18F-AV1451 PET 在阿尔茨海默病中的临床研究进展

蔡莉 王颖 杨海磊 李彦生

天津医科大学总医院PET/CT 影像诊断科 300052

阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）病因不清，但可以明确是多因素、多条病理途径参与下的复杂神经退行性脑疾病。其中，大脑神经元细胞外β 淀粉样蛋白（amyloid-β protein，Aβ）聚集形成的老年斑和神经元突触内Tau 蛋白过磷酸化引起的神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFTs）是AD 最为突出的病理学特征，因此成为AD 分子影像诊断的生物学标志物和治疗干预的有效靶点[1]。近年来，随着以Aβ 为靶点的多种药物不断应用于临床试验，以及多因素分析结果显示Aβ沉积与认知障碍无明显相关性，越来越多的研究者将目光投向了Tau 蛋白[2]。有证据表明，磷酸化的Tau 蛋白与神经元变性、死亡和记忆障碍密切相关，因此，以Tau 蛋白为靶点的PET 特异性分子探针极有可能成为有效探测AD 患者认知功能下降和疾病进展的标志物，从而在AD 的早期诊断、疗效监测和发病机制研究中发挥独特优势[3]。7-（6-[18F]氟-吡啶-3-基）-5H-吡啶并[4,3-b]吲哚（18F-AV1451，18F-T807 或18F-Flortaucipir）是目前研究最多、临床应用最广的Tau 蛋白分子探针[4]。我们以18F-AV1451 为代表，对Tau 蛋白PET 脑显像在AD 临床研究中的进展进行综述。

1 Tau 蛋白分子探针和18F-AV1451 PET

迄今为止，已有5 种类型的Tau 蛋白分子探针被相继研发并成功应用于临床（表1、图1）。18F-AV1451 是第一代Tau 蛋白分子探针。临床前研究数据显示，18F-AV1451 对Tau 蛋白有很高的亲和力、选择性和特异性，同时具有合适的体内药代动力学特性[5]。人体PET 显像结果表明，18FAV1451 在人脑中具有较好的动力学特征，穿透性佳且能被快速洗脱[6]。临床试验结果证实，通过18F-AV1451 检测脑内Tau 蛋白沉积能有效地区分认知功能受损的患者与认知正常的受试者，并能追踪病情发展[7-8]。与其他Tau 蛋白相关神经退行性病变，如进行性核上性麻痹和皮质基底节变性相比，该探针对AD 引起的NFTs 更具特异性[9-11]。

表1 各类型Tau 蛋白分子探针及其特点Table 1 Characteristics of Tau protein PET molecular probes

图1 几种常用的Tau 蛋白分子探针的化学结构式 图中，18F-THK5317： （ S ） -6-[（ 3-[18F]氟-2-羟基 ） 丙氧基]-2- （ 4-甲氨基苯基 ） 喹啉；18F-THK5351： （ S ） -6-[（ 3-[18F]氟-2-羟基 ） 丙氧基]-2- （ 2-甲氨吡啶-5-基 ） 喹啉；18F-AV1451：7- （ 6-[18F]氟-吡啶-3-基 ） -5H-吡啶并[4,3-b]吲哚；11C-PBB3：{4-[3- （ 6-[11C]甲氨基 ） -吡啶基]-顺丁二烯基}-6-羟基-苯并噻唑；18F-MK6240：6-[18F]氟-3- （ 1H-吡咯并[2,3-c]吡啶-1-基 ） -异喹啉-5-胺；18F-RO6958948：2- （ 6-[18F]氟-吡啶-3-基 ） -9H-二吡啶并[2,3-b; 3′,4′-d]吡咯Fig. 1 Chemical structures of commonly used Tau protein PET molecular probes

2 18F-AV1451 PET 与AD Braak 病理分期

众所周知，脑内AD 特异性病理改变先于认知损害出现，即在出现临床症状之前存在至少长达20 年的AD 临床前期。在此期间，给予有效的干预会延缓甚至阻止痴呆症状的发生，因此需要一个可以监测疾病进展的可靠临床指标。1991 年，两位Braak[12]首次在83 例脑组织活检样本中明确了AD 病程中NFTs 在大脑区域中遵循一组有规律的路径传播，据此可将疾病分为6 个不同的阶段（Ⅰ～Ⅵ期）。Ⅰ～Ⅱ期：NFTs 分布于经内嗅区和内嗅区皮质，此时患者处于无症状期；Ⅲ～Ⅳ期：经嗅区和内嗅区皮质严重受累，病变累及海马区，此时患者有轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）；Ⅴ～Ⅵ期：NFTs 明显累及颞叶及其他新皮质，患者则相继出现不同程度的记忆障碍，即痴呆期。此后，Tau 蛋白PET 示踪剂的研发使得NFTs 分布可视化，相应PET 显像研究进展迅速。2013 年，Chien 等[6]首先对3 例正常对照者、1 例MCI 患者和2 例不同程度AD 患者进行了18F-AV1451 PET 扫描，结果证实，该示踪剂在脑内的滞留模式与两位Braak[12]的病理发现基本相符：正常对照者的简易智力状态检查（mini-mental state examination，MMSE）=30 分，示踪剂在标准化摄取值比值（standardized uptake value ratio，SUVR）=1.16 的 颞 叶 内 侧、海 马 区（SUVR=1.17）和颞叶外侧（SUVR=1.14）等主要脑区无沉积；MCI 患者的MMSE=26 分，18F-AV1451在颞叶内侧（SUVR=1.26）、海马区（SUVR=1.23）、颞叶外侧（SUVR=1.38）及顶叶（SUVR=1.21）等脑区轻度滞留，符合Braak 病理分期中的Ⅲ～Ⅳ期；轻度AD 患者的MMSE=21 分，18F-AV1451 在颞叶内侧（SUVR=1.60）、海马区（SUVR=1.60）及颞叶外侧（SUVR=1.74）沉积较多，在额叶（SUVR=1.30）和顶叶（SUVR=1.34）有少量沉积，而在枕叶（SUVR=1.01）无显著沉积；重度AD 患者的MMSE=7 分，18F-AV1451 分 布 于 外 颞 叶（SUVR=1.80）、顶 叶（SUVR=1.80）和额叶（SUVR=1.46），枕叶（SUVR=1.13）也有轻度的显像剂摄取，符合Braak 病理分期中的Ⅴ～Ⅵ期，但内颞叶（SUVR=1.47）和海马区（SUVR=1.44）的显像剂摄取下降。当时研究者认为，这可能是由于新皮质的广泛受累阻碍了内侧颞叶和海马区对18F-AV1451 的摄取，但目前分析该病例很可能是一例非典型AD 患者。

2016 年，Schwarz 等[13]通 过18F-AV1451 PET显像在一项173 例多样本人体试验中证实了Braak分期法，受试者包括42 例认知正常者（MMSE≥29 分）、87 例临床诊断MCI 患者（MMSE≥24 分）和44 例AD 患者（MMSE≥10 分）。其中，有149 例（86%）受试者18F-AV1451 的沉积模式与Braak 分期相对应，即随着病情加重，示踪剂沉积从无到有，路径为从内嗅区皮层至整个内侧颞叶，随后逐渐向外侧颞叶、大脑后侧延伸至视觉皮质和整个新皮层。但是该研究结果也显示，有16 例AD 患者Braak 分期较低，这提示18F-AV1451 PET 的灵敏度较低。然而，同年Lowe等[9]的一项放射自显影联合免疫组化技术研究结果显示，18F-AV1451更倾向于与细胞内成熟的NFTs 结合，而在MCI 或早期AD 的细胞内更多的是非成熟NFTs 或细胞外游离NFTs，因此可能会造成与18F-AV1451的结合力降低。而非典型AD，即使在Braak Ⅵ期，海马体中也只有很少的18F-AV1451 滞留，但在枕颞叶和颞下回皮层中表现出强烈的18F-AV1451 滞留，与免疫阳性的成熟NFTs 定位一致。由此可见，18F-AV1451 在AD中结合的变化确实是由Tau 蛋白沉积的部位和形式的变化所致，但18F-AV1451 PET 并不能完全反映Braak 病理分期中早期Tau 蛋白的进展。

另有研究结果表明，Tau 蛋白也可广泛沉积在认知正常者的大脑中。来自梅奥医学中心的一项迄今为止样本最大的、对601 例认知正常者进行的18F-AV1451 PET 研究发现，Tau 蛋白广泛沉积在无认知障碍的正常老年人的新皮层区域，包括眶额上回、眶额中回、颞下回、内嗅区皮层、海马旁回、颞上回、岛叶、顶下小叶、角回、枕下回和楔前叶等，尤其是杏仁核区（40%）[14]。研究者对与Braak分期相关的10 个区域进行了分析，结果发现，Tau 蛋白沉积率由高至低的部位依次为杏仁核（Braak Ⅲ期）、内侧颞极（Braak Ⅲ～Ⅳ期）、颞下回（Braak Ⅳ期）、海马（Braak Ⅲ期）、内嗅皮层（Braak Ⅰ～Ⅱ期）、内侧颞叶（Braak Ⅳ期）、眶额上回（Braak Ⅴ期）、直回（Braak 分期未确定）、枕下回（Braak Ⅴ期）和梭回（Braak Ⅲ～Ⅳ期）。在认知正常组中，Tau 蛋白可以局灶性或弥漫性沉积，同时与年轻认知正常者（30～49 岁）相比，老年认知正常者（≥50 岁）在颞叶内外侧结构及基底节区Tau 蛋白的沉积更多，但认知正常者大脑Tau 蛋白沉积率明显低于遗忘性MCI 患者和AD 患者，特别是在颞叶、顶叶、后扣带和额叶[15]。然而，另有研究结果显示，颞叶内侧，特别是内嗅区皮层18F-AV1451的沉积与认知正常者的情景记忆损伤和主观认知下降存在相关性[16-17]。因此，认知正常者的颞叶内侧中早期Tau 蛋白的沉积也许并非是一个良性事件，有可能预示着向AD 的发展，这还需要大样本的纵向深入研究。

3 18F-AV1451 PET 与Aβ、年龄及认知的关系

越来越多的研究结果显示，虽然AD 患者脑中同时存在Aβ 蛋白和Tau 蛋白，但是与认知功能障碍关系更加密切的是Tau 蛋白的沉积，两种病理性蛋白的分布与认知及神经变性的关系十分复杂[18]。在疾病早期，Aβ 的沉积速率和Tau 蛋白的传播存在一个相互作用机制。Roberson 等[19]将Tau 基因敲除的小鼠和淀粉样前体蛋白转基因的小鼠杂交后发现，降低Tau 蛋白水平可以保护神经元细胞抵抗过量Aβ 产生的细胞毒性，这提示AD 的病理机制中Aβ 神经元毒性可能需要Tau 蛋白来介导，两者的协同作用增强对细胞的毒性作用。此外，AD患者出现症状的年龄也会明显影响18F-AV1451 的摄取模式。散发型早发性AD 患者表现出明显更多的颞顶叶和额叶示踪剂沉积，而晚发性AD 患者的示踪剂沉积则局限于颞叶。为了明确深入地了解Aβ 蛋白、Tau 蛋白与认知变化的关系，Tosun等[20]对42 例正常老年人和40 例AD-MCI 患者行18F-AV1451 PET 和18F-Florbetapir PET，并进行2 年的追踪检查，结果发现：（1）18F-AV1451 的结合力（SUVR）与受检者的教育年限、性别及载脂蛋白E（ApoE）基因型无关，但是与Aβ 和年龄存在变化的相关性，在基底节、颞叶、内侧眶额回、海马及杏仁核，18F-AV1451 的SUVR 与年龄呈正相关（r=0.16，P=0.004）；在内侧额叶，18F-AV1451 的SUVR 与年龄呈负相关。（2）在颞顶联合区和楔前叶，Aβ 的聚集变化与18F-AV1451 的沉积明显相关，特别是在颞下回和顶下小叶区域。（3）Aβ 年度变化不能独立解释任何认知或临床症状的变化，但在Aβ 阴性（Aβ−）组内，18F-AV1451 的沉积模式能够解释48%的MMSE 变化（P<10−4）和23%的复合记忆分数变化（P=0.02）；在Aβ 阳性（Aβ+）组内，18F-AV1451 的沉积模式能够解释32%的复合记忆分数变化（P=0.002）。Pontecorvo 等[21]也发现，18F-AV1451 分布的范围和程度在Aβ+的受试者中有很大的差异。虽然新皮层Tau 蛋白的滞留始终与Aβ+一致，但不是所有的Aβ+受试者18F-AV1451 的SUVR 都增高，而且Aβ+组内18F-AV1451 结合增加也与认知损伤相关。这些结果印证了是Tau 蛋白缠结，而不是Aβ 聚集率与认知和临床症状相关，同时增加的Aβ 聚集率和Tau 蛋白沉积并非局灶性关联，这提示Aβ 沉积对AD 的病理性发展可能是一种远隔效应。

另一项对50～85 岁早期AD 患者（MMSE>20分）进行Aβ（18F-AV45）和Tau（18F-AV1451）PET联合显像的多中心研究结果显示，年龄与Tau 蛋白沉积在内嗅皮层、丘脑、海马、海马旁回、枕叶、顶叶和额叶等多个脑区呈显著负相关：年轻的轻度AD 患者Tau 蛋白沉积相对多，而老年轻度AD患者虽然皮层中Tau 蛋白沉积较少，但6 个月内认知恶化速度较年轻AD 患者更快。因此，研究者认为年轻患者患病可能始于Tau 蛋白病理性沉积，之后的病情进展则依赖于多种病理学机制[22]。但是，Iaccarino 等[23]对30 例Aβ+的中度AD 患者行18F-AV1451、11C-匹兹堡化合物B（11C-Pittsburg compound B，11C-PIB ）PET 和MRI 对照显像发现，18F-AV1451 的摄取水平与大脑灰质峰值在枕叶内侧回和枕下回在体素水平上呈负相关，而11C-PIB的摄取水平与减少的灰质体积无相关性，这说明在中度AD 中，同样是Tau 蛋白的进展导致了局部神经退行性病变。

对以遗忘为核心症状的典型AD 的大量研究结果证实，认知损伤的进展与来自内侧颞叶（内嗅皮层、海马旁回和海马结构）的Tau 蛋白的病理性扩展一致，并导致早期情景性记忆障碍进展，伴随失语、失用和失认。除此之外，还有一些患者被尸检证实为非典型AD，如逻辑变异型原发性进行性失语（logopenic variant of primary progressive aphasia，LvPPA）、后部皮层萎缩（posterior cortical atrophy，PCA）和额叶变异型AD[24]。目前认为，病理性Tau 蛋白沉积部位的不同可能会导致临床症状的不同[25]。为了印证该论点，Ossenkoppele 等[26]对5 例典型AD 患者以及12 例非典型AD 患者（包括7 例PCA 和5 例LvPPA 患者）分别行18F-AV1451 PET 和11C-PIB PET，结果证实，18F-AV1451 PET显示出与临床表型一致的局部沉积：在典型遗忘型AD 中，18F-AV1451 明显沉积在内侧颞叶和外侧颞顶叶；PCA 的沉积在后部区域；LvPPA 的沉积在左侧脑半球的语言中枢，1 例表型为执行功能、视空间和语言功能障碍但情景记忆保留的患者，Tau 蛋白弥漫分布于除内侧颞叶外的大脑皮层。而11C-PIB 则全脑弥漫沉积，典型AD 和非典型AD 间的差异无统计学意义。这充分证明了Tau 蛋白的病理性沉积与神经退化的模式及AD 的临床表型密切相关。Xia 等[27]的研究也得出了类似结论。

在18F-AV1451 PET 的横向研究结果显示Tau蛋白沉积反映疾病严重程度和临床表型变化的基础上，Cho 等[28]对AD 患者脑皮质Tau 蛋白沉积的长程变化及其与认知功能减退的关系进行了纵向研究。该研究纳入了31 例MCI 患者和24 例AD患者，每例均完成Tau 和Aβ 的基线PET 扫描（18F-AV1451 PET 和18F-Florbetaben PET）、MRI 和神经生理测验，对所有受试者在2 年后进行了相同的评估。结果显示，MCI 组和AD 组在2 年间整体大脑皮质18F-Florbetaben 的SUVR 无明显变化，而18F-AV1451 的SUVR 分别增加了0.06（2.9%）和0.19（8.0%）。MCI 与增加的中下颞叶皮质中Tau蛋白优势聚集有关，而AD 显示外侧颞叶皮质中Tau 蛋白聚集增多。MCI 组中向AD 进展的、整体认知功能恶化的患者存在广泛皮质区的进展性Tau 蛋白聚集，而认知功能未恶化者外侧颞叶皮质中仅有轻微的Tau 蛋白的SUVR 升高，这说明整体认知功能和语言功能的恶化与新皮质中Tau 蛋白聚集进展有关。由此可见，18F-AV1451 PET 可用于监测AD 进展。

4 18F-AV1451 PET 与脑功能网络

目前，有很多假说试图解释Aβ 和Tau 蛋白在脑部的传播及分布，最突出的即网络退变假说[29-30]。该假说认为，神经退行性疾病病理性蛋白的播散沿着功能网络进行，相关功能网络的崩塌反过来又会加剧临床症状。过去10 年来，多模态影像研究结果已经提供了确凿的证据支持网络退变假说：Aβ 沉积区域和神经功能网络，特别是默认模式网络（default mode network, DMN）存在一定的空间重叠，并且DMN 区域Aβ 沉积量的增加，在无症状个体中可以作为早期AD 的标志[31-32]。那么Tau 蛋白是否同样按照功能网络来传播？AD 啮齿类动物模型实验结果证实，细胞外的Tau 蛋白磷酸化可通过刺激M1/M3 毒蕈碱受体导致细胞内钙离子受体活性增强，进一步使细胞外Tau 蛋白发生胞吞现象，继而按照类似朊蛋白的传播方式，通过神经元轴突将Tau 蛋白错误折叠的能力传播至其他神经元，影响连接的脑区，最终导致严重的神经退行性病变[33-34]。Hoenig 等[35]对22 例遗忘型AD 患者的18F-AV1451 PET 数据进行独立成分分析，结果探测到10 个独立的Tau 蛋白病理网络，分别为左侧颞叶外侧脑回网络、左侧前中央脑回网络、右侧楔前叶网络、右侧枕上回网络、左侧梭状回网络、左侧后扣带回皮层网络、右侧楔叶网络、右侧额叶内侧和眶回网络、右侧颞上回网络和左侧海马旁回网络。它们与高功能连接区域相吻合，空间上类似于已经确立的语言网络、额叶控制网络、DMN、视空间网络和海马网络。Tau 蛋白病理网络与相应的Tau 蛋白依赖性种子功能网络有一定的重叠（Dice 相似系数：0.13～0.57），后者与静息态功能网络，特别是DMN 也有重叠（Dice 相似系数：0.42～0.56）。有趣的是，这种空间相似性在腹侧和背侧DMN 最高，在语言、初级和高级视觉网络以及海马网络相似性也很显著。Hansson 等[36]的研究结果亦显示，AD 患者的Tau 蛋白病理性沉积模式与多个认知相关网络有关，Tau 蛋白显著沉积的区域与背侧注意网络重叠，同时具有较高的视觉、边缘和DMN 网络成分。以上结果表明，Tau 蛋白并非只分布在某个特定网络，而是遵循着几个独立的网络路径，在大脑不同区域内连续发展。另有研究结果显示，Tau 蛋白相关网络的局部（如颞叶）破坏会导致代偿性Tau 负荷转移至后部DMN 以及与Aβ 和网络崩塌有关的其他网络节点[37]。因此，未来纵向研究功能连接网络和Tau 蛋白病理网络之间的关联对阐明Tau 蛋白病理传播模式，明确Aβ 和Tau 蛋白沉积的先后顺序和相互作用形式，以及在网络水平深入探求AD 发生发展的机制非常重要。

5 18F-AV1451 的局限性

18F-AV1451 是第一代Tau 蛋白探针，存在不足。多项体内实验结果显示，18F-AV1451 在一些脑区有“脱靶”现象，特别是在基底节、中脑黑质和脉络丛区域有明显的非特异性摄取[9,38]。虽然体外研究结果显示，18F-AV1451 对大脑高表达的单胺氧化酶B（monoamine oxidase-B，MAO-B）有着与Tau蛋白相似的亲和力[39]，并且可能是造成“脱靶”的原因，但是Hansen 等[40]在使用和不使用MAO-B抑制剂的非痴呆帕金森病患者PET 扫描之间没有观察到18F-AV1451 沉积的显著差异，这说明人体内18F-AV1451 与MAO-B 的结合并不明显。而铁敏感的MRI 证实，AD 患者和正常对照组受试者的尾状核、壳核和苍白球对18F-AV1451 的非特异性摄取与这些部位的铁沉积有关[41]。中脑黑质对18F-AV1451 的非特异性摄取可能与多巴胺能神经元黑色素聚集有关[38]。此外，18F-AV1451 在脉络丛的浓集会严重影响邻近海马结构的定量分析[9]。因此，关于18F-AV1451 的争议一直不断，临床和科学研究需要更灵敏、更特异的示踪剂来反映Tau 蛋白在脑内的病理性聚集。第二代Tau 示踪剂（如18F-MK6420、18F-RO69558948 和18F-PI2620）的体外实验结果显示，它们很少或不受“脱靶”影响，目前已初步应用于临床，具有良好的发展潜力和应用前景[42-44]。

6 小结与展望

利用Tau 蛋白分子探针，通过先进的PET 影像技术，以非侵入性方式显示病理性Tau 蛋白的产生、分布与变化，对于临床诊断和研究各类型Tau 蛋白相关的痴呆疾病，特别是对于AD 具有重要的作用。2018 年4 月，美国国家老年化研究所（老年痴呆症协会）提出了新的AD 研究框架。该框架建议，通过神经病理学或生物标志物对AD 进行生物学定义，提出只有同时具备Aβ 沉积和Tau 蛋白沉积两项特征才能称之为AD，而不再仅依赖于临床症状，从而将生物标志物的重要性提高到前所未有的高度[45]。研发更为特异的Tau 蛋白分子探针，有助于深入理解Tau 蛋白病变的进展与认知损害之间的关系及其在各类型AD 中的发病机制，还可以有效监测AD 的进展、评估靶向疗效和预后，因而具有巨大的临床和科研潜力。鉴于AD 的复杂性，多种PET 分子影像探针联合应用，或将PET 与其他诊断手段，如脑脊液检测和功能MRI相结合，将成为未来AD 早期诊断及机制研究的重要趋势，并对AD 治疗药物的研发起到积极的推动作用。

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 蔡莉负责命题的提出、综述的撰写；王颖、杨海磊负责综述的修订；李彦生负责综述的审阅。