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NMDA受体显像剂99mTc-PQQ酯的药物动力学研究

2013-02-23曹国宪周杏琴孔艳艳张建康钦晓峰

核技术 2013年1期
关键词:顶叶额叶海马

曹国宪 周杏琴 孔艳艳 张建康 钦晓峰

(江苏省原子医学研究所,卫生部核医学重点实验室,江苏省分子核医学重点实验室 无锡 214063)

NMDA受体显像剂99mTc-PQQ酯的药物动力学研究

曹国宪 周杏琴 孔艳艳 张建康 钦晓峰

(江苏省原子医学研究所,卫生部核医学重点实验室,江苏省分子核医学重点实验室 无锡 214063)

用药物动力学定域模型及向量分析方法研究99mTc-PQQ酯(99mTc-4,5-dioxo-4,5-dihydro-1H-pyrrolo (2,3-f)quinoline-2,7,9-tricarboxylic acid 2-ethyl ester 7,9-dimethyl ester)在小鼠血和脑中的药物动力学,以用于研究NMDA受体(N-methyl-D-aspartate receptor)显像。随机选取8组18−22 g的小鼠(每组5只,一组用于血药动力学,其他用于脑药动力学),从尾静脉注入99mTc-PQQ酯(0.2mL,10 MBq),血药动力学组于注射后5、15、30、60、120、180、360 min从尾静脉抽取10 μL血样;其他组于注射后同样的时间间隔处死,取脑组织(海马、额叶、顶叶、小脑、枕叶、纹状体、脑桥和延髓、颞叶和丘脑)并称重,用γ-counter测放射性计数。用药物动力学定域模型计算动力学方程和参数、构作解空间、进行向量分析。动物实验数据表明,99mTc-PQQ酯能在海马、额叶和顶叶中浓聚。根据药物动力学定域模型计算,动力学方程分别为:海马C=0.24e−0.042t+0.28e−0.0045t,额叶C=0.22e−0.042t+ 0.27e−0.0045t,顶叶C=0.24e−0.042t+0.21e−0.0045t,小脑C=0.23e−0.042t+0.11e−0.0045t,枕叶C=0.17e−0.042t+0.14e−0.0045t,纹状体C=0.11e−0.042t+0.17e−0.0045t,脑桥和延髓C=0.10e−0.042t+0.18e−0.0045t,颞叶C=0.14e−0.042t+0.14e−0.0045t,丘脑C=0.14e−0.042t+0.09e−0.0045t。血药动力学参数计算为:k12=0.0173 min−1, k21=0.0096 min−1,ke=0.0196 min−1,CL=0.13 ID% g−1·min−1,AUC=753.68 ID% g−1·min,t1/2α=16.50 min,t1/2β=155.35 min等。对应于各脑组织向量的模与99mTc-PQQ酯在各脑组织中的最高浓度成线性关系,回归方程为y=1.3287x−0.0229,R2=0.9487。解空间和向量分析表明,99mTc-PQQ酯在海马、额叶和顶叶中的动力学行为相似,但与其在其他脑组织中的动力学行为有一定差异。药物动力学研究结果表明,99mTc-PQQ酯能在某些脑组织(如海马、额叶和顶叶)中浓聚。该药物在脑组织中有利的摄取和适宜的滞留证实了其能在体内与NMDA受体结合。

99mTc-PQQ酯,NMDA受体,显像剂,药物动力学定域模型,向量分析

N-甲基-D-天冬氨酸(N-methy-D-aspatrate,NMDA)受体与各种精神紊乱及生理疾病(如精神分裂症、脑卒中、帕金森病、癫痫、亨延顿舞蹈病及阿尔茨海默型老年性痴呆等)有关,利用NMDA受体显像剂检测神经系统中特定区域的NMDA受体的分布、数目(密度)和功能(亲和力)等变化,从分子水平上展现脑的生理、病理状态,对精神分裂症作出早期诊断,并用于观察病情进展、指导合理用药以及疗效评价和预后判断,具有重要的理论和实用价值。

吡咯喹啉醌(Pyrroloquinoline quinone,PQQ)是一种热稳定性强、带负电荷的NMDA受体配基,国际上已有用放射性核素标记PQQ进行脑NMDA受体显像研究,但其进脑量低,难以成为合适的显像剂[1,2]。在对99mTc-PQQ研究的基础上[3],对PQQ进行了酯化,获得PQQ酯(4,5-dioxo-4,5-dihydro-1H-pyrrolo (2,3-f)quinoline-2,7,9-tricarboxylic acid 2-ethyl ester 7,9-dimethyl ester,PQQ酯),从而提高了脂溶性和进脑量,使之易于穿过血脑屏障,并用99mTc标记制备成99mTc-PQQ酯。本工作对其在小鼠体内的药物动力学进行了研究。

1 材料与方法

1.1主要试剂

标记前体:根据文献[4],课题组自行设计、合成了PQQ酯。氟化亚锡:北京百灵威公司。乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na):国药集团化学试剂公司。其他试剂为国产分析纯。聚酰胺薄膜:浙江省台州市路桥四甲生化塑料厂。

1.2仪器

Wizard 1470 γ-counter:美国Perkin Elmer仪器公司。pH300型pH计:上海天达仪器有限公司。AC-2105型分析天平:德国Sartorius公司。BS224S电子天平:德国Sartorius公司。钼-锝发生器(Na99mTcO4):中核高通公司。XW-80A型涡旋混合器:上海医科大学仪器厂。玻璃点样毛细管:华西医科大学仪器厂。

1.3实验动物

ICR小鼠(18−22 g,雌雄各半)来自扬州大学农学院,动物许可证书SCXK(苏)2007-0001。

1.499mTc-PQQ酯的标记

在西林瓶中加入0.05 mL(1mg/mL)的EDTA-2Na溶液、0.05 mL(1 mg/mL)的SnF2盐酸溶液、0.05 mL(1 mg/mL)的PQQ酯溶液、74 MBq Na99mTcO4淋洗液、加磷酸盐缓冲液(1 mol/L),调pH=6.5,反应总体积为1 mL,100°C水浴反应30 min。TLC法测标记率:用毛细点样管将反应液点样于聚酰胺薄膜层析条,展开剂为丙酮:正己烷:三乙胺=3:1:1(V:V:V)。层析后分为10段,分别测各段的放射性计数,计算标记率。

1.599mTc-PQQ酯小鼠体内药物动力学

随机选取8组18−22 g的ICR小鼠(每组5只,一组用于血药动力学,其他用于脑药动力学),从尾静脉注入99mTc-PQQ酯(0.2mL,10 MBq),血药动力学于注射后5、15、30、60、120、180、360 min,从尾静脉抽取10 μL血样;其他组于注射后同上时间点处死,取脑组织(海马、额叶、顶叶、小脑、枕叶、纹状体、脑桥和延髓、颞叶和丘脑)并称重,用γ-counter测放射性计数。然后用建立的药物动力学定域模型软件计算动力学方程和各种动力学参数,该模型既能计算血药动力学,又能计算药物在任何组织中的药物动力学[5,6]。

1.6药物动力学研究分析

根据文献[5,6]原理进行药物动力学定域模型计算,获得微分方程组的一组相互线性无关的特解e−λ1t,e−λ2t,…,e−λnt,其中e为自然对数的底;λn为指数参数,t为时间。各组织中t时刻的药物量可以用e−λ1t,e−λ2t,…,e−λnt线性表示。然后以这些特解作为“基”集,构作“解空间”,并作向量分析。

2 结果

2.199mTc-PQQ酯的标记率

TLC法测得99mTc-PQQ酯的标记率>95%。

2.299mTc-PQQ酯脑内分布

99mTc-PQQ酯在正常ICR小鼠脑内分布的实验数据见表1。

表1 99mTc-PQQ酯在正常ICR小鼠脑内分布(%ID/g) Table 1 Biodistribution of 99mTc-PQQ ester in the brain of normal ICR mice (%ID/g).

2.399mTc-PQQ酯的药物动力学研究分析

2.3.1 动力学方程

鉴于常用的药物动力学模型只能用以研究药物在血中的动力学行为,而不能用来研究药物在组织中的动力学行为,因此,以前研究中提出和建立了能正确描述放射性药物在体内各种组织(包括脏器、体液等)中动力学行为的“药物动力学定域模型”[5,6]。该模型从动力学基本原理出发,建立微分方程组,经拉普拉斯变换求解,基集合确定,脏器、组织和体液的矩阵定域变换等步骤,建立了“定域化”理论,并据此原理编制了相关的计算机软件进行计算,获得具有生理意义的、能描述放射性药物在各种脏器、组织和体液中随时间变化的动力学方程和参数,从而定量描述药物的吸收、分布和消除等动力学行为。经药物动力学定域模型软件计算,99mTc-PQQ酯在正常ICR小鼠各脑组织中浓度随时间变化的动力学方程如下:

海马C=0.24e−0.042t+0.28e−0.0045t,

额叶C= 0.22e−0.042t+0.27e−0.0045t,

顶叶C=0.24e−0.042t+ 0.21e−0.0045t,

小脑C=0.23e−0.042t+0.11e−0.0045t,

枕叶C=0.17e−0.042t+0.14e−0.0045t,

纹状体C=0.11e−0.042t+ 0.17e−0.0045t,

脑桥和延髓C=0.10e−0.042t+ 0.18e−0.0045t,

颞叶C=0.14e−0.042t+0.14e−0.0045t,

丘脑C=0.14e−0.042t+ 0.09e−0.0045t。

2.3.2 动力学参数

动力学参数计算结果如下:

v1=6.78 mL,

v2=22.97 mL,

vd=29.74 mL,

k12=0.0173 min−1,

k21=0.0096 min−1,

ke=0.0196 min−1,

CL=0.13 ID% g−1·min−1,

AUC=753.68 ID% g−1·min,

t1/2α=16.50 min,

t1/2β=155.35 min。

2.3.3 血中药物浓度-时间曲线图

99mTc-PQQ酯在正常ICR小鼠血中药物浓度-时间曲线图见图1。

2.3.4 解空间表达

对99mTc-PQQ酯进行药物动力学定域模型计算,获得特解e−0.042t和e−0.0045t,并以此为基构作二维解空间。因此,可用平面直角坐标系表示该解空间。海马,额叶、顶叶、小脑、枕叶、纹状体、脑桥和延髓、颞叶和丘脑均可以用该空间中的一个点(或向量)分别表示,其坐标x1、x2分别为(0.24,0.28)、(0.22,0.27)、(0.24,0.21)、(0.23,0.11)、(0.17,0.14)、(0.11,0.17)、(0.10,0.18)、(0.14,0.14)和(0.14,0.09)。

若以x1为横坐标、x2为纵坐标作图2,图中用虚线划分动力学行为不同的区域。

图1 99mTc-PQQ酯在正常ICR小鼠血中的药物浓度-时间曲线图Fig.1 Drug-time curve of 99mTc-PQQ ester in blood of normal ICR mice.

图2 99mTc-PQQ酯在正常ICR小鼠脑内各组织中动力学解的解空间表达Fig.2 Expression of pharmacokinetic solution for 99mTc-PQQ ester in brain tissues of normal ICRmice in the solution space.

2.3.5 向量分析

在解空间表达的基础上,可以计算获得对应于各脑组织的向量的模:海马0.38、额叶0.35、顶叶0.31、小脑0.25、枕叶0.22、纹状体0.21、脑桥和延髓0.20、颞叶0.19、丘脑0.16。与表1中5 min时(最高浓度)对应的实验数据进行线性回归,回归方程为=1.3287x−0.0229,R2=0.9487。

对应于各脑组织的向量与x1轴的夹角、以及海马与其他脑织组夹角之差列于表2。

表2 对应于各脑组织的向量与x1轴的夹角及与海马的夹角差Table 2 Angle between vector corresponding to brain tissue and axis x1, and angle difference between hippocampus and the other brain tissues.

3 讨论

在所确定的标记条件下,采用直接标记法,就能获得高标记率(标记率>95%),表明99mTc-PQQ酯的标记方法是可行的。在标记中,首先在室温下进行,但标记率仅在80%左右,因此后来在沸水浴中加热反应30 min,获得高标记率,表明标记反应的活化能还是稍高,需要用加热的方法向反应体系提供能量,以便反应顺利进行。

99mTc-PQQ酯在体内稳定,未见有放射性代谢产物。由图1和定域模型计算可知,99mTc-PQQ酯在体内的动力学行为符合二室模型,进而计算出各种动力学参数。从分布半衰期t1/2α=16.50 min可知,99mTc-PQQ酯在体内分布迅速;消除半衰期t1/2β=155.35 min表明,99mTc-PQQ酯在体内不会长时间滞留而难以消除。此外,99mTc-PQQ酯有合适的药物时间曲线下面积AUC=753.68 ID% g−1·min和合适的清除率CL=0.13 ID% g−1·min−1,表明其具有良好的体内动力学性质,能够满足临床对显像剂的要求。

PQQ在正辛醇/水体系中的脂水分配系数lgP为−1.49±0.16,而PQQ酯在正辛醇/水体系中的脂水分配系数lgP为0.67。因此,对PQQ进行酯化提高脂溶性和进脑量。由表1,99mTc-PQQ酯在海马、额叶以及顶叶中的浓度高于其他脑组织,表明99mTc-PQQ酯在此三种脑组织中浓聚程度较其他脑组织高。事实上,文献[7]表明,NMDA受体在海马、额叶和顶叶中的数目(密度)确实比其他脑组织高。

99mTc-PQQ酯的药物动力学计算表明,该药物在海马、额叶、顶叶的动力学行为与小脑、纹状体、丘脑等其他脑组织的动力学行为用二维解空间表达时(图2)。由图2,前三者成一集群,处于右上方;而其他脑组织则成另一集群,处于左下方,若用虚线划分之,则能明显看出它们之间在动力学上的差异,较之观察脑内分布的实验数据来得更为清晰、直观。NMDA受体是兴奋性谷氨酸受体的一种,广泛分布于大脑的各个脑区,并影响多种神经元功能,其中尤以海马和皮层受体数目(密度)明显较高。药物动力学和生物分布实验研究结果表明,99mTc-PQQ酯能在某些脑组织(如海马、额叶和顶叶)中浓聚,且与该药物在其他脑组织中的动力学行为有明显差别。表明该药物在相关脑组织中有利的摄取和适宜的滞留使其有可能成为一种新NMDA受体显像剂。

解空间直观地显示了药物在不同组织中的动力学行为(图2),但根据图形判别毕竟属于模糊判别范畴。欲用数据定量判别,向量分析则是有效的工具。

在解空间中,各个组织的动力学解可看作是该空间中的一个点,在建立坐标系后,可以用一个向量来表示该点。因此,依据向量的模(该点到原点的距离)、向量与坐标轴的夹角或向量间的夹角等就可以进行向量分析,从而给出量化指标。

对应于某个组织的向量的模与药物在该组织中的浓集程度成正比,因此向量的模可以用来判别药物在组织的浓集程度。计算所得的模与表1中5 min时(最高浓度)的实验数据成正比。

向量与坐标轴的夹角决定了向量的方向,表2列出了各脑组织对应的向量与x1轴的夹角以及与海马的夹角差(以海马作为参照)。在二维情况下,x1轴方向的分量对应于分布相,x2轴方向的分量对应于消除相。当某个脑组织对应向量的夹角与海马对应向量的夹角差值越小,说明它们之间的分布与消除等动力学行为差异越小。由表2,额叶和顶叶与海马夹角差很小,所以99mTc-PQQ酯在这些组织中的动力学行为差异很小,具有相似的动力学行为。同属大脑皮层的颞叶、枕叶与海马夹角差也很小,所以它们的动力学行为差异也很小。之所以未能归入图2中的右上方集团,只因这二种脑组织对应向量的模较小,或是这二种脑组织中的99mTc-PQQ酯浓度太小。从而印证了NMDA受体在海马与皮层分布浓度较高,且主要是前脑皮层的结论[6]。

4 结语

99mTc-PQQ酯的标记简易方便,标记率高。通过小鼠体内药物动力学研究,表明其具有良好的药物动力学性质。99mTc-PQQ酯在海马、额叶以及顶叶中的浓度高于其他脑组织,与NMDA受体在海马、额叶和顶叶中的数目(密度)较其他脑组织高的实验事实相符。因此,99mTc-PQQ酯能满足临床对显像剂的要求,可望在临床用以与NMDA受体的分布、数目(密度)和功能(亲和力)等变化相关的各种精神紊乱及生理疾病的早期诊断,从分子水平上展现脑的生理、病理状态。

此外,在药物动力学定域模型计算的基础上,建立了解空间,尤其是首次在药物动力学研究中提出向量分析新方法,其分析结果较好地解释了实验事实,可望作为药物动力学研究的新的量化指标。

1 Rucker R, Chowanadisai W, Nakano M. Potential physiological importance of pyrroloquinoline quinone[J]. Alternative Medicine Review, 2009, 14(3): 268−277

2 Smidt C R, Unkefer C J, Houck D R, et al. Intestinal-absorption and tissue distribution of [C-14] Pyrroloquinoline Quinone in mice[J]. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine, 1991, 197(1): 27−31

3 Kong Y Y, Zhou X Q, Cao G X, et al. Preparation of99mTc-PQQ and preliminary biological evaluation for the NMDA receptor[J]. J Radioanal Nucl Chem, 2010, 287(1): 93−101

4 Urakami T, Sugamura K, Niki E. Characterization of imidazopyrroloquinoline compounds synthesized from coenzyme PQQ and various amino acids[J]. Biofactors, 1995, 5: 75−81

5 Cao G X, Yu H X, Li W Y. Pharmacokinetics local model and its application in nuclear medicine[J]. (in Chinese), Nuclear Science and Techniques, 1996, 7(3): 170−172

6 曹国宪, 陈正平, 周杏琴. 药物动力学解空间及其在多巴胺转运蛋白显像剂18F-FECNT中的应用[J]. 中华核医学杂志, 2011, 31(4): 255−258

Cao G X, Chen Z P, Zhou X Q. The solution space of pharmacokinetics and its application on study of dopamine transporter imaging agent18F-FECNT[J]. Chinese J Nucl Med, 2011, 31(4): 255−258

7 Lau C G, Zukin R S. NMDA receptor trafficking in synaptic plasticity and neuropsychiatric disorders[J]. Nat Rev Neurosci, 2007, 8(6): 413−426

CLC R445.5, R969.l

The study of pharmacokinetics of NMDA receptor imaging agent99mTc-PQQ ester

CAO Guoxian ZHOU Xingqin KONG Yanyan ZHANG Jiankang QIN Xiaofeng
(Jiangsu Institute of Nuclear Medicine,Key Laboratory of Nuclear Medicine,Ministry of Health,
Key Laboratory of Molecular Nuclear Medicine of Jiangsu,Wuxi 214063,China)

To study pharmacokinetics of99mTc-PQQ ester (99mTc-4,5-dioxo-4,5-dihydro- 1H-pyrrolo (2,3-f) quinoline-2,7,9-tricarboxylic acid 2-ethyl ester 7,9-dimethyl ester) in the blood and the brain of mice with pharmacokinetics local model and vector analysis.99mTc-PQQ ester can be used to image NMDA receptor.99mTc-PQQ ester (0.2 mL, 10 MBq) was injected through tail vein into the mice (18-22 g), which were divided into 8 groups (five per group, one group for the blood and the other for the brain) randomly. 10 μL blood samples were withdrawn from the tail vein at 5, 15, 30, 60, 120, 180 and 360 min post-injection. The other groups of mice were sacrificed at the same time intervals post-injection, and tissues of the brain(thalamencephalon, hippocampus, frontal cortex, parietal cortex, temporal cortex, occipital cortex, pons and medulla oblongata, striatum and cerebellum) were removed and weighed. Radioactivities were counted with the γ-counter. Kinetic equations and parameters were calculated by pharmacokinetics local model, and pharmacokinetics data were studied by solution space and vector analysis method. Experimental data showed that99mTc-PQQ ester could accumulated in the hippocampus, frontal cortex and parietal cortex. According to the calculation of pharmacokinetics local model, kinetic equations were: hippocampus C=0.24e−0.0420t+0.28e−0.00446t, frontal cortex C=0.22e−0.0420t+0.27e−0.00446t, parietal cortex C=0.24e−0.0420t+ 0.21e−0.00446t, cerebellum C=0.23e−0.0420t+0.11e−0.00446t, occipital cortex C=0.17e−0.0420t+0.14e−0.00446t, striatum C= 0.11e−0.0420t+0.17e−0.00446t, pons and medulla oblongata C=0.10e−0.0420t+0.18e−0.00446t, temporal cortex C= 0.14e−0.0420t+0.14e−0.00446tand thalamencephalon C=0.14e−0.0420t+0.09e−0.00446t, respectively. Pharmacokinetics parameters of the blood were also calculated, k120.0173 min−1, k210.0096 min−1, ke0.0196 min−1, CL 0.13 ID%g−1min−1, AUC 753.68 ID%g−1min, t1/2α16.50min and t1/2β155.35 min, respectively. There was a linear relationship between vector modules corresponding to brain tissues and the highest concentrations of99mTc-PQQ ester in the brain tissues, and the linear regression equation was y=1.3287x−0.0229, R2=0.9487. Results of solution space and vector analysis method indicated that kinetic action of99mTc-PQQ ester in the hippocampus, frontal cortex and parietal cortex was similar, and was different from that of the other brain tissues. The study of pharmacokinetics shown that99mTc-PQQ ester can accumulated in some brain tissues of mice, such as hippocampus, frontal cortex and parietal cortex. The favourable uptake and suitable retention in these brain tissues confirmed that it can combine with NMDA receptor in vivo.

99mTc-PQQ ester, NMDA receptor, Imaging agent, Pharmacokinetics local model, Vector analysis

R445.5,R969.l

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.010303

江苏省自然科学基金(BK2008111,BK2010157)、国家自然科学基金(30770602)资助项目

曹国宪,男,1954年,硕士学位,研究员,从事放射性药物研究

2012-11-22,

2012-12-08

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