阿爾茨海默癥病理標志物分子影像學研究進展

趙若杞

(復旦大學附屬中山醫院，上海 200032)

阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)是一種以淀粉樣斑塊、神經原纖維纏結和神經元丟失為主要病理特征的進展性神經退行性疾病，也是導致癡呆的主要因素。流行病學研究[1]預測，截至2050年，中國AD患病率將從2019年的5.6%增加到11%，平均每年消耗9.12萬億美元。目前AD臨床診斷主要基于癥狀評估和認知測試，但都是主觀性評價指標，通常難以進行橫向和縱向比較，而腦脊液等數生物標志物檢測具有侵入性，難以實施和重復。因此，最具有應用前景的篩查和診斷方法是以分子影像為代表的神經影像學手段。

目前已有多種成像方法在臨床上被應用于AD診斷。這些技術可大致分為計算機斷層掃描(CT)、核磁共振成像(MRI)及各種衍生技術。CT多被用于描述大腦的解剖結構，在AD診斷中可提供表現為以皮層為主的大腦體積減小和不成比例的海馬萎縮等影像學證據。從該技術發展而來的正電子發射斷層掃描(PET)和單正電子發射計算機斷層掃描(SPET)可根據血流量、耗氧量和葡萄糖利用率等提供有關大腦功能活動強度的信息。18F-脫氧葡萄糖(18F-FDG)是PET-CT中最常用于檢測神經元退行性變導致的腦葡萄糖消耗減少的神經化學變化指標之一。在該檢測手段中，大腦皮層頂葉和顳葉的放射性攝取減少是AD區別于其他情況的主要標志性特征。MRI利用不同原理同樣可以檢測到患者大腦是否出現萎縮，尤其在T1加權的結構磁共振中可半定量顯示海馬體、杏仁核及內嗅皮層等部位的特征性體積變化。功能磁共振(fMRI)則可通過血流變化直觀地顯示腦內神經元活動強度[2]。然而，這些目前廣泛應用的成像技術局限于檢測大腦解剖學層面的結構變化或代謝異常，因此只能起到指示性的區別作用，而不能成為確定性定量指標。換言之，目前神經影像學的檢測結果及其解讀存在很大差異，不足以滿足AD早期發現、疾病分級、治療評估和精確預后的需求。而細胞層面的病理變化等始動因素遠早于臨床癥狀的出現和解剖結構的改變。針對AD流行病學特征(危險因素、病因及病理生理進程)尚未闡明和缺乏疾病逆轉性藥物的現狀，對于早期檢測其分子層面變化技術的需求是相當迫切的。

分子神經影像將針對分子靶點設計并合成的示蹤劑作為顯像劑，專門識別和結合淀粉樣沉積等AD特征性病理分子，有望改善AD的醫療干預效果。事實上，靶向β-淀粉樣蛋白沉積的PET放射性示蹤劑可將診斷水平前移至輕度認知障礙(MCI)或應用于高危人群篩查是非常重要的進展。一些此類示蹤劑已經成功地應用于臨床。同時大量研究發現，作為一種具有復雜病理生理機制的疾病，AD有著許多不同的分子病理特征，均可以作為放射性示蹤劑的靶點。因此，有些放射性示蹤劑針對β-淀粉樣蛋白，另一些則可識別tau蛋白沉積及其變體或其他具有不同效力的靶點。鑒于此，現綜述一些最有前景的示蹤劑及其機制。

1 AD分子病理學和放射性示蹤劑靶點研究現狀

包括前額葉皮質、扣帶回、顳葉和頂葉等特定區域的神經元和突觸的特征性丟失導致大腦嚴重萎縮，稱為阿爾茨海默病。這些解剖結構變化體現了相應的大腦功能受損。顯微水平下，淀粉樣斑塊和神經原纖維纏結是AD的鏡下病理特征。大體解剖異常可以通過結構MRI或CT來檢測，而fMRI和其他技術則是為了描述大腦血流或耗氧量等功能狀態而設計的。這些方法由于缺乏客觀的區分標準，在很大程度上依賴主觀分析。同時，癡呆復雜的分類和共病情況常使得AD易與其他具有相似癥狀的癡呆類型相混淆。AD分子病理的改變發生在疾病進展的早期階段，在臨床癥狀之前并隨疾病的進展而變化。因此，靶向分子特征的神經影像使克服這些障礙具有可能性。為了描繪AD復雜的病理生理進程，更需要詳細了解其分子病理特征。

事實上，現已提出的機制或假說沒有一種能夠充分解釋細胞和腦區層面的神經病理性進展及其臨床表現。淀粉樣蛋白級聯假說是目前受到最廣泛認可的阿爾茨海默病病理理論。雖然許多治療這一靶點的藥物臨床試驗紛紛失敗，但不可置否的是蛋白病(蛋白質錯折疊)仍然與疾病的進展有著很強的相關性。因此，淀粉樣斑塊可能是由其他過程引起的神經元損傷所致，而非疾病發病的初始因素，卻并不影響其作為神經影像學檢測的生物標志物的潛質。

根據該假說最新進展，神經元外Aβ蛋白序列及裂解后長度、濃度(多聚或寡聚)及破壞其分布穩定性的因素都是重要的影響因素。在斑塊逐步形成的過程中，淀粉樣前體蛋白(APP)——一種與神經元生長、存活等基本功能相關的跨膜蛋白——通過α-、β-或γ-分泌酶的錯誤切割產生更易聚的Aβ1-42蛋白片段[3]。這些蛋白片段聚合為低聚物后極易形成與其纖維軸垂直排列的β鏈層結構。隨后，蛋白片段的側鏈結構將相鄰兩鏈層聯鎖起來并與其他鏈層纏結，共同形成原纖維，最終形成為直徑10～120 μm的具有球形結構的成熟斑塊[4]。成熟斑塊還可與其他細胞物質共同沉積在受累神經元周圍，形成主要以不溶性β淀粉樣肽聚集體組成的致密斑塊。在神經元內，微管相關蛋白tau磷酸化水平改變導致其聚集并形成神經原纖維纏結。而具有神經毒性的Aβ斑塊被認為是引發tau蛋白過度磷酸化的因素：具有3或4個微管結合重復結構的可溶性tau蛋白單體亞型首先結合在一起形成低聚物，然后依次聚集成β鏈層，繼而形成神經原纖維纏結。其中，特殊亞型的tau蛋白與AD密切關聯，因此可作為成像的靶點[5]。這些神經元內外的聚集體會引起神經元多種功能障礙，包括轉座元件失調、鈣離子穩態破壞、葡萄糖利用障礙等，最終導致神經元死亡。

許多研究認為tau過度磷酸化和聚集是Aβ沉積的下游事件，但近期研究表明它們也可能作為兩個平行的途徑作用于疾病進程。因此，靶向Aβ斑塊的成像在疾病前驅階段具有指示性，而tau蛋白原纖維與腦萎縮和低代謝密切相關，并與疾病癥狀的嚴重程度成正比。總之，這兩個分子靶點的監測都具有很大的價值。

此外，Willette等[6]研究發現，在AD發病前很久就可以觀察到腦內葡萄糖利用水平的下降。鑒于AD是一種復雜的多因素疾病，具有多種病理生理過程，因此在疾病惡化過程中的許多分子也有望作為成像的靶點，如特征性能量利用障礙、蛋白質和脂質代謝異常以及神經遞質周轉異常等標志性損害。因此，針對神經遞質系統、代謝、神經元丟失等過程的分子示蹤劑也是研究熱點。

2 分子成像基本原理及機制

2.1 放射性示蹤劑和磁示蹤劑 確定AD標志性生物靶點后的下一步是尋找相應的示蹤劑。放射性示蹤劑指含有一種或多種放射性核素的化合物，其放射性衰變信號可以通過成像系統中的輻射探測器來檢測，從而追蹤某些系統中目標底物的位置、分布和動態變化。在PET成像中使用的放射性核素通常是非特異性原子，在生命必需的、分布廣泛的化合物存在且半衰期較短，如11C、15O、13N、18F。為特異性整合至特定生理途徑或識別特定結構并進行定性和定量顯像，示蹤劑具有精密設計的結構：放射性基團和生物活性基團通過化學鍵共價連接構成分子探針。其中生物活性基團可以是代謝底物、抗體等，用于反映多種生理生化過程，如血流、能量代謝、蛋白質合成、神經遞質周轉和受體動力學。生物活性基團也可以附著在磁性納米結構上或該分子本身具有干擾周圍水分子磁性特征的作用，從而通過MRI技術進行可視化。生物活性基團識別相應分子的同時，放射性基團原位發射信號，分子影像的基本原理是分子識別和雜交，類似體內組織化學。因此，AD分子成像是根據指示性分子靶點設計分子探針或顯像劑。測試和評價所設計示蹤劑的性能通常用到的標準有高親和力、高結合特異性、高比活性、高血腦屏障穿透性和低副作用。在實現這些目標之前，需要充分研究外周和中樞神經系統的代謝和機制。它們的發射能量和半衰期應符合目標應用。此外，示蹤劑需要在正電子或單光子同位素標記后保持相同的生物性質。最后，也要考慮到成本和實用性。

2.2 應用中及研究中的示蹤劑 在PET掃描中應用最廣泛的同位素是18F和11C。同時99mTc、123I/125I/131I以及77Br是SPECT中常見的單質子。18F在酰胺基、羥基或巰基中可以取代氫原子，半衰期109.8 min，可以進行遠距離運輸，使得其使用不受設備限制。11C在標記位點上具有更少的限制，是內源性和外源性生物大分子中非常豐富的原子之一，但其放射性相對較低，半衰期較短(20.4 min)。盡管碘有23種放射性同位素，但其中只有3種是可用的。123I適用性更好，更長的半衰期(13 h)和更高的能量(159 keV)使其易于標記的同時保證了高成像質量。然而，其生產需要加速器，成本效益不高。此外，其他2種同位素過長的半衰期(分別為60 d和8.04 d)和較低的能量發射(分別為30 keV和365 keV)使其成像質量較低，因而很少用于中樞神經系統。99mTc是使用較廣泛的放射性同位素，半衰期最短(6.02 h)，在141 keV時發射純γ光子。由于擁有多變的配位原子和共價基團可改變其電子分布狀態，99mTc的親水狀態和其他物理性質具有較高的可操縱性，因而具有高靶器官吸收性和滯留性。除外現有的3種靶向淀粉樣斑塊的示蹤劑，florbetapir(18F-AV-45)、floretaben和flutemetamol已經被歐洲藥品管理局和美國食品和藥品管理局批準在歐洲和美國用于臨床，還有許多相應的示蹤劑正在研究中[7-8]。這些示蹤劑可按其靶標分類：代謝途徑、β淀粉樣斑塊、tau蛋白纏結和神經遞質。

2.2.1 靶向β-淀粉樣蛋白示蹤劑：如前所述，雖然能量代謝障礙和功能神經元丟失可能是AD早期階段的標志，但確切的分子病理應該是β-淀粉樣蛋白在內側頂葉皮質的沉積，這被長期認為是AD中可以識別的第一個分子事件。在體外實驗中，最早被發現與β纖維交叉結構結合的化合物是剛果紅和硫磺素T，但它們的離子電荷阻止其跨越血腦屏障[4]。在這兩種化合物的結構基礎上開發了許多以11C或18F為放射性同位素的PET示蹤劑，以便在體內直接可視化Aβ及其分布來評估神經炎性斑塊。在體內應用的第一種識別β-淀粉樣蛋白的化合物是BSB，具有較好的血腦屏障穿透性和斑塊特異性結合力。隨后，兩個科研小組分別設計了可分別識別β-淀粉樣蛋白的熒光示蹤劑18F-FDDNP、18F-FENE和125I-ITZM、125I-IBOX和兩個內源性標記化合物125I-bFGF和125I-SAP。而結合了剛果紅和氨基葡糖G的Methoxy-X04也是一種熒光示蹤劑。經過人工合成的Aβ纖維和AD患者尸體標本測試，6-OH-BAT-1即PIB最終在100多種化學物質中脫穎而出。在AD前驅期，PIB結合增加，表現為雙峰行為：大約50%陽性個體隨后進展為AD。在前瞻性研究中，PIB配體滯留增加可以在隨訪中識別82% AD患者，僅有1例預測失敗，顯示出其較高的敏感性和特異性。此外，研究發現杏仁核和海馬體萎縮都與PIB結合呈正相關，表明大腦不同區域對Aβ毒性的易感性存在差異。雖然這種示蹤劑似乎有希望在AD臨床發病前顯示Aβ沉積物的增加，但卻存在天花板效應，仍然需要進行大的多中心研究以制定客觀評價標準。Florine-18具有更長的半衰期，比11C標記的示蹤劑更加實用，因此由18F標記的化合物如苯并噻唑衍生物、苯并呋喃、二苯乙烯和苯并吡啶等已經進入臨床試驗的后期階段。根據敏感性和特異性，美國食品和藥物管理局批準了3種與纖維聚集形式β-淀粉樣蛋白結合的放射性藥物。氟替莫作為一種苯并噻唑衍生物，可估計斑塊密度，敏感性為88%，特異性大于80%，在Ⅲ期臨床試驗中無不良反應[8]。含有二芳烯的氟倍他吡在AD患者中檢測到β-淀粉樣蛋白存在的陽性率為84%，在MCI患者中陽性率為45%。氟倍他苯檢測組織病理學證實的Aβ斑塊的敏感性為97.9%，特異性為88.9%[7]。雖然在一項研究中，18F-FDDNP與11C-PIB相比效果并不突出，但該研究同時指出其在顯示AD部分腦區特征性變化中存在優勢。此外另有許多化合物，如18F-RO6958948、11C-RO6931643和11C-RO6924963等也在研究和對比中[9]。然而,現有許多研究認為β淀粉樣斑塊的增加與AD臨床癥狀進展的關聯性并不強，相反低聚物淀粉樣蛋白可能在AD早期引起記憶丟失。據此，Viola等[10]將寡聚體特異性抗體附著在磁性納米結構上構建了一種穩定的化合物，可通過鼻內給藥進入中樞神經系統并與Aβ寡聚體結合后產生可被檢測的MRI信號。除了上述化合物外，一些金屬放射性藥物(如銅)和磷光物質(如釕多吡啶)等也在開發與研究中。總體來說，這些示蹤劑在腦區中表現出不同的分布，可以顯示它們所檢測的AD病理特征的不同側面。

2.2.2 靶向神經原纖維纏結中磷酸化tau蛋白示蹤劑：Aβ沉積和聚集均在AD病情進展早期即達到飽和并進入平臺期，而內側顳葉的tau聚集作為下一步的病理改變與低代謝和萎縮密切相關，并與認知缺陷程度呈擬合較好的正相關。即便此類示蹤劑的研究價值是相對較晚和最近被關注的，但也有部分已初步成形。含氟的放射性示蹤劑已被開發用于高精度地結合tau纖維。Watanabe[11]構建了一種名為BIP-Nme2的化合物，其與AD患者腦中tau聚集體具有很高的親和力，且具有良好的藥代動力學特性。18F-T807可進行tau蛋白定量檢測且血漿清除率高[12]。11C放射性標記的示蹤劑則有11C-THK5351和11C-PPB等，研究[13]發現前者信號與預先測定的tau蛋白分布更密切相關，而后者則與β-淀粉樣蛋白與tau共沉積關系更加密切。由于tau蛋白病理在AD進展過程中出現相對較晚，并且與AD臨床癥狀更密切相關，因此它的影像學在臨床試驗中被更廣泛地用于檢查藥物延緩疾病進展的有效性，而在早期發現或診斷中價值則弱于靶向Aβ的示蹤劑。

2.2.3 靶向代謝示蹤劑：神經毒性的可能后果之一是神經退行性變。據報道，通過PET和SPECT掃描觀察到的顳葉頂部對稱代謝和血液灌注減少在AD中是重要的癥狀提示。這種灌注減少所代表的神經元功能受損很大程度上歸因于突觸活動的減少。由于神經元幾乎全部能量來源都是由葡萄糖提供的，所以18F-FDG可以間接顯示AD早期神經元的代謝水平。通過氟取代氫，該化合物可以通過葡萄糖轉運體被轉運到神經元中，并由6-磷酸果糖激酶催化，但卻不能被后續的酶催化且沒有相應轉運體，因而被捕獲在神經元中[14]。在AD早期，在后扣帶回和顳區可觀察到典型的對稱性低代謝。這種能量代謝障礙隨后將擴散到前額葉皮層，且其程度與認知障礙嚴重程度成反比。前瞻性研究表明，后扣帶回表現低代謝率和血液灌注的個體有更高的可能性進展為AD。18F-FDG-PET所檢測到的低葡萄糖攝取率診斷AD的敏感性為94%，但特異性相對較低，為73%～78%[15]。此外，區域性低灌注血流還可以通過99mTc-HMPAO或99mTc-ECD顯示，且兩者具有相似的特異性和更快的組織分布平衡速率[16]。其中99mTc-ECD更易透過血腦屏障，因此可以長時間保留在大腦中而具有更好的靶器官分布，且幾乎沒有副作用。但它在體外迅速降解的特性影響了其臨床應用。在此類示蹤劑的檢測結果中，頂葉頂部特異性低灌注提示AD，額葉特異性低灌注則提示額顳葉癡呆，而斑片狀低灌注提示血管性癡呆，可作為重要的鑒別診斷標準。

2.2.4 靶向神經遞質系統研究：神經元最主要的能量消耗部位是突觸，即發生活躍的電活動和物質交換的場所[17]。更重要的是，神經元功能障礙和功能喪失通常反映在產生和釋放的神經遞質或其受體的減少方面[18]。神經遞質及其受體通常被認為是特定類型神經元的標志物[19]。因此，考慮到不同類型神經元在不同腦區的分布，神經遞質及其受體也可以指示某些腦區的神經元丟失。尸檢發現，AD患者中樞神經系統中的乙酰膽堿(ACh)系統功能障礙與淀粉樣斑塊之間存在相互作用關系[20-21]。而且，膽堿酯酶抑制劑被認為是治療該病的少數有癥狀緩解作用的藥物之一[22]。而尼古丁和毒蕈堿型膽堿能受體的表達失調和親和力改變則會影響治療效果[23]。Weinberger等[24]發現3-奎寧-4-123碘苯甲酸酯(123I-4-IQNB)應用于SPECT時，其與毒蕈堿型乙酰膽堿受體活性結合較強的腦區與FDG-PET測定的葡萄糖代謝強度存在一定程度的不相關性，且在AD患者中顯示出的缺陷范圍更大。在AD患者中，該示蹤劑的信號所顯示的不同腦區的受體表達差異甚至可達到受體亞型水平[25]。更確切地說，AD患者顳葉頂部與尾狀核之間的活動比低于正常老年人。總體上這種示蹤劑具有包括高受體特異性在內的許多理想特性。遺憾的是，(R，R)-I-NQB和(R，S)-I-NQB的結合親和力存在差異且放射性碘限制了化合物的實用性。而針對尼古丁型乙酰膽堿受體的示蹤劑有11C-煙堿。除此之外，靶向囊泡ACh轉運體的藥物也在研發當中：123I-5-三丁基錫-3-苯基哌啶基-2-羥基萘(123I-IBVM)作為一個代表，被發現其信號強度與年齡和癥狀嚴重程度成反比。此外，其親合力的降低在帕金森病(PD)患者中僅局限于頂葉和枕葉，而在PD與AD共病的患者中表現為全皮質的降低。因此，這種化合物也被認為可用于檢測膽堿能神經元變性，但其診斷AD的特異性和敏感性有待確定。總體來說，頂葉、額葉和海馬煙堿型乙酰膽堿受體(nAChR)的特征性減少可以通過結合危險基因來早期預測AD的發生。另一重要的興奮性遞質系統是多巴胺能神經元，在PD、精神分裂癥和藥物濫用等疾病中被廣泛研究。靶向多巴胺轉運體的示蹤劑，如123I-氟丙基羧基-甲氧基降氧烷(123I-FP-CIT)有助于區分PD型癡呆、路易體癡呆和AD。Higuchi等[26]開發了靶向組胺受體1的11C-多塞平并發現其在AD患者中表現為額葉和頂葉低信號。更重要的是，該信號所代表的相應受體在特定腦區的表達濃度與疾病的嚴重程度密切相關。5羥色胺(5-HT)受體有7種亞型，而只有1A和2A在AD中表現為在額葉、頂葉、顳葉和枕葉的大量減少且可被18F-setoperone檢測到。最主要的抑制性遞質γ-氨基丁酸(GABA)系統也可用于顯示腦區的萎縮。11C-氟馬齊尼可在體檢測GABAA受體的表達濃度，并在AD患者中表現為內側顳葉皮層、顳下皮質和后外側區的結合程度降低，與尸檢標本中實際表現明顯萎縮的區域有很強的相關性[27]。

3 結 語

通常至少有一種影像資料顯示大腦結構性改變是排除顱內因素造成的癡呆并診斷AD的必要條件。而應用主觀視覺評估內側顳葉萎縮或海馬體積，則受到硬件和軟件等多種條件的限制，且存在操作依賴性。通過結合自動化計算機輔助方法和多種示蹤劑或多模態成像，或許可解決傳統影像手段存在的問題。分子病理示蹤劑提供了精確量化大腦變化的可能性，而機器學習已成為挖掘數據、識別信號、標簽組和分析結果的有力工具。具有大型隊列的橫斷面研究可以提供原始分析資源，以創建新的診斷特征和設置閾值并建立預測模型。此外，有觀點認為AD可能是一種具有組內亞型的疾病，對此可通過基于結構、功能和分子數據的神經網絡的模式識別分類分析進行評估。一項研究[14]使用了一種新的深度學習框架用以區分潛在的前AD患者和其他MCI個體，并發現在單一FDG-PET模式下的準確率為82.51%，高于其他方法。AD診斷的另一個挑戰是病理機制與導致癡呆的其他病因之間具有重疊，約90%的Lewy體癡呆病例和所有嚴重腦血管病均與AD有類似的病理表現[3]。為克服這一障礙，可以應用不同示蹤劑的組合來識別不同的生物標記物。有證據表明，不限于分子類型的幾種示蹤劑的組合具有更好的靈敏度和特異性，盡管我們仍然需要找到有效的方法來整合和解釋這些信息。在成像技術方面，不同的方法有自己的特點：PET利用內在元素進行放射性標記，具有比SPECT更好的生理相容性；磁共振成像具有較高的分辨率和三維顯像能力，但靈敏度較低；類似PET/MRI的多模態成像可以將代謝和功能活動信息結合在一起，以便更好地比較同一隊列中的不同方法或將信號合并在一起以更好地描述病情[28]。總之，結合針對不同分子病理的不同放射示蹤劑，并結合不同來源的不同生物標志物以及多模態成像和計算機研究，提供可靠和成本效益高的診斷方案，將是研究分子影像學對AD臨床應用的前景所在。