，在狒狒腦中，[2-甲氧基-11C]GTS-21和[4-11C]GTS-21有高且快的初始攝取(1～3 min)但是體內(nèi)清除很快，滯留性較差；然而30 min以后由于[4-11C]GTS-21的體內(nèi)代謝產(chǎn)物進入腦中，清除減緩。[2-甲氧基-11C]4-OH-GTS-21、[2-甲氧基-11C]2-OH-GTS-21表現(xiàn)出了相對比較好的腦攝取與滯留，并且相對于4-羥基取代位置，2-羥基取代位置更適合作為熱標記取代位進行藥代動力學研究，且該化合物更容易透過血腦屏障。

圖4 11C標記的GTS-21衍生物[41]Fig.4 11C-labeled GTS-21 derivatives[41]

4.3 1,5-二氮雜二環(huán)[3.2.2]壬烷及六氫吡咯并[3,4]吡咯為母核的柔性α7 nAChR顯像劑

除GTS-21外，另外一種α7 煙堿型乙酰膽堿受體部分激動劑SSR180711也獲得了進一步的研究，日本千葉大學設計并合成標記了一系列正電子及單光子SSR180711放射性衍生物，分別為[11C]CHIBA-1001、[76Br]SSR180711、[125I]CHIBA-1001、[3H]CHIBA-1001、[131I]CHIBA-1001，在其中對[11C]CHIBA-1001的研究最為深入，亦為首個進入到人體試驗的α7 nAChRs放射性顯像劑。

2008年，Kenji[42]首次報道了[11C]CHIBA-1001和[76Br]SSR180711(圖5)的研究成果。對于[76Br]CHIBA-1001，PET顯像實驗表明了它能夠快速透過血腦屏障，迅速聚集在顱內(nèi)并于60 min時在海馬攝取達到峰值。同時該化合物在腦中各區(qū)域的分布也與α7 nAChRs相一致，阻斷實驗也表明它是一個高選擇性的α7 nAChRs示蹤劑。

圖5 示蹤劑[76Br]SSR180711與[11C]CHIBA-1001化學結(jié)構(gòu)[42]Fig.5 Chemical structure of [76Br]SSR180711 and [11C]CHIBA-1001[42]

另外一種正電子示蹤劑[11C]CHIBA-1001則顯示出了更為優(yōu)良的性質(zhì)，30 min時，其在非人類靈長類動物的海馬中的吸收達到了峰值。但綜合考慮核素的生產(chǎn)、核素自身性質(zhì)(76Br半衰期：16.2 h遠大于11C：20.41 min) 以腦內(nèi)分布，[11C]CHIBA-1001的性質(zhì)要優(yōu)于[76Br]SSR180711。因此，[11C]CHIBA-1001可作為潛在的候選α7 nAChRs示蹤劑。

2009年，Toyohara等[43]分別深入研究了[11C]CHIBA-1001在小鼠體內(nèi)的生理分布、毒性、代謝性質(zhì)等臨床前研究內(nèi)容，以及在人腦中的PET顯像研究。人腦PET顯像實驗表明，[11C]CHIBA-1001迅速聚集在腦中各區(qū)域，且大致分布與α7 nAChRs相同，它的聚集度已經(jīng)完全滿足臨床需求。相比于動物中的實驗，[11C]CHIBA-1001在人體血液中也有良好的穩(wěn)定性，在注射60 min后仍然有超過80%的放射性以自身形式存在。這些實驗表明[11C]CHIBA-1001適合更進一步進行人腦顯像的臨床研究。

在2011年，日本千葉大學又進一步對[11C]CHIBA-1001進行了人體實驗。對三位22～24歲無煙史、無神經(jīng)退行性疾病的女性志愿者進行了研究。[11C]CHIBA-1001在人體中的分布，與動物分布中的數(shù)據(jù)略有差異。它主要通過肝膽系統(tǒng)和腸胃系統(tǒng)來進行代謝，因此在人體小腸中的吸收最高。而在嚙齒類動物實驗中，最高吸收值出現(xiàn)膀胱，說明為腎臟代謝。人體代謝實驗中，通過檢測志愿者的尿液，發(fā)現(xiàn)大部分的放射性仍以自身的形式存在，而在血清中存在92%(鼠中只有21%)。研究人員通過計算發(fā)現(xiàn)，[11C]CHIBA-1001在人體中的有效劑量為6.9 μSv/MBq，其結(jié)果符合輻射安全的范圍而能夠進行下一步的臨床研究[43]。

同年，日本千葉大學的Masatomo Ishikawa等[44]進行了人腦阻斷研究。研究了兩種藥物托烷司瓊(20 mg)和昂丹司瓊(8 mg)對人腦顯像的阻斷作用。結(jié)果表明，20 mg Tropisetron雖對[11C]CHIBA-1001在人腦中的吸收有抑制作用，但并不完全。同時，當注射[11C]CHIBA-1001后，雖然其迅速充滿整個大腦，但缺乏一個橫斷面來確定BPND值，更重要的是，采用體外人腦樣本的勻漿進行受體結(jié)合實驗時發(fā)現(xiàn)CHIBA-1001的非特異性結(jié)合非常高，因此該藥物有待繼續(xù)研究。

2010年，Toyohara等[45]報道了兩個正電子核素11C標記的α7 nAChRs顯像劑[11C]A-582941和[11C]A-844606(圖6)，其抑制常數(shù)Ki分別為10.8 nM和11 nM。在嚙齒類動物體內(nèi)分布實驗中，前者表現(xiàn)出了較高的非特異性結(jié)合，但在清醒的猴子腦中，[11C]A-582941和[11C]A-844606可以被預注射的5 mg/kg SSR180711特異性抑制。因此[11C]A-582941和[11C]A-844606也可以作為潛在的α7 nAChRs顯像劑。

圖6 顯像劑[11C]A-582941和[11C]A-844606化學結(jié)構(gòu)[45]Fig.6 Chemical structure of [11C]A-582941 and [11C]A-844606[45]

2010年Ogawa等[46]又設計并合成了兩種C-11標記的α7 nAChRs放射性配體：[11C](R)-MeQAA(Ki=(73.7±3.5) nM)和其對應異構(gòu)體[11C](S)-MeQAA(Ki=(186.3±25.7) nM)(圖7)。它們對α7 nAChRs的親和力較差，不如[11C]CHIBA-1001(Ki=49 nM), 且對5-HT3受體的選擇性也較差。

生物分布實驗表明，二者的初始腦吸收都較高，且R構(gòu)型略高于S構(gòu)型。在接下來的猴腦PET顯像實驗中，兩種化合物都快速聚集在丘腦和皮層等區(qū)域，但絕對值都不高，當用SSR180711阻斷時獲得了一定的抑制效果，但5-HT3受體配體Ondansetro也獲得了同樣的效果。因此，它們并不適合作為α7 nAChRs PET顯像劑，需要進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

圖7 顯像劑[11C](R)-MeQAA和[11C](S)-MeQAA化學結(jié)構(gòu)[46]Fig.7 Chemical structure of [11C](R)-MeQAA and [11C](S)-MeQAA[46]

2011年， Ettrup等[47]將α7 nAChRs的高親和力的選擇性激動劑NS14492(Ki=2.2 nM)進行了C-11標記得到了[11C]NS14492(圖 8)，并進行了豬腦PET顯像。[11C]NS14492在豬腦的皮層、海馬、丘腦等區(qū)域聚集最多，而在小腦最少，預注射兩種不同結(jié)構(gòu)的α7 nAChRs阻斷劑SSR180711和NS14492時，在腦內(nèi)所有區(qū)域的VT值均減少。因此，[11C]NS14492也可以作為一個潛在的α7 nAChRs顯像劑。

圖8 示蹤劑[11C]NS14492及其非放化合物NS14492化學結(jié)構(gòu)[47]Fig.8 Chemical structure of [11C]NS14492 and NS14492[47]

同年，Briggs等[48]設計并合成了[18F]NS10743(圖9)并通過PET顯像研究了其在豬腦中各區(qū)域的分布情況。實驗結(jié)果表明，[18F]NS10743能夠快速透過血腦屏障(BBB)進入腦中，當用α7 nAChRs的部分激動劑NS6740[47]阻斷時，SUVmax值變?yōu)?05%～110%后迅速降低，說明了[18F]NS10743是以α7 nAChRs為靶向性的。

2013年，Deuther-Conrad等[49]又研究了與[11C]NS14492和[18F]NS10743相近的高親和性化合物[18F]NS14490 (圖10) 的基本理化性質(zhì)，2014年又在其基礎上進行了PET顯像實驗。當分別用α7 nAChRs高親和性配體NS6740(10 mg/kg)和SSR180711(10 mg/kg)阻斷該藥物在腦中的吸收時，發(fā)現(xiàn)了NS6740減少了[18F]NS14490在腦中22%的吸收，而SSR180711卻沒有明顯變化。

圖9 示蹤劑[18F]NS10743及α7 nAChRs高親和性配體 NS6740化學結(jié)構(gòu)[48]Fig.9 Chemical structure of [18F]NS10743 and NS6740[48]

圖10 示蹤劑[18F]NS14490化學結(jié)構(gòu)[49]Fig.10 Chemical structure of [18F]NS14490[49]

基于該化合物高的親和性，2014年該實驗組做了豬的PET顯像實驗[50]。通過PET顯像，觀察[18F]NS14490在腦中的吸收及分布。

綜上，[18F]NS14490有一定希望成為潛在的α7 nAChRs顯像劑。

2012年， Gao等[51]研究了([11C]rac-(1))(圖 11)在鼠腦內(nèi)的分布情況。實驗表明，[11C]rac-(1)主要集中在額葉皮質(zhì)、丘腦、紋狀體和海馬中。當用選擇性α7 nAChRs激動劑PHA543616抑制時，可發(fā)現(xiàn)在小腦中的抑制作用是最佳的，在海馬、額葉皮質(zhì)和丘腦中都顯示出了特異性的減少，這說明[11C]rac-(1)能夠與α7 nAChRs特異性結(jié)合，可以成為一個潛在的α7 nAChRs PET顯像劑。

圖11 示蹤劑[11C]rac-(1)化學結(jié)構(gòu)[51]Fig.11 Chemical structure of [11C]rac-(1)[51]

2013年， Horti等[52]又發(fā)現(xiàn)了新的體外高親和性α7 nAChRs示蹤劑，[11C]A-833834(Ki=1.53 nM)和[11C]A-752274(Ki=0.092 nM)(圖12)。實驗表明[11C]A-752274在體外的受體親和實驗中體現(xiàn)出了非常高的親和性。但它在接下來的小鼠體內(nèi)分布實驗中，絕對進腦量卻較少，其絕對吸收值仍較低，結(jié)果并不理想。該實驗組認為是親水性太高(logD7.4=-2.7)導致藥物無法透過血腦屏障，造成低進腦量，因此需要對該化合物進行結(jié)構(gòu)上的改進。

圖12 示蹤劑[11C]A-752274 和[11C]A-833834化學結(jié)構(gòu)[52]Fig.12 Chemical structure of [11C]A-752274 and [11C]A-833834[52]

同年，Ravert[53]又報道了高親和性α7 nAChRs配體[18F]AZ11637326(Kd=0.2 nM)(圖13) 的研究內(nèi)容。在生物分布實驗中，[18F]AZ11637326可以迅速布滿整個大腦，30 min時在海馬的吸收達到最高，小腦中最低。當用MLA、煙堿和Ondansetro抑制時，卻出現(xiàn)了吸收值的少量增加。實驗結(jié)果說明，該化合物在鼠腦中有一定的特異性結(jié)合。但應用于狒狒腦顯像時，基本沒有發(fā)現(xiàn)特異性結(jié)合，因此該化合物并不能成為α7 nAChRs PET顯像劑，還需要對其進一步優(yōu)化。

圖13 示蹤劑[18F]AZ11637326化學結(jié)構(gòu)[53]Fig.13 Chemical structure of [18F]AZ11637326[53]

4.4 1,5-二氮雜二環(huán)[3.2.2]壬烷為母核取代的剛性二苯基二氧化噻吩及9-芴酮作為α7 nAChR顯像劑

2013年， Gao等[54-55]發(fā)表了一系列高親和性的二苯并噻吩類化合物 (Ki=0.4～20 nM)，并對其中活性數(shù)據(jù)最好的兩個化合物進行了放射性標記(圖14)。這兩種化合物對α4β2nAChRs和5-HT3也有很高的選擇性，Ki,α7/α4β2=1 370,Ki,α7/5-HT3=561。在接下來的生物分布實驗中，[18F]7a和[18F]7c都表現(xiàn)出了很高的初始攝取。

圖14 示蹤劑[18F]-ASEM 和[18F]7c化學結(jié)構(gòu)[54-55]Fig.14 Chemical structure of [18F]-ASEM and [18F]7c[54-55]

基于[18F]7a的優(yōu)良性質(zhì)，該小組在2014年將其正式命名為[18F]-ASEM，并研究了它在DISC1老鼠和狒狒腦中的活體顯像性質(zhì)。實驗結(jié)果表明，[18F]-ASEM能迅速進入狒狒的腦中，并與所有α7 nAChRs存在區(qū)域特異性結(jié)合 (特異性結(jié)合比例達到80%～90%)。高選擇性的α7 nAChRs配體SSR180711對[18F]-ASEM 的吸收也起到了劑量依賴的抑制作用，這表明[18F]-ASEM在腦中的結(jié)合是與α7 nAChRs相關(guān)的，并適合做下一步的藥物評價實驗。狒狒腦中的顯像實驗也充分說明了[18F]-ASEM在各區(qū)域的高吸收，同時在一種精神分裂模型鼠腦內(nèi)的結(jié)合則比正常鼠中的結(jié)合值要低很多，這也與之前報道的人類的情況相一致。因此[18F]-ASEM有希望成為量化人腦內(nèi)α7 nAChRs的PET示蹤劑。

在2017年，北京師范大學放射性藥物教育部重點實驗室張華北[56]課題組報道了高親和性單光子125I標記的α7煙堿型乙酰神經(jīng)膽堿配體[125I]CAIPE和[125I]IBT及[125I]IPPU(圖15)。熱標記實驗表明，三種配體化合物均有較高的標記率(標記率>92.5%)。脂水分配系數(shù)數(shù)據(jù)表明具有良好BBB透過性(logP=1.2～1.7)。三種配體的體內(nèi)外穩(wěn)定性均良好。

[125I]IPPU體內(nèi)生物分布實驗顯示出了很強的初始吸收，5 min時在腦中的吸收值達到(7.71±0.47)%ID/g，但是該化合物在小鼠體內(nèi)的滯留性相對較差。[125I]IBT生物分布結(jié)果表現(xiàn)出了很強的初始攝取，在15 min時腦中的放射性吸收值為(8.36±0.57)%ID/g，并達到了最高；到30 min時，該吸收值仍然高于7%ID/g((7.32±0.59%)ID/g)。將[125I]IBT與已在人體做實驗的藥物[11C]CHIBA-1001相比，它也體現(xiàn)出了相對優(yōu)越的吸收特性。因此放射性配體[125I]IBT 有希望成為潛在的α7 nAChRs 放射性配體。

2018年，北京師范大學放射性藥物教育部重點實驗室張華北等[57]又報道了對α7煙堿型乙酰神經(jīng)膽堿受體高親和性芴酮類衍生物配體YJF,YJF,YLN,YLF及其18F標記的放射性配體[18F]YLF(如圖16，文中5，6，14，15)。四種配體都表現(xiàn)出了極高的受體親和力，其中YLN親和力高達0.0069 nM，為現(xiàn)有配體中活性最高的配體。放射性配體[18F]YLF具有合適的放射性化學特性，并具有較強的ɑ7 nAChRs親和力(Ki=(2.98±1.41) nM)，適合進行深入研究。

圖15 示蹤劑[125I]CAIPE、[125I]IBT及[125I]IPPU化學結(jié)構(gòu)[56]Fig.15 Chemical structure of [125I]CAIPE、[125I]IBT and [125I]IPPU[56]

圖16 配體YLN、YJF、YFN及示蹤劑[18F]YLF的化學結(jié)構(gòu)[57]Fig.16 Chemical structure of YLN、YJF、YFN and [18F][57]

在對[18F]YLF標記后進行體外穩(wěn)定性實驗，[18F]YLF在生理鹽水和胎牛血清中都表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。生物分布實驗說明，18F標記的放射性配體[18F]YLF在小鼠腦內(nèi)具有非常高的初始腦攝取，在注射5 min后其攝取值即達到(8.98±0.41)%ID/g，15 min后顯示出最高的腦攝取值(11.60±0.14)%ID/g；同時，該放射性配體表現(xiàn)出適宜的腦清除速率，在給藥60 min、90 min后，其腦內(nèi)的攝取值分別降為(5.46±0.27)%ID/g和(3.63±0.25)%ID/g，這表明了該化合物具有適宜的腦內(nèi)動力學性質(zhì)；該結(jié)果與目前已報道的進入臨床實驗的[18F]ASEM(其最高的腦攝取值出現(xiàn)在給藥5 min后，為7.5%ID/g)相比，已表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。另外，[18F]YLF在血液中的攝取值很低，表現(xiàn)出很高的腦/血比值，在5 min和15 min時分別為9.35和9.57。腦區(qū)分布實驗結(jié)果表明，該放射性配體在α7 nAChR最為富集的皮層、紋狀體和海馬區(qū)有較高的吸收，并在給藥30 min后達到峰值。該區(qū)域分布特點與文獻中報道的α7 nAChR在體內(nèi)外的分布情況一致。腦內(nèi)抑制實驗證明，[18F]YLF對于α4β2nAChR和5-羥色胺受體幾乎沒有結(jié)合，該放射性配體對于α7 nAChR具有良好的選擇性。

隨后研究成員進行了大鼠PET顯像研究(圖17)，顯像結(jié)果表明，該放射性配體具有較高濃度的腦攝取，并具有適宜的腦部滯留，適于進行PET顯像研究。另外，研究成員還對YLF標準品進行了急毒實驗，結(jié)果表明得其半致死劑量LD50為53.70 mg/kg，臨床上做一次PET顯像所注射的劑量數(shù)量級別遠小于LD50值使用安全。這些優(yōu)良的性質(zhì)均表明[18F]YLF可以作為潛在的α7 nAChR PET顯像劑進行深入研究。

圖17 [18F]YLF雌性CD-1大鼠PET顯像圖(紅色區(qū)域為α7 nAChR)Fig.17 PET imaging of [18F]YLF in female CD-1 Rat(α7 nAChRis shown in red)

5 總結(jié)

綜上所述，在幾類用于α7 nAChRs的顯像劑中，以1,5-二氮雜二環(huán)[3.2.2]壬烷為母核取代的剛性二苯基二氧化噻吩及9-芴酮作為α7 nAChRs的顯像劑性質(zhì)最好(如[18F]-ASEM、[18F]-YLF)。其優(yōu)點主要表現(xiàn)為對靶點的高親和力、高選擇性及進腦速度快、滯留好等體內(nèi)動力學性質(zhì)。而對于1,5-二氮雜二環(huán)[3.2.2]壬烷為母核取代的柔性結(jié)構(gòu)(如[11C]-CHIBA-1001)，雖然容易通過血腦屏障，但都或多或少存在選擇性差、特異性低等問題。而對于喹寧環(huán)及喹寧環(huán)酰胺取代化合物，不良的血腦屏障透過性及較高非特異性結(jié)合是阻礙其發(fā)展的主要原因。

PET/SPECT技術(shù)的發(fā)展為老年癡呆的早期診斷和治療提供了新的機遇，放射性核素種類多樣，各有所長。目前尚未有完成用于AD早期檢測臨床試驗的藥物，但結(jié)合多種放射性配體檢查可輔助臨床的鑒別診斷。近年來對α7nAChRs放射性配體的深入研究都為更好地理解退行性神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理生理以及疾病的進程提供了更先進的研究手段。我們期望在未來有更多更深入的研究，為AD早期診斷和病程檢測提供新思路。