靶向多巴胺D3受體PET分子探針的研究進展

張 格,薛井泉,趙世倫,劉 宇,3,楊文江

(1.中國科學院高能物理研究所,北京市射線成像技術與裝備工程技術研究中心,北京 100049;2.中國科學院大學,北京 100049;3.濟南中科核技術研究院,濟南 250131)

多巴胺是一種重要的神經遞質,在大腦中分布廣泛,含量豐富,參與許多中樞神經系統功能的調控,如運動行為、情感、認知、獎勵等[1]。多巴胺通過與突觸后膜的多巴胺受體結合,激活多巴胺能通路上的信號轉導途徑(胞內環腺苷酸/蛋白激酶A信號通路、G蛋白門控內向整流鉀離子通道、N型鈣離子通道等)[2],發生特定的生理效應,在維持多巴胺濃度平衡,調控多巴胺系統功能,維持中樞神經系統信息傳遞中發揮重要作用[3-4]。其中多巴胺D3受體(D3R)雖發現較晚但其在腦內邊緣區域的特殊分布,涉及運動、認知、獎賞、情感等功能,提示多巴胺D3R可能與帕金森病、精神分裂癥、藥物成癮等多種中樞神經系統疾病關系密切。

大腦是人體最精密復雜的器官,深入研究腦功能及神經精神系統疾病離不開分子影像學的輔助。正電子發射斷層顯像(PET)技術是分子影像學的重要部分,PET具有高靈敏度與分辨率,能定量、無創、可視化地跟蹤體內代謝過程,從而在分子水平上發現疾病早期變化[5-6]。應用PET顯像技術將使人們對D3R在各種精神疾病的病理生理中的作用有客觀、科學的認識[7]。

D3R的PET顯像依賴于高特異性的顯像劑,本研究對多巴胺D3R PET分子探針的研究情況進行了總結和評論,并探討未來D3R PET探針開發的挑戰與方向。

1 多巴胺受體的分類與功能

按照初級結構和藥理性質的相似性歸類,可以將多巴胺受體分為D1類(D1、D5)和D2類(D2、D3、D4)受體[8-10],D1類受體在尾殼核、伏隔核、黑質、嗅球、額葉皮質、杏仁核分布較多,少量位于丘腦、邊緣系統,其主要功能是與激活型G蛋白(Gs)偶聯促進胞內環腺苷酸的合成,使下游靶蛋白磷酸化,改變細胞膜對離子的通透性,調節信號傳導而發揮功能。工作記憶的恢復是治療精神分裂癥最棘手的問題,大量研究已經證實前額葉皮質D1R信號傳導不足會導致工作記憶功能缺陷,以D1R為靶點的藥物有望幫助精神分裂癥患者認知功能的恢復[11]。研究發現,D5R基因位點(染色體4p15.1-16.1)與原發性高血壓有關,D5R通過作用于腦、腎和動脈,在血壓調節中發揮重要作用。研究D5R對血壓的調節機制可能有助于預防和治療原發性高血壓[12]。

D2類受體在紋狀體、邊緣系統、黑質、丘腦、皮層等都有分布,其通過與抑制型G蛋白(Gi/o)偶聯從而抑制胞內環腺苷酸的合成[13-15]。D2類受體家族在神經疾病的研究中一直備受關注,其中D2R的研究歷史最為悠久,研究表明早期PD患者D2R數量代償性上調,后期則減少,臨床上已將D2R作為診斷和治療帕金森病的靶點。目前,多巴胺D4R的功能和藥理意義仍然是所有多巴胺受體亞型中了解最少的。D4R參與調節額皮質紋狀體谷氨酸能神經元的傳遞,其介導的信號的高激活或低激活可能是注意缺陷與多動障礙(ADHD)等神經精神疾病的原因[17-18]。早期研究對D2R家族亞型的細化不足,并未有D3R的概念,其一直被誤當做D2R研究,因而研究結果常有矛盾的現象,直至1990年,Sokoloff等[16]克隆出D3R,發現其在分子性質、組織分布、藥理學以及可能的信號轉導系統方面有別于D2R,這一成果在D3R研究中具有里程碑意義,D3R在疾病治療與診斷中的價值也逐漸被發掘。

2 多巴胺D3R與神經精神疾病

D3R在中腦邊緣區域(伏隔核、嗅結節、卡耶哈島、丘腦等)有高水平的表達,在紋狀體、黑質致密部、腹側被蓋區、海馬體有適當表達,皮層部分區域也有少量分布[19]。但D3R在腦內分布存在物種間的顯著差異,一定程度上限制了D3R介導行為在物種間的普適性[20]。D3R在腦內總數量很少,但其與內源多巴胺的結合親和力卻遠高于其他多巴胺受體[16],因此D3R數量和功能的微小變化可能會對突觸間信息傳遞產生顯著影響。眾多研究表明,D3R與認知、獎勵、行為強化和渴望等情感行為及帕金森病(PD)、精神分裂、藥物成癮等神經精神疾病息息相關[21-22]。

對精神分裂患者的尸檢結果表明,相比于正常人,患者腦內多巴胺D3R數量明顯升高,而接受抗精神病藥物治療的患者D3R表達與正常人接近[23-24]。一般認為,D3R功能升高是精神分裂癥患者認知與記憶功能損傷的原因,調節D3R可能改善認知和精神分裂癥陰性癥狀[25]。唯一進入精神分裂癥臨床測試的高選擇性D3R拮抗劑ABT-925(體外D3R/D2R選擇性:約100倍)被發現具有促進人類認知功效,且不良反應較少[26]。

典型抗精神病藥物以D2R為主要靶點,通過阻斷多巴胺黑質紋狀體通路發揮抗精神病作用,然而該通路與運動功能密切相關,因而該通路的阻斷會導致錐體外系副反應,而D3R所在的中腦邊緣通路與運動控制無關,因此對D3R具有高親和力的非典型抗精神病藥物如氨磺必利、卡利拉嗪優先占據D3R發揮抗精神病作用,相比于典型抗精神病藥在治療時引起錐體外系反應等不良反應較少[27]。

D3R因其在大腦邊緣區以及蒼白球分布相對豐富,可能與帕金森病的精神和運動并發癥有關,因而備受關注。研究發現,未服用過藥物的早期PD患者腹側紋狀體D3R數量輕微減少,蒼白球D3R數量顯著減少[28],這是對中腦黑質多巴胺能神經元丟失的響應。長期使用左旋多巴治療帕金森病往往損壞神經細胞對多巴胺功能的調節從而引發運動障礙(LID)[29-31],研究表明LID中D3R表達上調[32-33],D3R激動劑BP897、FAUC329能夠提高多巴胺神經元中腦源性和膠質細胞源性神經營養因子水平,幫助多巴胺神經元的恢復,減輕PD病的運動癥狀,抑制左旋多巴導致的運動障礙[14,27,34]。

中腦腹側被蓋區(VTA)投射到伏隔核(NAc)、杏仁核、嗅結節海馬體等結構的環路涉及了正性強化效應、渴求、獎賞。其中D3R富集區域-伏隔核是多巴胺的主要投射目標,伏隔核多巴胺的增多是成癮藥物刺激后產生快感與獎勵的原因[35],D3R在藥物、酒精、煙草、毒品成癮中的研究也因此備受關注。甲基苯丙胺(冰毒)、可卡因濫用人群腦內D3R密度明顯升高,這與反復接受冰毒或可卡因刺激導致中腦邊緣多巴胺能信號傳遞增強引起對多巴胺刺激的超敏反應有關,為解釋藥物成癮行為提供依據[36-37]。Pilla等[38]對D3R部分激動劑BP897研究發現,BP897能夠緩解癮君子對可卡因的依賴,且不存在內在獎勵機制。

數學問題解決是一種積極探索和克服障礙的活動過程,它所采用的途經和方法是新的，至少其中某些部分是新的，這些方法和途徑是已有數學知識和方法的重新組合,這種重新組合通常構成一些更高級的規則和解題方法，因此數學問題解決的過程又是一個發現和創新的過程.

總之,為了在臨床上更好的認識D3R,具有良好的物理化學和藥代動力學特性的高親和力、高選擇性D3R配體必不可少。

3 多巴胺D3R PET分子探針及其應用

PET顯像可顯示活體內D3R數量變化以及受體占用情況,在疾病診斷、發病機制、藥物開發及治療劑量估計等方面發揮重要作用,然而實現這一目的的關鍵是開發高選擇性D3R的PET配體。18F與11C是PET顯像最常用的放射性核素。18F具有長短適中的半衰期(T1/2=109.7 min),并且正電子能量較低(Emax=635 keV)。氟原子或含氟基團在天然產物和生物活性分子中廣泛存在,很多對D3R具有高親和力的分子結構中都有F的存在。對于這類分子,放射性18F的引入,并不會改變其生物活性[39]。C是生物分子的重要組成部分,放射性核素11C標記的化合物與未標記的化合物相比,其親脂性等物理化學及生化特性沒有改變,11C的物理半衰期短(T1/2=20.4 min)適用于短生物半衰期化合物的標記,可以在短時間間隔內對同一對象進行重復研究,且生產11C的靶材料較18F更便宜,制備更方便,因此11C的使用也十分廣泛,但短半衰期限制了其使用,一般只在能生產11C的場所開展研究[39]。目前已報道的多巴胺D3R靶向PET探針,都是18F與11C標記。根據分子結構,可以大致分為如下三類:四氫吡咯烷類、氨基四氫萘類、苯基哌嗪類。

3.1 四氫吡咯類

該類結構為苯甲酰胺通過一個亞甲基連接一個四氫吡咯環,通過在苯環上引入烷烴鏈、甲氧基、鹵素原子、羥基等基團以及改變吡咯烷氮上烷基的長度對化合物進行修飾。用烯丙基替換D2R探針[18F]FPMB吡咯烷氮上的乙基合成了[18F]fallypride,其具有更優良的親脂性(LogP=2.43),入腦效果顯著提高。它對D2R、D3R皆有次納摩爾的親和力(D2R:Ki=0.05 nM,D3R:Ki=0.3 nM),與內源多巴胺競爭能力強,且從非特異性部位快速清除,可以在杏仁核等受體密度較低區域顯像,具有良好顯像效果[40]。由于其選擇性更偏向于D2R(D2R/D3R=10),使得對D3R顯像時受到一定限制[41]。但其可作為D2R/D3R顯像劑使用,用于帕金森病的臨床診斷、研究精神分裂癥等腦神經疾病。PD患者與正常人進行[18F]fallypride PET掃描結果表明,PD患者較正常組腹側中腦受體結合力下降39%,杏仁核下降33%,丘腦下降30%,海馬體下降22%,蒼白球下降16%,尾狀核下降11%,而殼核與腹側紋狀體變化微小[42]。在研究抗精神分裂癥藥物方面,對服用抗精神病藥物氯氮平的精神分裂患者和正常人進行[18F]fallypride PET研究,結果顯示,下顳葉皮層D2R/D3R占有率降低55%,丘腦降低44%,殼核降低36%,尾狀核降低43%,從而解釋了氯氮平的治療效果可能更多源自與外紋狀體區域多巴胺受體的結合[43]。

11C標記的fallypride與[18F]fallypride具有相似的腦區定位,[11C]fallypride與[18F]fallypride都已被廣泛用于D2R/D3R PET顯像的研究,但[11C]fallypride有著獨特優勢,11C核素標記的示蹤劑在60～90 min內可以獲得良好顯像數據,而[11C]fallypride在90 min左右可以在外紋狀體區域(丘腦、杏仁核、皮層等)實現最佳結合動力學,因此可以對外紋狀體區域在1 d內對個體進行重復掃描以研究藥物效應,并且短的掃描時間有效避免了被試者移動的干擾,這點[18F]fallypride無法做到[44]。

另一種已用于臨床研究的四氫吡咯烷類PET顯像劑[11C]raclopride,是一種非選擇性D2R/D3R放射性示蹤劑(D2Rlow:Ki=2.5 nM,D2Rhigh:Ki=1.3 nM,D3R:Ki=3.5 nM)。用于了解帕金森病、可卡因成癮、煙癮中D2R/D3R的變化[45]。早期PD患者,在發病肢體對側半腦的殼核中,[11C]raclopride的結合力減少33%,左右半腦殼核與[11C]raclopride結合的差異與左右肢體癥狀差異一致[46]。[11C]raclopride對內源多巴胺競爭敏感,用于研究可卡因成癮者在條件刺激(觀看吸食可卡因的視頻)相比于非條件刺激(觀看中性視頻)多巴胺的變化,PET結果顯示[11C] raclopride在殼核和尾狀核的特異性結合顯著減少(說明該部位受體被內源多巴胺占用),減少程度與成癮者描述的可卡因渴望程度正相關,提示多巴胺在毒品渴望時分泌增多,是毒品成癮中的重要部分[47]。但在用于D3R研究時要先用非放射性的D2R配體消除D2R信號的干擾。

此外[11C]FLB 457同樣廣泛用于人體PET顯像,研究抗精神病藥物的療效,但對D2R和D3R有同等的親和力(Ki=0.02 nM),是非選擇性D2R/D3R顯像劑,并不適合單獨用作D3R顯像[48]。

3.2 氨基四氫萘類

該類化合物具有氨基四氫萘框架,在四氫萘的苯環上常進行羥基化或甲氧基化修飾,并且氨基四氫萘的2位連接N,N-二丙基鏈。氨基四氫萘類化合物[11C]-(±)-PHNO最早被認為是D2R顯像劑,但隨著研究的深入,現已被證實為D3R偏好性顯像劑(D2R:Ki=8.5 nM,D3R:Ki=0.16 nM)。體內結合實驗顯示,在D3R分布區域蒼白球有高特異性攝取,在丘腦、腦干也有一定的特異性攝取。[11C]-(±)-PHNO是目前唯一用于選擇性對D3R顯像的放射性藥物。臨床上常用于評價抗精神病藥物在D2R、D3R中占有率情況,從而對藥物作用機理與療效進行分析。對13名服用布南色林的精神分裂癥患者與7名正常人進行[11C]-(±)-PHNO掃描,比較兩組D2R、D3R占用情況,結果顯示,布南色林在殼核中占用55%,尾狀核60%,蒼白球48.9%,黑質34%,此結果證實了布南色林在治療精神分裂癥時同時占用D2、D3兩種受體[49]。由于[11C]-(±)-PHNO對內源多巴胺的變化非常敏感,因此在臨床上也用來測定突觸多巴胺濃度的急性變化[50]。在研究酒精濫用方面,對17例酗酒者與18例正常人的[11C]-(±)-PHNO PET掃描,發現酗酒者感覺運動皮層結合力下降12.3%,黑質結合力下降16%,酗酒者組內黑質結合下降越厲害對酒精依賴程度越高[51]。但由于[11C]-(±)-PHNO對D3R/D2R的選擇性只有53,因此在D2R與D3R均表達的腦區如紋狀體等,D2R的存在仍是干擾,需要用非標記的D3R拮抗劑消除D3R PET信號再反推出D3R存在區域攝取值[52]。此外,該類結構還有[11C]PPHT(D2R:Ki=0.65 nM)、[11C]ZYY-339(D2R:Ki=0.01 nM)等D2/D3非選擇性PET探針,但都由于與D2R親和力過強而不適于做選擇性D3R探針開發[53]。

圖2 氨基四氫萘類示蹤劑Fig.2 Chemical structure of aminotetralin tracers

3.3 苯基哌嗪類

早期D3R探針的設計源自一些已知的多巴胺受體配體,包括氨基四氫萘類、四氫吡咯烷類等,但往往選擇性較差,多為D2R/D3R探針。多年來研究者們對D3R配體的開發,由他們的構效關系總結出了一定的規律,即一個芳基或芳基取代酰胺(①),通過一個功能化的烴基部分(②)連接一個含芳基末端的結構(③)。①部分為較大芳環的苯甲酰胺類對維持共平面結構有重要作用,部分小環結構也具有良好選擇性,如苯乙烯類。D3R的多巴胺結合位點比D2R更深,配體要以一種更線性、延伸的結構與D3R結合,研究發現②部分為四個碳的烴基時對維持①與③之間的幾何距離和空間構象最佳,表現出的親和力效果最好[54]。③部分為含氮取代基的芳環,在這部分結構上進行改性對提高選擇性有關鍵影響,近年來通過計算機模型研究此部分與D3R正構結合位點(OBS)、次級結合位點(SBS)的相互作用發現,苯基哌嗪藥效團具有最強大的選擇性[55]。因此,近年來設計的D3R PET探針大多為苯基哌嗪類衍生物。

圖3 苯基哌嗪類示蹤劑結構通式Fig.3 General fomula of phenylpiperazines tracer

Robert等[56]設計合成了一系列具有柔性構象的苯基哌嗪類苯甲酰胺分子,其中化合物5在苯基哌嗪芳環的2位上用氟乙氧基進行修飾,并在苯甲酰胺的4位用3-噻吩環取代,發現該化合物對D3R的親和力以及D3R/D2R選擇性最優,對D3R的親和力達到次納摩爾量級,D3R/D2R選擇性高達160(D2R:Ki=21.7 nM,D3R:Ki=0.17 nM)。而后該團隊以化合物5為目標通過18F親核取代標記法合成了[18F]FTP。恒河猴腦部PET顯像顯示,其在紋狀體、丘腦等D3R富集區域有高攝取,在其他非D3R區域未見明顯攝取[57],是目前最具有臨床應用前景的PET探針。但由于異氟烷麻醉導致的多巴胺轉運體(DAT)構象發生變化,使得突觸間隙多巴胺濃度增加,從而大量占據突觸后膜的多巴胺受體,阻礙了[18F]FTP與D3R的結合。安定藥物勞拉西泮(Lorazepam)可以降低內源多巴胺水平,在未使用Lorazepam抑制多巴胺分泌時,恒河猴腦部PET結果顯示,示蹤劑的腦內分布在個體間差異較大,但在Lorazepam抑制后不同個體間[18F]FTP在腦內分布情況一致,即在紋狀體、丘腦等D3R所在區域有明顯攝取。因此該探針最大的缺陷在于內源多巴胺的干擾。然而與之親和力相似而選擇性差的[18F]fallypride卻不受內源多巴胺影響,其原因可以歸結為[18F]FTP的丁基苯基哌嗪部分與D3R正構結合位點結合的作用力比[18F]fallypride弱很多,而多巴胺恰在D3R正構位點結合,不過[18F]FTP的芳基酰胺部分與D3R的次構位點的作用力比[18F]fallypride強得多,而次構位點的結合決定著選擇性[58]。通過對這兩種探針差異的比較,提示在配體設計時要在正構位點有適當高的作用力足以競爭內源多巴胺,而且在次構位點也要有一定作用力以提供選擇性。目前[18F]FTP的研究還缺乏對清醒的恒河猴的顯像研究以及臨床顯像研究以驗證其對D3R顯像能力。

Langer等合成的11C標記的化合物[11C]RGH-1756,其結構為咪唑并噻吩基通過丁氧基苯連接甲氧基苯基哌嗪。與D3R親和力高達次納摩爾級(D2Rlow:Ki=15.2 nM,D2Rhigh:Ki=12.2 nM,Ki=0.12 nM),D3R/D2R選擇性超過100倍,被認為有對D3R顯像的巨大潛力,但獼猴的PET顯像表現出全腦的較均勻攝取,抑制實驗表示能夠與D3R的特異性結合,通過引入利血平來消除內源多巴胺對D3R的占據,但仍未見腦中特異性攝取的增加,因而排除了內源性多巴胺競爭D3R的影響,作者認為低攝取是由于體內條件下與D3R親和力不足[59-61]。

St??el等[62]對其團隊前期合成的高選擇性、高親和力D3R配體FAUC329[63]進行略微結構調整,合成放射性配體[18F]2,其結構為2-吡唑[1,5-a]吡啶基酰胺通過四個碳的烴基連接氟乙氧基苯基哌嗪,該化合物對D3R親和性達次納摩爾級,D3R/D2R選擇性高達100倍左右(D2Rlow:Ki=39 nM,D2Rhigh:Ki=21 nM,D3R:Ki=0.31 nM),LogP為3.93。對大鼠的體外放射自顯影顯示,在D3R富集的區域如卡耶哈島、紋狀體、部分皮質區都有明顯攝取。然而體內放射自顯影僅在腦室有攝取,經BP897阻斷后側腦室攝取率下降7%～12%,第三腦室下降5%～14%,PET顯像也未在大鼠腦內D3R富集區域發現明顯攝取,但在垂體有明顯攝取,40 min時垂體攝取值為(0.394±0.016) %ID/g,能被BP897阻斷25%。體外放射自顯影與活體PET顯像中[18F]2在腦內的定位區域明顯不一致,這可能來自血腦屏障(BBB)的阻礙,體外實驗中血腦屏障不起作用,因而[18F]2能夠在腦內區域定位。腦室中充斥著腦脊液,某些物質能夠通過由脈絡叢上皮細胞和毛細血管內皮細胞及其基膜組成的血-腦脊液屏蔽(BCSFB),在血液與腦脊液之間進行物質交換。體內實驗顯示,[18F]2在腦室、脈絡從中的攝取說明其可以通過BCSFB。

Nebel等[64]合成18F標記的苯偶氮基酰胺類似物[18F]2b,其結構為氟苯偶氮基通過丁基連接甲氧基苯基哌嗪,對D3R有較高親和性(Ki=3.5 nM),D3R/D2R選擇性大于10倍,LogP為2.1。在鼠腦中體內外分布差異同[18F]2類似,體外放射自顯影在卡耶哈島(Kd=0.1 nM)、伏隔核(Kd=0.11 nM)、紋狀體(Kd=0.08 nM)有明顯特異性攝取,體內PET顯像顯示腦白質的低攝取(注射后65s時攝取值0.14%ID/g),D3R富集區域未見明顯攝取,但垂體可見高攝取(5 min時攝取值0.94%ID/g)且可被BP897抑制35%,第四腦室初始攝取值0.4%ID/g,可被BP897抑制50%,第三腦室與側腦室初始攝取值均為0.25%ID/g左右。因為垂體中有D3R,而[18F]2b在垂體的攝取可被抑制說明其在體內能與D3R特異性結合,雖然能夠證明該探針具有D3R親和力,但垂體與大腦攝取藥物方式等的不同,活體中垂體內的受體結合親和力不反映大腦內的親和力,因而無法從垂體的攝取評價探針在腦內的效果。該團隊還對[18F]2b的偶氮基類似物[18F]2a進行了研究,不同于[18F]2b,[18F]2a在丁基鏈上進行了3-羥基取代,苯基哌嗪部分用2,3-二氯替代甲氧基,其對D3R親和力與[18F]2b接近(Ki=3.6 nM),LogP為2.56。體外放射自顯像顯示為全腦的均勻非特異性攝取,PET顯像同[18F]2b一樣顯示腦室和垂體的特異性攝取(垂體:25 min時0.6%ID/g),[18F]2a的入腦量比[18F]2b低1.5倍,可以歸結于[18F]2a的高血漿蛋白結合率([18F]2a:82%;[18F]2b:20%)。同時該團隊證實了[18F]2b在腦室、脈絡從等區域的攝取不來自于與腦脊液蛋白質的結合。其能通過血-腦脊液屏障與腦室部分層面中的D3R特異性結合,腦室不同層面中的非均勻攝取來源于表達D3R的脈絡從室管膜細胞的分布差異。

Hocke等[65]合成了18F標記的吡啶苯基酰胺類似物[18F]6、[18F]5,苯基哌嗪部分別用2-氯和2,3-二氯取代。他們對D3R親和力高,D3R/D2R選擇性超過100([18F]6:D3R:Ki=0.58 nM,D2Rhigh:Ki=42 nM;D2Rlow:Ki=120 nM;[18F]5:D3R:Ki=0.53 nM,D2Rhigh:Ki=17 nM,D2Rlow:KiR=18 nM)[66-67],與血漿蛋白的結合率低([18F]5:6.5%,[18F]6:20.6%)且代謝穩定性好,其中[18F]5雖然能夠透過BBB(10 min全腦生物分布:0.75%ID/g),但由于親脂性(LogP=5.27)過強導致了嚴重的非特異性攝取,可能掩蓋了特異性攝取信號。[18F]6的親脂性(LogP=2.88)處于合理范圍,入腦量低于[18F]5(10 min全腦生物分布:0.26%ID/g),但放射自顯影顯示,示蹤劑在整個腦灰質部分表現出均勻攝取,說明腦內存在較多非特異性攝取。多巴胺D3R主要分布于垂體后葉[68],[18F]6和[18F]5在垂體有攝取且能被BP897部分抑制,可以證明他們在體內與D3R有親和力可以特異性結合。

Nebel等[64]報道的[18F]1與[18F]5結構相似,不同之處僅在丁基鏈上用3-OH取代,對D3R親和力為1.9 nM,這種結構改變增加了親水性,LogP為2.5,但在腦內也表現為大量非特異性攝取。[18F]1在垂體和腦內的攝取幾乎未被BP897抑制,反映了其體內D3R低親和性。Hofling等[69]設計了18F標記的肉桂酰胺類探針[18F]8,其苯基哌嗪的苯環部分用2-甲氧基取代。具有次納摩爾的D3R親和力以及30倍的D3R/D2R選擇性(D2Rlow:Ki=27 nM,D2Rhigh:Ki=21 nM,D3R:Ki=0.34 nM),LogP值為2.07,理論上適合入腦。體內放射自顯影顯示在D3R分布的紋狀體和皮層有明顯攝取,且能被BP897阻斷90%,但在其他D3R富集區域如伏隔核、卡耶哈島未見明顯攝取,在腦室區域有高于紋狀體區域3.7倍的攝取且能被BP897抑制50%,腦室的攝取可能和[18F]2、[18F]2b有著同樣的解釋,即與腦室中室管膜細胞上的D3R結合,但作者認為這種結合也可能來自[18F]8代謝物,具體原因還有待代謝實驗的驗證。

研究發現,次構位點上選擇大芳烴環結構往往對D2R產生不利的空間相互作用,降低D2R結合親和力而對D3R不影響,從而增加D3R/D2R選擇性[55,70-71]。Stewart等[72]在大環化合物BP897的苯基哌嗪結構上用CF3基團替換甲氧基,在酰胺的羰基碳上進行標記合成化合物[11C]naphthamide1,具有高D3R親和力和D3R/D2R選擇性(D2R:Ki=1 553 nM,D3R:Ki=1.1 nM),能透過BBB,代謝穩定性好,注射后15min血液中仍有80%完整示蹤劑存留。[11C]naphthamide1體外自顯影大鼠PET圖像清晰顯示在D3R存在區域的攝取,但高低密度D3R分布區域最大標準攝取值SUV差異不顯著(嗅結節:1.5,包括伏隔核的紋狀體:1.2,下丘腦:0.9,小腦:1),作者認為可能存在非特異攝取,有待進一步驗證。

Turolla等[73]研究萘甲酰胺類示蹤劑[11C]1與苯并呋喃酰胺類示蹤劑[11C]2,他們的酰胺部分通過丁基鏈連接2,3-二氯苯基哌嗪。細胞結合實驗顯示具有高D3R親和力與選擇性(1:D2R:Ki=720 nM,D3R:Ki=0.6 nM;2:D2R::Ki=720 nM,D3R:Ki=0.13 nM),體內放射自顯影能夠顯示腦內定位,說明他們能夠通過BBB。生物分布和放射自顯影雖顯示,在伏隔核、紋狀體等D3R富集區域有輕微攝取,但在小腦、皮層等D3R低密度區域也有較多攝取([11C]1:伏隔核:0.087%ID/g,小腦:0.092%ID/g,前額皮質:0.089%ID/g,前部紋狀體:0.074%ID/g;[11C]2:伏隔核:0.077%ID/g,小腦:0.078%ID/g,前額皮質:0.088%ID/g,前部紋狀體:0.069%ID/g),全腦的均勻攝取很大一部分可能來自血液中的放射性,因為伏隔核、基底神經節、皮層與血漿的攝取比之間無明顯差異(5 min時,[11C]1:伏隔核/血漿=0.65,后紋狀體/血漿=0.64,前額皮質/血漿=0.77;[11C]2:伏隔核/血漿=1.01,前紋狀體/血漿=0.93,前額皮質/血漿=1.18)。也可能是由于探針過高的脂溶性(cLogP1=5.61,cLogP2=4.98)造成的非特異攝取,因此并不適宜體內顯像。

[11C]FAUC346的結構為苯并噻吩酰胺通過四個碳丁基連接甲氧基苯基哌嗪,細胞結合實驗表現次納摩爾D3親和力與高選擇性(D3R:Ki=0.23 nM,D2R/D3R:380,D4R/D3R:65),LogP為2.36,大鼠生物分布實驗中顯示血液清除率快,腦內停留時間長(60min未見明顯放射性下降)且腦內97%放射性以原藥形式存在,腦內各區域攝取值與D3R分布密度不一致。使用D3或D2/D3競爭劑抑制時,紋狀體、海馬體、嗅結節、皮層的[11C]FAUC346攝取均能被抑制80%～90%,說明[11C]FAUC346具有D3R特異性但也可能具有D2R特異性。在狒狒的PET顯像中各腦區呈現均勻分布,BP897阻斷實驗未見放射性水平的改變,因而在非人靈長類動物中并不適用[74]。

吲哚酰胺類化合物[11C]BAK4-51,苯基哌嗪的苯環上由2-甲氧基和3-氯取代,在細胞結合實驗中表現出良好親和力與選擇性(D3R:Ki=0.39 nM,D2R:Ki=53 nM),LogP值為3.33。體內代謝穩定(30 min是血漿原藥76%,腦內原藥99%)。但在大鼠與猴子腦內富集區域僅比非富集區域攝取略高。使用D2R拮抗劑spiperone對大鼠D2R抑制時,[11C]BAK4-51的攝取未見下降,說明未與D2R結合。使用D3R拮抗劑BP897對大鼠D3R抑制時,[11C]BAK4-51的攝取未見下降,因此很可能不具有D3R特異性。Tariquidar是P-糖蛋白(P-gp)抑制劑,可以減少底物與P-gp的結合從而減少底物從腦內的泵出,增加在腦內的保留,Tariquidar抑制實驗與P-gp/BCRP基因敲除實驗驗證了該放射性配體是鼠類和猴子的外排轉運體蛋白P-gp的底物,在使用tariquidar對外排轉運體蛋白進行抑制后注射[11C]BAK4-51,腦內攝取值整體上升,但D3R富集區域與非富集區域比值未見明顯提高(殼核/小腦SUV:未經tariquidar處理為1.4,經tariquidar處理后1.7),雖然殼核/小腦的攝取比增加但殼核清除速率也比小腦等其他其他區域更快。因此外排轉運體并不是造成[11C]BAK4-51對D3R富集與非富集區域攝取差異小的關鍵因素,根本原因可能在于對D3R結合力不夠甚至未結合。小腦區域的高攝取也證實了大部分放射性攝取為非特異性結合或脫靶。因此[11C]BAK4-51不適合作為D3R顯像劑[75]。

最近的一篇文獻報道的苯并呋喃酰胺類探針[18F]8b,其在苯基哌嗪苯環的間位引入了三氟甲基基團,實驗顯示具有優良的親脂性(LogP=2.24),入腦量高(5 min生物分布腦攝取量:1.01%ID),能夠快速被紋狀體和皮層攝取(5 min生物分布:紋狀體攝取量:0.76%ID/g,皮層:0.93%ID/g),PET顯示紋狀體最高標準攝取值為1.61%,能被BP897抑制39%,顯示在紋狀體區域有D3R的特異性攝取[76]。

綜上,雖然通過配體三維定量構效關系(3D-QSAR)、分子對接等分子動力學研究對D3R配體的結構總結出了一定規律,認為苯基哌嗪系列的配體對D3R有著高親和力(Ki)高選擇性,然而應用到生物體內的真實結果往往并非如此,在細胞結合實驗中表現出次納摩爾親和力以及高選擇性的配體在體內放射自顯影和PET顯像中的結果卻差強人意。因為體內外生理狀態有很大差別,如內源多巴胺對受體的占用、受體的密度和活化狀態對激動劑配體的影響,體外的細胞結合實驗往往模擬不到這些體內環境,因而測得的Ki可能并不反應實際情況。因此,多巴胺D3R探針的篩選要基于多種評價手段,僅根據體外測得的Ki就否定探針的效果似乎不合理,同時PET顯像等活體生物評價是篩選過程中不可省略的一部分。PET顯像評價中,最好在被試者清醒狀態下顯像,以避開麻醉刺激下多巴胺增加對探針與D3R結合可能造成的干擾。由于D3R含量少的特點以及種屬差異,僅通過大鼠腦PET顯像很難獲得可觀數據,大動物顯像或許更適合D3R探針的顯像研究。

探針設計時,除D2R外,探針與5-羥色胺(5-HT)受體以及其他多巴胺受體等的結合親和力要低并盡量避免腦內非特異攝取。探針還應盡量避免成為P糖蛋白的底物,以免藥物被泵出腦外。此外,還應考慮血漿蛋白結合、親脂性、代謝穩定性等藥代動力學性質。對于D3R這類腦內含量較少的靶點,放化標記的比活度對顯像結果有很大影響,因此自動化模塊標記是最佳選擇。

圖4 苯基哌嗪類示蹤劑Fig.4 Chemical structure of phenylpiperazines tracers

4 總結

在過去的幾十年里,關于開發靶向D3R的放射性分子探針的研究絡繹不絕。四氫吡咯類非選擇性D2/D3R探針[18F]fallypride、[11C]fallypride、[11C]raclopride已廣泛應用于人體PET顯像研究。具有D3R偏好性的氨基四氫萘類D3R/D2R探針[11C]-(±)-PHNO使得與D3R相關的藥理學研究向前邁出了一大步。苯基哌嗪類高選擇性D3R探針[18F]FTP的出現更是為特異性D3R探針的發展帶來希望。

可惜的是,目前并沒有高選擇性的D3R放射性示蹤劑被用于臨床。主要原因在于,D3R與D2R在跨膜結合域有高達80%的同源性[16],這對開發高選擇性D3R探針有相當大的難度。D3R數量少(約為D2R的1%)以及D3R與內源多巴胺的結合能力強[77],都對探針的親和力提出了相當高的要求。

毋庸置疑,D3R與PD病、精神分裂、成癮等神經精神性疾病有著緊密聯系,開發高選擇性高親和力的D3R PET分子探針雖然道路坎坷但不可或缺,期待未來會得到答案。