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多巴胺转运蛋白显像剂11C-β-CFT在帕金森病中的应用研究

2016-03-09李海峰张晓军张锦明

国际放射医学核医学杂志 2016年3期
关键词:尾状核显像剂纹状体

李海峰 张晓军 张锦明

330029南昌,江西省肿瘤医院核医学科(李海峰);100853北京,中国人民解放军总医院核医学科(张晓军、张锦明)

多巴胺转运蛋白显像剂11C-β-CFT在帕金森病中的应用研究

李海峰 张晓军 张锦明

330029南昌,江西省肿瘤医院核医学科(李海峰);100853北京,中国人民解放军总医院核医学科(张晓军、张锦明)

帕金森病(PD)是全球第二大最常见的神经退行性疾病,与患者年龄、激素水平、生活习惯及基因遗传等相关因素密切相关,且与大脑多巴胺能神经元的结构和功能差异有关。常规的影像学检查在PD的早期发现、预后评估、术前分级等方面存在一些不足。11C-甲基-N-2β-甲基酯-3β-(4-氟-苯基)托烷(11C-β-CFT)是一种多巴胺转运蛋白正电子显像剂,与多巴胺转运体的结合具有高度特异性,同时受患者治疗药物因素的干扰较小,是一种良好的临床诊断类的显像剂。目前,11C-β-CFT已应用于人类神经病学方面疾病的研究,如精神分裂症、PD等,11C-β-CFT PET显像可以评价疾病病理、生理过程,便于临床诊断及监测疾病治疗效果等。笔者就近年来11C-β-CFT PET显像在PD中的应用作一综述。

帕金森病;放射性药物;正电子发射断层显像术;多巴胺转运蛋白;11C-β-CFT

Fund program:Enhancement Program of Military Hospital Prepared Medicine(14ZJZ2101)

帕金森病(Parkinson disease,PD)是一种慢性、神经系统退行性疾病,在中老年人中的发病率仅次于阿尔茨海默病。其主要临床表现为言语障碍、动作迟缓、手脚或身体其他部位震颤、肌强直等,病理特征为黑质纹状体区多巴胺神经元细胞凋亡及Lewy小体形成。随着人们生活水平提高及人口老龄化,PD发病率也呈逐年上升的趋势[1]。很多研究者认为PD是由多个因素导致的综合性疾病,这些因素包括环境污染,如1-甲基-4-苯基-1,2,5,6-四氢吡啶、除草剂等化学品的使用;遗传因素,如Parkin、PINK1(PTEN induced putative kinase 1)等基因突变;还有线粒体功能缺陷、细胞凋亡、生活方式及年龄等因素[2-4]。

目前,临床上常规的MRI、超声、CT等影像学手段均不能高效、明确地区别PD与其他症状相似的疾病,同时在鉴别正常人与PD患者时不能提供足够的诊断信息。临床上用于评估PD严重程度的方法主要有Hoehn-Yahr分级和PD综合量表评分,但因受患者个体差异、医师等多种主观及客观因素的影响,其评定结果缺乏相对客观的可比性而致误诊率较高[5]。11C-甲基-N-2β-甲基酯-3β-(4-氟-苯基)托烷(11C-methyl-N-2β-carbomethoxy-3β-(4-fluorophenyl)-tropanel,11C-β-CFT)PET显像可以准确、定量地反映PD的严重程度,客观地对脑功能进行显像,是反映多巴胺能神经元功能障碍的最佳指标。而且,11C-β-CFT PET显像是一种无创伤、相对安全的核医学检查方法,Huang等[6]对11C-β-CFT PET显像的辐射剂量进行了估算,辐射吸收剂量较高的组织器官依次为膀胱、脾、胰腺、肾和胃。显像剂11C-β-CFT潜在的辐射风险均在可接受范围内,在人体内的辐射分布良好,受检者一年可以接受多次PET检查。

1 11C-β-CFT的概述

11C-β-CFT是与多巴胺转运体能高度特异性结合的正电子显像剂,11C-β-CFT PET显像在PD的早期诊断中显示出独特的优势[7],可以弥补活检造成的创伤以及取材部位和取材量受到限制的不足。11C-β-CFT的制备方法常采用11C-三氟甲基磺酰甲烷(11C-Triflate-CH3)或11C-碘甲烷(11C-CH3I)与前体反应,加热反应1 min后再纯化、分离[8]。张锦明等[9]研究了一种适于在线自动化制备11C-β-CFT的方法,以11C-CO2与氢化铝锂四氢呋喃(LiAlH4)溶液反应生成盐,再与57%氢碘酸溶液反应生成11C-CH3I,经过转化炉生成11C-Triflate-CH3,最后与前体进行甲基化反应合成11C-β-CFT,此方法合成效率高、合成速度快、路径成熟、简便。

2 11C-β-CFT的显像原理

多巴胺转运蛋白(dopamine transporter,DAT)是定位于多巴胺能神经末梢细胞膜上的特异性转运蛋白,其主要功能是摄取突触间隙的多巴胺以维系突触前多巴胺的合成和储存,是控制脑内多巴胺水平的关键因素[10]。黑质多巴胺能神经元变性可累及纹状体多巴胺能神经末梢DAT的密度,且DAT密度的改变与多巴胺能神经元数量的变化一致[11]。DAT可作为检测多巴胺能神经元的特异性标志,间接反映PD患者脑内多巴胺的变化,许多研究已经证实PD的发生与DAT的功能改变有着很大关联[10-11]。

11C-β-CFT PET显像属于脑内神经递质转运体成像,将正电子放射性核素11C标记在DAT的特异性分子上,可以与DAT高亲和力、特异性结合,且在脑内非特异性摄取率低,清除速率相对较慢。11C-β-CFT PET显像可以直接、清晰地显示DAT的密度、功能状况、分布状态等,从而判断多巴胺能神经元的变性程度。因此,11C-β-CFT PET显像在PD的研究中得到了广泛应用。

3 11C-β-CFT PET显像在PD动物模型中的研究

3.1 PD动物模型发病机制的研究

一些研究探讨了DAT显像剂11C-β-CFT与免疫组织化学分析结果的相关性,11C-β-CFT PET显像可以在PD的病理特征、发病机制、鉴别诊断等方面提供灵敏、特异的信息[12-18]。Yoder等[12]分别使用氧甲基和氮甲基的11C-β-CFT对4只雌性SD大鼠进行PET显像,结果显示这两类显像剂均可对大鼠纹状体进行定量的分析研究。Morris等[13]研究了先天性PD与多巴胺功能的关系,研究使用11C-β-CFT作为分子探针监测了3只正常猕猴和1只经1-甲基-4-苯基-1,2,5,6-四氢吡啶处理的猕猴,结果提示先天性PD可能是因基底神经多巴胺能末梢的损失所致。Cicchetti等[14]使用显像剂11C-β-CFT和N-[11C]甲基-N-(1-甲基丙基)-1-(2-氯苯基)异喹啉-3-氨甲酰(11C-(R)-PK11195)分别对6-羟基多巴胺诱导的PD大鼠模型的突触前多巴胺退行性病变及小胶质细胞进行PET显像监测,并对多巴胺能和活化胶质细胞进行评估。研究结果证实,多巴胺能退行性病变可通过PET显像来监测,神经炎症是PD多巴胺能降低过程的重要病理机制。Kawamura等[15]将344只小鼠按年龄分成3组,分别进行11C-β-CFT PET显像,结果表明3组小鼠的纹状体吸收并没有太大差异,研究认为早发PD患者的黑质纹状体受损与发病年龄之间无明显关联。Saiki等[16]对经1-甲基-4-苯基-1,2,5,6-四氢吡啶处理的PD猴子模型的运动功能进行了客观定量评价,通过11C-β-CFT PET显像发现,其双侧纹状体与CFT结合明显减少,尤其是背侧部分壳核和尾状核。Pellegrino等[17]通过采用 DAT显像剂11C-β-CFT、D2受体显像剂11C-雷氯必利(11C-raclopride)和代谢型谷氨酸受体5亚型显像剂11C-2-甲基-6-(苯乙炔基)吡啶对PD大鼠进行PET显像,分别评估DAT、多巴胺D2受体和代谢型谷氨酸受体5亚型的功能状态。研究结果显示,与健康一侧中枢神经结构相比,11C-β-CFT在损伤一侧的纹状体、海马和皮质等结构的结合率明显下降;而11C-raclopride、11C-2-甲基-6-(苯乙炔基)吡啶在此部位的吸收却有所升高,提示代谢型谷氨酸拮抗剂可能在多巴胺能退化时起到神经保护剂的作用。Liu等[18]对经前脑内侧束轴突切断术所致的PD大鼠模型的研究证实,阿朴吗啡诱导的旋转行为与突触前后多巴胺功能之间有很大关联,表明11C-β-CFT PET显像可有效了解PD的机制和过程,为新的治疗方案的开展提供有力帮助。

3.2 PD动物模型细胞移植的研究

目前,药物、手术等治疗方法只能缓解PD症状而无法阻止或者治愈PD,而干细胞移植、基因治疗等技术在PD的治疗中取得了长足的进展。Bjorklund等[19]以鼠胚囊为起源得到神经干细胞系,将细胞液注射到PD大鼠模型右侧纹状体,并进行11C-β-CFT PET显像评价大鼠多巴胺神经元的分化、细胞移植的存活及功能整合状态,研究结果提示大鼠移植侧的纹状体对11C-β-CFT的摄取增加了75%~90%,而对照组的摄取不足25%,且大鼠纹状体对11C-β-CFT的吸收状况与移植后的行为改善相关。该研究运用PET显像可视性地显示了干细胞分化为多巴胺神经元,监测了干细胞移植治疗的效果。

4 11C-β-CFT PET显像在PD中的临床应用

4.1 在PD病情及发病机制研究中的应用

PD的病理特征是黑质纹状体、多巴胺能神经元病变,临床上11C-β-CFT PET显像主要用于PD的病期及病情分析,可以从分子水平直观地显示显像剂的变化和分布等。Rinne等[20]采用显像剂11C-β-CFT和11C-2-β-甲酯基-3-β-(4-碘苯基)托品烷(11C-methyl-N-2-β-carbomethoxy-3-β-(4-iodophenyl)-tropanel,11C-β-CIT)对正常人和PD患者进行PET显像,研究发现80 min后纹状体与小脑对11C-β-CIT的摄取量差别不大,其不适于临床诊断PD患者;而0~20 min内纹状体对11C-β-CFT的摄取量呈指数上升,20 min后缓慢增加,1 h时纹状体/小脑值达到稳定,故早期诊断PD时11C-β-CFT优于11C-β-CIT。Ouchi等[21]研究突触前、后PD患者的黑质纹状体和中脑皮层多巴胺功能之间的关系,对10例早期服药的PD患者采用11C-β-CFT PET显像,结果显示正常纹状体DAT功能与11C-β-CFT摄取呈正相关,而PD患者的11C-β-CFT PET显像表现为双侧基底节DAT不对称摄取,黑质纹状体的变化可能反映了PD早期的病理生理学改变。Ouchi等[22]还通过11C-β-CFT PET显像研究了6名健康自愿者和7例未经治疗的PD患者,结果发现人体基本行为可以引起DAT的利用率降低,反映了PD患者步态改变的病理生理。Rinne等[23]研究了7例因多巴胺反应性肌张力失常而影响纹状体多巴胺能系统完整性的病例,通过11C-β-CFT和11C-raclopride PET显像,结果发现纹状体多巴胺D2受体的吸收明显增加,而DAT并无变化,他们认为这可能是内源性多巴胺竞争减少或者多巴胺变性的代偿机制所致,或者两者皆有。Ouchi等[24]为了研究小胶质细胞的活化和多巴胺终端的损失在早期PD中的作用,探讨PD患者脑内突触前多巴胺转运体密度与小胶质细胞变化的关系,对10例早期药物初治PD患者进行研究,分别使用11C-(R)-PK11195、11C-β-CFT进行PET显像,结果证实黑质纹状体通路小胶质细胞的激活与相应的多巴胺终端的损失呈正相关,小胶质细胞的活性会明显影响PD患者疾病的进程,并提出早期治疗中使用神经保护类药物干预是非常重要的。Guo等[25]对3例家族遗传型PD进行研究,其突变基因分别为Parkin、PINK1和DJ-1(属于Thij/PfPI家族,是一个与家族性的PD相关的遗传基因),11C-β-CFT PET显像发现两侧基底节DAT非对称吸收下降,而尾状核、前壳核、后壳核的11C-β-CFT吸收也均有减少;Parkin和PINK1基因突变所致PD患者的11C-β-CFT吸收表现出轻度下降,但此现象在DJ-1基因突变所致PD患者脑中并没有出现。该研究表明常染色体隐性遗传的PD患者的早期发病都有着类似的病理基础,早期不同PD类型的形成过程应与Parkin及PINK1基因的作用机制相关。Ouchi等[26]研究PD患者活动大脑的神经炎症、多巴胺神经元损失与小胶质细胞活化的关联性。以DAT显像剂11C-β-CFT对小胶质细胞的活化程度进行跟踪显像,可以反映突触前多巴胺能神经元的存活情况,随着疾病的发展,11C-β-CFT结合率逐渐降低。结果表明,PD患者小胶质细胞的活化与神经元损伤的变化存在特定关联,早期引入神经保护剂以抑制小胶质细胞的活化会有令人满意的效果。Ishibashi等[27]通过11C-β-CFT和11C-raclopride PET显像对人脑纹状体DAT和多巴胺D2受体的脑损伤区域进行分析,结果提示黑质神经元细胞缺失可能是由年龄的增长引起,并且与年龄相关的D2受体减少相关。林伟等[28]对11例冻结步态组和19例无冻结步态组的30例原发性PD患者进行11C-β-CFT显像和临床运动评分,以研究多巴胺转运体显像特征和患者冻结步态的临床表现。研究结果提示,冻结步态组患者尾状核的纹状体不对称指数显著增高,导致PD患者冻结步态的重要因素应该是双侧尾状核的不对称性损害,这可能是由皮质-纹状体-脑干-躯体通路的不对称性损害所致。

4.2 在PD鉴别及诊断中的应用

11C-β-CFT在PD的鉴别诊断、早期发现等方面具有重要意义。Oda等[29]通过11C-β-CFT和11C-raclopride PET显像对纹状体多巴胺功能进行三维动画成像鉴别诊断PD。PD的三维动画可以从多个角度观察到显像剂11C-β-CFT和11C-raclopride在脑内的分布,同时也能清晰地显示解剖学信息。何婷婷等[30]对18名健康者及31例晚期PD患者行11C-β-CFT PET显像,发现PD患者两侧尾状核、壳核的11C-β-CFT摄取明显减少,以壳核中后部更为明显,患者患侧尾状核、壳核区减少更明显。该研究认为11C-β-CFT显像能客观显示PD患者DAT不对称性代谢改变的区域,有助于PD的诊断和疗效评价。王慧春等[31]对98例早期PD患者进行11C-β-CFT PET显像,发现早期偏侧PD患者不仅起病对侧壳核11C-β-CFT摄取值显著低于对照组,且起病同侧(健侧)壳核摄取值也显著低于对照组。结果表明PET能够对早期、亚临床期PD基底节DAT的异常变化进行探测,是一种比较客观、灵敏的临床诊断方法。Yagi等[32]应用11C-β-CFT PET显像对脑皮层多巴胺功能障碍进行研究,定义了早期PD从单侧发展到双侧的级数,证实了多巴胺系统在分子水平的变化早于临床表型,11C-β-CFT PET显像可以提早检测到PD的异常表现。Ishibashi等[33]比较了PD患者与正常衰老者的DAT下降,使用11C-β-CFT PET扫描分析,结果发现PD患者腹侧纹状体、前连合背侧尾状核、后连合尾状核、前连合背侧壳核和后连合壳核 DAT吸收分别为5.5%、26.2%、29.9%、34.5%和60.2%;而正常衰老者分别为5.3%、5.4%、8.5%、6.2%和7.8%。该研究认为后连合壳核是DAT下降的一个初始区域,且会严重影响整个疾病进展。通过11C-β-CFT PET显像对DAT在后连合壳核的下降的临床判断,可提前10年发现震颤性PD。冼文彪等[34]对早、晚期PD患者进行11C-β-CFT PET显像,发现早期PD患者纹状体DAT分布呈双侧不对称性下降,起病对侧尾状核、壳核均显著下降,起病同侧以壳核外侧降低为主;晚期PD患者纹状体DAT分布呈双侧对称性显著下降,与早期PD相比,晚期PD表现为起病对侧壳核和双侧尾状核11C-β-CFT摄取值进一步减低。该研究结果显示尾状核、壳核DAT摄取值与患者病历及H&Y分级评分等存在良好的负相关性。结果表明11C-β-CFT PET显像有助于PD早期的临床诊断,对PD患者病情严重程度的评估也有重要作用。

4.3 在PD治疗评估方面的应用

Fukae等[35]研究了1例62岁经11C-β-CFT PET/ CT诊断为BTP(benign tremulous parkinsonism)的患者,此患者震颤严重且抗PD药物(如抗胆碱剂、多巴胺受体激动剂和左旋多巴等)对其并非特别有效,双边脑深部电刺激丘脑核后患者的震颤症状显著改善,且术后11C-β-CFT PET/CT显像不对称的吸收和纹状体的吸收有所改善,Fukae等认为双边脑深部电刺激丘脑核治疗可以作为BTP患者的治疗选择。

4.4 在PD相关疾病中的应用

Kono等[36]研究了戈谢病与PD在临床上的相关性,此类患者临床表现为少动、强直综合征,而且抗PD治疗效果也不明显。11C-β-CFT PET显像研究表明,PD与葡萄糖脑苷脂酶基因的突变及多巴胺能突触前神经元功能障碍相关,而戈谢病与PD患者的多巴胺能神经元功能障碍相关,11C-β-CFT PET显像可以评估戈谢病的多巴胺能神经元功能,早期发现戈谢病相关的PD。Bohnen等[37]以标准微胶囊嗅觉功能检查测试了29例早期PD患者的嗅觉障碍情况,通过11C-β-CFT PET显像评估海马、杏仁核、腹侧和背侧纹状体,研究PD患者嗅觉减退的病理和生理变化,结果发现患有嗅觉障碍的PD患者的11C-β-CFT摄取主要在海马,而非杏仁核、腹侧和背侧纹状体,可能海马脑边缘多巴胺系统是PD选择性嗅觉障碍的关键区域。

5 小结

综上所述,11C-β-CFT PET显像已经广泛应用于PD的研究,引起了人们的重视,主要包括以下几个方面:①PD动物模型的研究;②PD病情及发病机制研究;③PD的鉴别及诊断;④PD的治疗评估;⑤PD相关疾病的研究。11C-β-CFT PET显像已经广泛应用于PD的病理研究、临床诊断、治疗评价等方面,并且显示出独特的优势,有利于早期采取保护神经的治疗,减缓疾病的进展[38],但在临床应用中也存在着不足。11C-β-CFT PET显像可以早期发现DAT的功能异常,提早诊断出PD,但是对于多系统萎缩等PD叠加综合征患者,PET显像则难以完全鉴别[39]。对于治疗中的PD患者,其DAT在较短治疗时间内变化不大,而DAT受药物治疗的影响又较小[40],所以在临床评价某种药物治疗效果时可能差异不明显。焦方阳等[41]使用11C-β-CFT研究PD不同亚型患者多巴胺转运体的PET显像特点,其结果表明11C-β-CFT PET显像有助于PD的诊断和病情严重程度的评估,但对PD不同临床亚型的鉴别存在困难。

随着分子影像学、核医学、神经学等多种学科的日益发展和核医学成像技术的日趋完善,PET显像技术以其特异性强、无创伤性、灵敏度高等优点将越来越多地应用在活体细胞分子水平的研究中。11C-β-CFT将与18F-FDG、11C-raclopride、11C-(R)-PK11195等多种显像剂联合起来进一步用于疾病的诊断和鉴别中,并将越来越多地用于PD、药物成瘾等疾病的研究中。总之,DAT显像剂11C-β-CFT PET显像将为监测多巴胺系统的功能、早期鉴别和诊断疾病、评价治疗效果及评估监测病情提供有效的研究手段,其在精神疾病等方面的应用前景将越来越广阔。

利益冲突 本研究由署名作者按以下贡献声明独立开展,不涉及任何利益冲突。

作者贡献声明 李海峰负责论文撰写;张晓军负责部分论文资料收集;张锦明负责命题的提出、论文审阅。

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Review of the use of dopamine transporter imaging agent11C-β-CFT for diagnosing Parkinson disease

Li Haifeng,Zhang Xiaojun,Zhang Jinming
Department of Nuclear Medicine,Jiang Xi Cancer Hospital,Nanchang 330029,China(Li HF);Department of Nuclear Medicine,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China(Zhang XJ,Zhang JM)

Zhang Jinming,Email:zhangjm301@163.com

Parkinson disease(PD)is the second most common neurodegenerative disease.It is known to be associated with age,hormonal imbalance,lifestyle exposures,and genetic factors,as well as the differences between the structure and function of the dopaminergic neurons of the brain.Conventional imaging methods exhibit certain limitations in the early detection,prognostic evaluation,and preoperative grading of PD among patients.11C-methyl-N-2β-carbomethoxy-3β-(4-fluorophenyl)-tropanel(11C-β-CFT)possesses a high affinity for dopamine transporters(DAT)and rarely interferes with anti-Parkinsonism drugs;therefore,11C-β-CFT is a favorable PET imaging agent for DAT.11C-β-CFT is widely used as an imaging agent for the diagnosis of human neurological diseases,including schizophrenia and PD.PET imaging with11C-β-CFT can assist in evaluating physiological and pathophysiological processes,thereby facilitating the diagnosis and monitoring of therapeutic effects.This review summarizes the current applications of11C-β-CFT PET in PD diagnosis.

Parkinson disease;Radiopharmaceuticals;Positron-emission tomography;Dopamine transporter;11C-β-CFT

张锦明,Email:zhangjm301@163.com

10.3760/cma.j.issn.1673-4114.2016.03.011

军队医疗机构制剂标准提高项目(14ZJZ2101)

2016-01-07)

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