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院第一醫學中心核醫學科,北京 100853;2.中日友好醫院核醫學科,北京 100029)

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease, AD)是神經退行性疾病,其特征性神經病理改變包括細胞外老年斑內淀粉樣蛋白-β(amyloid-β, Aβ)沉積和細胞內由高度磷酸化Tau蛋白構成的神經原纖維纏結(neurofibrillary tangle, NFT)。Aβ沉積始于AD無癥狀階段,于出現臨床癥狀時達到平臺期,與疾病嚴重程度的相關性較弱[1]。AD患者腦內Tau示蹤劑分布符合尸檢所見AD NFT分布,并與癡呆嚴重程度及其表型密切相關[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、評估療效及監測疾病具有重要價值。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)可無創檢測活體腦內NFT沉積。體外研究[4]結果表明,NFT對于Tau轉基因小鼠和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力學屬性較佳,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院第一醫學中心的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歲語義變異原發性進行性失語癥(semantic variant of primary progressive aphasia, sv-PPA)和1例男性60歲PSP]患者。AD患者納入標準:①參照美國國立神經病語言障礙卒中研究所和AD相關疾病協會制定標準確診AD[5];②簡易精神狀態檢查(mini-mental state examination, MMSE)評分為10～24分;③淀粉樣蛋白PET掃描結果為陽性。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,無重大醫療、神經或精神疾病史或AD家族史)。本研究經院倫理委員會批準(批準號: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合成模塊PET-MF-2V-IT-1進行放射性標記。采用一鍋兩步法,以Kryptofix-222為相轉移催化劑,使干燥的18F與前體發生親核取代反應;之后以HCl(1 mol/L)水解除去四氫吡喃基(tetrahydropyranyl, THP)保護基團,經堿中和后,采用半制備高效液相色譜法(high performance liquid chromatography, HPLC)進行純化,得到18F-S16。以分析型HPLC觀察18F-S16性質,確保其放射化學純度(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:超短回波時間(ultra-short echo time, UTE)序列,TE1 0.07 ms,TE2 2.46 ms,TR 11.94 ms,FA 10°,層數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體質量并立即啟動動態PET掃描,以三維采集模式連續采集90 min,將數據分為59幀(5 s×30、30 s×10、150 s×5、300 s×14),重建后用于后續分析。基于UTE序列對PET數據進行衰減校正,同時進行結構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體質量,于40 min后行18F-S16 PET/MR掃描,掃描時間20 min;采用有序子集最大期望值法進行重建,3次迭代,21個子集,矩陣336×336,高斯濾波半高寬(full width half-maximum, FWHM)4 mm。

1.4 圖像和數據分析 參照文獻[6-7]方法基于ROI和體素對數據進行分析。獲取注射藥物后40～60 min標準攝取值(standard uptake value, SUV),以小腦作為參考區,計算關鍵腦區SUV比(SUV ratio, SUVR):SUVR=關鍵腦區SUV/小腦灰質SUV;對6名接受90 min18F-S16動態PET掃描的老年健康志愿者中的5名(另1名圖像質量較差)獲取并計算注射藥物后70～90 min各關鍵腦區的SUV及SUVR。采用Logan圖解分析計算各ROI分布體積比(distribution volume ratio, DVR);并以線性模型計算2個時間窗(40～60 min、70～90 min)內上述5名老年健康志愿者ROI的SUVR與DVR的相關性。

1.5 統計學分析 采用SPSS 17.0和SPM統計分析軟件。以±s表示符合正態分布的計量資料,行t檢驗或Wilcoxon秩和檢驗。以Mann-WhitneyU檢驗比較年齡和受教育年限。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料 AD患者MMSE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、受教育年限和體質量差異均無統計學意義(P均>0.05)。

2.2 時間活度曲線(time-activity curve, TAC) AD患者雙側顳葉皮質、額葉皮質和后扣帶回皮質(posterior cingulate cortex, PCC)皮質放射性攝取明顯增加,老年及年輕健康志愿者未見皮質顯著放射性濃聚;三者均可見基底節區非特異性攝取;見圖1。AD患者皮質放射性攝取高于老年健康志愿者,尤以顳葉和枕葉皮質為著;其內側顳葉皮質(medial temporal cortex, MTC)18F-S16 SUVR最高,其次是枕葉皮質和外側顳葉皮質(lateral temporal cortex, LTC)。AD患者SUVR于注射18F-S16后90 min內進行性增高,且隨時間延長,與老年及年輕健康志愿者差距增大,見圖2。體素分析結果顯示,相比老年健康志愿者,AD患者雙側枕葉皮質、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

圖1 軸位18F-S16 PET/MRI示顳葉皮質、基底神經節和后扣帶回皮質SUVR

圖2 注射18F-S16后SUVR的TAC曲線 A.額葉; B.枕葉; C.頂葉; D.內側顳葉; E.外側顳葉; F.殼核

PSP患者基底神經節和中腦可見明顯18F-S16放射性滯留及T1WI典型“蜂鳥征”;sv-PPA患者雙側顳極、基底顳葉皮質和海馬區可見18F-S16放射性滯留,相應部位顳葉明顯萎縮。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的相關系數R2分別為0.826 2和0.909 1,其在內側顳葉皮質為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;以上腦區中,枕葉和內側顳葉皮質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的臨床價值,其中AD患者MTC18F-S16 SUVR最高,其次是枕葉皮質和LTC,且其與老年健康志愿者之間枕葉皮質SUVR差異最大;AD患者顳葉和枕葉皮質攝取增加,基本符合尸檢所見AD NFT分布[3]。本研究中18F-S16 SUVR于90 min PET動態采集期間呈進行性升高,且隨時間延長,SUVR與DVR的相關系數逐漸增大,90 min采集時間內18F-S16腦內代謝尚未達到平臺期,提示或可通過延長數據采集時間更好地觀察18F-S16藥代動力學及影像學特征。

AD患者18F-S16滯留主要見于顳葉-額葉-頂葉皮質,而老年及年輕健康志愿者白質攝取18F-S16遠低于灰質,即白質對皮質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出現假陽性。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區均存在放射性滯留,分析原因,主要在于THK化合物、18F-AV1451和11C-PBB3在腦內可與單胺氧化酶A、單胺氧化酶B、色素及鈣化血管脫靶結合[8];雖然18F-S16與單胺氧化酶B親和力不高,且于眼球脈絡膜未見脫靶結合,但因種屬差異及基底節區存在鐵及其他礦物質沉積,AD患者及健康志愿者基底節區存在18F-S16脫靶結合,對其具體機制有待進一步探索。

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

除AD外,Tau-PET成像對其他Tau蛋白病亦有一定價值[3]。本研究于PSP患者、老年及年輕健康志愿者的基底節區均見18F-S16放射性攝取,但PSP患者主要病變發生于基底節區,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18F-AV1451和18F-THK5317研究[9-10]結果相符合。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,以語義知識漸進性喪失為特征,其潛在病理改變包括交互反應DNA結合蛋白-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的親和力較強有關[11]。本研究發現sv-PPA患者顳葉皮質18F-S16攝取顯著增高,與文獻[12-13]報道一致;而18F-S16對單胺氧化酶B親和力較差,提示sv-PPA患者顳葉皮質放射性滯留的主要原因并非單胺氧化酶B脫靶結合。既往研究[14]認為FTLD患者額顳葉萎縮程度與星形細胞凋亡有關,而sv-PPA以廣泛星形細胞凋亡和星形膠質細胞增生為特征。推測18F-S16在sv-PPA患者腦內明顯滯留的原因如下:①sv-PPA病理機制與FTLD-Tau蛋白有關,故18F-S16結合靶點為病理性Tau蛋白;②疾病發展過程中存在星形細胞凋亡和星形膠質細胞增生,18F-S16結合可能與之相關。

綜上,18F-S16在AD患者腦內皮質區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用潛力。但本研究樣本量過小,數據采集時間不足,有待后續加以完善。