李 丹， 呂中偉

(同濟大學附屬第十人民醫(yī)院核醫(yī)學科，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、失用、失認及記憶障礙，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)應用于AD的分子探針，以實現(xiàn)早期檢測、鑒別診斷、病程發(fā)展監(jiān)測及藥物療效評價等。

隨著分子影像學的發(fā)展，正電子發(fā)射斷層顯像(positron emission tomography, PET)和單光子發(fā)射計算機斷層顯像(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提供了可靠依據，加深了核醫(yī)學技術在神經系統(tǒng)疾病中的應用程度。

1 針對Aβ顯像的分子探針

大腦中過多的Aβ沉積可能標志著神經性功能退化，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腦組織中Aβ的濃度，且具有較高的靈敏性；因此，針對Aβ特異性分子探針有助于AD的早期診斷，可對已有藥物治療進行臨床療效的評價和研究。理想的PET/SPECT成像探針，必須滿足許多先決條件[3]： (1) 對Aβ斑塊有高選擇性和高結合親和力；(2) 體內代謝高穩(wěn)定性，在腦成像結束時代謝率低于80%；(3) 高效放射性標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沖洗。目前，已經研發(fā)出多種成功應用于檢測AD患者腦內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標記的分子探針等，以及在人體中測試的唯一SPECT探針——123I-IMPY。下面將闡述幾種應用廣泛的靶向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構的苯并噻唑染料，與Aβ纖維的β片結構結合時會顯示出增強的熒光及其發(fā)射光譜的特征性紅移[4]。11C-PiB是迄今為止臨床研究及應用最多的檢測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力學，通過與Aβ特異性結合反映活體腦組織中Aβ沉積的部位和濃度，從而實現(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用[5]。據此，對11C-PiB進行改造，研發(fā)出了18F標記的PiB類似物。但是18F標記的探針的親脂性較高，這可能會導致探針的非特異性結合增加。因此，開發(fā)針對Aβ的PET分子探針仍需進行更多的研究。研究[6]首次報道了一系列新的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SPECT成像Aβ探針。然而，123I-IMPY的高親脂性、體內不穩(wěn)定性及靶向背景比不足等缺點導致其在臨床試驗中失敗。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實驗的研究報道。

1.2 二苯乙烯類衍生物

研究及臨床應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Aβ斑塊的高特異性結合力，具有檢測AD患者腦內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：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Aβ具有更高的特異性結合力，有利于監(jiān)測Aβ的細微變化并評價AD的嚴重程度[8]。其中，18F-AV45已被美國FDA批準上市。18F-AV45因其顯示出極佳的人腦組織攝取及洗出率、體內高安全性及對Aβ的高特異性親和力[9]，在臨床中被廣泛應用。近年來，Yang等[10]報道了一系列基于二苯乙烯骨架的styrylindole和styrylquinoline衍生物，但是125I標記的探針性能不夠理想，仍需進一步改進。

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SP成像的喃惡唑衍生物。實驗發(fā)現(xiàn)，其在體內顯示出對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患者大腦皮質中攝取率較高，而在正常人對應的部位中沒有結合。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SPECT成像探針的研究并沒有停止。放射性標記的DRM106與11C-PiB類似，在轉基因小鼠體內檢測到Aβ的沉積并且顯示出較高的靈敏度。已被應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、顳葉和后扣帶皮質中顯示出對Aβ的高親和力，且白質中保留率最低[12]。Li等[13]合成并評估了一種99mTc標記的查爾酮衍生物——用Cp99mTc(CO)3核團取代查爾酮的一個苯基。在AD患者腦組織切片的熒光染色中證明了這種復合物對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標記的Aβ成像探針的可行性提供了依據。

2 針對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，稱之為雙螺旋細絲(paired helical filaments, PHFs)。PHFs在神經元胞質中積累形成神經元纖維纏結(neurofibrillary tangles, NFTs)。起初，NFTs發(fā)生在跨內嗅區(qū)，然后是內嗅皮質和海馬，最后累及顳皮質和其他皮質區(qū)域。尸檢結果顯示，與癡呆和神經變性的嚴重程度相關的是NFTs，而不是SP[14]。這表明Tau蛋白的聚集對神經變性的影響比Aβ更直接；相對于Aβ，Tau蛋白更能反映AD的病情嚴重程度。因此，靶向Tau蛋白的顯像劑的研發(fā)成為了AD分子影像學研究的熱點。

Tau蛋白的PET成像對準確診斷AD及反映AD的認知損害程度具有重要意義，因其在體內的分布特點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合的β片狀結構。此外，Tau蛋白位于細胞內，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胞膜與Tau蛋白結合而不與Aβ結合。理想的放射性示蹤劑應具備的條件包括： (1) 與PHF-Tau的高結合親和力；(2) 與PHF-Tau的高結合選擇性；(3) 高血腦屏障通透性；(4) 正常腦組織中有較好的清除率；(5) 適當的親脂性；(6) 與白質的非特異性結合少；(7) 體內代謝高穩(wěn)定性，代謝物不進入腦組織。

2.1 18F-FDDNP

18F-FDDNP是第1個成功應用于檢測AD患者腦內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蛋白的結合情況，發(fā)現(xiàn)PiB可忽略不計，而FDDNP在內側顳葉皮質與NFTs有較強的結合[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)的足球運動員皮質下腦區(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蛋白沉積檢測中具有潛在應用價值。此外，在進展性核上性麻痹(progressive supranuclear palsy, PSP)的病例中觀察到，18F-FDDNP對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非選擇性地結合Aβ和Tau蛋白，體內攝取較慢，并且對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蛋白顯像中的應用價值不大。

2.2 11C-PBB3

11C-PBB3是一種PET示蹤劑，可檢測AD患者腦組織Tau蛋白沉積以及包括PSP和皮質基底變性(corticobasal degeneration, CBD)在內的非AD患者腦組織的Tau蛋白病變。Maruyama等[20]開展的研究證實了11C-PBB3在AD患者海馬中與NFTs的結合能力。此外，該研究還報道了1例11C-PBB3在CBD患者的基底神經節(jié)中與Tau蛋白結合的病例。近年來，在轉基因小鼠和AD患者的PET定量研究中，11C-PBB3顯示出對Tau蛋白的高特異性結合力，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蛋白的結合，限制其在AD診斷及鑒別診斷方面的應用。

2.3 T807和T808

T807和T808是苯并咪唑-嘧啶類衍生物。在患有AD的轉基因小鼠以及人腦PET成像研究[22]中，證明了兩者對Tau蛋白均有高選擇性結合力，并且在皮質中的保留模式與Brakk分期中NFTs的分布一致。與大多數18F標記的淀粉蛋白PET示蹤劑不同，18F-T807與白質的非特異性結合非常低，提高了大腦中的灰白質對比。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和輕度認知功能障礙(mild cognitive impairment, MCI)患者，表明18F-T807的滯留與疾病嚴重程度相關。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Tau蛋白具有高選擇性結合力(約為Aβ的25倍)，白質攝取率較低，并且與AD的嚴重程度有很強的相關性。此外，18F-AV-1451可能在AD與MCI的鑒別診斷方面有潛在價值。研究[23]發(fā)現(xiàn)，AD患者對18F-AV-1451的攝取高于MCI；并且在證實有Aβ沉積的MCI患者中，皮質區(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)出隨著年齡的增長而增加的趨勢。

2.4 THK系列

THK系列示蹤劑是一類18F標記的喹啉類衍生物，其中研究較多的包括18F-THK523、18F-THK5105、18F-THK5117等。18F-THK523因其對Tau蛋白具有較好的選擇性結合力而應用于AD的早期診斷。在AD模型的轉基因小鼠腦組織切片中觀察到18F-THK523對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區(qū)[25]。與18F-THK5105相比，18F-THK5117有更高的信號背景比和更好的藥代動力學特征，并且能反映AD疾病的嚴重程度[26]。其他研究[27]也報道了類似的結果。然而，這些放射性示蹤劑在白質和皮質下結構中顯示了非特異性攝取。針對這一缺點，對這些示蹤劑展開了進一步的研究。研究[28]發(fā)現(xiàn)，18F-THK5117或18F-THK5317的S型對映體顯示出與18F-THK5117相似的灰質保留，且在白質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標記的2-芳基喹啉衍生物。其特點是在AD患者中的攝取與洗出速度更快，非特異性結合更低，皮質保留率高于MCI。11C-THK951在動物實驗中雖顯示出良好的動力學，但是與Tau蛋白的結合力不如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合在Tau蛋白的3H-T808位點上，對Aβ沒有親和力且在正常腦組織中沒有非特異性結合[29]。這些放射性示蹤劑目前正在人體中進行研究試驗。

3 Aβ和Tau蛋白分子影像探針在AD和MCI診斷中的應用

AD是一種進行性神經退行性疾病，在出現(xiàn)典型的臨床癥狀之前，通常會出現(xiàn)一定時期的MCI。MCI是介于正常衰老和癡呆之間的一種中間狀態(tài)，是一種認知障礙癥候群，但并不是所有MCI患者都會發(fā)展成AD，每年有10%～15%的人會發(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，需要詳細的病史和一系列神經心理測試，比如簡易智能精神狀態(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可結合用于評估AD和MCI。AD患者影像表現(xiàn)為： 疾病早期階段扣帶皮質、楔前葉的代謝降低和灌注減少，其次是雙邊或常不對稱的后顳皮質代謝及灌注減少；而額葉皮質在晚期會受到影響。在MCI轉化為AD患者中，與MCI未轉化為AD和健康對照組相比，F(xiàn)DG攝取在顳葉和頂葉皮質較低，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用于AD的早期診斷、MCI的診斷和MCI患者進展到AD的鑒別診斷當中。

在AD患者中，額葉、頂葉和顳葉皮質以及環(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可以用于預測MCI發(fā)展為AD的風險，11C-PiB陽性攝取的患者發(fā)展為AD的風險為50%～80%[31]，而11C-PiB不攝取的患者發(fā)展為AD的風險僅為0～10%[32]。11C-PiB預測MCI患者進展為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年進行病理確認，診斷MCI的靈敏度和特異度分別為92%～96%和96%。據報道[34]，18F-AV45能夠用于預測MCI到AD患者認知和功能狀態(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在皮質中的攝取，而Aβ陰性的健康對照人群也有發(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患者的皮質中有更高的18F-THK5117攝取，這與認知障礙的水平相關，而MCI患者中18F-THK5117的攝取則介于AD和正常對照之間[27]。MCI患者皮質中的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

隨著分子影像學和各類放射性示蹤劑的快速發(fā)展，AD的功能和分子神經成像技術取得了重大進步，對研究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蛋白為靶點的特異性分子探針，在早期發(fā)現(xiàn)與疾病相關的病理、藥物的療效評估以及AD和非AD的鑒別診斷等方面具有廣泛的研究和應用價值。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)展遠遠落后；Aβ顯像探針的親脂性和體內穩(wěn)定性仍需進一步改善；針對Tau蛋白的高特異性分子探針的研究在國內較少，并且大多數尚處于臨床試驗階段。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合力，尋找其他潛在靶點并開發(fā)新型分子探針，從而提高AD的檢出率。