阿尔茨海默症病理标志物分子影像学研究进展

赵若杞

(复旦大学附属中山医院，上海 200032)

阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)是一种以淀粉样斑块、神经原纤维缠结和神经元丢失为主要病理特征的进展性神经退行性疾病，也是导致痴呆的主要因素。流行病学研究[1]预测，截至2050年，中国AD患病率将从2019年的5.6%增加到11%，平均每年消耗9.12万亿美元。目前AD临床诊断主要基于症状评估和认知测试，但都是主观性评价指标，通常难以进行横向和纵向比较，而脑脊液等数生物标志物检测具有侵入性，难以实施和重复。因此，最具有应用前景的筛查和诊断方法是以分子影像为代表的神经影像学手段。

目前已有多种成像方法在临床上被应用于AD诊断。这些技术可大致分为计算机断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)及各种衍生技术。CT多被用于描述大脑的解剖结构，在AD诊断中可提供表现为以皮层为主的大脑体积减小和不成比例的海马萎缩等影像学证据。从该技术发展而来的正电子发射断层扫描(PET)和单正电子发射计算机断层扫描(SPET)可根据血流量、耗氧量和葡萄糖利用率等提供有关大脑功能活动强度的信息。18F-脱氧葡萄糖(18F-FDG)是PET-CT中最常用于检测神经元退行性变导致的脑葡萄糖消耗减少的神经化学变化指标之一。在该检测手段中，大脑皮层顶叶和颞叶的放射性摄取减少是AD区别于其他情况的主要标志性特征。MRI利用不同原理同样可以检测到患者大脑是否出现萎缩，尤其在T1加权的结构磁共振中可半定量显示海马体、杏仁核及内嗅皮层等部位的特征性体积变化。功能磁共振(fMRI)则可通过血流变化直观地显示脑内神经元活动强度[2]。然而，这些目前广泛应用的成像技术局限于检测大脑解剖学层面的结构变化或代谢异常，因此只能起到指示性的区别作用，而不能成为确定性定量指标。换言之，目前神经影像学的检测结果及其解读存在很大差异，不足以满足AD早期发现、疾病分级、治疗评估和精确预后的需求。而细胞层面的病理变化等始动因素远早于临床症状的出现和解剖结构的改变。针对AD流行病学特征(危险因素、病因及病理生理进程)尚未阐明和缺乏疾病逆转性药物的现状，对于早期检测其分子层面变化技术的需求是相当迫切的。

分子神经影像将针对分子靶点设计并合成的示踪剂作为显像剂，专门识别和结合淀粉样沉积等AD特征性病理分子，有望改善AD的医疗干预效果。事实上，靶向β-淀粉样蛋白沉积的PET放射性示踪剂可将诊断水平前移至轻度认知障碍(MCI)或应用于高危人群筛查是非常重要的进展。一些此类示踪剂已经成功地应用于临床。同时大量研究发现，作为一种具有复杂病理生理机制的疾病，AD有着许多不同的分子病理特征，均可以作为放射性示踪剂的靶点。因此，有些放射性示踪剂针对β-淀粉样蛋白，另一些则可识别tau蛋白沉积及其变体或其他具有不同效力的靶点。鉴于此，现综述一些最有前景的示踪剂及其机制。

1 AD分子病理学和放射性示踪剂靶点研究现状

包括前额叶皮质、扣带回、颞叶和顶叶等特定区域的神经元和突触的特征性丢失导致大脑严重萎缩，称为阿尔茨海默病。这些解剖结构变化体现了相应的大脑功能受损。显微水平下，淀粉样斑块和神经原纤维缠结是AD的镜下病理特征。大体解剖异常可以通过结构MRI或CT来检测，而fMRI和其他技术则是为了描述大脑血流或耗氧量等功能状态而设计的。这些方法由于缺乏客观的区分标准，在很大程度上依赖主观分析。同时，痴呆复杂的分类和共病情况常使得AD易与其他具有相似症状的痴呆类型相混淆。AD分子病理的改变发生在疾病进展的早期阶段，在临床症状之前并随疾病的进展而变化。因此，靶向分子特征的神经影像使克服这些障碍具有可能性。为了描绘AD复杂的病理生理进程，更需要详细了解其分子病理特征。

事实上，现已提出的机制或假说没有一种能够充分解释细胞和脑区层面的神经病理性进展及其临床表现。淀粉样蛋白级联假说是目前受到最广泛认可的阿尔茨海默病病理理论。虽然许多治疗这一靶点的药物临床试验纷纷失败，但不可置否的是蛋白病(蛋白质错折叠)仍然与疾病的进展有着很强的相关性。因此，淀粉样斑块可能是由其他过程引起的神经元损伤所致，而非疾病发病的初始因素，却并不影响其作为神经影像学检测的生物标志物的潜质。

根据该假说最新进展，神经元外Aβ蛋白序列及裂解后长度、浓度(多聚或寡聚)及破坏其分布稳定性的因素都是重要的影响因素。在斑块逐步形成的过程中，淀粉样前体蛋白(APP)——一种与神经元生长、存活等基本功能相关的跨膜蛋白——通过α-、β-或γ-分泌酶的错误切割产生更易聚的Aβ1-42蛋白片段[3]。这些蛋白片段聚合为低聚物后极易形成与其纤维轴垂直排列的β链层结构。随后，蛋白片段的侧链结构将相邻两链层联锁起来并与其他链层缠结，共同形成原纤维，最终形成为直径10～120 μm的具有球形结构的成熟斑块[4]。成熟斑块还可与其他细胞物质共同沉积在受累神经元周围，形成主要以不溶性β淀粉样肽聚集体组成的致密斑块。在神经元内，微管相关蛋白tau磷酸化水平改变导致其聚集并形成神经原纤维缠结。而具有神经毒性的Aβ斑块被认为是引发tau蛋白过度磷酸化的因素：具有3或4个微管结合重复结构的可溶性tau蛋白单体亚型首先结合在一起形成低聚物，然后依次聚集成β链层，继而形成神经原纤维缠结。其中，特殊亚型的tau蛋白与AD密切关联，因此可作为成像的靶点[5]。这些神经元内外的聚集体会引起神经元多种功能障碍，包括转座元件失调、钙离子稳态破坏、葡萄糖利用障碍等，最终导致神经元死亡。

许多研究认为tau过度磷酸化和聚集是Aβ沉积的下游事件，但近期研究表明它们也可能作为两个平行的途径作用于疾病进程。因此，靶向Aβ斑块的成像在疾病前驱阶段具有指示性，而tau蛋白原纤维与脑萎缩和低代谢密切相关，并与疾病症状的严重程度成正比。总之，这两个分子靶点的监测都具有很大的价值。

此外，Willette等[6]研究发现，在AD发病前很久就可以观察到脑内葡萄糖利用水平的下降。鉴于AD是一种复杂的多因素疾病，具有多种病理生理过程，因此在疾病恶化过程中的许多分子也有望作为成像的靶点，如特征性能量利用障碍、蛋白质和脂质代谢异常以及神经递质周转异常等标志性损害。因此，针对神经递质系统、代谢、神经元丢失等过程的分子示踪剂也是研究热点。

2 分子成像基本原理及机制

2.1 放射性示踪剂和磁示踪剂 确定AD标志性生物靶点后的下一步是寻找相应的示踪剂。放射性示踪剂指含有一种或多种放射性核素的化合物，其放射性衰变信号可以通过成像系统中的辐射探测器来检测，从而追踪某些系统中目标底物的位置、分布和动态变化。在PET成像中使用的放射性核素通常是非特异性原子，在生命必需的、分布广泛的化合物存在且半衰期较短，如11C、15O、13N、18F。为特异性整合至特定生理途径或识别特定结构并进行定性和定量显像，示踪剂具有精密设计的结构：放射性基团和生物活性基团通过化学键共价连接构成分子探针。其中生物活性基团可以是代谢底物、抗体等，用于反映多种生理生化过程，如血流、能量代谢、蛋白质合成、神经递质周转和受体动力学。生物活性基团也可以附着在磁性纳米结构上或该分子本身具有干扰周围水分子磁性特征的作用，从而通过MRI技术进行可视化。生物活性基团识别相应分子的同时，放射性基团原位发射信号，分子影像的基本原理是分子识别和杂交，类似体内组织化学。因此，AD分子成像是根据指示性分子靶点设计分子探针或显像剂。测试和评价所设计示踪剂的性能通常用到的标准有高亲和力、高结合特异性、高比活性、高血脑屏障穿透性和低副作用。在实现这些目标之前，需要充分研究外周和中枢神经系统的代谢和机制。它们的发射能量和半衰期应符合目标应用。此外，示踪剂需要在正电子或单光子同位素标记后保持相同的生物性质。最后，也要考虑到成本和实用性。

2.2 应用中及研究中的示踪剂 在PET扫描中应用最广泛的同位素是18F和11C。同时99mTc、123I/125I/131I以及77Br是SPECT中常见的单质子。18F在酰胺基、羟基或巯基中可以取代氢原子，半衰期109.8 min，可以进行远距离运输，使得其使用不受设备限制。11C在标记位点上具有更少的限制，是内源性和外源性生物大分子中非常丰富的原子之一，但其放射性相对较低，半衰期较短(20.4 min)。尽管碘有23种放射性同位素，但其中只有3种是可用的。123I适用性更好，更长的半衰期(13 h)和更高的能量(159 keV)使其易于标记的同时保证了高成像质量。然而，其生产需要加速器，成本效益不高。此外，其他2种同位素过长的半衰期(分别为60 d和8.04 d)和较低的能量发射(分别为30 keV和365 keV)使其成像质量较低，因而很少用于中枢神经系统。99mTc是使用较广泛的放射性同位素，半衰期最短(6.02 h)，在141 keV时发射纯γ光子。由于拥有多变的配位原子和共价基团可改变其电子分布状态，99mTc的亲水状态和其他物理性质具有较高的可操纵性，因而具有高靶器官吸收性和滞留性。除外现有的3种靶向淀粉样斑块的示踪剂，florbetapir(18F-AV-45)、floretaben和flutemetamol已经被欧洲药品管理局和美国食品和药品管理局批准在欧洲和美国用于临床，还有许多相应的示踪剂正在研究中[7-8]。这些示踪剂可按其靶标分类：代谢途径、β淀粉样斑块、tau蛋白缠结和神经递质。

2.2.1 靶向β-淀粉样蛋白示踪剂：如前所述，虽然能量代谢障碍和功能神经元丢失可能是AD早期阶段的标志，但确切的分子病理应该是β-淀粉样蛋白在内侧顶叶皮质的沉积，这被长期认为是AD中可以识别的第一个分子事件。在体外实验中，最早被发现与β纤维交叉结构结合的化合物是刚果红和硫磺素T，但它们的离子电荷阻止其跨越血脑屏障[4]。在这两种化合物的结构基础上开发了许多以11C或18F为放射性同位素的PET示踪剂，以便在体内直接可视化Aβ及其分布来评估神经炎性斑块。在体内应用的第一种识别β-淀粉样蛋白的化合物是BSB，具有较好的血脑屏障穿透性和斑块特异性结合力。随后，两个科研小组分别设计了可分别识别β-淀粉样蛋白的荧光示踪剂18F-FDDNP、18F-FENE和125I-ITZM、125I-IBOX和两个内源性标记化合物125I-bFGF和125I-SAP。而结合了刚果红和氨基葡糖G的Methoxy-X04也是一种荧光示踪剂。经过人工合成的Aβ纤维和AD患者尸体标本测试，6-OH-BAT-1即PIB最终在100多种化学物质中脱颖而出。在AD前驱期，PIB结合增加，表现为双峰行为：大约50%阳性个体随后进展为AD。在前瞻性研究中，PIB配体滞留增加可以在随访中识别82% AD患者，仅有1例预测失败，显示出其较高的敏感性和特异性。此外，研究发现杏仁核和海马体萎缩都与PIB结合呈正相关，表明大脑不同区域对Aβ毒性的易感性存在差异。虽然这种示踪剂似乎有希望在AD临床发病前显示Aβ沉积物的增加，但却存在天花板效应，仍然需要进行大的多中心研究以制定客观评价标准。Florine-18具有更长的半衰期，比11C标记的示踪剂更加实用，因此由18F标记的化合物如苯并噻唑衍生物、苯并呋喃、二苯乙烯和苯并吡啶等已经进入临床试验的后期阶段。根据敏感性和特异性，美国食品和药物管理局批准了3种与纤维聚集形式β-淀粉样蛋白结合的放射性药物。氟替莫作为一种苯并噻唑衍生物，可估计斑块密度，敏感性为88%，特异性大于80%，在Ⅲ期临床试验中无不良反应[8]。含有二芳烯的氟倍他吡在AD患者中检测到β-淀粉样蛋白存在的阳性率为84%，在MCI患者中阳性率为45%。氟倍他苯检测组织病理学证实的Aβ斑块的敏感性为97.9%，特异性为88.9%[7]。虽然在一项研究中，18F-FDDNP与11C-PIB相比效果并不突出，但该研究同时指出其在显示AD部分脑区特征性变化中存在优势。此外另有许多化合物，如18F-RO6958948、11C-RO6931643和11C-RO6924963等也在研究和对比中[9]。然而,现有许多研究认为β淀粉样斑块的增加与AD临床症状进展的关联性并不强，相反低聚物淀粉样蛋白可能在AD早期引起记忆丢失。据此，Viola等[10]将寡聚体特异性抗体附着在磁性纳米结构上构建了一种稳定的化合物，可通过鼻内给药进入中枢神经系统并与Aβ寡聚体结合后产生可被检测的MRI信号。除了上述化合物外，一些金属放射性药物(如铜)和磷光物质(如钌多吡啶)等也在开发与研究中。总体来说，这些示踪剂在脑区中表现出不同的分布，可以显示它们所检测的AD病理特征的不同侧面。

2.2.2 靶向神经原纤维缠结中磷酸化tau蛋白示踪剂：Aβ沉积和聚集均在AD病情进展早期即达到饱和并进入平台期，而内侧颞叶的tau聚集作为下一步的病理改变与低代谢和萎缩密切相关，并与认知缺陷程度呈拟合较好的正相关。即便此类示踪剂的研究价值是相对较晚和最近被关注的，但也有部分已初步成形。含氟的放射性示踪剂已被开发用于高精度地结合tau纤维。Watanabe[11]构建了一种名为BIP-Nme2的化合物，其与AD患者脑中tau聚集体具有很高的亲和力，且具有良好的药代动力学特性。18F-T807可进行tau蛋白定量检测且血浆清除率高[12]。11C放射性标记的示踪剂则有11C-THK5351和11C-PPB等，研究[13]发现前者信号与预先测定的tau蛋白分布更密切相关，而后者则与β-淀粉样蛋白与tau共沉积关系更加密切。由于tau蛋白病理在AD进展过程中出现相对较晚，并且与AD临床症状更密切相关，因此它的影像学在临床试验中被更广泛地用于检查药物延缓疾病进展的有效性，而在早期发现或诊断中价值则弱于靶向Aβ的示踪剂。

2.2.3 靶向代谢示踪剂：神经毒性的可能后果之一是神经退行性变。据报道，通过PET和SPECT扫描观察到的颞叶顶部对称代谢和血液灌注减少在AD中是重要的症状提示。这种灌注减少所代表的神经元功能受损很大程度上归因于突触活动的减少。由于神经元几乎全部能量来源都是由葡萄糖提供的，所以18F-FDG可以间接显示AD早期神经元的代谢水平。通过氟取代氢，该化合物可以通过葡萄糖转运体被转运到神经元中，并由6-磷酸果糖激酶催化，但却不能被后续的酶催化且没有相应转运体，因而被捕获在神经元中[14]。在AD早期，在后扣带回和颞区可观察到典型的对称性低代谢。这种能量代谢障碍随后将扩散到前额叶皮层，且其程度与认知障碍严重程度成反比。前瞻性研究表明，后扣带回表现低代谢率和血液灌注的个体有更高的可能性进展为AD。18F-FDG-PET所检测到的低葡萄糖摄取率诊断AD的敏感性为94%，但特异性相对较低，为73%～78%[15]。此外，区域性低灌注血流还可以通过99mTc-HMPAO或99mTc-ECD显示，且两者具有相似的特异性和更快的组织分布平衡速率[16]。其中99mTc-ECD更易透过血脑屏障，因此可以长时间保留在大脑中而具有更好的靶器官分布，且几乎没有副作用。但它在体外迅速降解的特性影响了其临床应用。在此类示踪剂的检测结果中，顶叶顶部特异性低灌注提示AD，额叶特异性低灌注则提示额颞叶痴呆，而斑片状低灌注提示血管性痴呆，可作为重要的鉴别诊断标准。

2.2.4 靶向神经递质系统研究：神经元最主要的能量消耗部位是突触，即发生活跃的电活动和物质交换的场所[17]。更重要的是，神经元功能障碍和功能丧失通常反映在产生和释放的神经递质或其受体的减少方面[18]。神经递质及其受体通常被认为是特定类型神经元的标志物[19]。因此，考虑到不同类型神经元在不同脑区的分布，神经递质及其受体也可以指示某些脑区的神经元丢失。尸检发现，AD患者中枢神经系统中的乙酰胆碱(ACh)系统功能障碍与淀粉样斑块之间存在相互作用关系[20-21]。而且，胆碱酯酶抑制剂被认为是治疗该病的少数有症状缓解作用的药物之一[22]。而尼古丁和毒蕈碱型胆碱能受体的表达失调和亲和力改变则会影响治疗效果[23]。Weinberger等[24]发现3-奎宁-4-123碘苯甲酸酯(123I-4-IQNB)应用于SPECT时，其与毒蕈碱型乙酰胆碱受体活性结合较强的脑区与FDG-PET测定的葡萄糖代谢强度存在一定程度的不相关性，且在AD患者中显示出的缺陷范围更大。在AD患者中，该示踪剂的信号所显示的不同脑区的受体表达差异甚至可达到受体亚型水平[25]。更确切地说，AD患者颞叶顶部与尾状核之间的活动比低于正常老年人。总体上这种示踪剂具有包括高受体特异性在内的许多理想特性。遗憾的是，(R，R)-I-NQB和(R，S)-I-NQB的结合亲和力存在差异且放射性碘限制了化合物的实用性。而针对尼古丁型乙酰胆碱受体的示踪剂有11C-烟碱。除此之外，靶向囊泡ACh转运体的药物也在研发当中：123I-5-三丁基锡-3-苯基哌啶基-2-羟基萘(123I-IBVM)作为一个代表，被发现其信号强度与年龄和症状严重程度成反比。此外，其亲合力的降低在帕金森病(PD)患者中仅局限于顶叶和枕叶，而在PD与AD共病的患者中表现为全皮质的降低。因此，这种化合物也被认为可用于检测胆碱能神经元变性，但其诊断AD的特异性和敏感性有待确定。总体来说，顶叶、额叶和海马烟碱型乙酰胆碱受体(nAChR)的特征性减少可以通过结合危险基因来早期预测AD的发生。另一重要的兴奋性递质系统是多巴胺能神经元，在PD、精神分裂症和药物滥用等疾病中被广泛研究。靶向多巴胺转运体的示踪剂，如123I-氟丙基羧基-甲氧基降氧烷(123I-FP-CIT)有助于区分PD型痴呆、路易体痴呆和AD。Higuchi等[26]开发了靶向组胺受体1的11C-多塞平并发现其在AD患者中表现为额叶和顶叶低信号。更重要的是，该信号所代表的相应受体在特定脑区的表达浓度与疾病的严重程度密切相关。5羟色胺(5-HT)受体有7种亚型，而只有1A和2A在AD中表现为在额叶、顶叶、颞叶和枕叶的大量减少且可被18F-setoperone检测到。最主要的抑制性递质γ-氨基丁酸(GABA)系统也可用于显示脑区的萎缩。11C-氟马齐尼可在体检测GABAA受体的表达浓度，并在AD患者中表现为内侧颞叶皮层、颞下皮质和后外侧区的结合程度降低，与尸检标本中实际表现明显萎缩的区域有很强的相关性[27]。

3 结 语

通常至少有一种影像资料显示大脑结构性改变是排除颅内因素造成的痴呆并诊断AD的必要条件。而应用主观视觉评估内侧颞叶萎缩或海马体积，则受到硬件和软件等多种条件的限制，且存在操作依赖性。通过结合自动化计算机辅助方法和多种示踪剂或多模态成像，或许可解决传统影像手段存在的问题。分子病理示踪剂提供了精确量化大脑变化的可能性，而机器学习已成为挖掘数据、识别信号、标签组和分析结果的有力工具。具有大型队列的横断面研究可以提供原始分析资源，以创建新的诊断特征和设置阈值并建立预测模型。此外，有观点认为AD可能是一种具有组内亚型的疾病，对此可通过基于结构、功能和分子数据的神经网络的模式识别分类分析进行评估。一项研究[14]使用了一种新的深度学习框架用以区分潜在的前AD患者和其他MCI个体，并发现在单一FDG-PET模式下的准确率为82.51%，高于其他方法。AD诊断的另一个挑战是病理机制与导致痴呆的其他病因之间具有重叠，约90%的Lewy体痴呆病例和所有严重脑血管病均与AD有类似的病理表现[3]。为克服这一障碍，可以应用不同示踪剂的组合来识别不同的生物标记物。有证据表明，不限于分子类型的几种示踪剂的组合具有更好的灵敏度和特异性，尽管我们仍然需要找到有效的方法来整合和解释这些信息。在成像技术方面，不同的方法有自己的特点：PET利用内在元素进行放射性标记，具有比SPECT更好的生理相容性；磁共振成像具有较高的分辨率和三维显像能力，但灵敏度较低；类似PET/MRI的多模态成像可以将代谢和功能活动信息结合在一起，以便更好地比较同一队列中的不同方法或将信号合并在一起以更好地描述病情[28]。总之，结合针对不同分子病理的不同放射示踪剂，并结合不同来源的不同生物标志物以及多模态成像和计算机研究，提供可靠和成本效益高的诊断方案，将是研究分子影像学对AD临床应用的前景所在。