动物分子影像技术在帕金森病诊断研究中的运用

涂清强，李红宇

(中山大学实验动物中心，广州 510080)

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一种运动功能障碍性疾病，持续时间长，危害大[1-2]，据不完全统计，我国目前PD患者超过300万，随着我国老龄化进程的加快，患病人数屡增不减，由于PD具有运动迟缓或丧失、姿势不稳以及病程时间长等特点，对国家和家庭都是极大的负担[3-5]。因此，65岁以上老年人早预防、早发现和早治疗PD应成为重要的健康准则[6]。就当前而言，无论是临床和临床前的诊断及治疗研究都存在一定的局限性，但是随着更多诊断技术的发展和革新，极大的提升了PD的诊断水平，尤其是分子影像技术在PD临床前研究的运用获得了广泛的关注，也取得了良好的成果[7-9]。

分子影像技术能够评估非侵入性的分子在人类及动物体内生理和代谢过程[10]。随着分子影像技术的发展，临床以正电子发射型计算机断层显像(positron emission tomography/computed tomography，PET/CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)和单光子发射计算机断层成像术(single-photon emission computed tomography，SPECT)为代表对PD等神经系统疾病进行诊断，影像技术的结合使用能够有效的观察到PD的结构和功能特点，对PD与帕金森叠加综合征的鉴别诊断效果良好，而临床前的研究则通过小动物PET/CT[11]、小动物MRI[12]以及小动物SPECT[13]进行活体PD模型的脑部显像，充分利用动物分子影像技术在PD模型动物中的诊断优势，最终与临床研究结果达到一致性[14]。本文综述了近些年国内外关于动物分子影像技术在PD动物模型中的基础研究。

1 动物PET/CT显像

探测器技术的进步使PET的空间分辨率有了很大的改进(1～2 mm)[15]。随着放射化学和示踪技术的发展，多种内源性和外源导入基因的表达可以进行观察研究，这开辟了迅速发展的分子影像领域，针对动物模型、人体内正常细胞和病变体无创的生物过程[16]。分子影像的优势是能够分析特定的分子在同一个实验对象随时间变化的动力学，广泛应用于细胞生物学的研究[17]。分子影像技术对识别潜在的分子治疗靶点具有重要意义，能够成功的运用于临床诊断。

1.1 PD小鼠PET/CT显像

Honer等[18]比较了18F-FDOPA、18F-FMT和8F-FeCNT三种示踪剂在C57BL/6 PD小鼠多巴胺能神经传递的情况。18F-FDOPA和18F-FMT未能清楚的显示小鼠纹状体，而使用18F-FeCNT能够清楚的分辨小鼠的纹状体。

1.2 PD大鼠PET/CT显像

相对于小鼠而言，实验大鼠的脑部结构更加清晰和完整，因此，被大量用于临床前的脑部结构研究，PD模型大鼠的研究范围相对小鼠更为广泛。例如2006年Casteels等[19]对十只成年Wistar PD大鼠分别用18F-FDG(氟代脱氧葡萄糖)、18F-FECT，以及11C-Rracopople示踪剂进行PET显像。大鼠尾状壳核18F-FDG摄取率范围为1.7%-6.4%，11C-Rracopople和18F-FECT摄取率最大值分别为11%和5.3%。小动物PET有助于大鼠脑功能空间定位和精确评估。2008年[20]该课题组对十八只成年Wistar雌性PD大鼠[八只6-羟基多巴胺(6-OHDA)诱导，对照组十只]进行18F-FDG和18F-FECT显像。图像数据结合SPM2软件分析，在6-OHDA模型中，同侧感觉运动皮层葡萄糖代谢显著降低，同侧尾壳核、伏隔核和黑质的DAT代谢严重下降，经行为学和组织学相关分析证实：同侧海马DAT受损程度与糖代谢变化呈正相关，小脑葡萄糖代谢与DAT受损程度呈负相关。Sun等[21]利用动物PET观察大鼠单侧纹状体病变及早期纹状体D2受体功能变化。结果显示，大鼠内侧前脑束损伤模型和纹状体损伤模型有不同的动态病理过程。内侧前脑束损伤模型是PD的早期阶段，而纹状体损伤模型是帕金森综合征，如帕金森血管综合征。Jang等[22]对6-OHDA单侧诱导的PD大鼠进行18F-FDG显像，与药物诱导的旋转试验进行比较。在PD大鼠中，原发运动皮质、黑质和桥脑在同侧18F-FDG代谢明显降低。相反，诱导后能够观察到初级躯体感觉皮层和尾状核壳核区域的神经元激活现象。在初级运动皮层中，黑质和脑桥被盖核的葡萄糖代谢存在显著相关性，此外，腹侧尾状核、黑质、和初级运动皮层葡萄糖代谢显著相关，初级运动皮层与黑质也表现出葡萄糖代谢的显著相关性。Döbrössy等[23]通过新型放射性示踪剂18F-DMFP检测PD大鼠多巴胺D2/D3受体表达。从PET图像清楚地显示病变引起的D2R受体代谢变化。药代动力学分析D2R代谢变化与体外放射自显影显著相关。18F-DMFP能够很好的评估PD大鼠体内D2R受体表达，还可用于监测细胞治疗。Li等[24]利用新型的放射性示踪剂10-11C-DTBZ对6-OHDA诱导的PD大鼠进行显像，结果表明：与正常组对比，PD大鼠单侧病变纹状体的摄取明显不对称，差异有显著性，10-11C-DTBZ能够有效的诊断PD症状。Bu等[25]为了研究视网膜色素上皮细胞移植术治疗PD，利用18F-P3BZA示踪剂对PD猪纹状体进行PET/CT显像。结果显示：植入管细胞活性随处理时间的减少而降低，18F-P3BZA可作为一种动态监测体内植入RPE细胞活性的方法。Park等[26]用18F-FP-CIT示踪剂结合PET技术评价骨髓间充质干细胞(BMSCs)在PD大鼠中的功能。各时间点骨髓间充质干细胞治疗组FP-CIT摄取率具有显著差异，对照组在任何时间点均无显著性差异。SPM分析显示，只有BMSC治疗组大鼠右侧基底节区多巴胺转运体活性增强，与对照组相比，BMSC能够明显改善大鼠的旋转行为和修复TH阳性神经元损伤。通过多巴胺转运体的PET数据、旋转功能和组织病理学研究，证实了静脉注射骨髓间充质干细胞能够有效的治疗PD大鼠。Zhou等[27]通过PET显像数据分析了6-OHDA诱导的PD大鼠中腺苷2 A受体和多巴胺D2受体的变化。Crabbé M等[28]研究了PD大鼠发病后大脑中的mGLUR5和谷氨酸/谷氨酰胺的变化情况。PET数据显示：随着左旋多巴的用量加大，MGLUR5对侧运动皮层和体感皮层的摄取增加mGluR5在PD大鼠皮质区的参与性强于谷氨酰胺。

1.3 四氢吡啶(MPTP)诱导的PD猴PET/CT显像

猴作为最为熟悉的灵长类动物，与人有着极为相似的基因，对PD猴的诊断研究对临床具有很大的参考价值。Ando等[29]利用PET影像对PD狨猴进行观察，能够无创的监测其神经退化过程。Riverol等[30]通过PET显像观察了PD猕猴黑质纹状体的功能活性。经左旋多巴和安慰剂治疗后，黑质(SN)中发现数量相近的多巴胺能细胞，两组动物纹状体DAT含量均降低，左旋多巴治疗后的动物壳核TH水平显著低于安慰剂组。Peng等[31]对比了健康猕猴和PD猕猴的视网膜色素上皮细胞(hRPE)PET图像。结果显示，未诱导的PRP活性半球摄取相对于正常组升高(P<0.00005)，而视网膜半球色素上皮植入后摄取降低(P<0.05)，hRPE细胞植入手术在非人灵长类PD动物有一定效果。

磷酸二酯酶抑制剂(PDE)4是中枢神经系统催化细胞内cAMP水解最常见的第二信使抑制剂。通过PDE4抑制治疗，促进细胞内cAMP水平稳定，改善精神病和神经退行性疾病包括抑郁、记忆丧失和PD的症状。用11C标记的PDE4抑制剂R-(-)-咯利普兰可用于研究PDE4在体内非侵入性方式的示踪剂，并评估新的PDE4治疗药物。Thomae等[32]合成了[18F]MNI-617示踪剂，对PD猴行PET显像，结果显示：示踪剂能够迅速进入大脑，测得SUV值在4-5之间，与PDE4的摄取路径一致。

2 动物MR显像

MRI是一种生物磁自旋成像技术，它是利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激发后产生信号，用探测器检测信号并输入计算机，经过计算机处理转换后在屏幕上显示图像[33]。

Jenkins等[34]使用MRI技术无创性的分析了PD小鼠谷氨酸的化学变化。小鼠局部或全身注射3-硝基丙酸(3-NP)、丙二酸和叠氮化物毒素从而引起继发性兴奋性病变，结合线粒体呼吸引起的纹状体乳酸浓度升高，导致了选择性抑制作用。N-乙酰天冬氨酸(NAA)在病变部位的浓度降低。通过磁共振结合冷冻钳技术生化法测定乳酸含量和病灶大小。实验证实了细胞的能量代谢间接产生了具有损害性的兴奋毒性，证明了体积小的代谢物在体内神经化学显像的可行性。Guzman等[35]为了研究帕金森模型大鼠脑神经活动情况，将大鼠分别注射6-OHDA和QA并放置在一个专门设计的PVC装置中，配有一个灵活的表面线圈和T2加权自旋回波序列，随后移植胚胎组织。T2加权图像显示在6-OHDA与QA病变部位都出现弥漫性高信号。移植组织出现在T1加权像高信号边缘的低信号区。研究还表明血脑屏障修复时间也可以被监测。Bjarkam等[36]对帕金森病模型猪进行MRI影像诊断，对模型猪行干细胞移植和脑深部电刺激手术。结果表示，帕金森模型定向手术能够实现小型猪CNS中枢神经修复功能，可以动态评估脑成像结果。

3 动物SPECT显像

单光子发射的多巴胺能系统成像(SPECT)，特别是多巴胺转运体(DAT)成像被广泛接受，SPECT技术成功开发出了图像的神经递质系统，包括PD大鼠和小鼠模型突触前DAT和突触后多巴胺D2/3受体的表达[37]。

Andringa等[38]分析了MPTP诱导的帕金森C57BL/6小鼠体内多巴胺神经元变性表达，监测模型小鼠退行性过程以及药物在体内的神经保护或恢复时间。诱导小鼠时间分别为1 d、3 d和5 d，观察不同时间的DAT水平变化。小鼠MPTP注射5 d后行[(123)I]FP-CIT-SPECT显像，MPTP注射6 d后灌注，数据显示：不同时间内诱导的小鼠非特异性结合纹状体减少比例分别是59%(1 d)、82%(3 d)和76%(5 d)，体内和体外观察指标呈正相关。本研究首次证实了[(123)I]FP-CIT结合动物SPECT显像能准确检测小鼠纹状体DAT水平，大面积的多巴胺病变也可以被检测到，SPECT检测方法至少可以证明神经保护治疗在小鼠多巴胺缺失中是有效的。Alvarez-Fischer等[39]利用同样的方法观察两种PD模型小鼠纹状体多巴胺的水平，结果显示：SPECT显像能够精确测量纹状体多巴胺的浓度，但不一定与黑质多巴胺能细胞数相关，能够判断在PD中FP-CIT SPECT纹状体多巴胺能神经末梢是否完整，而不能够预测黑质多巴胺能细胞数量。Nierola-Baizán等[40]利用该技术对6-OHDA诱导的大鼠多巴胺能神经传递系统进行体内评价。十四只大鼠在左侧内侧前脑束中接受6-OHDA注射(4 μg或8 μg)，3周后，行SPECT显像，免疫组化分析黑质纹状体病变，证实两个水平的多巴胺能退变，放射性摄取分别为61%和76%，两组之间相比，放射性摄取和损伤程度差异均有显著性。

Suwijn等[41]报道了SPECT-HEEPSECT显像系统用于有意识小鼠脑成像的研究。使用运动校正技术，验证了麻醉剂对DAT成像的影响，评估了麻醉剂结合放射性示踪剂对麻醉效果的影响，同时该影响还与动物的神经递质系统和行为有关，最后证明超高分辨率显像系统能准确地评估PD小鼠体内的多巴胺能表达。

4 结语

分子影像技术的发展促使临床和临床前疾病诊断研究更加精准和可靠，建立了转化医学和精准医学领域更结实的技术桥梁。临床前的研究无论对影像设备还是技术分析都要求更高，从本论文的综述可以看出，当前动物分子影像技术对PD与帕金森叠加综合征的诊断及预后评估效果显著，受到国内外众多研究者的关注，小动物PET/CT、小动物MRI和小动物SPECT都各具诊断优势，能够对大、小鼠以及非人类灵长类动物进行脑部扫描，得到清晰的图像，同时可以进行三维数据重建和多元化的脑部数据分析，定量出分析模型动物脑部各分区的变化情况，获得统计学意义。因此，分子影像技术的综合运用具有一定的前瞻性和可靠性，新型示踪技术和影像技术的结合更是诊断PD及其他神经系统相关疾病的未来发展趋势。