正电子分子影像探针在阿尔茨海默病诊断中应用研究进展

王治国， 许欣茹， 张景华

北部战区总医院 核医学科，辽宁 沈阳 110016

阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)是一种起病隐匿、持续进展的神经退行性疾病，已成为继心血管疾病、肿瘤、卒中之后严重影响老年人生命健康的第4大危险因素[1]。AD的主要神经病理学变化是β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)聚集形成老年斑和异常过度磷酸化的Tau蛋白组成神经纤维缠结。Aβ级联假说是AD致病的主要假说之一，是指在AD进程中Aβ斑块作为始动因素会引起Tau蛋白过度磷酸化、小胶质细胞活化、神经递质紊乱、氧化应激等神经病理学变化[2]。由于其发病机制尚不明确，临床上对AD的诊断主要依赖于详细的病史资料、结构影像及神经心理学量表的评估。然而，AD的病理学改变可开始于症状出现前的数年或数十年，当医师通过上述方法做出确切诊断时，患者的神经系统损伤通常已不可逆转[3]。因此，寻找一种早期、无创的精确诊断方法是一直以来的研究热点。

随着PET技术的不断成熟和进步，针对上述病理生理过程中所产生的Aβ沉积、Tau蛋白及神经炎症的靶向分子探针已经得到广泛的开发和利用[4]。与其他诊断方法(包括脑电图、MRI、脑脊液检查、反复临床量表评定等)相比，PET/CT、PET/MRI等多模态影像技术具有早期、无创、精确、客观等优点。当前修订的国际AD临床诊断标准已提议将Aβ-PET检查作为AD早期诊断的依据之一[5]。现就葡萄糖代谢显像、淀粉样斑块显像、Tau蛋白显像、神经炎症斑块显像等在AD诊断中的研究进展和应用价值进行综述，并深入探讨各类分子探针对该疾病研究的一些新见解和未来展望，进一步理解AD整个疾病谱系的病理机制，为AD寻找早期诊断、鉴别诊断等的新影像学指标提供依据。

1 18F-氟脱氧葡萄糖PET显像在AD中的应用

葡萄糖是脑组织的主要能量来源，其代谢率可反映神经突触活性。因此，临床应用18F-氟脱氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)PET显像反映脑内神经元功能的衰退及数目的缺失情况。首先，18F-FDG PET显像可以用来区分正常人和AD患者，有影像资料表明，AD患者早期脑显像特征为双侧非对称性后扣带回皮层和楔前叶的低代谢，随后是颞顶叶皮质的代谢减少，而额叶皮质则在晚期受到影响[6]。其次，18F-FDG PET显像可以通过测定葡萄糖的代谢速率在临床症状未出现之前对AD进行较早期的诊断；另外，18F-FDG PET显像还可以用来识别轻度认知障碍(mild cognitive impairment，MCI)及预测其向AD的转归。18F-FDG在楔前叶、后扣带回、顶下小叶摄取降低，是MCI转化为AD的预测因素[7]。海马是18F-FDG显像唯一能区分正常人与MCI的区域，表现为代谢减低。Meta分析表明，18F-FDG PET显像用于预测MCI患者发展为AD的灵敏度和特异性分别为88.8%和84.9%[8]。但单一氟脱氧葡萄糖(fluorodeoxyglucose，FDG)显像在鉴别AD与其他类型的痴呆时存在一定的局限性，因为，FDG通过葡萄糖代谢情况反映大脑神经突触的活性及密度的变化，代表神经变性性痴呆的下游改变并不能反映不同类型神经变性性痴呆的病理学特征。因此，18F-FDG显像研究比传统的神经心理学研究更加客观、可靠，对MCI患者临床进展的预测更加准确。

2 Aβ-PET显像在AD中的应用

Aβ斑块在脑内的形成和沉积是AD病变最早期的表现之一，也是形成老年斑的主要原因[9]。淀粉样PET作为病理生理诊断标志物之一，是最重要的诊断AD的分子影像技术之一。美国国家衰老研究所和阿尔茨海默病学会(Nation Institute of Aging and Alzheimer′s Association，NIA-AA)、国际工作组织(the International Working Group，IWG-2)发表的AD诊断指南均将Aβ-PET纳入AD诊断标准，并将包含Aβ(A)、Tau病理(T)、神经元变性(N)的ATN纳入AD诊断研究框架中[10]。Aβ分子探针可以在AD早期、MCI阶段，甚至更早期探测到脑内的老年斑，使诊断窗口前移，相比葡萄糖代谢显像可更早地诊断临床前期和前驱期的AD[11]。有学者提出，AD治疗的关键在于MCI期筛选出可能转化为AD的患者，及时防预，从而阻断其向AD进展。目前常用的Aβ显像剂有硫磺素-T类似物及其衍生物11C-PIB、18F-GE067、18F-BF227、11C-AZD4694，二苯乙烯类似物18F-florbetaben，天然产物类化合物的派生物，如姜黄素和黄酮类，以及其他化学制剂[12]。

B型匹兹堡复合物(Pittsburgh Compound B，11C-PIB)是第一个能与Aβ进行特异性结合的分子探针，也是目前使用最多的Aβ显像剂[13]，在临床症状发生前，Aβ就可在大脑灰质中发生沉积。11C-PIB的出现使得早期检测轻度AD患者体内的Aβ斑块成为可能。典型的11C-PIB阳性影像学特征为AD患者的额顶叶皮层、颞叶皮层、扣带回、楔前叶及纹状体见放射性摄取，且11C-PIB在各脑区的沉积与尸检中发现的Aβ沉积分布具有高度一致性[14]；此外，早发型AD比晚发型AD的11C-PIB在各感兴趣区的放射性摄取相对更高[15]。在与其他类型痴呆的鉴别诊断方面，额颞叶痴呆在临床上以性格和行为改变为主要症状，而无明显的病理学沉积，所以，在大多数额颞叶痴呆患者的脑显像中，11C-PIB的摄取比AD患者少得多。但路易体痴呆与AD在组织病理学上类似，同样表现为弥漫性脑皮质淀粉样蛋白沉积，11C-PIB在二者的鉴别诊断上还存在一定的局限性[16]。此外，有Meta分析显示，11C-PIB脑显像预测MCI向AD进展的敏感性高达83%～100%，特异性为46%～88%，但由于0～10%的患者表现出假阴性，因此，风险范围为50%～80%，随着随访时间的延长，特异性有所增加[17]。11C-PIB的出现为Aβ类分子探针的临床应用奠定了基础，但其应用范围仍存在一定的局限性，主要体现在半衰期短(20 min)、合成复杂，以及对中晚期AD鉴别诊断不理想。

18F-florbetapir(即18F-AV45)是诊断AD的常用氟标显像剂，其与11C-PIB的结合位点重叠，但不与Tau蛋白和突触核蛋白结合，这表明，18F-AV45对Aβ特异性更高。而且，18F标记的显像剂半衰期长(110 min)，弥补了11C标记的显像剂仅能在有回旋加速器的单位中使用的缺点，促进了Aβ显像剂的进一步推广应用。18F-AV45对中重度AD患者Aβ斑块沉积显像的敏感性和特异性分别为92%和100%，该结论在病理结果中得到了证实[18]。有研究表明，18F-AV45显像在评估正常人、MCI、AD患者认知功能的严重程度方面具有较高价值；同时，其在AD患者额叶、枕叶及顶叶的摄取率明显高于额颞叶痴呆患者，因此，能够有效鉴别这两种疾病[19]。

其他Aβ显像剂，如18F-FDDNP、18F-florbetababen、18F-flutemetamol(即18F-GE0670)等均已通过临床试验，其中的一些有着较好的临床应用前景。18F-FDDNP是最早应用于临床的Aβ显像剂之一，其既可与Aβ斑块结合，也能够与Tau蛋白引起的神经纤维缠结相结合，因此，敏感性和特异性不高，且在脑内的清除速度慢，影响视觉分析[20]。18F-florbetaben是一种二苯乙烯类的分子探针，与Aβ斑块结合的特异性比另外几种Aβ显像剂更高。18F-florbetaben在AD与额颞叶痴呆的鉴别诊断中具有重要价值，其影像特点是在AD患者的额叶、颞叶、顶叶、枕叶及扣带回皮层中放射性摄取较高，其中，后扣带回为最佳辨识区[11]。有研究报道，18F-florbetaben显像的摄取信号与Aβ的组织病理学分布相吻合，其敏感性和特异性分别为97.9%和88.9%[19-20]。18F-GE0670的结构与11C-PIB相似，临床上诊断的AD的敏感性和特异性分别为97.2%和85.3%，可通过观察18F-GE0670在脑内的分布来区分AD患者和健康老年人[21]。总之，Aβ沉积在AD的发病机制中至关重要，Aβ显像剂的研究对该疾病的早期诊断、鉴别诊断、预估转归等有着重要的价值。

3 Tau蛋白PET显像在AD中的应用

Tau蛋白病是一组Tau蛋白沉积于神经细胞内且Tau蛋白功能丧失或毒性增加引起的神经变性病，这组疾病的临床谱系复杂、多样，主要有运动症状和认知障碍症状等，临床上常见的Tau蛋白病主要包括帕金森病、AD、额颞叶痴呆、震颤性麻痹、进行性核上性麻痹核、慢性创伤性脑病等[22]。AD患者脑内神经纤维缠结与神经细胞功能紊乱、神经细胞死亡关系密切，而神经纤维缠结是由过度磷酸化Tau蛋白所导致的，因此，Tau蛋白被认为是AD重要的神经病理学标志物[23]。Tau蛋白是一种具有多种异构体的微管相关蛋白，且不同的异构体能形成多种显像剂的结合位点，使Tau蛋白在脑内具有可变的亲和力和局限的分布特征。根据神经纤维缠结的神经系统核医学显像，Tau蛋白在脑内的浓度比Aβ低得多(低4～20倍)，且主要聚集在细胞内，这意味着放射性显像剂需穿过血脑屏障和细胞膜才能与Tau蛋白结合。尽管放射性显像剂的结合可能会受到超微结构的影响，但与Aβ相比，Tau蛋白尺寸更大(分别为350～440和39～43个氨基酸)，因此，Tau蛋白提供了多个结合位点，可以获得质量更高、更可靠的图像。Tau PET在对AD诊断中的主要应用包括：第一，Tau PET可用于AD严重程度的分期。Braak等[24]明确了AD病程中Tau沉积的不同阶段，帮助鉴别AD与其他Tau蛋白沉积引起的疾病，并对AD的严重程度进行了评估。Ⅰ～Ⅱ期：神经纤维缠结分布在内嗅皮层；Ⅲ～Ⅳ期：内嗅皮层严重受累，病变累及海马区，此时患者可无临床症状；Ⅴ～Ⅵ期：明显累积颞叶和其他新皮质，患者出现不同程度的记忆障碍。第二，不同的疾病表型Tau PET有不同的沉积模式。Tau PET可显示出与临床表型一致的局部沉积：在典型遗忘型AD中，Tau蛋白明显沉积在内侧颞叶和外侧颞顶叶，PCA中沉积在顶枕叶区域，LPA中沉积在左侧脑半球的语言中枢。这证明了Tau的病理性沉积与神经退化的模式、AD的临床表型密切相关。

研究者首次尝试进行Tau神经显像使用的是放射性标记的喹啉和苯丙咪唑衍生物。在AD患者大脑的病理性切片中观察到喹啉衍生的放射性显像剂18F-THK523对Tau蛋白的亲和力比对Aβ的亲和力高12倍。有研究表明，18F-THK523在转基因小鼠和AD患者的眶额、顶叶、海马、颞叶皮质的放射性摄取与认知障碍的严重程度呈正相关[25]。但该显像剂与髓磷脂碱性蛋白的β-折叠结构结合，在皮层会有一定的滞留，且无法快速清除，一定程度上会干扰视觉分析，影响诊断的准确性，这使其应用受到一定的限制。18F-THK5105和18F-THK5117是放射性标记的二芳基喹啉类衍生物，在AD患者的颞叶中呈高摄取，且与病情的严重程度呈正相关[26]；同时，其在MCI患者脑中的摄取量介于AD和正常对照组之间，可用于正常人、MCI和AD患者的鉴别诊断，但其也在白质存在非特异性滞留，应用受到一定限制。神经影像显示，18F-THK5317的S型对应体与THK5117在脑内灰质的滞留率较高，在白质和脑干的摄取较低，有利于更好地观察Tau蛋白沉积物，目前，该药物已用于临床评估Tau蛋白在AD中的分布、葡萄糖代谢不良及Aβ沉积情况[27]。另一种放射性标记的二芳基喹啉类衍生物18F-THK5351在AD患者脑中表现出更快的摄取和清除速率，且在白质的滞留率较低，因此，对视觉分析的影响较小，有较好的应用前景。

苯丙咪唑-嘧啶类的放射性标记衍生物18F-T807(18F-AV-1451)和18F-T808(18F-AV-680)为高选择性和高特异性的Tau蛋白分子影像探针，已应用于AD患者的PET显像研究中，其表现出对Tau蛋白具有高亲和力、快速摄取和清除速率等良好特性[28-29]；且在转基因小鼠模型及AD患者的脑显像中，这些显像剂在皮质中滞留的部位与神经纤维缠结的定位一致。Pontecorvo等[30]在一项对正常人、MCI和AD受试者18F-AV-1451脑显像的多中心纵向研究中，探讨了Tau蛋白在脑内的扩散速率和扩散程度与AD患者的基线Tau水平、淀粉样蛋白沉积、患者年龄的相关性，发现基线18F-AV-1451的分布和脑内滞留量与其在9个月后各脑区18F-AV-1451摄取值比率的改变有显著相关性。目前，针对AD患者和健康受试者的PET显像研究初步结果显示，18F-AV-1451对Tau蛋白比Aβ斑块的选择性更高(超过25倍)，可较特异地与Tau结合，且白质摄取率较低，具有良好的可重复检测性，因此，18F-AV-1451是一种极具临床应用前景的Tau蛋白显像剂[31]。

综上，Tau PET可用于AD的诊断，其能够敏感地检测AD的神经元损伤；在鉴别诊断方面，Tau PET可鉴别AD和非AD Tau蛋白病，也可区分不同形式的Tau蛋白病。随着抗Tau蛋白治疗药物临床试验的出现，Tau PET可能成为患者治疗效果检测的生物标志物。与Aβ-PET显像相比，AD患者Tau PET显像剂高摄取脑区与脑萎缩和FDG代谢减低区有更好的一致性，即Tau PET显像能从病理学层面更好地揭示AD患者脑结构和脑功能的改变。Tau PET显像剂的研发是 AD研究进程中不可或缺的一部分。局限性在于Tau示踪剂的应用仍处于早期发展阶段，需要进一步的研究来阐明其可靠性和特异性。现有的Tau蛋白显像剂均在一些不足：存在机制不明的、与AD无关的脑沉积区(如基底节区)，不同Tau蛋白显像剂的分子结合靶点不尽相同[32]，不同种类的示踪剂与Tau蛋白结合具有差异性而导致研究结果不一致，示踪剂的脱靶结合影响纵向研究结果。因此，需进一步研究现有和新开发的分子探针。

4 神经炎症类PET显像剂在AD中的应用

除了经典的AD沉积假说和Tau蛋白病因假说外，小胶质细胞介导的炎症反应也参与AD的发生发展过程。神经细胞外老年斑周围浸润激活的小胶质细胞可分泌炎症细胞因子，释放一氧化氮，并表达周围性苯二氮卓受体，引起后续的神经炎症反应。有关AD神经炎症方面的生物标志物大致可分为：(1)酶和细胞内信号分子，包括18 KDa转运蛋白(translocator protein 18 kDa，TSPO)、单胺氧化酶-B、咪唑啉I2受体、环氧化酶、花生四烯酸(arachidonic acid，AA)；(2)G蛋白耦联受体，如P2X 7和P2Y 12嘌呤能受体、大麻素2型受体(type 2 cannabinoid receptors，CB2R)。下面就以TSPO、AA、CB2R为受体的放射性显像剂作简单介绍。

在健康脑组织中，中枢神经系统小胶质细胞内的TSPO含量较低；当神经炎症发生时，TSPO随着小胶质细胞的异常活化呈现高表达。因此，显像剂结合TSPO可作为小胶质细胞活化和神经炎症的生物标志物。11C-PK11195对TSPO有高亲和性，是首个应用于PET神经炎症成像的经典探针。大量PET影像资料表明，与健康人相比，AD患者内嗅皮层、后扣带回、颞顶皮质、杏仁核和梭状回中11C-PK11195的摄取明显增加[33-35]。但11C-PK11195显像剂检测轻中度AD患者脑部活化小胶质细胞的敏感性低、脑内生物利用度低、非特异性结合率高、半衰期短等缺陷使其在临床上进一步的应用受到限制[36]。第二、三代显像剂，如11C-DPA713、18F-DPA714、18F-GE180、11C-ER176等外周型苯二氮卓受体具有更高的亲和力和脑摄取率，病灶在脑内的对比度有所提高，能够探测轻度神经炎症中低表达的TSPO。CB2R是一种G蛋白偶联受体，正常情况下在大脑中表现为低浓度，但在Aβ沉积后活化的小胶质细胞中呈现高表达，被广泛认为是AD神经炎症的标志物之一。在已开发的多种CB2R显像剂中，11C-NE40能够与CB2R特异且可逆性结合。有研究表明，与对照组比较，AD患者脑内的11C-NE40摄取减少，这可能与神经元的丢失引起CB2R总体表达下降有关[37]。AA属于n-6系多不饱和脂肪酸，在脑中含量丰富，除参与细胞信号传导外，其还是炎症代谢网络的重要组成部分。在中枢神经系统中，小胶质细胞释放的炎症类细胞因子与星型细胞膜上的细胞因子受体结合后偶联分泌型磷脂酶和细胞质型磷酸酶，这些酶介导AA释放，因此，AA可作为小胶质细胞激活的间接指标[38]。基于此，脑内磷脂酶活性可以用11C-AA成像和正电子发射断层扫描进行测定。

5 其他分子靶向探针在AD中的应用

AD的病理生理过程涉及多种机制，针对其他病理生理学改变开发的靶向分子探针进行以下探讨。

蛋白激酶C促进α分泌酶、去解整合素和金属蛋白酶对淀粉样前体蛋白的非淀粉样裂解，AD发展早期往往伴随着蛋白激酶C的缺失。选择性蛋白激酶C抑制剂Enzastaurin(LY317615)通过11C放射性标记为11C-Enzastaurin，可作为PET成像应用的潜在探针[39]。血脑屏障中的P-糖蛋白在介导Aβ的外排中起着重要作用。有研究表明，AD小鼠脑中P-糖蛋白的表达降低或消失时，Aβ的沉积明显增加[40]。11C-维拉帕米是一种用于PET显像的放射性标记的gp配体，在75岁以上的老年人中表达较低，但在年轻人脑中高表达[39]。目前，乙酰胆碱能系统分子影像探针也被开发用来诊断AD。由于AD患者脑皮质胆碱能活性降低，放射性标记的乙酰胆碱类似物正被不断开发和利用。例如，11C-MP4A已经用于研究脑胆碱能缺乏症，可评估乙酰胆碱酯酶活性。11C-MP4A还能够对AD和路易体痴呆进行鉴别诊断，与正常组比较，该药在AD患者脑皮层的摄取下降，下降区域主要为皮质运动区、顶叶、颞叶及枕叶等，可用于对AD的诊断[41]。该药在路易体痴呆患者的脑皮质中减少得更加明显，尤其在扣带回表现为明显的放射性稀疏或缺损。此外，放射性标记的胆碱酯酶抑制剂(如11C-多奈哌齐)已被用于评估多奈哌齐结合位点，并预测多奈哌齐治疗的反应性，脑内乙酰胆碱酯酶水平增高能够提高临床疗效。目前，临床上已经利用一种结构上与乙酰胆碱酯酶抑制剂CP126，998相似的氟化显像剂18F-IND1通过检测AD患者脑内乙酰胆碱酯酶的变化来对AD进行诊断[42]。

6 总结与展望

18F-FDG可用于AD的诊断、进展和预后评价；Aβ蛋白靶向成像的生命力在于其是反映AD临床前期和前驱期的前期性生物标志物，也是良好的诊断和预后性生物标志物；Tau蛋白靶向成像可用于评估AD进展[43]。神经炎症斑块靶向成像是目前正在开发中的新型示踪剂，神经退行性变进展过程中常伴随神经元突触密度降低，因此，针对神经元突触密度和神经斑块成像的靶向分子探针有望成为痴呆诊断的影像学标志物。核医学影像从静态到动态，从平面到断层，从单纯的功能影像发展为先进的解剖、分子功能融合影像，使AD的诊断效能不断提高。近年来，以PET/MR为代表的先进多模态影像设备的问世为科研人员和临床工作者更好、更精准地研究和诊断AD提供了有利途径[44]，多种探针(如18F-T807、11C-PIB、11C-MP4A等)可以靶向检测AD的病理成份，如纤维缠结、淀粉样斑块和胆碱酯酶活性等，具有很高的特异性和敏感性。MRI影像具有较高的软组织对比度，功能磁共振(fMRI、MRS、弥散显像等)与结构磁共振(T1、T2、T2 flair等)可详细提供大脑局部的结构和功能信息。PET与MR的结合对AD的鉴别诊断、病程评估、疗效检测都显示出良好的应用前景。现阶段还需要进一步探索PET显像方法(如淀粉样蛋白PET、FDG PET、Tau PET)与其他诊断方法，如结构或功能磁共振、脑脊液Aβ等的最优组合，以及定量分析的可靠性，以期发挥出PET最佳的诊断价值。随着神经系统核医学的不断发展，未来正电子分子影像探针结合先进影像学设备的价值将不仅仅局限于对AD的早期诊断，在AD病情严重程度分级、预测疾病转归、监测疾病进展，以及对AD异质性的研究方面均将发挥出更大的价值。