小动物PET技术在精神疾病模型研究中的应用

胡 华 苏 亮 施慎逊 王立伟

小动物PET技术在精神疾病模型研究中的应用

胡 华 苏 亮 施慎逊 王立伟

在当今的生物医学中，很多疾病研究需要借助于动物模型的建立，只有在动物模型上实施成功后方可运用于临床研究；而欲对活体实验动物进行动态研究，传统的一些研究方法略显不足，为此需要凭借新的工具和方法观察这些活体动物在疾病发生发展过程中生理生化病理等方面的变化。随着影像学技术的发展，无论是结构性影像学(如CT、MRI）还是功能性影像学(如f MRI、SPECT及PET）已越来越广泛地被应用于各种精神疾病的临床研究。其中正电子发射断层显像(positron emission tomography，PET）是利用正电子核素标记示踪分子进行活体显像，具有无创、动态、定量等特点，可以从分子影像学水平观察活体整体变化过程，对脑科学的研究产生深远影响，也成为精神疾病发病机制探讨和评价治疗手段的重要工具。但是，将临床所用PET用于动物研究，受空间分辨率等限制使其显像效果欠佳，无法满足动物显像研究的要求；而小动物PET(micro PET）是专为研究人类疾病的动物模型而设计的，可在同一动物上进行连续纵向研究，获得全部时点的整体数据，有效帮助研究精神疾病发病机制，此外在对新药研制和药物评价方面也起到积极的推动作用。本文就micro PET技术在精神科疾病研究中的应用及最新进展作一复习。

1 micro PET技术的基本原理与特点

micro PET体积比人体PET小2000倍，从结构上看，除了将人体PET检测床改为测试台外，并无其它差异；工作基本原理也与人体PET大致相同，即：在PET扫描过程中，注入体内的放射性示踪剂(酶作用底物或配体）分布到机体脉管系统，并到达各组织器官或细胞，在靶组织/细胞中，与相应的底物或配体结合后，该示踪剂发生衰变产生正电子，正电子与靶组织/细胞中的电子发生湮没(annihilation），发出一对具有511keV且方向相反的光子，经由PET探测器阵列将此光子产生的一致信号(coincidence events）收集，形成投影线，在计算机上进行图像重建，由投影数据得出靶组织/细胞中放射性示踪剂分布情况。现阶段在精神科疾病模型中使用的示踪剂多为18F标记的化合物，是因该标记的化合物有相对较长的半衰期；18F-FDG是葡萄糖代谢的一个marker，被视为PET示踪剂的“金标准”。药物治疗研究中发现，选用靶作用于去甲肾上腺素及5-羟色胺转运体的抗抑郁药物后，仍有30%患者症状未得到缓解，为此需要进行药物作用神经靶点的研究，如已有研究使用

2-β-carboxymethoxy-3-β-(4-［123I］iodophenyl）tropane(123I-β-CIT）示踪剂，即多巴胺、5-羟色胺转运体marker研究抑郁症的治疗。在决定一个示踪剂是否可以用于人体试验之前先要进行动物实验，首先是要明确该示踪剂与神经靶点的放射亲和力，一个好的示踪剂应与感兴趣的神经靶点具有较好的亲和力与较高特异性；另外要明确脑摄取示踪剂的情况，如果脑摄取较少可能是因为与血浆蛋白结合力较高，或亲油性较差。运用micro PET可以研究示踪剂的药物动力学及观察脑摄取情况，同时还可以对实验动物进行毒理学研究，由此可以合成更多的示踪剂靶作用于不同的神经位点(如胆碱能、多巴胺、5-羟色胺及谷氨酸等系统），更多的运用于临床研究。

然而，临床使用的PET并不能直接用于动物实验研究，主要是考虑到空间分辨率的问题，而该问题过去一直影响micro PET的运用及推广。空间分辨率是指能分清两点的最短距离(mm），也有使用像素颗粒的大小(mm3）来表示。在精神疾病动物模型中常使用的是啮齿类动物，该类动物器官体积较小，如小鼠大脑直径＜1cm，而人体PET分辨率一般为53～63 mm3，故无法满足动物实验要求。micro PET是根据人体PET原理专为啮齿类动物实验研制的，其分辨率一般为23 mm3，由美国洛杉矶加利福尼亚大学设计的第二代micro PET分辨率小于13 mm3，因此可对小动物进行清晰PET显像。此外，使用啮齿类动物进行micro PET研究，较人体PET实验而言需要较少的放射性示踪剂，从而大大减少实验费用。micro PET具有的这些特点推动了该技术在精神疾病模型中的应用，为动物实验和临床研究架起了桥梁。

2 micro PET技术在精神疾病模型研究中的应用

2.1 神经性厌食症（anorexia nervosa，AN）

神经性厌食症是一种进食障碍类的精神疾患。该疾病好发于青春期，其中有95%为年轻女性。该疾病以慢性、易复发性病程为特征，在精神疾患中属于具有较高死亡率的一种。虽然AN的病因至今不清，但是遗传学、神经生物学和环境因素之间复杂的相互作用对该病的发生发展起着重要作用。

研究发现AN患者在疾病发作期存在严重的神经生物学变化，而这些变化在之后的恢复期一直存在。在脑葡萄糖代谢研究中，发现与正常女性相比，AN女性患者全脑和局部脑区葡萄糖代谢降低，尤其是额叶和顶叶皮层，患者体重恢复后这些有差异的脑区葡萄糖代谢恢复正常，但在顶叶和下额叶皮层仍有代谢相对降低的趋势［1］。另有研究发现AN患者膝下前扣带回皮质、顶叶皮层、基底节区葡萄糖代谢发生变化［2］。

虽然已知AN患者脑葡萄糖代谢发生着变化，但相对于其它疾病而言，如帕金森氏症，却较少从动物模型及小动物PET方面来研究AN发病机制。原因之一可能是因为对动物模型本身存在着误解：即认为动物模型应模拟人类疾患所表现出的所有症状。事实上，一个好的动物模型可能只模拟到该疾病的某些方面，如病因、神经化学、症状或对药物的疗效等。此外，由于AN病因至今还不清楚，所以目前还没有一个动物模型可完全模拟该疾患的所有致病因素。反言之，一个好的AN动物模型可有助于研究长期限食对机体神经化学、症状学等方面的影响，从而探索可行的治疗方案。一直以来有关AN动物模型较为质疑的问题是：AN患者表现的“主动限食”与AN动物实验设计中的“被动禁食”二者所致心理生理学变化是否一致。早在1950年，Keys等对36例健康男性禁食，导致体重减轻了25%，结果这些受试者表现出类似AN的许多行为学特征，如对进食产生了厌恶、过分要求食谱、大量消耗咖啡因等等。此外，这些受试者在饮食恢复正常之前，表现出大量进食的行为和体重增加，该研究结果证实了“被动禁食”可有效模拟AN的行为学症状。AN动物模型的建立既有采用急性限食(如几天），也有采用慢性限食(如几周）的方法，而后者可能相对准确，因为临床上该疾患病程常持续达数月甚至数年之久。通常，可采用每天限制给动物的食物总量(为通常食物摄入量的40%～60%），或采用每天限制动物进食的时间(进食时间为2～4h/d）这两种慢性限食的方法来建立AN动物模型，而这两种方法可同样导致体重减轻。另外，为了更好模拟AN患者临床表现的运动锻炼增多，许多动物研究将限食与滚轮(running wheel）活动相结合。有研究发现每天进食3h并采取滚轮活动的雌鼠，较正常对照大鼠而言，其运动活动增加、体重减轻、进食减少；此外这类雌性大鼠的发情周期停止，与临床上表现为已行经的女性会有月经停止的症状相类似［3］。另有研究发现AN动物在恢复阶段，发情周期的恢复与体重的恢复是相关的［4］。综上所述，大鼠经慢性限食可有效模拟AN患者所表现出的临床症状，如体重减轻、运动活动和月经周期的改变等等。

Barbarich-Marsteller等［5］使用18FDG micro PET对慢性限食大鼠进行脑葡萄糖代谢研究，结果发现与正常大鼠相比，AN大鼠脑18FDG摄取在小脑显著增加，在海马和纹状体显著降低。虽然该研究评价的指标为18FDG摄取，而并非直接测取脑区葡萄糖代谢情况，但由于18FDG与内源性葡萄糖竞争进入脑内，所以认为18FDG摄取的变化可间接反映脑葡萄糖代谢情况。该研究中脑18FDG摄取相对降低，与先前临床研究报道的脑葡萄糖代谢降低的结果是一致的。从该实验中我们也看到micro PET技术有着独特的优势，不仅可以活体呈现脑神经元的活动，而且可以在实验进行的不同时间点对同一样本进行重复测量，而这些优势在临床研究中是较难实现的。

此外，Hillebrand等［6，7］建立AN模型的方法与上述方法略有不同，在该实验中大鼠每天可自由进行滚轮活动，但进食时间仅为1.5h/d，建模7～10d后，表现出活动增高、限食等症状。Van Kuyck等［8］使用Hillebrand建模方法，运用18FDG micro PET对AN大鼠进行脑葡萄糖代谢研究，结果发现小脑、脑桥核、丘脑背内侧核、上丘和海马代谢增高，而伏隔核、岛叶及内嗅皮层代谢降低。其中腹侧纹状体，特别是伏核和上丘葡萄糖代谢增高参与大鼠运动活动增高。此外还发现前扣带回葡萄糖代谢与体重变化呈正相关，也就是说葡萄糖代谢降低程度与残余体重二者之间具有相关性。

近年来，功能影像学研究发现AN患者5-羟色胺系统功能紊乱，还有研究发现多巴胺系统也参与该疾病的发生发展。在恢复期间，5-羟色胺和多巴胺受体结合仍存在显著异常。与正常组相对比，AN患者在疾病恢复期阿坦色林与5 -HT2A受体结合力减低，氯雷必利与D2/D3受体结合力增高。这些研究结果表明AN除了具有特征性的临床表现外，还存在有神经化学方面的变化，而这些改变可能成为该疾病特质性的预测指标。AN动物模型的核心症状可能主要归因于中枢神经系统的变化。AN动物模型研究也已发现多巴胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素等神经递质系统发生某些变化，虽然至今还没有使用多巴胺或5-羟色胺受体正电子示踪剂的小动物PET研究，但目前这些研究结果为今后的动物活体神经生化、药理学等研究奠定了基础并指明了方向。

现阶段临床上对AN患者的治疗主要采用精神药物、心理治疗与营养对症支持相结合，但常因伴有躯体疾病或自杀行为导致AN患者死亡率很高。Barbarich等［9］研究发现选择性5-HT再摄取抑制剂(SSRI）对急性期AN患者疗效差，即便是联合给予营养对症支持治疗疗效仍较差；Kaye等［10］发现AN患者体重恢复正常后服用SSRI类药物可有效减少疾病的复发；而一些开放性临床试验发现非典型抗精神病药物对急性期AN患者有较好的疗效。纵然已有一些药物试验研究，但探索新的治疗干预措施依旧迫在眉睫，因此，可以考虑从AN动物模型着手，运用micro PET技术特异性选择作用于某一脑区或神经递质系统的治疗方案来有效改善缓解AN症状。

2.2 应激

应激是指机体受到各种内外环境因素(即应激原）刺激时所出现的非特异性的全身反应。应激既是一种重要的防御机制，也是生理反应的一部分，无论是对于人体还是动物，都有着非常重要的作用。

Pruessner等［11］运用PET及f MRI研究发现当人们面对心理社会应激时，大脑边缘系统代谢广泛降低，如海马、下丘脑、眶额部及前扣带回皮质等；而海马代谢降低的程度与应激时机体皮质醇分泌的增多相关。Gianaros等［12］研究发现Stroop色词应激试验可使杏仁核代谢显著增高。Liberzon等［13］发现创伤后应激障碍的患者在情绪诱导条件下体内促肾上腺皮质激素(ACTH）释放与旁边缘系统和内侧前额叶皮层局部脑血流变化有关。而临床研究应激反应时大脑神经生物学机制会面临伦理学问题，其实际操作也受到限制，为此可能应更多从动物实验方面着手。

应激动物模型的建立方法有多种。首先可以采用将动物置于一种无法逃避的环境中，直接给予一种或多种应激原。足底电击是过去较常用的方法，但由于该方法更多的是强调躯体应激因素，故目前使用较少。与之相反，束缚制动则可引起较为显著的心理应激因素，急性束缚可诱发实验性焦虑，而慢性束缚则属于慢性激惹应激反应。其次可以利用动物矛盾-冲突的心理来建立应激模型。经典的建模方法是惩罚性饮水实验，动物在饮水时即受到电击，可以通过记录一段时间内电击的次数来间接反映动物恐惧行为。最后可以采用较为纯粹的心理性或社会性心理应激的方法，如社会失败模型、旁观电击大鼠模型、捕食应激模型及空瓶刺激模型等；这类模型利用了激发动物自身的情绪反应，但又不会造成躯体性损伤，故是模拟人类应激情绪反应较好的建模方法。

Kang-Keyng Sung等［14］采用束缚制动的方法建立应激模型，通过18FDG micro PET研究应激大鼠脑葡萄糖代谢的变化，结果发现应激大鼠下丘脑、内嗅皮层和梨状皮层代谢增高，而背侧海马、丘脑、感觉/运动皮层、纹状体、上丘和小脑代谢降低。而在Pruessner等［11］研究中下丘脑代谢却是降低的，可能是由于两个实验中应激原的强度不同而导致的。由于采用的是束缚应激模型，故广泛脑区代谢降低，尤其是与运动有关的脑区，如感觉/运动皮层、纹状体及小脑等。

2.3 抑郁症

抑郁症是一种高患病率、高复发率、高致残率和高自杀率的严重精神疾患，由多种原因引起的以持久抑郁心境、情绪低落为主要临床症状。关于抑郁症的发病机制有来自不同学科领域的研究，如遗传学、神经生化、神经内分泌、脑电生理、神经影像学及心理社会因素等，但至今病因仍不十分清楚。

目前大多数研究发现抑郁症患者存在不同程度的脑血流、脑功能代谢异常，而由于各研究使用的方法不同、受试者疾病严重程度不同，所以得出的结果并不一致。早在1989年，Baxter等［15］研究发现，重性抑郁症患者大脑额叶、颞叶皮质代谢降低，尤其以左前额叶背外侧皮质、额叶近眶部皮质、颞叶脑血流降低为主。而Tutus等［16］则发现单相抑郁症患者左额叶血流高代谢，缓解期这些差异减轻。此外，Davidson等［17］报道指出抑郁症脑功能代谢异常可能涉及到边缘系统，如杏仁核、海马、岛叶与前扣带回。Gonul等［18］发现前额叶背外侧皮质代谢降低伴随着前扣带回血流减少。

在对抑郁症机制研究早期就提出中枢神经递质紊乱假说，为此最早建立抑郁症动物模型的方法是通过给予药物致递质紊乱从而诱导抑郁行为。另外还可以通过切除双侧嗅结节导致行为和内分泌异常。这两种方法均是改变机体生物学因素来建立模型，而这与绝大多数人类抑郁症的发病机制相差甚远，故目前较少采用。心理社会因素与抑郁症的发病越来越得到关注和认可。习得性无助(learned helplessness）、行为绝望(behavioural despair）、孤养与分养(isolated or separate breed）、慢性不可预见性应激(chronic unpredicable mild stress，CUMS）等方法均是通过给予心理应激因子来建立抑郁症模型。其中CUMS方法的理论依据与人类抑郁症中慢性、低水平的应激原促使疾病发生发展的机制更为接近，也能够较好模拟抑郁症的核心症状(即快感缺乏），且可被抗抑郁药物所逆转，因此是较好的抑郁症模型。另外还可以通过转基因技术将与抑郁症有关的基因加入到动物的基因组中使之产生抑郁症。无论是哪一种建模方法都只是侧重抑郁症致病因素的某一方面，因此可将多种模型相结合来扬长避短，即生物—心理—社会因素整合可能才会更好模拟人类抑郁症。

强迫游泳属于行为绝望模型的一种，于1977年由Porsolt等建立，该模型具有简单、快速、对抗抑郁药物敏感等优点，但也存在不足，如该试验中抑郁动物增加“不动”行为，可能是由于行为绝望或类似于习得性无助，可能是机体对抗应激的一种本能反应，还可能是由于体能过度消耗及对实验环境的适应。Dong-Pyo Jang等［19］运用18FDG micro PET对该模型大鼠进行脑葡萄糖代谢研究，结果发现小脑、纹状体代谢增高，而海马、下丘、眶额皮质及岛叶代谢降低。其中小脑、纹状体代谢增高可能与大鼠试图维持机体平衡和“不动”姿势有关；面临强迫游泳应激时海马代谢可能受到明显削弱。另外Dong-Pyo Jang等［20］给予氟西汀观察大鼠脑葡萄糖代谢的变化，发现与生理盐水组相比，氟西汀20mg/kg组小脑、背侧海马代谢增高，而岛叶、梨状皮质代谢显著降低，并且氟西汀干预后大鼠“不动”行为明显减少。由于强迫游泳本身属于较强的应激因子，建模方法还存在一些不足，考虑是否可以选用一些更贴近抑郁症发病机理的模型，如CUMS来进行抑郁症相关研究。

2.4 其它疾病

除了上述介绍的几种疾病外，还有其它一些常见精神科疾病，如精神分裂症、焦虑障碍等等，其机制也不十分清楚。从影像学角度来看，这些疾病的患者存在着不同程度的脑结构与功能异常，但究竟哪些脑区存在异常，目前研究结果尚未一致；此外，现已有一定的建立动物模型的方法，如通过干扰神经发育、神经递质、基因等途径建立精神分裂症动物模型，但在pubmed，ovid等数据库中尚未检索到运用小动物PET进行研究的文献，相信从这个方面研究会对其机制探讨有所帮助。

3 结语

运用micro PET技术对精神疾病动物模型进行研究具有一定优势，即能够随疾病发展过程进行跟踪观察，在发病前后不同时点和间隔内进行研究并干预，而在人体试验中做到这点是很困难的；另外可以直接从动物活体上采集标本，将行为、神经影像与细胞、蛋白等水平整合，多角度进行综合研究，对各种精神疾病的发病机制可能会有更全面的了解。从本文我们可以看到，micro PET在精神科疾病中的运用尚处于起始阶段，还有更广阔的发展空间，随着该技术在精神科领域中越来越广泛的应用，相信不久的将来会更利于指导临床研究，而并非跟随临床已有的研究结果。

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(本文编辑：武春艳）

更 正

本刊2010年第22卷第1期的目次页中“2010年”误刊为“2009年”，特此更正，并向读者表示歉意！

《上海精神医学？编辑部

2010-03-02）

复旦大学附属华山医院精神科 200040。通信作者：王立伟，电子信箱lwwang163@163.com