以Aβ為靶點的阿爾茨海默病PET顯像劑的研究進展

李忠勇，崔海平

(原子高科股份有限公司，北京 102413)

阿爾茨海默病(AD)是一種進行性的神經退行性疾病，以記憶力衰退、空間定向障礙、認知功能障礙等為特征，是最常見的癡呆誘因，已經成為繼心血管疾病、惡性腫瘤和腦卒中之后，導致老年人死亡的第四大疾病[1]。AD最主要的神經病理學特征是β淀粉樣蛋白(Aβ)沉積形成的胞外老年斑(SPs)和異常磷酸化Tau蛋白沉積形成的胞內神經纖維纏結(NFTs)[2]。根據病程進展，AD分為臨床前期、輕度認知障礙期和癡呆期三個階段[3-5]。AD確診通過尸檢，根據患者腦組織中SPs和NFTs的數量判斷，然而尸檢對AD的治療并無意義，只有在輕度認知障礙期或臨床前期確診并干預，才可能起到較好的治療效果[6]。因此，AD的早期診斷備受關注。近年來，正電子發(fā)射斷層顯像(PET)技術得到了迅速的發(fā)展與臨床應用，為早期非侵入性診斷AD提供了可能性。研究認為，Aβ在AD發(fā)病中起著關鍵作用，腦內Aβ過度產生、聚集、沉積產生的SPs被認為是導致NFTs產生、神經炎癥、谷氨酸興奮毒性、脂質過氧化作用等變化的元兇，而這些變化能夠導致神經元死亡[7-8]。因此，以Aβ為生物標志物，利用PET技術可以辨別早期病理變化，協助早期非侵入性診斷AD。長期以來，Aβ顯像劑一直是研究的熱點。Aβ顯像劑按照分子種類可分為 Aβ多肽類、Aβ單克隆抗體類和有機小分子類等[9]。Aβ是一種能夠發(fā)生自身沉積的物質，修飾過的Aβ或其片段與SPs結合較好，Aβ單克隆抗體與Aβ的結合具有高特異性和靈敏性，但是以Aβ或Aβ單克隆抗體為基礎開發(fā)的顯像劑均存在無法穿透血腦屏障(BBB)的問題[9]。而針對Aβ的有機小分子類顯像劑能夠有效穿透BBB，不斷有新型結構的Aβ顯像劑被發(fā)現，并進入臨床研究與應用。本文主要對有機小分子類Aβ顯像劑研究進展進行綜述，以及對Aβ顯像劑的理想特征進行總結，并對Aβ顯像劑的發(fā)展進行了展望。

1 Aβ顯像劑

1.1 剛果紅類

剛果紅(CR)是尸檢中用于確診AD的熒光染料之一，能夠特異性結合β淀粉樣蛋白(Aβ)，對其進行修飾得到柯胺-G(CG)，但是以CR和CG為基礎開發(fā)的Aβ顯像劑均存在難以穿透血腦屏障(BBB)的問題。進一步修飾CG得到X34、X04等結構，以此為基礎開發(fā)出多種Aβ顯像劑(圖1)，通過BBB的能力有所改善。

11C-MeO-X34和11C-MSB1是X34類似物。11C-MeO-X34脂溶性較低(LogP=0.19)，初始腦攝取水平低，僅分布于腦部血管內，可能是因為芳香羧基的原因[10]。11C-MSB1能夠較好地穿透BBB，正常鼠腦清除速度較快(2 min和30 min腦攝取值比為3.2)，特異性結合Aβ，而且對Aβ具有較好的親和性(Ki=38 nM)，雖然初始腦攝取水平較其他新型Aβ顯像劑低，但11C-MSB1代表了一類不同的Aβ顯像劑[11]。

11C-MeO-X04是X04類似物，脂溶性較高(LogP=2.6)，能夠較好地穿透BBB，特異性結合Aβ，并且具有較好的親和性(Ki=27 nM)，但是初始腦攝取水平低，不能滿足PET顯像的理想條件[10]。18F標記X04類似物18F-FESB的合成亦有報道，但未檢索到相關生物學研究方面的報道[12]。

通過修飾，CR類Aβ顯像劑分子體積減小、脂溶性提高、相應腦攝取水平也得到改善，部分化合物也表現出一定的Aβ顯像潛力，但是其BBB通透性、腦攝取情況仍低于理想水平，應用前景并不樂觀。

圖1 剛果紅類Aβ顯像劑的化學結構Fig.1 Chemical structures of Congo red derivatives for PET imaging of Aβ

1.2 氨基萘類

18F-FDDNP(圖2)是氨基萘類衍生物，與CR的重氮萘基核心結構類似，是第一種成功用于人體的AD小分子顯像劑，脂溶性較高(LogP=3.92)，能夠穿透BBB，與Aβ結合性良好，但其結合是非特異性的，18F-FDDNP也能與腦內的一些非淀粉樣蛋白結合，而且能夠穿透神經元細胞膜，與NFTs結合。另外，18F-FDDNP代謝較快，帶有放射性的代謝物也能夠穿透BBB，從而導致非特異性的背景信號，因此18F-FDDNP應用于Aβ顯像的效果并不理想[13]。

圖2 氨基萘類Aβ顯像劑的化學結構Fig.2 Chemical structures of aminonaphtyl derivatives for PET imaging of Aβ

18F-FENE(圖2)是18F-FDDNP的類似物，與Aβ高、低結合位點的Kd值分別為1.86 nM和71.2 nM。與18F-FDDNPKd值(分別為0.12 nM和0.16 nM)比較可以看出，丙二腈基是實現與Aβ高結合性的關鍵，兩者與Aβ結合均存在兩個明顯不同的位點，說明Aβ存在多個結合位點[14]。

1.3 苯并噻唑類

硫黃素T(ThT)也是臨床AD尸檢腦組織中常用的一種SPs熒光染料，同樣存在難以穿透BBB的問題，對其進行修飾得到苯并噻唑類衍生物，如6-Me-BTA-2、6-Me-BTA-1、6-Me-BTA-0等，分子呈電中性，親脂性明顯改善，能夠順利穿透BBB，并且與Aβ具有更好的親和性，以此為基礎開發(fā)出具有良好性能的系列Aβ顯像劑(圖3)。

11C-PIB，即匹茲堡化合物，選擇性結合Aβ，并且對Aβ親和性高(Ki=4.5 nM)，而且其親脂性較好(LogP=2.48)，能夠迅速進入腦內并很快從正常腦組織清除(2 min和30 min腦攝取值比為11.4)，其放射性代謝物無法穿透BBB，研究表明11C-PIB在腦內分布與已知的SPs分布一致，可用于定量SPs。但是11C-PIB也可以選擇性結合腦血管淀粉樣蛋白、非特異性結合白質等，在這些非靶區(qū)域也存在較高的保留，這可能限制其在AD早期Aβ水平較低時的應用，另外，11C的短半衰期也限制了其在臨床上的推廣應用[15]。

11C-AZD2184是11C-PIB的類似物，能夠特異性結合Aβ，具有較高的親和性，而且與11C-PIB有相同的結合位點。與11C-PIB相比，11C-AZD2184親脂性稍弱，與Aβ親和性也稍弱，但是11C-AZD2184在正常腦組織中清除速度更快，具有較低的非特異性背景吸收和較高的信號背景比，在AD患者腦部的關鍵區(qū)域攝取明顯高于正常對照組，對于診斷早期AD可能具有更好的效果[16-17]。

圖3 苯并噻唑類Aβ顯像劑的化學結構Fig.3 Chemical structures of benzothiazole derivatives for PET imaging of Aβ

18F-GE67([18F]Flutemetamol)，即18F-3′-F-PIB，為18F標記的PIB類似物，能夠特異性結合Aβ，但白質中非特異性結合高于11C-PIB，其藥代動力學性質與11C-PIB類似，能夠迅速被腦組織攝取，但是在正常腦組織中，尤其是在白質中，18F-GE67清除速度較11C-PIB慢，然而18F-GE67的這些差異并不影響其對Aβ的定性和定量，相關臨床研究也已證實18F-GE67在Aβ顯像中的安全性、有效性和靈敏性[18]。

18F-4′-BTA、18F-KS28和18F-2是將18F直接引入BTA分子結構中的4′位得到的一類苯并噻唑衍生物，對Aβ具有較好的特異親和性(Ki值分別為9.0、5.7、10.0 nM)，與11C-PIB具有相同的結合位點，親脂性較好(LogP值分別為2.86、2.52和3.08)，都能順利穿透BBB，迅速進入腦組織，并能夠從正常腦組織中迅速清除[19-23]。18F-4′-BTA初始腦攝取水平與11C-PIB一致，但正常腦組織清除速度較11C-PIB更快，而其他器官中兩者分布類似[21]。18F-KS28初始腦攝取量明顯高于11C-PIB，正常腦組織清除速度也比11C-PIB更快，在腦組織中代謝穩(wěn)定性好，在血液中的放射性代謝產物無法穿透BBB[19, 22]。18F-2初始腦攝取水平高于11C-PIB和18F-KS28，正常腦組織清除速度比11C-PIB和18F-KS28更快，而且血液中清除速度也比11C-PIB和18F-KS28更快，與18F-KS28一樣，在腦組織中代謝穩(wěn)定性好，在血液中的放射性代謝產物無法穿透BBB[20, 23]。

苯并噻唑類Aβ顯像劑的研究較多，與CR類相比，在穿透BBB方面取得了突破性進展，部分化合物具有良好的藥代動力學性質，而且對Aβ表現出更好的特異親和性，對NFTs親和性降低，在區(qū)分SPs和NFTs方面表現出一定的潛力。

1.4 苯并噻唑衍生類

通過改變苯并噻唑環(huán)，得到多種苯并噻唑衍生結構，如苯并惡唑、苯并呋喃、咪唑并[1,2-α]吡啶、氮雜苯并惡唑等類似物，以此為基礎開發(fā)的一系列顯像劑(圖4)，對Aβ具有較好的親和性，具有一定的研究價值。

苯并惡唑類似物，如11C-AZD2995、11C-BF227等。11C-AZD2995也是11C-AZD2184的類似物，親脂性稍弱于11C-AZD2184，對Aβ具有很好的特異親和性，兩者相比，雖然11C-AZD2184初始腦攝取水平較高，但是11C-AZD2995非特異性背景吸收更低，信號背景比更高，在低水平Aβ顯像方面可能更有優(yōu)勢[24-25]。11C-BF227為苯乙烯基苯并惡唑結構，親脂性適中(LogP=1.75)，能夠穿透BBB，迅速進入腦組織，具有較高的初始腦攝取水平和較快的腦清除速度，臨床研究表明，在AD腦中含有SPs的區(qū)域，11C-BF227的攝取保留明顯高于對照組，而在SPs含量很少的區(qū)域，11C-BF227的攝取保留與對照組無明顯區(qū)別，雖然11C-BF227對Aβ親和性較高，對NFTs親和性很弱，但這種親和性沒有特異性，而且體外研究也表明，18F-BF227非選擇性結合Aβ[26]。

圖4 苯并噻唑衍生類Aβ顯像劑的化學結構Fig.4 Chemical structures of benzothiazole-analogues derivatives for PET imaging of Aβ

苯并呋喃類似物，如18F-AZD4694、18F-FPYBF-1等。18F-AZD4694(即18F-NAV4694)腦組織攝取快、初始腦攝取水平高，正常腦組織清除迅速，對Aβ親和性高，而且特異性結合灰質區(qū)域SPs，對Aβ含量很少的白質區(qū)域的非特異性結合水平低，有助于在AD早期對大腦皮層中很少量的SPs進行檢測[27-29]。18F-FPYBF-1能夠穿透BBB，迅速進入腦組織，并且具有較高的初始腦攝取水平，正常腦組織清除速度較快，而且對Aβ的特異親和性(Ki=0.9 nM)很好，能夠明顯區(qū)分Aβ病變的AD腦組織和對照組，雖然存在少量體內脫氟現象，但是對顯像影響較小[30]。

咪唑并[1,2-α]吡啶類似物，如11C-MeS-IMPY、18F-FPPIP等。11C-MeS-IMPY與Aβ具有較好的特異親和性，大腦皮層和小腦初始攝取水平高，在大腦皮層所有區(qū)域分布廣泛且均勻，正常腦組織清除迅速[31]。18F-FPPIP親脂性較高(LogP=2.84)，能夠順利穿透BBB，快速進入腦組織，初始腦攝取水平較高，正常腦組織清除較快，與Aβ親和性(Ki=48.3 nM)較好，而且特異性結合大腦皮層灰質區(qū)域SPs，白質區(qū)域無明顯結合，頭蓋骨中未觀察到明顯攝取，具有進一步研究的價值[32]。

氮雜苯并惡唑類似物，如18F-MK3328等。18F-MK3328脂溶性適中(LogD=2.91)，能夠順利穿透BBB，正常腦組織中，大腦皮層和小腦初始攝取水平高、清除較快，雖然白質中清除速度較慢，但是白質攝取水平很低，18F-MK3328特異性結合Aβ，親和性高，而對白質和大腦皮層灰質親和性低，性能優(yōu)良，18F-MK3328進一步的臨床研究正在進行中[33]。

1.5 二苯乙烯類

二苯乙烯類衍生物(圖5)是一類相對分子質量較小的Aβ顯像劑，對ThT結合位點的親和性較高，對CR結合位點的親和性較差，構效關系研究表明，其中一個苯環(huán)單元與ThT類有相似性，對位帶有供電子基團，如-NMe2、-Me、-OH等，對保持化合物親和性起重要作用，而另一苯環(huán)單元與CR類的一半結構相似，具有較大的可修飾性，可以開發(fā)新型Aβ顯像劑。

圖5 二苯乙烯類Aβ顯像劑的化學結構Fig.5 Chemical structures of stilbene derivatives for PET imaging of Aβ

11C-SB13是二苯乙烯衍生物，類似CR類的一半結構，又與11C-PIB結構類似，具有單甲基化的氨基和羥基，親脂性適中(LogP=2.36)，能夠迅速穿透BBB進入腦組織，大腦皮層和小腦初始攝取水平高，正常腦組織清除速度快，與Aβ具有很好的特異性結合(Ki=6 nM)，而小腦和白質非特異性結合水平低，臨床研究表明，AD患者中，11C-SB13的代謝率、腦區(qū)域攝取與保留等特征與11C-PIB類似，能夠區(qū)分AD患者與對照組[34]。

18F-BAY94-9172([18F]Florbetaben)，即18F-AV1，是利用聚乙二醇鏈接的18F標記的SB13類似物，與11C-SB13相比，改善了生物相容性，保持了對Aβ的特異親和性(Ki=6.7 nM)，提高了脂溶性(LogP=2.41)，能夠更好地穿透BBB，初始腦攝取水平高，正常腦組織清除快，血和骨中代謝變化說明體內有輕微脫氟現象，臨床研究表明脫氟現象并不影響其應用，18F-BAY94-9172可用于監(jiān)測和診斷AD，顯像有效劑量約為11C-PIB的2.8倍[35]。

18F-AV45([18F]Florbetapir)是將18F-BAY94-9172一端的苯環(huán)替換成吡啶環(huán)得到的Aβ顯像劑，屬于苯乙烯基吡啶衍生物，脂溶性適中，體外與Aβ的親和性及體內生物分布情況與18F-BAY94-9172和11C-PIB類似，大腦皮層攝取在10 min左右達到峰值，也存在一定的脫氟現象。18F-AV45有兩種主要的放射性代謝物，均具有較好的腦攝取，但是初始腦攝取水平低于18F-AV45，60 min后正常腦組織保留值與18F-AV45一致，但兩種代謝物對Aβ均沒有明顯特異親和性，臨床研究表明，18F-AV45在AD患者大腦皮層有廣泛的保留，能夠與對照組明顯區(qū)分，其顯像有效劑量約為11C-PIB的3.6倍[36]。

18F-1是苯乙烯基三唑衍生物，將二苯乙烯結構中一端的苯環(huán)替換成三唑環(huán)得到，對Aβ的親和性好，親脂性適中(LogP=1.74)，初始腦攝取水平較高，正常腦組織清除快，骨中攝取值維持在一定水平，說明體內代謝相對穩(wěn)定，沒有明顯脫氟現象，其Aβ顯像性能還需進一步研究[37]。

1.6 取代二苯乙烯類

通過改變二苯乙烯結構中鏈接兩個苯環(huán)的基團，得到新的共軛結構(圖6)，研究表明，這些化合物對Aβ有較好的親和性，且具有與PIB相同的結合位點，也表現出適宜的藥代動力學特性，此類化合物有芐叉苯胺類似物(如18F-3c)、通過重疊雙鍵鏈接的取代二苯乙烯類似物(如18F-14h)、通過三鍵鏈接的取代二苯乙烯類似物(如18F-AV138、18F-AV144、18F-14等)、通過雜環(huán)鏈接的取代二苯乙烯類似物(如18F-17a、18F-3p)等，都具有作為Aβ顯像劑的可能性[38-43]。二苯乙烯結構進一步簡化，去除中間乙烯單元，得到聯苯類化合物，對Aβ也有較好的親和性，99mTc標記的聯苯類似物可能是一類新型的Aβ顯像劑，但未見關于此類化合物開發(fā)的PET顯像劑的報道[44]。

圖6 取代二苯乙烯類Aβ顯像劑的化學結構Fig.6 Chemical structures of substituted-stilbene derivatives for PET imaging of Aβ

1.7 其他化合物類

用于Aβ顯像的有機小分子研究廣泛，種類很多，其他重要的還有黃酮類、查爾酮類、姜黃素類、吖啶橙類、鄰苯二酰亞胺類等(圖7)。黃酮類似物(如18F-8c)，查爾酮類似物(如18F-7c)，都保留了苯并噻唑類衍生物中帶有胺基的苯環(huán)結構，具有適中的親脂性和與Aβ較好的親和性，同時具有較高的初始腦攝取水平和較快的正常腦清除速度，但是兩者都存在比較明顯的脫氟現象[45-47]。姜黃素在治療AD方面具有很大潛力，其類似物(如[18F]Curcumin)與Aβ具有較高的親和性，能夠穿透BBB，雖然初始腦攝取水平較低，但是正常腦清除較快，腦內代謝比較穩(wěn)定[48]。吖啶橙類似物(如18F-BF108)，能夠穿透BBB，與Aβ具有一定的結合性，與FDDNP存在競爭作用，但是非特異性結合較高，初始腦攝取水平較低，正常腦清除較慢[49]。鄰苯二酰亞胺類似物，與Aβ具有多位點結合性，已有125I標記的鄰苯二酰亞胺類似物作為新型Aβ顯像劑的研究報道，但是未見此類化合物開發(fā)的PET顯像劑的報道[50]。這些種類的有機小分子雖然研究相對較少，但是在Aβ顯像方面都表現出一定的潛力，然而作為Aβ顯像劑卻又普遍存在某些缺點，仍需進一步研究或改造結構。

圖7 黃酮類、查爾酮類、姜黃素類、吖啶橙類Aβ顯像劑的化學結構Fig.7 Chemical structures of flavone derivatives, chalcone derivatives, curcumin derivatives and acridine orange derivatives for PET imaging of Aβ

2 Aβ顯像劑的理想特征

理想的Aβ顯像劑需要具有如下特征：(1) 合適的親脂性；(2) 高BBB通透性；(3) 對Aβ具有高親和性；(4) 對Aβ的親和性表現出高選擇性；(5) 在正常腦組織及非靶區(qū)中清除速度快；(6) 體內非特異性結合水平低；(7) 低代謝分解水平，或代謝物無腦攝取等[51-52]。

3 展望

近年來，Aβ顯像劑一直是AD早期診斷研究中最活躍的領域之一，大量小分子被設計用于Aβ顯像，而且有多種表現出優(yōu)良的體內顯像特性并相繼進入臨床研究，其中[18F]Florbetapir(AmyvidTM，Eli Lilly公司)、[18F]Flutemetamol(VizamylTM，GE公司)和[18F]Florbetaben(NeuraceqTM，Piramal公司)分別于2012年、2013年和2014年先后獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)的上市許可，用于協助AD診斷。雖然如此，但是由于AD本身發(fā)病機理仍不明確，而且現有藥物仍存在某些缺點，如缺少對不同亞型的Aβ沉積的選擇性等，仍需繼續(xù)開發(fā)更好的新型Aβ顯像劑，以期更好的解決AD早期診斷的問題。