PET新型Tau蛋白分子探针18F-S16用于阿尔茨海默病患者

李 灿,张晓军,刘家金,张锦明,王瑞民,富丽萍

(1.中国人民解放军总医院第一医学中心核医学科,北京 100853;2.中日友好医院核医学科,北京 100029)

阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)是神经退行性疾病,其特征性神经病理改变包括细胞外老年斑内淀粉样蛋白-β(amyloid-β, Aβ)沉积和细胞内由高度磷酸化Tau蛋白构成的神经原纤维缠结(neurofibrillary tangle, NFT)。Aβ沉积始于AD无症状阶段,于出现临床症状时达到平台期,与疾病严重程度的相关性较弱[1]。AD患者脑内Tau示踪剂分布符合尸检所见AD NFT分布,并与痴呆严重程度及其表型密切相关[2-3]。除AD以外,Tau蛋白异常聚集亦见于其他Tau蛋白病,如额颞痴呆(frontotemporal dementia, FTD)、皮克病(Pick disease)和进行性核上性麻痹(progressive supranuclear palsy, PSP)等,但在不同疾病之间NFT分布有所差异,故Tau蛋白成像对鉴别诊断、评估疗效及监测疾病具有重要价值。新型诊断性放射性药物(S)-1-(4-(6-(dimethylamino) quinoxalin-2-yl) phenoxy)-3-fluoropropan-2-ol(18F-S16)可无创检测活体脑内NFT沉积。体外研究[4]结果表明,NFT对于Tau转基因小鼠和AD患者脑组织具有良好荧光特性及高选择性,且血脑屏障穿透力和药代动力学属性较佳,有望成为Tau蛋白特异性分子探针而用于人体显像。本研究观察18F-S16作为Tau-PET分子探针用于AD的临床价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 前瞻性纳入2019年3月—2020年5月就诊于中国人民解放军总医院第一医学中心的6例AD患者(男1例、女5例,年龄60～79岁、中位年龄71岁)和2例非AD痴呆 [1例女性67岁语义变异原发性进行性失语症(semantic variant of primary progressive aphasia, sv-PPA)和1例男性60岁PSP]患者。AD患者纳入标准:①参照美国国立神经病语言障碍卒中研究所和AD相关疾病协会制定标准确诊AD[5];②简易精神状态检查(mini-mental state examination, MMSE)评分为10～24分;③淀粉样蛋白PET扫描结果为阳性。同期招募6名与AD患者年龄基本匹配的老年健康志愿者(男2名、女4名,年龄60～72岁、中位年龄65.5岁,无认知障碍或AD家族史,MMSE评分至少28分)和2名年轻健康志愿者(男、女各1名,年龄分别为23、24岁,无重大医疗、神经或精神疾病史或AD家族史)。本研究经院伦理委员会批准(批准号:S2017-014-01),由受试者或家属签署知情同意书。

1.2 合成18F-S16 由派特(北京)科技有限公司以自动合成模块PET-MF-2V-IT-1进行放射性标记。采用一锅两步法,以Kryptofix-222为相转移催化剂,使干燥的18F与前体发生亲核取代反应;之后以HCl(1 mol/L)水解除去四氢吡喃基(tetrahydropyranyl, THP)保护基团,经碱中和后,采用半制备高效液相色谱法(high performance liquid chromatography, HPLC)进行纯化,得到18F-S16。以分析型HPLC观察18F-S16性质,确保其放射化学纯度(放化纯度)>95%,比活度为90.0～123.5 GBq/μmol。

1.3 PET/MR 采用Siemens Biography mMR机行头部18F-S16 PET/MR扫描。嘱受试者仰卧,对1例AD、6名老年及2名年轻健康志愿者行头部MR扫描;参数:超短回波时间(ultra-short echo time, UTE)序列,TE1 0.07 ms,TE2 2.46 ms,TR 11.94 ms,FA 10°,层数192,矩阵192×192,FOV 300 mm×300 mm,体素1.6 mm×1.6 mm×1.6 mm。之后注射18F-S16 3.7～5.55 MBq/kg体质量并立即启动动态PET扫描,以三维采集模式连续采集90 min,将数据分为59帧(5 s×30、30 s×10、150 s×5、300 s×14),重建后用于后续分析。基于UTE序列对PET数据进行衰减校正,同时进行结构MR扫描与PET成像;以快速扰相梯度回波(magnetization prepared rapid gradient echo, MPRAGE)序列采集高分辨率矢状位3D T1WI,TR 1 900 ms,TE 2.44 ms,TI 900 ms,厚度1 mm,矩阵256×256,FOV 250 mm×250 mm,体素1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm;以自旋回波序列采集轴位T2WI,TR 4 500 ms,TE 85 ms,FA 150°,层数25,厚度4 mm,FOV 220 mm×220 mm,体素0.7 mm×0.7 mm×4.0 mm。

对5例AD、1例sv-PPA及1例PSP患者注射18F-S16 3.7～5.55 MBq/kg体质量,于40 min后行18F-S16 PET/MR扫描,扫描时间20 min;采用有序子集最大期望值法进行重建,3次迭代,21个子集,矩阵336×336,高斯滤波半高宽(full width half-maximum, FWHM)4 mm。

1.4 图像和数据分析 参照文献[6-7]方法基于ROI和体素对数据进行分析。获取注射药物后40～60 min标准摄取值(standard uptake value, SUV),以小脑作为参考区,计算关键脑区SUV比(SUV ratio, SUVR):SUVR=关键脑区SUV/小脑灰质SUV;对6名接受90 min18F-S16动态PET扫描的老年健康志愿者中的5名(另1名图像质量较差)获取并计算注射药物后70～90 min各关键脑区的SUV及SUVR。采用Logan图解分析计算各ROI分布体积比(distribution volume ratio, DVR);并以线性模型计算2个时间窗(40～60 min、70～90 min)内上述5名老年健康志愿者ROI的SUVR与DVR的相关性。

1.5 统计学分析 采用SPSS 17.0和SPM统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料,行t检验或Wilcoxon秩和检验。以Mann-WhitneyU检验比较年龄和受教育年限。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料 AD患者MMSE评分(17.24±6.05)显著低于老年健康志愿者(28.89±0.78)(Z=36.00,P<0.01),其年龄、受教育年限和体质量差异均无统计学意义(P均>0.05)。

2.2 时间活度曲线(time-activity curve, TAC) AD患者双侧颞叶皮质、额叶皮质和后扣带回皮质(posterior cingulate cortex, PCC)皮质放射性摄取明显增加,老年及年轻健康志愿者未见皮质显著放射性浓聚;三者均可见基底节区非特异性摄取;见图1。AD患者皮质放射性摄取高于老年健康志愿者,尤以颞叶和枕叶皮质为著;其内侧颞叶皮质(medial temporal cortex, MTC)18F-S16 SUVR最高,其次是枕叶皮质和外侧颞叶皮质(lateral temporal cortex, LTC)。AD患者SUVR于注射18F-S16后90 min内进行性增高,且随时间延长,与老年及年轻健康志愿者差距增大,见图2。体素分析结果显示,相比老年健康志愿者,AD患者双侧枕叶皮质、舌回及PCC/楔前叶18F-S16放射性滞留明显增加,见表1。

表1 AD患者与老年健康志愿者SUVR存在差异的脑区

图1 轴位18F-S16 PET/MRI示颞叶皮质、基底神经节和后扣带回皮质SUVR

图2 注射18F-S16后SUVR的TAC曲线 A.额叶; B.枕叶; C.顶叶; D.内侧颞叶; E.外侧颞叶; F.壳核

PSP患者基底神经节和中脑可见明显18F-S16放射性滞留及T1WI典型“蜂鸟征”;sv-PPA患者双侧颞极、基底颞叶皮质和海马区可见18F-S16放射性滞留,相应部位颞叶明显萎缩。见图3。

图3 18F-S16 PET/MRI示SUVR A.PSP患者(箭示中脑萎缩,即“蜂鸟征”); B.sv-PPA患者(箭示局部18F-S16放射摄取异常增加)

2.3 相关性分析 注射药物后40～60 min及70～90 min,5名老年健康志愿者枕叶SUVR与DVR的相关系数R2分别为0.826 2和0.909 1,其在内侧颞叶皮质为0.778 5和0.865 2,额叶为0.749 6和0.752 6,顶叶为0.930 6和0.921 7,外侧颞叶为0.934 2和0.936 3,在后扣带回为0.989 7和0.983 6;以上脑区中,枕叶和内侧颞叶皮质R2升高较明显。

3 讨论

本研究针对AD患者、老年及年轻健康志愿者初步观察Tau蛋白特异性分子探针18F-S16的临床价值,其中AD患者MTC18F-S16 SUVR最高,其次是枕叶皮质和LTC,且其与老年健康志愿者之间枕叶皮质SUVR差异最大;AD患者颞叶和枕叶皮质摄取增加,基本符合尸检所见AD NFT分布[3]。本研究中18F-S16 SUVR于90 min PET动态采集期间呈进行性升高,且随时间延长,SUVR与DVR的相关系数逐渐增大,90 min采集时间内18F-S16脑内代谢尚未达到平台期,提示或可通过延长数据采集时间更好地观察18F-S16药代动力学及影像学特征。

AD患者18F-S16滞留主要见于颞叶-额叶-顶叶皮质,而老年及年轻健康志愿者白质摄取18F-S16远低于灰质,即白质对皮质整体放射性摄取的影响较小,这在很大程度上有助于避免视觉判读时出现假阳性。本组18F-S16 PET/CT图显示AD患者、老年及年轻健康志愿者基底节区均存在放射性滞留,分析原因,主要在于THK化合物、18F-AV1451和11C-PBB3在脑内可与单胺氧化酶A、单胺氧化酶B、色素及钙化血管脱靶结合[8];虽然18F-S16与单胺氧化酶B亲和力不高,且于眼球脉络膜未见脱靶结合,但因种属差异及基底节区存在铁及其他矿物质沉积,AD患者及健康志愿者基底节区存在18F-S16脱靶结合,对其具体机制有待进一步探索。

本研究发现AD患者颞叶和枕叶皮质18F-S16放射性滞留高于老年志愿者,且其双侧枕叶及局部顶叶皮质18F-S16滞留显著增加;同时,AD患者虽然存在皮质异常Tau蛋白沉积,但MTC未见明显异常,分析可能原因如下:①采集时间窗不理想;②未行部分容积校准,AD患者MTC严重萎缩可致低估其局部放射性滞留程度;③样本量过少;④AD患者个体异质性强。

除AD外,Tau-PET成像对其他Tau蛋白病亦有一定价值[3]。本研究于PSP患者、老年及年轻健康志愿者的基底节区均见18F-S16放射性摄取,但PSP患者主要病变发生于基底节区,其局部放射性摄取较老年及年轻健康志愿者更为明显,这意味着18F-S16仍有助于诊断PSP,与相关18F-AV1451和18F-THK5317研究[9-10]结果相符合。sv-PPA又称语义性痴呆,是额颞叶变性(frontotemporal lobar degeneration, FTLD)临床亚型之一,以语义知识渐进性丧失为特征,其潜在病理改变包括交互反应DNA结合蛋白-43(TAR DNA binding protein-43, TDP-43)C型、AD和FTLD-Tau。18F-AV1451和18F-THK5351摄取增高与其对单胺氧化酶B的亲和力较强有关[11]。本研究发现sv-PPA患者颞叶皮质18F-S16摄取显著增高,与文献[12-13]报道一致;而18F-S16对单胺氧化酶B亲和力较差,提示sv-PPA患者颞叶皮质放射性滞留的主要原因并非单胺氧化酶B脱靶结合。既往研究[14]认为FTLD患者额颞叶萎缩程度与星形细胞凋亡有关,而sv-PPA以广泛星形细胞凋亡和星形胶质细胞增生为特征。推测18F-S16在sv-PPA患者脑内明显滞留的原因如下:①sv-PPA病理机制与FTLD-Tau蛋白有关,故18F-S16结合靶点为病理性Tau蛋白;②疾病发展过程中存在星形细胞凋亡和星形胶质细胞增生,18F-S16结合可能与之相关。

综上,18F-S16在AD患者脑内皮质区存在显著放射性滞留,作为Tau蛋白分子探针具有一定临床应用潜力。但本研究样本量过小,数据采集时间不足,有待后续加以完善。