PET新型Tau蛋白分子探針18F-S16用于阿爾茨海默病患者

李 燦,張曉軍,劉家金,張錦明,王瑞民,富麗萍

(1.中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心核醫(yī)學(xué)科,北京 100853;2.中日友好醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科,北京 100029)

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease, AD)是神經(jīng)退行性疾病,其特征性神經(jīng)病理改變包括細(xì)胞外老年斑內(nèi)淀粉樣蛋白-β(amyloid-β, Aβ)沉積和細(xì)胞內(nèi)由高度磷酸化Tau蛋白構(gòu)成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangle, NFT)。Aβ沉積始于AD無癥狀階段,于出現(xiàn)臨床癥狀時(shí)達(dá)到平臺(tái)期,與疾病嚴(yán)重程度的相關(guān)性較弱[1]。AD患者腦內(nèi)Tau示蹤劑分布符合尸檢所見AD NFT分布,并與癡呆嚴(yán)重程度及其表型密切相關(guān)[2-3]。除AD以外,Tau蛋白異常聚集亦見于其他Tau蛋白病,如額顳癡呆(frontotemporal dementia, FTD)、皮克病(Pick disease)和進(jìn)行性核上性麻痹(progressive supranuclear palsy, PSP)等,但在不同疾病之間NFT分布有所差異,故Tau蛋白成像對鑒別診斷、評估療效及監(jiān)測疾病具有重要價(jià)值。新型診斷性放射性藥物(S)-1-(4-(6-(dimethylamino) quinoxalin-2-yl) phenoxy)-3-fluoropropan-2-ol(18F-S16)可無創(chuàng)檢測活體腦內(nèi)NFT沉積。體外研究[4]結(jié)果表明,NFT對于Tau轉(zhuǎn)基因小鼠和AD患者腦組織具有良好熒光特性及高選擇性,且血腦屏障穿透力和藥代動(dòng)力學(xué)屬性較佳,有望成為Tau蛋白特異性分子探針而用于人體顯像。本研究觀察18F-S16作為Tau-PET分子探針用于AD的臨床價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 前瞻性納入2019年3月—2020年5月就診于中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心的6例AD患者(男1例、女5例,年齡60～79歲、中位年齡71歲)和2例非AD癡呆 [1例女性67歲語義變異原發(fā)性進(jìn)行性失語癥(semantic variant of primary progressive aphasia, sv-PPA)和1例男性60歲PSP]患者。AD患者納入標(biāo)準(zhǔn):①參照美國國立神經(jīng)病語言障礙卒中研究所和AD相關(guān)疾病協(xié)會(huì)制定標(biāo)準(zhǔn)確診AD[5];②簡易精神狀態(tài)檢查(mini-mental state examination, MMSE)評分為10～24分;③淀粉樣蛋白PET掃描結(jié)果為陽性。同期招募6名與AD患者年齡基本匹配的老年健康志愿者(男2名、女4名,年齡60～72歲、中位年齡65.5歲,無認(rèn)知障礙或AD家族史,MMSE評分至少28分)和2名年輕健康志愿者(男、女各1名,年齡分別為23、24歲,無重大醫(yī)療、神經(jīng)或精神疾病史或AD家族史)。本研究經(jīng)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號:S2017-014-01),由受試者或家屬簽署知情同意書。

1.2 合成18F-S16 由派特(北京)科技有限公司以自動(dòng)合成模塊PET-MF-2V-IT-1進(jìn)行放射性標(biāo)記。采用一鍋兩步法,以Kryptofix-222為相轉(zhuǎn)移催化劑,使干燥的18F與前體發(fā)生親核取代反應(yīng);之后以HCl(1 mol/L)水解除去四氫吡喃基(tetrahydropyranyl, THP)保護(hù)基團(tuán),經(jīng)堿中和后,采用半制備高效液相色譜法(high performance liquid chromatography, HPLC)進(jìn)行純化,得到18F-S16。以分析型HPLC觀察18F-S16性質(zhì),確保其放射化學(xué)純度(放化純度)>95%,比活度為90.0～123.5 GBq/μmol。

1.3 PET/MR 采用Siemens Biography mMR機(jī)行頭部18F-S16 PET/MR掃描。囑受試者仰臥,對1例AD、6名老年及2名年輕健康志愿者行頭部MR掃描;參數(shù):超短回波時(shí)間(ultra-short echo time, UTE)序列,TE1 0.07 ms,TE2 2.46 ms,TR 11.94 ms,FA 10°,層數(shù)192,矩陣192×192,FOV 300 mm×300 mm,體素1.6 mm×1.6 mm×1.6 mm。之后注射18F-S16 3.7～5.55 MBq/kg體質(zhì)量并立即啟動(dòng)動(dòng)態(tài)PET掃描,以三維采集模式連續(xù)采集90 min,將數(shù)據(jù)分為59幀(5 s×30、30 s×10、150 s×5、300 s×14),重建后用于后續(xù)分析。基于UTE序列對PET數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減校正,同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)MR掃描與PET成像;以快速擾相梯度回波(magnetization prepared rapid gradient echo, MPRAGE)序列采集高分辨率矢狀位3D T1WI,TR 1 900 ms,TE 2.44 ms,TI 900 ms,厚度1 mm,矩陣256×256,FOV 250 mm×250 mm,體素1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm;以自旋回波序列采集軸位T2WI,TR 4 500 ms,TE 85 ms,FA 150°,層數(shù)25,厚度4 mm,FOV 220 mm×220 mm,體素0.7 mm×0.7 mm×4.0 mm。

對5例AD、1例sv-PPA及1例PSP患者注射18F-S16 3.7～5.55 MBq/kg體質(zhì)量,于40 min后行18F-S16 PET/MR掃描,掃描時(shí)間20 min;采用有序子集最大期望值法進(jìn)行重建,3次迭代,21個(gè)子集,矩陣336×336,高斯濾波半高寬(full width half-maximum, FWHM)4 mm。

1.4 圖像和數(shù)據(jù)分析 參照文獻(xiàn)[6-7]方法基于ROI和體素對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。獲取注射藥物后40～60 min標(biāo)準(zhǔn)攝取值(standard uptake value, SUV),以小腦作為參考區(qū),計(jì)算關(guān)鍵腦區(qū)SUV比(SUV ratio, SUVR):SUVR=關(guān)鍵腦區(qū)SUV/小腦灰質(zhì)SUV;對6名接受90 min18F-S16動(dòng)態(tài)PET掃描的老年健康志愿者中的5名(另1名圖像質(zhì)量較差)獲取并計(jì)算注射藥物后70～90 min各關(guān)鍵腦區(qū)的SUV及SUVR。采用Logan圖解分析計(jì)算各ROI分布體積比(distribution volume ratio, DVR);并以線性模型計(jì)算2個(gè)時(shí)間窗(40～60 min、70～90 min)內(nèi)上述5名老年健康志愿者ROI的SUVR與DVR的相關(guān)性。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 17.0和SPM統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料,行t檢驗(yàn)或Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。以Mann-WhitneyU檢驗(yàn)比較年齡和受教育年限。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料 AD患者M(jìn)MSE評分(17.24±6.05)顯著低于老年健康志愿者(28.89±0.78)(Z=36.00,P<0.01),其年齡、受教育年限和體質(zhì)量差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

2.2 時(shí)間活度曲線(time-activity curve, TAC) AD患者雙側(cè)顳葉皮質(zhì)、額葉皮質(zhì)和后扣帶回皮質(zhì)(posterior cingulate cortex, PCC)皮質(zhì)放射性攝取明顯增加,老年及年輕健康志愿者未見皮質(zhì)顯著放射性濃聚;三者均可見基底節(jié)區(qū)非特異性攝取;見圖1。AD患者皮質(zhì)放射性攝取高于老年健康志愿者,尤以顳葉和枕葉皮質(zhì)為著;其內(nèi)側(cè)顳葉皮質(zhì)(medial temporal cortex, MTC)18F-S16 SUVR最高,其次是枕葉皮質(zhì)和外側(cè)顳葉皮質(zhì)(lateral temporal cortex, LTC)。AD患者SUVR于注射18F-S16后90 min內(nèi)進(jìn)行性增高,且隨時(shí)間延長,與老年及年輕健康志愿者差距增大,見圖2。體素分析結(jié)果顯示,相比老年健康志愿者,AD患者雙側(cè)枕葉皮質(zhì)、舌回及PCC/楔前葉18F-S16放射性滯留明顯增加,見表1。

表1 AD患者與老年健康志愿者SUVR存在差異的腦區(qū)

圖1 軸位18F-S16 PET/MRI示顳葉皮質(zhì)、基底神經(jīng)節(jié)和后扣帶回皮質(zhì)SUVR

圖2 注射18F-S16后SUVR的TAC曲線 A.額葉; B.枕葉; C.頂葉; D.內(nèi)側(cè)顳葉; E.外側(cè)顳葉; F.殼核

PSP患者基底神經(jīng)節(jié)和中腦可見明顯18F-S16放射性滯留及T1WI典型“蜂鳥征”;sv-PPA患者雙側(cè)顳極、基底顳葉皮質(zhì)和海馬區(qū)可見18F-S16放射性滯留,相應(yīng)部位顳葉明顯萎縮。見圖3。

圖3 18F-S16 PET/MRI示SUVR A.PSP患者(箭示中腦萎縮,即“蜂鳥征”); B.sv-PPA患者(箭示局部18F-S16放射攝取異常增加)

2.3 相關(guān)性分析 注射藥物后40～60 min及70～90 min,5名老年健康志愿者枕葉SUVR與DVR的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.826 2和0.909 1,其在內(nèi)側(cè)顳葉皮質(zhì)為0.778 5和0.865 2,額葉為0.749 6和0.752 6,頂葉為0.930 6和0.921 7,外側(cè)顳葉為0.934 2和0.936 3,在后扣帶回為0.989 7和0.983 6;以上腦區(qū)中,枕葉和內(nèi)側(cè)顳葉皮質(zhì)R2升高較明顯。

3 討論

本研究針對AD患者、老年及年輕健康志愿者初步觀察Tau蛋白特異性分子探針18F-S16的臨床價(jià)值,其中AD患者M(jìn)TC18F-S16 SUVR最高,其次是枕葉皮質(zhì)和LTC,且其與老年健康志愿者之間枕葉皮質(zhì)SUVR差異最大;AD患者顳葉和枕葉皮質(zhì)攝取增加,基本符合尸檢所見AD NFT分布[3]。本研究中18F-S16 SUVR于90 min PET動(dòng)態(tài)采集期間呈進(jìn)行性升高,且隨時(shí)間延長,SUVR與DVR的相關(guān)系數(shù)逐漸增大,90 min采集時(shí)間內(nèi)18F-S16腦內(nèi)代謝尚未達(dá)到平臺(tái)期,提示或可通過延長數(shù)據(jù)采集時(shí)間更好地觀察18F-S16藥代動(dòng)力學(xué)及影像學(xué)特征。

AD患者18F-S16滯留主要見于顳葉-額葉-頂葉皮質(zhì),而老年及年輕健康志愿者白質(zhì)攝取18F-S16遠(yuǎn)低于灰質(zhì),即白質(zhì)對皮質(zhì)整體放射性攝取的影響較小,這在很大程度上有助于避免視覺判讀時(shí)出現(xiàn)假陽性。本組18F-S16 PET/CT圖顯示AD患者、老年及年輕健康志愿者基底節(jié)區(qū)均存在放射性滯留,分析原因,主要在于THK化合物、18F-AV1451和11C-PBB3在腦內(nèi)可與單胺氧化酶A、單胺氧化酶B、色素及鈣化血管脫靶結(jié)合[8];雖然18F-S16與單胺氧化酶B親和力不高,且于眼球脈絡(luò)膜未見脫靶結(jié)合,但因種屬差異及基底節(jié)區(qū)存在鐵及其他礦物質(zhì)沉積,AD患者及健康志愿者基底節(jié)區(qū)存在18F-S16脫靶結(jié)合,對其具體機(jī)制有待進(jìn)一步探索。

本研究發(fā)現(xiàn)AD患者顳葉和枕葉皮質(zhì)18F-S16放射性滯留高于老年志愿者,且其雙側(cè)枕葉及局部頂葉皮質(zhì)18F-S16滯留顯著增加;同時(shí),AD患者雖然存在皮質(zhì)異常Tau蛋白沉積,但MTC未見明顯異常,分析可能原因如下:①采集時(shí)間窗不理想;②未行部分容積校準(zhǔn),AD患者M(jìn)TC嚴(yán)重萎縮可致低估其局部放射性滯留程度;③樣本量過少;④AD患者個(gè)體異質(zhì)性強(qiáng)。

除AD外,Tau-PET成像對其他Tau蛋白病亦有一定價(jià)值[3]。本研究于PSP患者、老年及年輕健康志愿者的基底節(jié)區(qū)均見18F-S16放射性攝取,但PSP患者主要病變發(fā)生于基底節(jié)區(qū),其局部放射性攝取較老年及年輕健康志愿者更為明顯,這意味著18F-S16仍有助于診斷PSP,與相關(guān)18F-AV1451和18F-THK5317研究[9-10]結(jié)果相符合。sv-PPA又稱語義性癡呆,是額顳葉變性(frontotemporal lobar degeneration, FTLD)臨床亞型之一,以語義知識漸進(jìn)性喪失為特征,其潛在病理改變包括交互反應(yīng)DNA結(jié)合蛋白-43(TAR DNA binding protein-43, TDP-43)C型、AD和FTLD-Tau。18F-AV1451和18F-THK5351攝取增高與其對單胺氧化酶B的親和力較強(qiáng)有關(guān)[11]。本研究發(fā)現(xiàn)sv-PPA患者顳葉皮質(zhì)18F-S16攝取顯著增高,與文獻(xiàn)[12-13]報(bào)道一致;而18F-S16對單胺氧化酶B親和力較差,提示sv-PPA患者顳葉皮質(zhì)放射性滯留的主要原因并非單胺氧化酶B脫靶結(jié)合。既往研究[14]認(rèn)為FTLD患者額顳葉萎縮程度與星形細(xì)胞凋亡有關(guān),而sv-PPA以廣泛星形細(xì)胞凋亡和星形膠質(zhì)細(xì)胞增生為特征。推測18F-S16在sv-PPA患者腦內(nèi)明顯滯留的原因如下:①sv-PPA病理機(jī)制與FTLD-Tau蛋白有關(guān),故18F-S16結(jié)合靶點(diǎn)為病理性Tau蛋白;②疾病發(fā)展過程中存在星形細(xì)胞凋亡和星形膠質(zhì)細(xì)胞增生,18F-S16結(jié)合可能與之相關(guān)。

綜上,18F-S16在AD患者腦內(nèi)皮質(zhì)區(qū)存在顯著放射性滯留,作為Tau蛋白分子探針具有一定臨床應(yīng)用潛力。但本研究樣本量過小,數(shù)據(jù)采集時(shí)間不足,有待后續(xù)加以完善。