帕金森病的核素成像研究

张颖冬,王峰

帕金森病(PD)为常见神经变性病,临床表现有运动症状如运动迟缓、震颤、肌僵直、姿势不稳等,还会有非运动症状如情感障碍、认知障碍、睡眠障碍、胃肠道症状和疼痛;不同患者表现可有不同。现有PD治疗方法只能缓解症状、不能阻止病理进展。

PD诊断主要根据患者临床运动症状和常规抗PD药物反应性,且要排除继发性帕金森综合征的可能性。然而,PD明确的症状体征仅在疾病中晚期出现,且与特发性震颤(ET)和“非典型”帕金森综合征(aPS)如Lewy小体痴呆(DLB)、多系统萎缩(MSA)和进行性核上性麻痹(PSP)有重叠,会致PD诊断不肯定,确切诊断需要证实脑组织病理改变。无创性分子成像方法如MRI、SPCET和PET的出现使得能够在活体内鉴别PD与ET以及部分aPS;而且有助于发现生物标志物和靶点,以用于临床症状前诊断、评估疾病进展和治疗有效性,探讨潜在发病机制和对因治疗策略[1-2]。

1 PD的病理机制

PD有2个主要病理生理学标志:错叠α-突触核蛋白(α-Syn)蓄积和黑质(SN)内多巴胺(DA)能神经元减少。α-Syn的错叠和蓄积、异常DA代谢、氧化应激以及神经元死亡相互作用,干扰脑内信号传导通路,导致PD病理,并不断进展[2-3]。

大多数PD患者(85%)为散发、原发性,少数可由遗传易感性解释。α-Syn基因SNCA为首个证实可导致家族性PD的突变基因。目前,在人类基因组中已判定出至少16个位点与家族性PD相关,其中最常与PD相关的基因包括SNCA、PRKN、UCHL1、LRRK2、DJ-1、PINK1。SNCA基因突变可增加α-Syn聚集倾向。同时,SNCA、UCHL1和PRKN基因突变可损害泛素-蛋白酶系统功能,致使错叠蛋白如聚集α-Syn的移除障碍,而PRKN、LRRK2、DJ-1和PINK1基因与线粒体功能缺损和氧化应激相关,促使α-Syn错叠聚集,损害突触囊泡释放DA进入胞浆。PD模型也证实α-Syn聚集可促进神经炎症,加剧α-Syn聚集,最后致DA能神经元脱失。原发性与遗传性PD相似,但相关蛋白功能缺损是由其他因素,而非突变所致[4]。

2 核影像技术的基础原理[2,4]

核素分子影像是在分子和细胞水平上对生物过程的可视化、特征化和检测。所以,核素成像为功能性影像,意味着可在体提供相关生物过程信息。

2.1 PET PET有赖于正电子发射核素如氟-18(18F,t1/2=109 min)、碳-11(11C,t1/2=20 min)或氧-15(15O,t1/2=2 min)的衰变特性。以正电子发射核素标记的示踪剂注入受检者,分布全身。根据衰变,放射性核素发射正电子会被周围组织快速阻止而被消灭,并生成成对γ光子在约180度角发射出,由检测器测出。示踪剂空间分布作为功能时间可从检测列表推断出。

2.2 SPECT 如同PET,SPECT也需要示踪剂注入受检者,但其采用发射单个γ光子的核素如锝-99m(99mTc,t1/2=6 h)、铟-111(111In,t1/2=2.8 d)、碘-123(123I,t1/2=13.2 h),需要多个γ照相机从多个角度获取示踪剂分布的2D投射成像,再汇集形成3D影像。SPECT也可采用闪烁扫描技术,只记录受检者体内示踪剂分布的单个投射成像,临床常用。

2.3 PET与SPECT的比较[5]核素成像有4个重要参数:敏感性、精确性、时间和空间分辨率。临床前研究的SPECT扫描仪相比临床前PET有更好的空间分辨率,但临床PET则要比临床SPECT有更高空间分辨、敏感性和时间分辨率,可定量成像。而且,PET/CT或MRI系统可提供参照解剖框架和功能影像数据,且不断有新PET成像药物研发问世。所以,PET是在体功能研究的首选方法,只是PET也有相对昂贵的缺点,且多数示踪剂由短效同位素标记,使PET成像中心需靠近生产同位素的直线加速器。SPECT相对廉价,依赖较长效同位素可远距离转运,所以SPECT仍在一些影像中心常用。

3 PD相关的核素成像靶点

3.1 DA能系统 DA是儿茶酚胺(CA)神经递质,占脑内CA含量的80%。CNS内,DA在SN、中央被盖区和下丘脑内合成,参与运动控制、学习和动机性行为。DA受体属G蛋白偶联受体超家族,分为5个亚型(D1～D5)。DA合成[4,6]是通过氨基酸脱羧酶(AADC)对左旋多巴(L-DOPA)脱羧实现,储存于突触囊泡,释放进入突触间隙后实施信号传导。DA转运体(DAT)将释放的DA泵回突触前神经元,并由囊泡单胺转运体(VMAT2)再将DA载入突触囊泡,直至再次释放。未被DAT转运至突触前神经元的DA由胶质细胞释放的儿茶酚-O-甲基-转移酶(COMT)降解为3-甲氧酪胺,再被单胺氧化酶-B(MAO-B)氧化为高香草酸。在神经元的突触囊泡外,DA被MAO转换为二羟基苯乙醛,又快速被乙醛脱氢酶氧化为二羟苯乙酸后再被COMT甲基化形成高香草酸。

MAO-B代谢DA可生成各种细胞毒性自由基,如超氧阴离子、DA-醌类属和羟自由基,致α-Syn形成有毒性原纤维的加合物,促神经变性;再者,神经元内α-Syn聚集物可干扰DA在突触囊泡内储存,致DA泄漏进入胞浆或细胞外腔,并转化为毒性代谢物。

3.1.1 DA合成和代谢 参与DA合成/代谢的酶活性可由L-DOPA的氟化类似物——6-[18F]F-DOPA-PET成像。纹状体内[18F]F-DOPA摄取可反映CA能神经末梢密度,AADC和VMAT2活性复合功能,所以有称之为AADC成像[6];而[18F]F-DOPA的洗出可反映COMT和MAO活性。一般成像是在注射后90～120 min实施,此时健康纹状体内活性稳定[4]。

PD的纹状体区[18F]F-DOPA摄取相比健康状态和aPS呈非对称降低,一侧信号脱失甚于另一侧,且壳核后部受累比前部更明显。如此降低与一些运动症状、特别是肌僵直和运动迟缓的严重程度相关联,但与震颤以及非运动症状如认知障碍和抑郁无关联性[4,6]。DA能细胞移植后PD患者可显示有纹状体[18F]F-DOPA摄取增加,DA能功能部分正常化[7]。1998年Morrish等[8]对PD患者相隔18个月时间点的[18F]F-DOPA摄取测定,算出PD平均临床前期可能少于7年。该示踪剂在2006年欧盟和2019年美国批准用于诊断PD、鉴别ET与PD和aPS[4]。

[18F]F-DOPA的结构类似物6-[18F]F-m-酪氨酸(FMT)对AADC有更高亲和力,且不被COMT识别,而其代谢物对DAT和VMAT2亲和力比[18F]F-DOPA代谢物更低。所以,[18F]FMT在纹状体摄取更能反映AADC活性。Gallagher等[9]对PD患者比较此2种示踪剂提出,[18F]FMT信号与临床症状的相关性更好。Li等[10]提出PD患者纹状体外的此2种核素摄取与认知和情感症状均无关联性。

3.1.2 DAT DAT在突触前膜表达,其核素配体几乎均为可卡因/托烷的衍生物[11]。PET示踪剂[11C]可卡因是首个可在体精确成像DAT的放射性配体,而SPCET示踪剂123I标记的2β-碳甲氧-3β-4-碘苯酚-托品(β-CIT)的临床应用才使得DAT成像成为支持PD诊断的重要工具[4]。[123I]β-CIT的缺点是对DAT选择性并不优于血清素(5-HT)转运体,且药代学非常慢、示踪剂注射与成像之间需24 h间隔,所以已被对DAT选择性强、代谢快的[123I]N-3′-氟丙基-2β-羰甲氧基-3β-4′-碘苯基-托烷(FP-β-CIT)取代,后者可在注射3～4 h后采集成像[12]。2000年欧洲药品管理局和2011年美国食品药品监督管理局批准[123I]FP-β-CIT(即DaTSCAN®)成像用于临床鉴别PD与ET,但不能与aPS鉴别[4,6]。对DAT有更高选择性和更快速药代学的SPECT示踪剂还有[123I]PE2I和[123I]altropane,而[99mTc]Tc-2β-[N,N′-双(2-巯乙基)乙撑二胺基]甲基,3β-(4-氯苯基)托烷(Tc-TRODAT-1)是目前仅有可透过完整血-脑屏障的基于螯合剂核素成像药物,主要优点是可从99Mo/99mTc发生器获得,相比PET示踪剂价格低很多,临床应用更广泛[12]。

DAT成像的PET示踪剂包括化学上与SPECT配体一致的化合物如[11C]或[18F]FP-β-CIT和PE2I、以及非莨菪烷化合物[11C]哌甲酯(MP)和去甲肾上腺素(NE)转运体首选的[11C]诺米芬辛(nomifensine)。

PD的DAT信号明显低于健康状态、呈非对称性,且降低与运动迟缓严重程度相关联。有研究[4,6,12]表明,DAT信号与PD的抑郁症状相关联。单个剂量L-DOPA可致短时间DAT利用率降低,提示DAT被新合成的DA占有;但长时间L-DOPA治疗可加剧进展中PD的DAT结合脱失,而DA受体激动剂治疗可改善此;提示对DAT成像应暂停抗PD药物治疗[13]。

总之,DAT成像和DA合成成像均可用作于PD诊断,而[18F]FE-PE2I会由其快速药代学和PET优点而超越SPECT-[123I]FP-β-CIT成为DAT检测最常用方法。

3.1.3 VMAT2 VMAT2位于储存DA的突触囊泡膜上,[11C]或[18F]二氢丁苯那嗪(DTBZ,也称为AV-133)-PET显示,PD的突触前变性可致纹状体摄取VMAT2示踪剂降低[4,6]。

对[18F]F-DOPA、[11C]MP以及[11C]DTBZ三种不同靶点示踪剂的受检个体内比较显示,PD患者中[11C]DTBZ检测VMAT2利用率对PD进展评估的生物标志作用要比突触前DA合成活性或DAT利用率的偏差更低[14]。而且,相比DAT或DA示踪剂,VMAT2示踪剂结合最不可能受抗PD药物影响,更能在临床中反映出病理变化[15]。2011年de la Fuente-Fernández等[16]以[11C]DTBZ对不同年龄组PD患者和健康对照者连续检测评估VMAT2密度,年轻PD患者壳核[11C]DTBZ结合脱失明显慢于老年PD患者,且PD症状前约17年就开始下降,所以VMAT2成像应可有助于研究症状前后的PD全过程。

3.1.4 DA受体 DA受体多位于突触后膜,所以DA受体成像可提供DA能神经末梢突触后的神经元信息。大多数DA能受体示踪剂是结合D1样(D1和D5)或D2样(D2、D3和D4)受体亚系。D2样受体常以D2/3受体示出,毕竟D4亚系极少。

D1样受体成像的放射性配体相对很少,且限于PET示踪剂,如[11C]NNC112等。D2/3受体的放射性配体较多,包括SPECT示踪剂如[123I]苯甲酰胺和PET示踪剂如[11C]雷氯必利(raclopride)、[18F]去甲氧基氟利必利(desmethoxyfallypride)和(+)-[11C]4-丙基-9羟基萘恶嗪(PHNO),适于富含D2/3的纹状体区域成像;而纹状体外区域含D2/3密度很低,可采用超高亲和力PET示踪剂如[11C]FLB457和[18F]氟利必利(fallypride)成像[4,6,11,15]。与D1样受体不同,几乎所有D2/3示踪剂对突触内DA浓度敏感,其中[11C]PHNO敏感性最高。如此高敏感性既有可监测抗PD治疗后DA能信号恢复的优点,也有受体密度和DA浓度影响致单次检测意义不大的不足[4]。

PD的D1样受体成像与健康时并无明显差别[17],而D2/3受体利用率可正常或稍高,但随疾病进展4年后下降,且纹状体外区域明显甚于纹状体内。这还可证实抗PD治疗后被DA和D2/3激动剂的占有率[6]。aPS纹状体D2/3受体的基线利用率显著低于PD,可对PD和aPS鉴别[4]。

D3受体是抗PD的DA能药物主要靶点,边缘系统内含量相对更多。Boileau等[18]采用[11C]PHNO对早期、未治疗PD患者检测得出,患者双侧纹状体腹侧和苍白球内示踪剂结合降低,与运动缺损和情感减低相关。研发D3选择性示踪剂对研究PD以及抗精神药物极具意义。

总之,虽然已有多种人类DA受体的PET和SPECT示踪剂,但其临床价值目前很局限,且在PD患者中以DA受体示踪剂的成像实验大多是为研究目的。

3.2 5-HT能系统 5-HT是由色氨酸生成,存于突触囊泡,释放入突触间隙,并由转运体蛋白再捕获。5-HT能神经元从脑干缝际核投射至脑内大多数区域,参与调节情感、睡眠、运动和认知。PD非运动症状与5-HT异常有关,对此研究有助揭示PD发病机制和治疗。

3.2.1 5-HT转运体(SERT) SERT可由PET示踪剂[11C]McN5652或[11C]DASB-PET成像,后者对SERT选择性远高于DAT、有更好药代学而应用更多[4]。DAT示踪剂如[123I]FP-β-CIT对SERT有一些脱靶亲和力,所以也对脑缝际核用作SERT成像,甚至有采用缝际核[18F]F-DOPA摄取反映SERT利用率[19-20]。

英国Pagano等[21]对PD的SERT成像研究meta分析提出,PD患者缝际核、纹状体和丘脑区有持续性SERT利用率降低,并与患者年龄、PD进展以及发生异动症、认知受损相关联,且SERT利用率与运动症状(震颤和运动迟缓)和非运动症状(抑郁、疲劳)存在关联性[20]。

前述DA能细胞移植PD患者多种示踪剂成像显示,虽然脑DA功能有恢复,但5-HT能功能脱失并无改变[7]。Chou等[22]采用[11C]DASB-PET对比PD与MSA得出,MSA患者脑干、纹状体腹侧、边缘叶和丘脑SERT显著低于PD患者,与其运动症状严重程度相关,而PD无此关联性。

3.2.2 5-HT受体(5-HTR) 5-HTR是一组有7种亚家族(5-HT1～7R)的多样受体,可再分出亚型(5-HT1A、5-HT1B等)。已有对PD患者的5-HT1A、5-HT1B和5-HT2A亚型受体成像研究[23]。

5-HT1A受体的PET示踪剂有[11C]WAY100635和[18F]MPPF。PD患者缝际核和皮质区域利用率明显降低,且降低程度与震颤严重程度和抑郁相关联[24]。Meyer等[25]报告MSA患者尾状核、缝际核、丘脑和脑干[18F]MPPF信号降低,在脑干和杏仁核甚至低于PD患者,与疲劳、疼痛和淡漠症状相关联。Varrone等[26]采用5-HT1B亚型受体PET示踪剂[11C]AZ10419369系列研究发现PD患者脑内5-HT1B利用率降低,与认知功能创造力缺损相关。Ballanger等[27]对伴或不伴视幻觉的PD患者采用5-HT2A受体示踪剂[18F]司托哌隆(setoperone)成像显示,伴视幻觉的PD患者视觉皮质区域核素结合更高。此方面研究尚处初期,对其重复性和意义需进一步验证。

3.3 胆碱能系统 乙酰胆碱(ACh)作为认知功能神经递质可调节注意力相关脑活动。胆碱能神经传导脱失参与PD患者认知和睡眠障碍发生发展[28]。

3.3.1 囊泡ACh转运体(VAChT) VAChT转运ACh至胆碱能神经末梢的突触囊泡。以[123I]5-(三丁基锡-3苯基哌啶基)-2-羟基萘(IBVM)-SPECT或[18F]氟乙氧基苯并维萨米考(FEOBV)-PET对PD患者研究[4]显示,患者脑皮质区域有VAChT利用率显著降低,且伴痴呆PD患者示踪剂结合下降要比无痴呆PD患者更严重、更广泛。

3.3.2 乙酰胆碱酯酶(AChE) AChE可调节胆碱能神经末梢的ACh浓度。其PET示踪剂[4][11C]乙酰氧基-N-甲基哌啶(MP4A)和[11C] 甲基-4-丙酸哌啶(PMP)均为AChE底物,可在脑内形成放射性代谢物、不可逆性困集;[11C]MP4A对AChE的特异性高于丁酰胆碱酯酶。其他示踪剂包括MP4A类似物[18F]FEP-4MA和可逆性AChE抑制剂[11C]甲氧基多奈哌齐(methoxydonepezil)。PD患者AChE成像多显示皮质AChE活性显著降低,且在伴有痴呆的患者更明显。而且,MSA和PSP患者比PD患者的丘脑AChE活性降低更明显[29]。

新近Liu等[30]发现LRRK2突变携带者,无论健康者还是PD患者皮质AChE活性均分别高于健康者和原发性PD患者,可能是早期代偿富含亮氨酸重复激酶2(LRRK2)相关功能障碍或非神经元的AChE改变所致。2015年Gjerløff等[31]采用[11C]甲氧基多奈哌齐证实PD患者的小肠和胰腺内AChE活性降低,支持PD发病机制是始于肠道内α-Syn聚集的假说。

3.3.3 胆碱能受体 胆碱能受体有烟碱型(N型)和毒蕈碱型(M型)。人脑内N型受体α4β2亚型作用可由2-[18F]-A-85380-PET或[123I]5-IA-85380-SPECT成像[2,11];PD患者皮质、丘脑和纹状体内α4β2受体利用率有广泛性脱失。M1/M4示踪剂[123I]奎丁环基苯甲酸(QNB)-SPECT对PD患者成像显示枕叶皮质的结合增加。亚型非选择性示踪剂[11C]N-甲基哌啶基苯甲酸酯(NMPB)成像也证实PD额叶皮质受体利用率增加[4]。所以,PD的M受体为上调、而非降低,可能是代偿性机制。

3.4 NE能系统 NE在脑内主要由脑干兰斑合成。NE系统可调控注意力、情感、运动、记忆和认知功能;NE也是周围交感神经系统的主要神经递质。

3.4.1 NE转运体(NET) 近期,Sommerauer等[32]采用选择性NET抑制剂[11C]瑞波西汀(MeNER)-PET联合神经黑色素敏感MRI对PD患者NET利用率系列研究,均显示PD患者富含NET区域(中脑和丘脑)的核素结合力明显降低,并与患者RBD、认知下降和直立性低血压有关。

3.4.2 心脏的NE能神经支配 PD的神经病理改变不仅在CNS,也发生肠道以及包括心脏交感神经的周围神经。心脏神经支配可采用可被NET和VMAT2识别的CA或其模拟物的PET和SPECT成像。目前多采用SPECT示踪剂[123I]间碘苄胍(MIBG)对有心脏节后交感神经变性的PD鉴别诊断,表现为PD的心脏[123I]MIBG摄取降低,而ET和MSA(为心脏节前交感神经变性)保持正常[2]。2012年日本批准此目的采用[123I]MIBG,而美国仅批准[123I]MIBG用于心衰诊断[4]。

PET示踪剂包括[11C]左旋间羟基麻黄素(HED)和[18F]氟多巴(FDA)。研究[4,33]提示心脏[11C]HED摄取比[123I]MIBG能更特异反映NET功能;PD患者心脏摄取显著低于健康对照者和MSA患者。

3.5 脑血流和代谢 脑神经变性可通过血管神经偶联引起脑血流、氧和能量代谢改变。已广泛采用[18F]氟脱氧葡萄糖(FDG)-PET成像评估脑能量代谢,而脑血流则可由[99mTc]六甲基丙二胺肟(HMPAO)或[99mTc]双半胱乙酯(ECD)-SPECT以及[15O]H2O-PET显示。

帕金森综合征的[18F]FDG代谢成像显示所谓PD相关代谢模式(PDRP)[2,4]:原发性PD的模式特征为苍白球/丘脑和桥脑/小脑的代谢活性增高以及前运动皮质、辅助运动区和顶部相关区域代谢活性降低。而aPS中,MSA模式特征为双侧壳核和小脑的代谢降低;PSP模式特征为上部脑干、内侧额叶皮质和内侧丘脑的代谢活性降低。不同的代谢模式足可在个体鉴别PD、MSA和PSP诊断。一些临床研究证实深部脑刺激(DBS)或L-DOPA治疗的PD患者可实现氧耗、血流的PDRP部分正常化。对这些方法还需标准化验证,目前还不能常规用于PD诊断鉴别诊断。

3.6 突触囊泡蛋白2A(SV2A) PD神经变性早期就很可能发生了突触囊泡转输破坏。SV2A为跨膜蛋白,在突触前末梢相对稳定水平普遍表达,所以是突触末梢密度很好的生物标志物[34]。

以[11C]UCB-J成像证实,早期PD患者的SN内SV2A利用率下降;而对伴痴呆PD患者的研究揭示SV2A利用率在SN和大脑皮质区域均有明显下降,与患者认知功能水平相关联。这些提示SV2A脱失确在PD中起作用,可能是PD认知障碍的导致因素[34]。

3.7 神经炎症 神经炎症参与神经变性病理过程,有病理、疾病分期等多种因素依赖性而起致病性和保护性双重作用,其中慢性炎症可加速最初由炎症反应触发的致病过程。脑内一些靶点是神经炎症的间接指标,包括转位蛋白(TSPO)、环氧合酶-1和2、组胺H4受体、多种嘌呤能受体、大麻素受体、集落刺激因子1受体以及髓系细胞触发受体等,可用作可视化炎症过程,多数靶点示踪剂研发仍为实验性或临床前阶段。目前临床已采用TSPO放射性配体可视化神经炎症过程[35-36]。

TSPO在活化小胶质细胞强烈表达[2,35]。其首个成功PET配体为[11C]PK11195,显示小胶质细胞活化与TSPO结合位点的数量增加相关联,但诸多缺点限制其应用。第二代TSPO示踪剂包括[11C]DAA1106、[18F]F-DPA、[18F]FEMPA、[18F]FEPPA、[11C]PBR28等,优于[11C]PK11195;但这些药物在脑内结合会受到TSPO基因rs6971-C/T多态性的强烈影响,低亲和力基因型受检者不能显像活化小胶质细胞。第三代示踪剂克服了此多态变异影响;其中,[11C]ER176的结合性高,能够可视化炎症变化,即使在低亲和力基因型者亦如此,优于[11C]PBR28成像特性。

尸检[4,15]证实PD患者SN内有大量活化小胶质细胞和神经炎症,也已采用多种示踪剂判定PD患者的神经炎症程度。初期[11C]PK11195的研究[37]显示,PD患者一些脑区(中脑、桥脑和皮质)有示踪剂摄取增高,尔后甚至还发现[11C]PK11195摄取与PD的运动症状相关联。但是,以第二代示踪剂[11C]PBR28和[18F]FEPPA的随访研究未能揭示出PD患者与健康对照者有任何差别。2020年Dimitrova-Shumkovska等[38]提出,不同TSPO示踪剂对不同程度、分期PD检测结果会有不同,且受检者TSPO基因多态性对脑示踪剂摄取影响更大。所以,对PD相关神经炎症成像的价值仍待证实。

如前所述,脑内还有其他许多优于TSPO靶点的神经炎症生物标志物。虽然这些靶点的放射性配体已有研发,但大多数药物尚未通过临床前或人类研究阶段[36]。

4 PD发病机制成像的新靶点

4.1 α-Syn α-Syn功能尚不完全明确,已知其参与突触功能维护,包括调节DA囊泡大小、DAT定位和DA生物合成。该蛋白位于包括SN、海马、新皮质、下丘脑、丘脑和小脑的不同脑区、靠近突触膜和胞浆内[3]。

PD发病与神经元内α-Syn错叠聚集形成病理性寡聚体和纤丝相关,形成Lewy小体是其病理标志[4,11]。此异常机制尚不完全明确,特别是如何首发。现认为α-Syn病理是在肠神经系统开始,并随后通过交感和迷走神经连接播散至脑和身体其他部位[3]。影像研究提出有2种主要亚型:α-Syn病理始于脑的“脑-优先”亚型和始于肠道的“体-优先”亚型。无论α-Syn聚集何处开始,此过程均会以朊蛋白样方式导致神经变性在脑内播散[39]。所以,α-Syn是PD中导致神经元减少级联反应的关键分子。DLB、MSA和AD等其他变性病也有类似α-Syn蓄积。

α-Syn集聚似为PD发病机制级联反应的第一步,所以一直在寻求以α-Syn分子成像成为PD诊断标准,并能探索症状前病理改变、研究疾病发生发展、评估治疗特别是靶向α-Syn本身治疗的有效性。

目前尚无对人类α-Syn的放射性示踪剂提供。研发困难在于:(1)脑α-Syn含量较低,有效示踪剂须对α-Syn纤丝有高亲和力、高敏感性。(2)大多α-Syn位于细胞内,即示踪剂结合前需透过血-脑屏障和细胞膜。(3)α-Syn并无特异结构,硫氧化、硝化、磷酸化等翻译后修饰致其细胞毒性、溶解性、形成寡聚体/纤丝倾向性有不同,致很难在体外确立优化先导化合物分析[4,40]。而且,候选示踪剂研发采用的啮齿动物与人类在膜通透性上有明显差异。

目前从一些先导化合物中优化获取了部分α-Syn潜在PET示踪剂[4,40],包括酚噻嗪类、查尔酮衍生物等,但仍具不足。新近研发的吡唑衍生物[11C]anle253和[11C]MODAG-001显示有较好前景,体外和大鼠实验证实其选择性结合的优点,还待PD动物模型和人类研究明确。

4.2 LRRK2 LRRK2位于脑内突触囊泡和线粒体膜内,具有激酶和GTP酶活性。LRRK2突变,特别是增加激酶活性的突变,与家族性PD相关,临床表现极类似原发性PD,但脑AChE活性改变等有不同。所以,LRRK2极有希望成为PD生物标志物和治疗靶点;现也正在研发和评估具有脑穿透性LRRK2抑制剂对PD治疗[4,30]。已对一些PET核素评估LRRK2抑制剂,但临床前研究未能显示出[11C]GNE-1023和[18F]FIPM有足够特异的信号。

5 其他靶点配体

5.1 腺苷A2A受体(A2AR) 在纹状体苍白球神经元表达的A2AR是4个腺苷受体亚型之一;PD病理时与D2受体协同异构化,神经变性和异动症发生有关。该受体还可替代TSPO作为活化小胶质细胞过表达致神经炎症成像的靶点。A2AR示踪剂如[11C]SCH442416、[11C]TMSX或[11C]瑞德纳特(preladenant)(一种强效A2AR拮抗剂)的PET成像显示运动迟缓的PD患者纹状体内A2AR利用率升高,但无运动迟缓的患者却无[4,11,15]。

5.2 1型大麻素受体(CB1) 内源性大麻素是神经递质释放的调控子,受体有1型(CB1)和2型(CB2)。脑内以纹状体苍白球神经元中CB1占主导,可降低DA和GABA释放,参与记忆、认知、运动控制[4]。CB2源于免疫细胞,神经变性炎症时致活化小胶质细胞表达上调,起抗炎保护作用[36]。

尸检研究[4]显示,PD脑纹状体区的CB1上调,CB1激动剂可缓解PD患者的L-DOPA诱发异动症(LID)。以[18F]MK-9470对有或无LID的PD患者CB1-PET成像研究[4]显示,受检PD患者均有DA投射区壳核内CB1利用率增加,而黑质内CB1利用率显著降低。

5.3 NMDA受体(NMDAR) PD模型研究[4]提出谷氨酸能神经传导过度活化是致LID原因;对无LID的PD患者和健康对照者采用非竞争性NMDAR拮抗剂[11C]CNS5161的PET成像显示有相似示踪剂摄取;但有LID的患者纹状体和皮质区域摄取增高,支持谷氨酸信号传导紊乱参与LID发生假说。

5.4 磷酸二酯酶(PDE) PDE1～11具有水解细胞内第二信使cAMP和cGMP功能,可调控许多神经递质的传导作用。PD患者纹状体、丘脑和皮质区内PDE4示踪剂[11C] 咯利普兰(rolipram)结合力降低,并与空间工作记忆障碍程度相关联;而PDE10A示踪剂[11C]IMA107结合在PD患者纹状体区降低,与病程、运动症状和并发症的严重程度相关联[4]。

5.5 神经黑色素 神经黑色素是SN和兰斑内CA能细胞的黑色聚合色素,可结合金属离子(如铁)和DA氧化的有害产物,对DA能神经元起保护作用;另一方面,在PD模型研究[4]显示神经黑色素过度蓄积可导致神经变性。神经黑色素PET成像可采用微管相关蛋白tau示踪剂[18F]氟托西韦(flortaucipir,即AV1451)。近年有报告PD患者SN的[18F]AV1451摄取降低,但也有仅发现伴痴呆的PD患者SN摄取显著降低。但此降低也见于PSP、DLB,对早期帕金森综合征不具鉴别意义[41]。

5.6 tau和β淀粉样蛋白(Aβ)聚合物 过度磷酸化tau聚集和Aβ蓄积是AD标志物,并非原发性PD病理特征;但神经病理证实DLB患者和PD痴呆患者有纹状体内Aβ蓄积,而PSP、皮质基底节变性(CBD)等属于原发性tau蛋白病,即Aβ和tau聚集物与aPS有关[42]。现已有三代Aβ示踪剂,而临床研究主要有[11C]匹兹堡复合物B(PiB)、[18F]氟比他班(florbetaben)、[18F]氟倍他吡(florbetapir,或AV45)和[18F]氟美他莫(flutemetamol),其中后3种已在美国和欧洲批准用于AD诊断。Tau-PET成像示踪剂以[18F]flortaucipir(AV1451,商品名Tauvid)应用最广泛,美国已批准用于Alzheimer’s病的tau成像;对[18F]弗洛佐洛陶(florzolotau, 也称为PM-PBB3、APN-1607)的tau显像研究也不断增多[35]。

[11C]PiB显示DLB相比PD患者有皮质示踪剂摄取增高,与患者认知障碍相关联,但不同研究所得结果有冲突。相比PD,PSP患者苍白球、壳核、丘脑底核、中脑和齿状核[18F]AV1451摄取增加[2]。新近Tagai等[43]以[18F]APN-1607对AD和tau蛋白病成像研究显示出各种疾患具有特征性tau分布。所以,Aβ和tau成像将可用于鉴别PD和aPS。

5.7 线粒体复合物I(MC-I)和组蛋白去乙酰化酶(HDACs) 已证实PD的SN神经元内存在MC-I缺损;且以[18F]BCPP-EF对1-甲基-4苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)制模猴PET成像显示纹状体MC-I活性显著减低,并与DAT和DA量相关联,已开始用于PD临床研究[11]。

HDACs参与表观遗传修饰。体外培养细胞以及PD模型动物和患者DA能细胞中均证实组蛋白乙酰化水平增高,并开始探索HDAC抑制剂抗PD作用[44]。已有以Ⅰ类HDAC选择性示踪剂[11C]马丁诺司他(Martinostat)对AD患者成像显示HDAC水平变化[45],对PD相关研究也会很快呈现。

6 总结

PD发病机制仍未完全明确,其诊断仍基于临床运动症状病史,而核素成像作用仍为辅助性[2]。当前国内临床实践中,用于PD诊断探索的核素制剂也主要局限在DA合成/代谢、DAT摄取、心脏交感神经支配评估以及脑代谢/血流分析上,更多有助于分析PD临床症状学、潜在病理机制以及临床诊治研究病例选择和监控等方面作用的核素成像技术尚未开展,特别是有关PD病理特征的α-Syn蓄积及其触发/调控机制的在体研究还在转化路上。随核素成像技术不断完善,特别是更多针对性、特征性示踪剂的研发应用必将极大促进此项技术对疾病早期诊断、监测病理进展、评估新治疗策略以及发现新靶点的作用[46]。未来也必然使临床医生将PET作为临床诊治PD以及其他相关疾病的重要工具,成为临床应用的“宠儿”。