Aβ和Tau蛋白分子影像探针诊断阿尔茨 海默病的应用与思考

李 丹， 吕中伟

(同济大学附属第十人民医院核医学科，上海 200072)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是最常见的痴呆症，隐匿起病，伴有不同程度的失语、失用、失认及记忆障碍，发病率随人口老龄化的加剧而急剧增高[1]。AD已成为继心血管疾病、脑血管疾病和癌症之后危害老年人健康的“第四大杀手”。因此，迫切需要研发应用于AD的分子探针，以实现早期检测、鉴别诊断、病程发展监测及药物疗效评价等。

随着分子影像学的发展，正电子发射断层显像(positron emission tomography, PET)和单光子发射计算机断层显像(single photon emission computed tomography, SPECT)等已成为诊断AD的重要手段，是揭示AD病理机制不可或缺的工具。研究[2]发现Aβ和Tau蛋白是AD早期特征性病理改变的核心。针对Aβ和Tau蛋白的PET、SPECT特异性分子探针，为AD的早期发现、早期诊断和早期干预提供了可靠依据，加深了核医学技术在神经系统疾病中的应用程度。

1 针对Aβ显像的分子探针

大脑中过多的Aβ沉积可能标志着神经性功能退化，Aβ斑块形成是引发AD的重要原因。利用核素显像方法能够检测脑组织中Aβ的浓度，且具有较高的灵敏性；因此，针对Aβ特异性分子探针有助于AD的早期诊断，可对已有药物治疗进行临床疗效的评价和研究。理想的PET/SPECT成像探针，必须满足许多先决条件[3]： (1) 对Aβ斑块有高选择性和高结合亲和力；(2) 体内代谢高稳定性，在脑成像结束时代谢率低于80%；(3) 高效放射性标记和高特异性放射活性；(4) 能够快速穿透血脑屏障，在正常脑组织中能快速冲洗。目前，已经研发出多种成功应用于检测AD患者脑内Aβ浓度的PET分子探针： 硫磺素-T(ThT)衍生物、二苯乙烯类衍生物、99mTc标记的分子探针等，以及在人体中测试的唯一SPECT探针——123I-IMPY。下面将阐述几种应用广泛的靶向Aβ的分子探针。

1.1 硫磺素-T衍生物

ThT衍生物是一种常用于诊断淀粉样蛋白结构的苯并噻唑染料，与Aβ纤维的β片结构结合时会显示出增强的荧光及其发射光谱的特征性红移[4]。11C-PiB是迄今为止临床研究及应用最多的检测Aβ斑块的PET成像探针。在ThT衍生物中，11C-PiB具有最低的亲脂性及最佳的脑组织药代动力学，通过与Aβ特异性结合反映活体脑组织中Aβ沉积的部位和浓度，从而实现AD的早期诊断；但由于11C半衰期较短、11C-PiB合成难度大，因而限制了其在临床上的广泛应用[5]。据此，对11C-PiB进行改造，研发出了18F标记的PiB类似物。但是18F标记的探针的亲脂性较高，这可能会导致探针的非特异性结合增加。因此，开发针对Aβ的PET分子探针仍需进行更多的研究。研究[6]首次报道了一系列新的ThT衍生物用作SPECT的成像探针，即咪唑并[1,2-a]-吡啶(IMPY)。其中，123I-IMPY是唯一被用于人体内SPECT成像Aβ探针。然而，123I-IMPY的高亲脂性、体内不稳定性及靶向背景比不足等缺点导致其在临床试验中失败。此外，Zeng等[7]也合成了一系列咪唑并[1,2-b]-吡啶用于Aβ显像，然而目前尚未有放射性及体内实验的研究报道。

1.2 二苯乙烯类衍生物

研究及临床应用较广泛的二苯乙烯类衍生物有11C-SB13和18F-AV类等。11C-SB13在人体PET成像中显示出对Aβ斑块的高特异性结合力，具有检测AD患者脑内Aβ斑块的潜能。18F-AV类探针是近几年发现的一种新型Aβ显像剂，在PET成像中显示出较高的Aβ亲和力。与11C-PiB相比，18F-AV类探针更具优势：18F半衰期大约为11C的5倍，较高的稳定性有利于PET成像；对Aβ具有更高的特异性结合力，有利于监测Aβ的细微变化并评价AD的严重程度[8]。其中，18F-AV45已被美国FDA批准上市。18F-AV45因其显示出极佳的人脑组织摄取及洗出率、体内高安全性及对Aβ的高特异性亲和力[9]，在临床中被广泛应用。近年来，Yang等[10]报道了一系列基于二苯乙烯骨架的styrylindole和styrylquinoline衍生物，但是125I标记的探针性能不够理想，仍需进一步改进。

1.3 其他特异性分子探针

11C-BF227是由Okamura等[11]研发出的一种用于AD患者脑内SP成像的喃恶唑衍生物。实验发现，其在体内显示出对Aβ的高特异性亲和力和非常好的脑组织摄取率及血脑屏障通透性。11C-BF227在AD患者大脑皮质中摄取率较高，而在正常人对应的部位中没有结合。因此，11C-BF227可用于区分AD患者和正常人。

虽然123I-IMPY以失败告终，但对SPECT成像探针的研究并没有停止。放射性标记的DRM106与11C-PiB类似，在转基因小鼠体内检测到Aβ的沉积并且显示出较高的灵敏度。已被应用于临床前和临床研究的放射性碘化咪唑吡啶衍生物123I-ABC577，在AD患者大脑的额、颞叶和后扣带皮质中显示出对Aβ的高亲和力，且白质中保留率最低[12]。Li等[13]合成并评估了一种99mTc标记的查尔酮衍生物——用Cp99mTc(CO)3核团取代查尔酮的一个苯基。在AD患者脑组织切片的荧光染色中证明了这种复合物对Aβ斑块具有较好的亲和力。而且，这种衍生物的初始脑摄取率很高，为99mTc标记的Aβ成像探针的可行性提供了依据。

2 针对Tau蛋白显像的分子探针

Tau蛋白异常磷酸化是AD的特征性病理改变之一。Tau蛋白过度磷酸化形成不溶性纤维，称之为双螺旋细丝(paired helical filaments, PHFs)。PHFs在神经元胞质中积累形成神经元纤维缠结(neurofibrillary tangles, NFTs)。起初，NFTs发生在跨内嗅区，然后是内嗅皮质和海马，最后累及颞皮质和其他皮质区域。尸检结果显示，与痴呆和神经变性的严重程度相关的是NFTs，而不是SP[14]。这表明Tau蛋白的聚集对神经变性的影响比Aβ更直接；相对于Aβ，Tau蛋白更能反映AD的病情严重程度。因此，靶向Tau蛋白的显像剂的研发成为了AD分子影像学研究的热点。

Tau蛋白的PET成像对准确诊断AD及反映AD的认知损害程度具有重要意义，因其在体内的分布特点决定了特异性分子探针必须克服一系列问题。Tau蛋白与Aβ均含有能与平面多芳烃结合的β片状结构。此外，Tau蛋白位于细胞内，且浓度约为Aβ的1/5～1/20。这就意味着放射性示踪剂须穿过细胞膜与Tau蛋白结合而不与Aβ结合。理想的放射性示踪剂应具备的条件包括： (1) 与PHF-Tau的高结合亲和力；(2) 与PHF-Tau的高结合选择性；(3) 高血脑屏障通透性；(4) 正常脑组织中有较好的清除率；(5) 适当的亲脂性；(6) 与白质的非特异性结合少；(7) 体内代谢高稳定性，代谢物不进入脑组织。

2.1 18F-FDDNP

18F-FDDNP是第1个成功应用于检测AD患者脑内Tau蛋白的PET成像探针。在AD脑组织切片的放射性自显影中，用免疫组化的方法观察到18F-FDDNP结合在NFTs高度聚集的海马区[15]。直接比较同一AD患者中FDDNP和PiB分别与Tau蛋白的结合情况，发现PiB可忽略不计，而FDDNP在内侧颞叶皮质与NFTs有较强的结合[16]。近年来，18F-FDDNP的PET研究发现，怀疑患有慢性创伤性脑病(chronic traumatic encephalopathy, CTE)的足球运动员皮质下脑区和杏仁核的FDDNP摄取增加[17]，这提示PET在脑损伤后病理性的Tau蛋白沉积检测中具有潜在应用价值。此外，在进展性核上性麻痹(progressive supranuclear palsy, PSP)的病例中观察到，18F-FDDNP对Tau蛋白沉积区域的成像较敏感[18]。然而，研究[19]发现18F-FDDNP非选择性地结合Aβ和Tau蛋白，体内摄取较慢，并且对Tau蛋白的敏感性不如下面所介绍的放射性示踪剂。因此，18F-FDDNP在Tau蛋白显像中的应用价值不大。

2.2 11C-PBB3

11C-PBB3是一种PET示踪剂，可检测AD患者脑组织Tau蛋白沉积以及包括PSP和皮质基底变性(corticobasal degeneration, CBD)在内的非AD患者脑组织的Tau蛋白病变。Maruyama等[20]开展的研究证实了11C-PBB3在AD患者海马中与NFTs的结合能力。此外，该研究还报道了1例11C-PBB3在CBD患者的基底神经节中与Tau蛋白结合的病例。近年来，在转基因小鼠和AD患者的PET定量研究中，11C-PBB3显示出对Tau蛋白的高特异性结合力，为Aβ的40～50倍[21]。但由于11C的半衰期仅有20min左右，且11C-PBB3与非AD疾病中Tau蛋白的结合，限制其在AD诊断及鉴别诊断方面的应用。

2.3 T807和T808

T807和T808是苯并咪唑-嘧啶类衍生物。在患有AD的转基因小鼠以及人脑PET成像研究[22]中，证明了两者对Tau蛋白均有高选择性结合力，并且在皮质中的保留模式与Brakk分期中NFTs的分布一致。与大多数18F标记的淀粉蛋白PET示踪剂不同，18F-T807与白质的非特异性结合非常低，提高了大脑中的灰白质对比。此外，研究[22]发现重度AD患者的18F-T807保留率明显高于轻度AD和轻度认知功能障碍(mild cognitive impairment, MCI)患者，表明18F-T807的滞留与疾病严重程度相关。相比于18F-T807，18F-T808在大脑中分布速度更快、从正常脑组织中的清除率也更快。然而18F-T808存在脱氟及骨摄取18F现象而不能满足临床进一步的利用。另一种苯并咪唑-嘧啶类放射性示踪剂——18F-AV-1451，对Tau蛋白具有高选择性结合力(约为Aβ的25倍)，白质摄取率较低，并且与AD的严重程度有很强的相关性。此外，18F-AV-1451可能在AD与MCI的鉴别诊断方面有潜在价值。研究[23]发现，AD患者对18F-AV-1451的摄取高于MCI；并且在证实有Aβ沉积的MCI患者中，皮质区有较多的18F-AV-1451摄取，而在Aβ阴性的健康人中，18F-AV-1451 则聚集在海马区，并表现出随着年龄的增长而增加的趋势。

2.4 THK系列

THK系列示踪剂是一类18F标记的喹啉类衍生物，其中研究较多的包括18F-THK523、18F-THK5105、18F-THK5117等。18F-THK523因其对Tau蛋白具有较好的选择性结合力而应用于AD的早期诊断。在AD模型的转基因小鼠脑组织切片中观察到18F-THK523对Tau蛋白有较高的亲和力；18F-THK523在AD患者的额叶、顶叶、海马和颞叶皮质均被摄取[24]。18F-THK5105的PET研究成功证明了放射性示踪剂在AD脑中易发生Tau蛋白沉积部位的滞留，尤其是在NFTs沉积密度最高的颞皮质区[25]。与18F-THK5105相比，18F-THK5117有更高的信号背景比和更好的药代动力学特征，并且能反映AD疾病的严重程度[26]。其他研究[27]也报道了类似的结果。然而，这些放射性示踪剂在白质和皮质下结构中显示了非特异性摄取。针对这一缺点，对这些示踪剂展开了进一步的研究。研究[28]发现，18F-THK5117或18F-THK5317的S型对映体显示出与18F-THK5117相似的灰质保留，且在白质和脑干的非特异性摄取较低；这表明它们更有望成为Tau蛋白的特异性分子探针。18F-THK5351是近年来发现的另一种18F标记的2-芳基喹啉衍生物。其特点是在AD患者中的摄取与洗出速度更快，非特异性结合更低，皮质保留率高于MCI。11C-THK951在动物实验中虽显示出良好的动力学，但是与Tau蛋白的结合力不如18F-THK523、18F-THK5105和18F-THK5117。

最近，新研发的化合物RO6931643、RO6924963和RO6958948非常具有成为Tau蛋白高特异性分子探针的潜能，它们能够选择性地结合在Tau蛋白的3H-T808位点上，对Aβ没有亲和力且在正常脑组织中没有非特异性结合[29]。这些放射性示踪剂目前正在人体中进行研究试验。

3 Aβ和Tau蛋白分子影像探针在AD和MCI诊断中的应用

AD是一种进行性神经退行性疾病，在出现典型的临床症状之前，通常会出现一定时期的MCI。MCI是介于正常衰老和痴呆之间的一种中间状态，是一种认知障碍症候群，但并不是所有MCI患者都会发展成AD，每年有10%～15%的人会发展成痴呆。AD的临床诊断，尤其是早期的诊断，仍然是困难的，需要详细的病史和一系列神经心理测试，比如简易智能精神状态检查量表(mini-mental state examination, MMSE)来诊断痴呆。非特异性的18F-FDG PET与脑血流灌注SPECT可结合用于评估AD和MCI。AD患者影像表现为： 疾病早期阶段扣带皮质、楔前叶的代谢降低和灌注减少，其次是双边或常不对称的后颞皮质代谢及灌注减少；而额叶皮质在晚期会受到影响。在MCI转化为AD患者中，与MCI未转化为AD和健康对照组相比，FDG摄取在颞叶和顶叶皮质较低，后两组摄取相似[30]。目前，靶向Aβ和Tau蛋白分子影像探针也越来越多地应用于AD的早期诊断、MCI的诊断和MCI患者进展到AD的鉴别诊断当中。

在AD患者中，额叶、顶叶和颞叶皮质以及环状回、楔前叶和纹状体中发现11C-PiB的摄取增加。早发性AD患者的11C-PiB摄取较晚发性AD高，而在MCI患者中，11C-PiB摄取较AD增加。另外，11C-PiB可以用于预测MCI发展为AD的风险，11C-PiB阳性摄取的患者发展为AD的风险为50%～80%[31]，而11C-PiB不摄取的患者发展为AD的风险仅为0～10%[32]。11C-PiB预测MCI患者进展为AD的灵敏度为83%～100%，特异度为46%～88%[33]。采用18F-AV45显影靶向Aβ斑块显影，在显像后1～2年进行病理确认，诊断MCI的灵敏度和特异度分别为92%～96%和96%。据报道[34]，18F-AV45能够用于预测MCI到AD患者认知和功能状态的逐步恶化。

在MCI患者中，18F-AV-1451的摄取较AD患者少，而且在确定有Aβ斑块的MCI患者和健康受试人群中，也发现18F-AV-1451在皮质中的摄取，而Aβ阴性的健康对照人群也有发现海马体中18F-AV-1451的摄取，并显示随年龄而增加[35]。与健康受试人群相比，在AD患者的皮质中有更高的18F-THK5117摄取，这与认知障碍的水平相关，而MCI患者中18F-THK5117的摄取则介于AD和正常对照之间[27]。MCI患者皮质中的18F-THK5351摄取低于AD患者。另外，与正常人相比，AD患者和50%的MCI患者均显示出较高的18F-FDDNP保留率[36]。

4 展 望

随着分子影像学和各类放射性示踪剂的快速发展，AD的功能和分子神经成像技术取得了重大进步，对研究AD的潜在病理过程具有重要意义。以SP的核心成分Aβ和NFTs的核心成分Tau蛋白为靶点的特异性分子探针，在早期发现与疾病相关的病理、药物的疗效评估以及AD和非AD的鉴别诊断等方面具有广泛的研究和应用价值。然而，这些分子探针也存在一定的局限性。与PET相比，用于SPECT成像的分子探针的发展远远落后；Aβ显像探针的亲脂性和体内稳定性仍需进一步改善；针对Tau蛋白的高特异性分子探针的研究在国内较少，并且大多数尚处于临床试验阶段。因此，需要展开大量的科研工作，研究AD发病的分子机制，改良修饰已研发的放射性示踪剂以提高它们的特异性结合力，寻找其他潜在靶点并开发新型分子探针，从而提高AD的检出率。