以Aβ为靶点的阿尔茨海默病PET显像剂的研究进展

李忠勇，崔海平

(原子高科股份有限公司，北京 102413)

阿尔茨海默病(AD)是一种进行性的神经退行性疾病，以记忆力衰退、空间定向障碍、认知功能障碍等为特征，是最常见的痴呆诱因，已经成为继心血管疾病、恶性肿瘤和脑卒中之后，导致老年人死亡的第四大疾病[1]。AD最主要的神经病理学特征是β淀粉样蛋白(Aβ)沉积形成的胞外老年斑(SPs)和异常磷酸化Tau蛋白沉积形成的胞内神经纤维缠结(NFTs)[2]。根据病程进展，AD分为临床前期、轻度认知障碍期和痴呆期三个阶段[3-5]。AD确诊通过尸检，根据患者脑组织中SPs和NFTs的数量判断，然而尸检对AD的治疗并无意义，只有在轻度认知障碍期或临床前期确诊并干预，才可能起到较好的治疗效果[6]。因此，AD的早期诊断备受关注。近年来，正电子发射断层显像(PET)技术得到了迅速的发展与临床应用，为早期非侵入性诊断AD提供了可能性。研究认为，Aβ在AD发病中起着关键作用，脑内Aβ过度产生、聚集、沉积产生的SPs被认为是导致NFTs产生、神经炎症、谷氨酸兴奋毒性、脂质过氧化作用等变化的元凶，而这些变化能够导致神经元死亡[7-8]。因此，以Aβ为生物标志物，利用PET技术可以辨别早期病理变化，协助早期非侵入性诊断AD。长期以来，Aβ显像剂一直是研究的热点。Aβ显像剂按照分子种类可分为 Aβ多肽类、Aβ单克隆抗体类和有机小分子类等[9]。Aβ是一种能够发生自身沉积的物质，修饰过的Aβ或其片段与SPs结合较好，Aβ单克隆抗体与Aβ的结合具有高特异性和灵敏性，但是以Aβ或Aβ单克隆抗体为基础开发的显像剂均存在无法穿透血脑屏障(BBB)的问题[9]。而针对Aβ的有机小分子类显像剂能够有效穿透BBB，不断有新型结构的Aβ显像剂被发现，并进入临床研究与应用。本文主要对有机小分子类Aβ显像剂研究进展进行综述，以及对Aβ显像剂的理想特征进行总结，并对Aβ显像剂的发展进行了展望。

1 Aβ显像剂

1.1 刚果红类

刚果红(CR)是尸检中用于确诊AD的荧光染料之一，能够特异性结合β淀粉样蛋白(Aβ)，对其进行修饰得到柯胺-G(CG)，但是以CR和CG为基础开发的Aβ显像剂均存在难以穿透血脑屏障(BBB)的问题。进一步修饰CG得到X34、X04等结构，以此为基础开发出多种Aβ显像剂(图1)，通过BBB的能力有所改善。

11C-MeO-X34和11C-MSB1是X34类似物。11C-MeO-X34脂溶性较低(LogP=0.19)，初始脑摄取水平低，仅分布于脑部血管内，可能是因为芳香羧基的原因[10]。11C-MSB1能够较好地穿透BBB，正常鼠脑清除速度较快(2 min和30 min脑摄取值比为3.2)，特异性结合Aβ，而且对Aβ具有较好的亲和性(Ki=38 nM)，虽然初始脑摄取水平较其他新型Aβ显像剂低，但11C-MSB1代表了一类不同的Aβ显像剂[11]。

11C-MeO-X04是X04类似物，脂溶性较高(LogP=2.6)，能够较好地穿透BBB，特异性结合Aβ，并且具有较好的亲和性(Ki=27 nM)，但是初始脑摄取水平低，不能满足PET显像的理想条件[10]。18F标记X04类似物18F-FESB的合成亦有报道，但未检索到相关生物学研究方面的报道[12]。

通过修饰，CR类Aβ显像剂分子体积减小、脂溶性提高、相应脑摄取水平也得到改善，部分化合物也表现出一定的Aβ显像潜力，但是其BBB通透性、脑摄取情况仍低于理想水平，应用前景并不乐观。

图1 刚果红类Aβ显像剂的化学结构Fig.1 Chemical structures of Congo red derivatives for PET imaging of Aβ

1.2 氨基萘类

18F-FDDNP(图2)是氨基萘类衍生物，与CR的重氮萘基核心结构类似，是第一种成功用于人体的AD小分子显像剂，脂溶性较高(LogP=3.92)，能够穿透BBB，与Aβ结合性良好，但其结合是非特异性的，18F-FDDNP也能与脑内的一些非淀粉样蛋白结合，而且能够穿透神经元细胞膜，与NFTs结合。另外，18F-FDDNP代谢较快，带有放射性的代谢物也能够穿透BBB，从而导致非特异性的背景信号，因此18F-FDDNP应用于Aβ显像的效果并不理想[13]。

图2 氨基萘类Aβ显像剂的化学结构Fig.2 Chemical structures of aminonaphtyl derivatives for PET imaging of Aβ

18F-FENE(图2)是18F-FDDNP的类似物，与Aβ高、低结合位点的Kd值分别为1.86 nM和71.2 nM。与18F-FDDNPKd值(分别为0.12 nM和0.16 nM)比较可以看出，丙二腈基是实现与Aβ高结合性的关键，两者与Aβ结合均存在两个明显不同的位点，说明Aβ存在多个结合位点[14]。

1.3 苯并噻唑类

硫黄素T(ThT)也是临床AD尸检脑组织中常用的一种SPs荧光染料，同样存在难以穿透BBB的问题，对其进行修饰得到苯并噻唑类衍生物，如6-Me-BTA-2、6-Me-BTA-1、6-Me-BTA-0等，分子呈电中性，亲脂性明显改善，能够顺利穿透BBB，并且与Aβ具有更好的亲和性，以此为基础开发出具有良好性能的系列Aβ显像剂(图3)。

11C-PIB，即匹兹堡化合物，选择性结合Aβ，并且对Aβ亲和性高(Ki=4.5 nM)，而且其亲脂性较好(LogP=2.48)，能够迅速进入脑内并很快从正常脑组织清除(2 min和30 min脑摄取值比为11.4)，其放射性代谢物无法穿透BBB，研究表明11C-PIB在脑内分布与已知的SPs分布一致，可用于定量SPs。但是11C-PIB也可以选择性结合脑血管淀粉样蛋白、非特异性结合白质等，在这些非靶区域也存在较高的保留，这可能限制其在AD早期Aβ水平较低时的应用，另外，11C的短半衰期也限制了其在临床上的推广应用[15]。

11C-AZD2184是11C-PIB的类似物，能够特异性结合Aβ，具有较高的亲和性，而且与11C-PIB有相同的结合位点。与11C-PIB相比，11C-AZD2184亲脂性稍弱，与Aβ亲和性也稍弱，但是11C-AZD2184在正常脑组织中清除速度更快，具有较低的非特异性背景吸收和较高的信号背景比，在AD患者脑部的关键区域摄取明显高于正常对照组，对于诊断早期AD可能具有更好的效果[16-17]。

图3 苯并噻唑类Aβ显像剂的化学结构Fig.3 Chemical structures of benzothiazole derivatives for PET imaging of Aβ

18F-GE67([18F]Flutemetamol)，即18F-3′-F-PIB，为18F标记的PIB类似物，能够特异性结合Aβ，但白质中非特异性结合高于11C-PIB，其药代动力学性质与11C-PIB类似，能够迅速被脑组织摄取，但是在正常脑组织中，尤其是在白质中，18F-GE67清除速度较11C-PIB慢，然而18F-GE67的这些差异并不影响其对Aβ的定性和定量，相关临床研究也已证实18F-GE67在Aβ显像中的安全性、有效性和灵敏性[18]。

18F-4′-BTA、18F-KS28和18F-2是将18F直接引入BTA分子结构中的4′位得到的一类苯并噻唑衍生物，对Aβ具有较好的特异亲和性(Ki值分别为9.0、5.7、10.0 nM)，与11C-PIB具有相同的结合位点，亲脂性较好(LogP值分别为2.86、2.52和3.08)，都能顺利穿透BBB，迅速进入脑组织，并能够从正常脑组织中迅速清除[19-23]。18F-4′-BTA初始脑摄取水平与11C-PIB一致，但正常脑组织清除速度较11C-PIB更快，而其他器官中两者分布类似[21]。18F-KS28初始脑摄取量明显高于11C-PIB，正常脑组织清除速度也比11C-PIB更快，在脑组织中代谢稳定性好，在血液中的放射性代谢产物无法穿透BBB[19, 22]。18F-2初始脑摄取水平高于11C-PIB和18F-KS28，正常脑组织清除速度比11C-PIB和18F-KS28更快，而且血液中清除速度也比11C-PIB和18F-KS28更快，与18F-KS28一样，在脑组织中代谢稳定性好，在血液中的放射性代谢产物无法穿透BBB[20, 23]。

苯并噻唑类Aβ显像剂的研究较多，与CR类相比，在穿透BBB方面取得了突破性进展，部分化合物具有良好的药代动力学性质，而且对Aβ表现出更好的特异亲和性，对NFTs亲和性降低，在区分SPs和NFTs方面表现出一定的潜力。

1.4 苯并噻唑衍生类

通过改变苯并噻唑环，得到多种苯并噻唑衍生结构，如苯并恶唑、苯并呋喃、咪唑并[1,2-α]吡啶、氮杂苯并恶唑等类似物，以此为基础开发的一系列显像剂(图4)，对Aβ具有较好的亲和性，具有一定的研究价值。

苯并恶唑类似物，如11C-AZD2995、11C-BF227等。11C-AZD2995也是11C-AZD2184的类似物，亲脂性稍弱于11C-AZD2184，对Aβ具有很好的特异亲和性，两者相比，虽然11C-AZD2184初始脑摄取水平较高，但是11C-AZD2995非特异性背景吸收更低，信号背景比更高，在低水平Aβ显像方面可能更有优势[24-25]。11C-BF227为苯乙烯基苯并恶唑结构，亲脂性适中(LogP=1.75)，能够穿透BBB，迅速进入脑组织，具有较高的初始脑摄取水平和较快的脑清除速度，临床研究表明，在AD脑中含有SPs的区域，11C-BF227的摄取保留明显高于对照组，而在SPs含量很少的区域，11C-BF227的摄取保留与对照组无明显区别，虽然11C-BF227对Aβ亲和性较高，对NFTs亲和性很弱，但这种亲和性没有特异性，而且体外研究也表明，18F-BF227非选择性结合Aβ[26]。

图4 苯并噻唑衍生类Aβ显像剂的化学结构Fig.4 Chemical structures of benzothiazole-analogues derivatives for PET imaging of Aβ

苯并呋喃类似物，如18F-AZD4694、18F-FPYBF-1等。18F-AZD4694(即18F-NAV4694)脑组织摄取快、初始脑摄取水平高，正常脑组织清除迅速，对Aβ亲和性高，而且特异性结合灰质区域SPs，对Aβ含量很少的白质区域的非特异性结合水平低，有助于在AD早期对大脑皮层中很少量的SPs进行检测[27-29]。18F-FPYBF-1能够穿透BBB，迅速进入脑组织，并且具有较高的初始脑摄取水平，正常脑组织清除速度较快，而且对Aβ的特异亲和性(Ki=0.9 nM)很好，能够明显区分Aβ病变的AD脑组织和对照组，虽然存在少量体内脱氟现象，但是对显像影响较小[30]。

咪唑并[1,2-α]吡啶类似物，如11C-MeS-IMPY、18F-FPPIP等。11C-MeS-IMPY与Aβ具有较好的特异亲和性，大脑皮层和小脑初始摄取水平高，在大脑皮层所有区域分布广泛且均匀，正常脑组织清除迅速[31]。18F-FPPIP亲脂性较高(LogP=2.84)，能够顺利穿透BBB，快速进入脑组织，初始脑摄取水平较高，正常脑组织清除较快，与Aβ亲和性(Ki=48.3 nM)较好，而且特异性结合大脑皮层灰质区域SPs，白质区域无明显结合，头盖骨中未观察到明显摄取，具有进一步研究的价值[32]。

氮杂苯并恶唑类似物，如18F-MK3328等。18F-MK3328脂溶性适中(LogD=2.91)，能够顺利穿透BBB，正常脑组织中，大脑皮层和小脑初始摄取水平高、清除较快，虽然白质中清除速度较慢，但是白质摄取水平很低，18F-MK3328特异性结合Aβ，亲和性高，而对白质和大脑皮层灰质亲和性低，性能优良，18F-MK3328进一步的临床研究正在进行中[33]。

1.5 二苯乙烯类

二苯乙烯类衍生物(图5)是一类相对分子质量较小的Aβ显像剂，对ThT结合位点的亲和性较高，对CR结合位点的亲和性较差，构效关系研究表明，其中一个苯环单元与ThT类有相似性，对位带有供电子基团，如-NMe2、-Me、-OH等，对保持化合物亲和性起重要作用，而另一苯环单元与CR类的一半结构相似，具有较大的可修饰性，可以开发新型Aβ显像剂。

图5 二苯乙烯类Aβ显像剂的化学结构Fig.5 Chemical structures of stilbene derivatives for PET imaging of Aβ

11C-SB13是二苯乙烯衍生物，类似CR类的一半结构，又与11C-PIB结构类似，具有单甲基化的氨基和羟基，亲脂性适中(LogP=2.36)，能够迅速穿透BBB进入脑组织，大脑皮层和小脑初始摄取水平高，正常脑组织清除速度快，与Aβ具有很好的特异性结合(Ki=6 nM)，而小脑和白质非特异性结合水平低，临床研究表明，AD患者中，11C-SB13的代谢率、脑区域摄取与保留等特征与11C-PIB类似，能够区分AD患者与对照组[34]。

18F-BAY94-9172([18F]Florbetaben)，即18F-AV1，是利用聚乙二醇链接的18F标记的SB13类似物，与11C-SB13相比，改善了生物相容性，保持了对Aβ的特异亲和性(Ki=6.7 nM)，提高了脂溶性(LogP=2.41)，能够更好地穿透BBB，初始脑摄取水平高，正常脑组织清除快，血和骨中代谢变化说明体内有轻微脱氟现象，临床研究表明脱氟现象并不影响其应用，18F-BAY94-9172可用于监测和诊断AD，显像有效剂量约为11C-PIB的2.8倍[35]。

18F-AV45([18F]Florbetapir)是将18F-BAY94-9172一端的苯环替换成吡啶环得到的Aβ显像剂，属于苯乙烯基吡啶衍生物，脂溶性适中，体外与Aβ的亲和性及体内生物分布情况与18F-BAY94-9172和11C-PIB类似，大脑皮层摄取在10 min左右达到峰值，也存在一定的脱氟现象。18F-AV45有两种主要的放射性代谢物，均具有较好的脑摄取，但是初始脑摄取水平低于18F-AV45，60 min后正常脑组织保留值与18F-AV45一致，但两种代谢物对Aβ均没有明显特异亲和性，临床研究表明，18F-AV45在AD患者大脑皮层有广泛的保留，能够与对照组明显区分，其显像有效剂量约为11C-PIB的3.6倍[36]。

18F-1是苯乙烯基三唑衍生物，将二苯乙烯结构中一端的苯环替换成三唑环得到，对Aβ的亲和性好，亲脂性适中(LogP=1.74)，初始脑摄取水平较高，正常脑组织清除快，骨中摄取值维持在一定水平，说明体内代谢相对稳定，没有明显脱氟现象，其Aβ显像性能还需进一步研究[37]。

1.6 取代二苯乙烯类

通过改变二苯乙烯结构中链接两个苯环的基团，得到新的共轭结构(图6)，研究表明，这些化合物对Aβ有较好的亲和性，且具有与PIB相同的结合位点，也表现出适宜的药代动力学特性，此类化合物有苄叉苯胺类似物(如18F-3c)、通过重叠双键链接的取代二苯乙烯类似物(如18F-14h)、通过三键链接的取代二苯乙烯类似物(如18F-AV138、18F-AV144、18F-14等)、通过杂环链接的取代二苯乙烯类似物(如18F-17a、18F-3p)等，都具有作为Aβ显像剂的可能性[38-43]。二苯乙烯结构进一步简化，去除中间乙烯单元，得到联苯类化合物，对Aβ也有较好的亲和性，99mTc标记的联苯类似物可能是一类新型的Aβ显像剂，但未见关于此类化合物开发的PET显像剂的报道[44]。

图6 取代二苯乙烯类Aβ显像剂的化学结构Fig.6 Chemical structures of substituted-stilbene derivatives for PET imaging of Aβ

1.7 其他化合物类

用于Aβ显像的有机小分子研究广泛，种类很多，其他重要的还有黄酮类、查尔酮类、姜黄素类、吖啶橙类、邻苯二酰亚胺类等(图7)。黄酮类似物(如18F-8c)，查尔酮类似物(如18F-7c)，都保留了苯并噻唑类衍生物中带有胺基的苯环结构，具有适中的亲脂性和与Aβ较好的亲和性，同时具有较高的初始脑摄取水平和较快的正常脑清除速度，但是两者都存在比较明显的脱氟现象[45-47]。姜黄素在治疗AD方面具有很大潜力，其类似物(如[18F]Curcumin)与Aβ具有较高的亲和性，能够穿透BBB，虽然初始脑摄取水平较低，但是正常脑清除较快，脑内代谢比较稳定[48]。吖啶橙类似物(如18F-BF108)，能够穿透BBB，与Aβ具有一定的结合性，与FDDNP存在竞争作用，但是非特异性结合较高，初始脑摄取水平较低，正常脑清除较慢[49]。邻苯二酰亚胺类似物，与Aβ具有多位点结合性，已有125I标记的邻苯二酰亚胺类似物作为新型Aβ显像剂的研究报道，但是未见此类化合物开发的PET显像剂的报道[50]。这些种类的有机小分子虽然研究相对较少，但是在Aβ显像方面都表现出一定的潜力，然而作为Aβ显像剂却又普遍存在某些缺点，仍需进一步研究或改造结构。

图7 黄酮类、查尔酮类、姜黄素类、吖啶橙类Aβ显像剂的化学结构Fig.7 Chemical structures of flavone derivatives, chalcone derivatives, curcumin derivatives and acridine orange derivatives for PET imaging of Aβ

2 Aβ显像剂的理想特征

理想的Aβ显像剂需要具有如下特征：(1) 合适的亲脂性；(2) 高BBB通透性；(3) 对Aβ具有高亲和性；(4) 对Aβ的亲和性表现出高选择性；(5) 在正常脑组织及非靶区中清除速度快；(6) 体内非特异性结合水平低；(7) 低代谢分解水平，或代谢物无脑摄取等[51-52]。

3 展望

近年来，Aβ显像剂一直是AD早期诊断研究中最活跃的领域之一，大量小分子被设计用于Aβ显像，而且有多种表现出优良的体内显像特性并相继进入临床研究，其中[18F]Florbetapir(AmyvidTM，Eli Lilly公司)、[18F]Flutemetamol(VizamylTM，GE公司)和[18F]Florbetaben(NeuraceqTM，Piramal公司)分别于2012年、2013年和2014年先后获得美国食品药品监督管理局(FDA)的上市许可，用于协助AD诊断。虽然如此，但是由于AD本身发病机理仍不明确，而且现有药物仍存在某些缺点，如缺少对不同亚型的Aβ沉积的选择性等，仍需继续开发更好的新型Aβ显像剂，以期更好的解决AD早期诊断的问题。