放射性分子顯像劑在阿爾茨海默病中的應(yīng)用

代玉銀 于丹 關(guān)鋒 林秋玉 李英華

(1吉林大學(xué)第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，吉林 長春 130000；2 空軍航空大學(xué)基礎(chǔ)部)

阿爾茨海默病(AD) 是老年癡呆常見臨床類型，隨著世界人口逐步向老齡化發(fā)展，老年癡呆患者成幾何倍數(shù)增長，2019年約有新增病例1 000萬人。在中國，65歲以上人群患病率已超過5%，且隨著年齡的增長明顯升高〔1,2〕。AD是一種不可逆性、進(jìn)展性神經(jīng)退行性疾病，是常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病之一〔3〕。病理特征是神經(jīng)細(xì)胞外β淀粉樣蛋白(Aβ)老年斑(SPs)沉積和神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFTs)形成和廣泛神經(jīng)元及神經(jīng)突觸的丟失，臨床特征是記憶缺失和認(rèn)知損害〔4～6〕。AD臨床癥狀出現(xiàn)前15年即發(fā)生病理變化，確診時(shí)神經(jīng)系統(tǒng)通常已發(fā)生不可逆的損傷，通常在確診后7～10年內(nèi)死亡〔7，8〕。目前AD的診斷方法主要包括臨床行為學(xué)測試、磁共振成像(MRI)、正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像-計(jì)算機(jī)斷層成像(PET-CT)、腦脊液標(biāo)志物檢測〔9,10〕。其中PET-CT是分子級別的功能影像學(xué)手段，能夠在CT、MRI尚沒有明顯解剖結(jié)構(gòu)改變前，提供病灶的功能和代謝信息，從而達(dá)到皮摩爾級別濃度下進(jìn)行無創(chuàng)、精準(zhǔn)診斷，及時(shí)反映病情進(jìn)展及嚴(yán)重程度〔11〕。PET-CT是當(dāng)今核醫(yī)學(xué)發(fā)展最為迅猛的領(lǐng)域，也是最先進(jìn)、最靈敏的分子顯像技術(shù)，在AD診斷中顯示出顯著優(yōu)勢〔12,13〕。本文對PET-CT檢查所用放射性分子顯像劑葡萄糖、Aβ和tau蛋白顯像的研究及臨床應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 糖代謝類放射性分子顯像劑

人腦代謝的主要能源是葡萄糖，18F-脫氧葡萄糖(FDG)作為葡萄糖的類似物，是臨床上最常用的PET-CT顯像劑，它與天然葡萄糖的代謝途徑一致，能夠反映細(xì)胞內(nèi)糖代謝水平，18F-FDG進(jìn)入細(xì)胞，在己糖激酶作用下磷酸化，但不能進(jìn)行下一步代謝，使其能長時(shí)間停留在細(xì)胞內(nèi)，從而反映不同細(xì)胞的糖代謝水平。AD患者由于大腦皮質(zhì)神經(jīng)元變性，發(fā)生萎縮，其PET-CT典型表現(xiàn)為雙側(cè)顳、頂、額葉代謝減低，特別是顳、頂葉的皮質(zhì)降低最明顯，早期雙側(cè)不對稱的發(fā)生，隨著病情的逐步進(jìn)展，范圍逐漸加大，最后累及額葉皮質(zhì)并呈現(xiàn)對稱性〔11〕。通過PET-CT掃描，可用于AD的診斷及鑒別診斷。Zhang等〔14〕分析研究18F-FDG的PET-CT，預(yù)測其診斷敏感性為78.7%，特異性為74.0%。Bloudek等〔15〕研究表明，18F-FDG能夠精準(zhǔn)診斷AD，但缺點(diǎn)是缺乏特異性。

2 Aβ類放射性分子顯像劑

Aβ由淀粉樣前體蛋白(APP)序列發(fā)生斷裂后生成，一般由39～43個(gè)氨基酸構(gòu)成。異常聚集的Aβ是SPs主要成分，其病理學(xué)特征是蛋白酶類代謝異常，導(dǎo)致Aβ的生成大于降解，Aβ沉積是導(dǎo)致AD的一個(gè)重要因素，在治療中起重要作用。在AD早期，Aβ就已出現(xiàn)明顯的沉積現(xiàn)象，并逐步達(dá)到飽和狀態(tài)，之后沉積不再隨病情加重而增加。在FDG顯像中，腦代謝隨著病情加重而持續(xù)降低，葡萄糖代謝降低與Aβ沉積并未呈現(xiàn)線性關(guān)系，對于AD患者，Aβ沉積理論上早于FDG攝取降低，Aβ顯像能夠比葡萄糖代謝顯像更早地預(yù)測及診斷AD〔16,17〕。

目前有三種已被美國食品藥品監(jiān)督局(FDA)批準(zhǔn)使用的Aβ顯像劑，分別是11C-匹茲堡化合物(PIB)、18F-Florbetapir(18F-AV45)和18F-Flutemetamol(18F-GE67)。

2.1硫磺素(Th)T類衍生物 ThT是用于診斷AD的苯并噻唑類熒光染料，難以穿透血腦屏障(BBB)。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的11C-PIB〔18,19〕，如圖1所示，其親脂性好(LogP=2.48)，能夠順利穿透BBB，迅速進(jìn)入腦內(nèi)并很快從正常腦組織清除(大腦攝取值2 min∶30 min為11∶4)。其與Aβ具有良好的親和能力，且與Aβ發(fā)生特異性結(jié)合，而其放射性代謝產(chǎn)物無法穿透BBB，使其在Aβ處凝聚，由此來診斷早期AD。

由于11C半衰期較短(20 min)，合成效率低下，而18F具有相對更長的半衰期(110 min)，空間分辨率及靈敏度高的特點(diǎn)，基于ThT結(jié)構(gòu)，衍生出18F標(biāo)記的另一種放射性顯像劑18F-GE67，如圖1所示，臨床研究表明，二者對Aβ結(jié)合能力相似。Mountz等〔20〕對比兩種藥物后認(rèn)為18F-EG67和11C-PIB之間存在高度線性相關(guān)，表明兩種示蹤劑具有相似的保留特性。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)將掃描分類為Aβ陽性或陰性時(shí)，其與標(biāo)準(zhǔn)攝取值(SUV)相關(guān)性很高。

圖1 Th T及其衍生物11C-PIB和18F-GE67

2.2二苯乙烯基吡啶類衍生物18F-AV45是第一批獲得美國FDA批準(zhǔn)上市的二苯乙烯類藥物，如圖2所示，它具有快速進(jìn)入BBB的能力，并與Aβ特異性結(jié)合。靜脈注射40 min后即可獲得優(yōu)質(zhì)圖像。臨床研究顯示，18F-AV45可用于區(qū)分AD和正常對照組，其敏感性為92%，特異性100%。但與11C-PIB相比，18F-AV45在腦白質(zhì)區(qū)域有較高的非特異性攝取，對醫(yī)生的分析判斷造成一定困難〔21〕。專利持有者禮來公司規(guī)范了圖像分析方法，一定程度上提高了分析的準(zhǔn)確性〔22〕。劉楠等〔23〕使用國產(chǎn)氟多功能模塊，通過自主合成前體AV105，成功標(biāo)記合成18F-AV45，標(biāo)記率為(20.3±2.2)%(n=5，未經(jīng)衰減校正)，放化純>98%。

圖2 美國禮來公司18F-AV45結(jié)構(gòu)

3 Tau蛋白類放射性分子顯像劑

Tau蛋白是人體細(xì)胞內(nèi)微管蛋白(MAPs)的一種，是一種含磷糖蛋白，構(gòu)成神經(jīng)細(xì)胞骨架成分，位于第17號(hào)染色體的長臂上，由31～32個(gè)氨基酸序列構(gòu)成。Tau蛋白分布廣泛，主要有大腦額葉、顳葉、海馬和外周神經(jīng)細(xì)胞的軸突內(nèi)。正常人體內(nèi)Tau蛋白磷酸化是維持生理功能的正?，F(xiàn)象，磷酸化位點(diǎn)很少，但是AD患者腦內(nèi)Tau蛋白發(fā)生過度磷酸化，并聚集起來形成雙螺旋纖維絲(PHF)，進(jìn)而形成細(xì)胞內(nèi)的NFTs，并含有神經(jīng)毒性，導(dǎo)致神經(jīng)元退行性病變，AD患者腦內(nèi)Tau蛋白隨著病情增加而增加，由此，監(jiān)測大腦內(nèi)Tau濃度即可判斷AD進(jìn)展〔24,25〕。相比Aβ蛋白異常沉積，Tau蛋白能更早發(fā)現(xiàn)AD患者，這對評估與治療意義重大，所以也是目前研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)。

Tau蛋白類放射性分子顯像劑目前已研發(fā)出多種類型，如圖3所示。第一代Tau蛋白類顯像劑包括喹啉衍生物，BF-158、BF-170和BF-242(THK523)〔26〕。其中Harada等〔4〕對比18F-THK523與11C-PIB，證實(shí)18F-THK523對Tau的親和力明顯高于對Aβ蛋白的親和力。放射自顯影研究證明其在AD患者腦內(nèi)PHF濃聚，對轉(zhuǎn)基因小鼠的小動(dòng)物PET-CT也證實(shí)了這點(diǎn)。然而，臨床PET-CT研究發(fā)現(xiàn)，AD患者大腦灰質(zhì)未發(fā)現(xiàn)Tau蛋白沉積，原因可能是這種示蹤劑與其親和力不強(qiáng)導(dǎo)致〔27〕。18F-THK5105和18F-THK5117改進(jìn)了合成工藝，提高了其在PHF的親和力和特異性結(jié)合。這兩種放射性示蹤劑在健康人群和AD患者腦內(nèi)有明顯的攝取區(qū)別。Okamura等〔28〕對比了11C-PIB與18F-THK5105和18F-THK5117，結(jié)果顯示18F-THK5105在AD患者皮質(zhì)的滯留時(shí)間明顯高于健康對照組，與tau蛋白的分布吻合，與患者病情嚴(yán)重程度呈線性關(guān)系，而與11C-PIB的分布無關(guān)聯(lián)性。對比示蹤劑18F-THK5117發(fā)現(xiàn)，AD患者顳葉攝取明顯增高，且海馬部位攝取與海馬體積正相關(guān)，提示其有更高的靈敏度與特異性結(jié)合〔29〕。

研究人員還研發(fā)了苯并咪唑嘧啶衍生物18F-fortaucipir(18F-T807或18F-AV-1451)與18F-T808正電子分子顯像劑，18F-T808在AD患者腦內(nèi)均與PHF發(fā)生特異性結(jié)合，敏感性遠(yuǎn)高于Aβ〔30〕。放射自顯影研究表明，18F-T807與Tau蛋白沉淀結(jié)合，但不與Aβ結(jié)合，PET-CT研究表明，AD患者腦內(nèi)顳葉和頂葉后皮質(zhì)聚集明顯，18F-T807分布遵循已知的NFTs分布，其數(shù)量與面積與癡呆的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)〔31〕。在一些正常健康老年人中，也觀察到了聚集現(xiàn)象，少數(shù)病例報(bào)告中提示，延遲掃描發(fā)現(xiàn)新皮質(zhì)的保留率增高，18F-T807是否能真正反映AD患者Tau蛋白與正常老年人的區(qū)別有待進(jìn)一步確認(rèn)〔32〕。

在第一代Tau蛋白放射性分子顯像劑研發(fā)之后，幾家制藥公司一直在努力改進(jìn)Tau-PET-CT的特異性結(jié)合和藥代動(dòng)力學(xué)。其中18F-RO6958948(18F-RO-948)、11C-RO6931643(11C-RO-643)和11C-RO6924963 (11C-RO-963)是三種很有潛力的放射性分子顯像劑〔33〕。這三種顯像劑都能在Tau蛋白濃聚，并且對NFTs有很好的特異性結(jié)合和藥代動(dòng)力學(xué)，而對Aβ不敏感。其中18F-RO-948小鼠的PET-CT研究表明，其代謝與分布符合臨床AD患者的病理。對比研究表明18F-RO-948比11C-RO-643和11C-RO-963有更好的本底，更長的半衰期及穩(wěn)定性〔34〕。18F-GTP1基于18F-T808設(shè)計(jì)，用來提高18F-T808脫氟后的不穩(wěn)定性，臨床研究顯示18F-GTP1成功阻止了顯像劑在顱骨的濃聚，而且能明確區(qū)分AD患者與對照組〔35〕。18F標(biāo)記苯基/吡啶-丁二烯基-苯并噻唑(PBB)類衍生物，18F-AM-PBB3和18F-PM-PBB3，由日本的國家放射科學(xué)研究所所開發(fā)。新的顯像劑有更良好的本底背景降噪，能夠突出目標(biāo)信號(hào)，更便于臨床觀察。18F-MK-6240是由默克公司開發(fā)的一種異喹啉胺衍生物，與PHF-Tau結(jié)合，有很高的靈敏度和特異性。研究表明，18F-MK-6240在大腦灰質(zhì)中聚集，其分布與NFTs神經(jīng)病理分期一致，未觀察到其在基底神經(jīng)節(jié)濃聚，只有輕微的滯留發(fā)生在黑質(zhì)和腦膜中〔36〕。

圖3 幾種Tau蛋白類分子顯像劑結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論與展望

放射性分子顯像劑的研究使無創(chuàng)監(jiān)測老年AD進(jìn)展成為可能，隨著Aβ放射性分子顯像劑的研究，尤其是近年來Tau蛋白顯像劑的大力發(fā)展，將進(jìn)一步推動(dòng)對AD患者自然過程的了解，特別是對Tau蛋白病理學(xué)進(jìn)展的了解〔37〕。然而，這項(xiàng)技術(shù)依然存在一些問題亟待解決，現(xiàn)有的Tau類分子顯像劑還沒有被尸檢完全證實(shí)，與Aβ蛋白類分子顯像劑相比，臨床研究還比較匱乏，建立Tau-PET-CT作為PHF-Tau的生物標(biāo)志物，就必須確定Tau蛋白類分子顯像劑在大腦內(nèi)的分布與Tau蛋白分布吻合，需要影像學(xué)與尸檢相互驗(yàn)證〔38〕。目前為止，Aβ和Tau蛋白病理學(xué)與老年AD進(jìn)展的研究有助于澄清AD的形成史。最新研究發(fā)現(xiàn)，Tar DNA結(jié)合蛋白(TDP)-43可能是除Aβ和tau蛋白以外與AD發(fā)病相關(guān)的第3種蛋白質(zhì)，針對TDP-43研發(fā)新的放射性分子顯像劑，例如小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，被認(rèn)為是在各種蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊而引發(fā)神經(jīng)變性過程中起到關(guān)鍵作用，星形膠質(zhì)細(xì)胞也被認(rèn)為與AD進(jìn)展和其他神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)〔39,40〕。發(fā)展新型放射性分子顯像劑，結(jié)合PET-CT技術(shù)，必將成為診斷、評估與治療AD的一把利器。