基于 18F-AV-1451 的阿尔茨海默病 PET/MRI 混合成像

摘要

该方案描述了使用 ¹⁸F-AV-1451 PET/MRI 来揭示 tau 病理学和神经退行性变，帮助神经学家诊断阿尔茨海默病，评估其严重程度，并深入了解其进展和潜在的病理机制。

摘要

阿尔茨海默病 （AD） 是一种进行性且不可逆的神经退行性疾病，其特征是认知功能障碍、日常生活能力下降和行为改变，在全球范围内造成了巨大的经济和社会负担。AD 的主要病理特征之一是由过度磷酸化的 tau 蛋白形成的神经原纤维缠结的积累。正电子发射断层扫描/磁共振成像 （PET/MRI） 提供详细的结构和功能信息以及特定的蛋白质分布，使其成为 AD 诊断和研究越来越有价值的工具。 ¹⁸F-AV-1451 是一种放射性示踪剂，专门用于脑组织 PET 成像中的 tau 蛋白检测。本研究提出了 ¹⁸F-AV-1451 放射性合成、患者准备、PET/MRI 图像采集技术及其在 AD 评估中的潜在应用的详细方案。 ¹⁸F-AV-1451 PET/MRI 可以帮助神经科医生诊断 AD、评估疾病严重程度并深入了解其病理机制。总之，该方案为 AD 的评估提供了一种敏感、全面和非侵入性的方法，为疾病进展和病理学提供了有价值的见解。

引言

阿尔茨海默病 （AD） 是一种进行性且不可逆的神经退行性疾病。患者通常会出现认知功能障碍、日常生活能力下降和行为改变。随着全球人口老龄化进程加快，阿尔茨海默病已成为一个主要的公共卫生问题。目前，全球有超过 5000 万人患有 AD。到 2050 年，全球痴呆症的患病率预计将增加两倍¹。大约 10.8% 的 65 岁及以上的人患有阿尔茨海默氏痴呆。AD 的患病率在 65 至 74 岁的人群中约为 5%，在 85 岁及以上的人群中增加到 33.3%，使其成为老年人死亡的主要原因之一²。一旦患者患上 AD，就会给家庭带来沉重的负担³。由于其起病隐匿，患者在诊断后经常错过最佳治疗窗口。它的早期发现仍然是一个全球性的挑战⁴，因为确切的病因仍未完全清楚 ^5,6。鉴于影响 AD 的病因和途径复杂，迫切需要更准确和早期的诊断策略。

传统的成像方法，如计算机断层扫描 （CT） 和磁共振成像 （MRI） 用于观察大脑的萎缩或其他结构变化，这可能会导致认知障碍。特别是 MRI，它提供比 CT 更好的软组织对比度，并在不使患者暴露于电离辐射的情况下提供肿瘤生物学信息，使其成为大多数神经系统疾病的首选成像方式⁶。MRI 是一种强大的成像技术，不仅可以提供详细的宏观解剖信息，还包括各种功能成像方法，例如血氧水平依赖性功能磁共振成像 （BOLD fMRI），可用于观察功能性脑活动⁶。正电子发射断层扫描 （PET） 是一种非侵入性分子成像方法，能够对人脑中的生物过程进行广泛的半定量分析。与其他成像技术相比，混合 PET/MRI 可能具有 AD 诊断的优势⁷，因为使用各种 PET 示踪剂可以提供额外的生理信息来补充解剖 MRI 图像 ^8,9。

tau 蛋白过度磷酸化形成的神经原纤维缠结是 AD 的病理特征之一，与神经退行性疾病的发作以及空间和时间临床症状的表现密切相关⁶。Tau 蛋白是体内最丰富的微管相关蛋白，普遍存在于外周和中枢神经系统中。tau 的病理进展与认知障碍的程度密切相关，并有可能成为 AD 患者的治疗靶点⁷。非侵入性检测特定脑区的 tau 蛋白沉积对于疾病的早期预测和诊断很有价值。tau 放射性示踪剂的使用能够使大脑中 tau 蛋白沉积物的可视化和定位，提供及时准确的鉴别诊断，并为跟踪疾病进展和评估实验性临床治疗提供有价值的支持^8,9。

几项研究表明，特定蛋白质的变化与功能或形态学 MRI 结果之间存在关系^10,11。然而，关于使用淀粉样蛋白/tau 成像和功能 MRI 进行联合分析的报道有限¹²。新型分子诊断药物 ¹⁸F-AV-1451 （7-（6-[¹⁸F]氟吡啶-3基）-5H-吡啶并[4,3-b]吲哚）已被用作 PET 成像脑组织中 tau 蛋白检测的放射诊断剂。tau PET 成像的研究仍处于发展阶段，目前仅评估了少数示踪剂，包括 ¹⁸F-T807 （¹⁸F-AV-1451）、¹⁸F-T808 （¹⁸F-AV-680）¹³、¹¹C-PBB3¹⁴、¹⁸F-THK-5117¹⁵、¹⁸F-THK-523¹⁶ 和 ¹⁸F-THK-5105^17,18。¹⁸F-AV-1451 是商业开发的¹⁹，据报道可用于 AD²⁰、进行性核上性麻痹²¹ 和路易体痴呆²² 患者。¹⁸F-AV-1451 的放射性合成过程需要一个复杂的纯化步骤，以确保最终产品满足临床成像研究的剂量要求²³。随着 ¹⁸F 标记放射性示踪剂在 PET 成像技术中的应用越来越多，对新型 ¹⁸F 标记放射性示踪剂的合成和开发的需求不断增长。本研究提出了一种 tau PET/MRI 成像方法，旨在为阿尔茨海默病患者的诊断提供更详细的信息。

研究方案

该研究得到了当地医学伦理委员会的批准，所有受试者在参与前都提供了书面知情同意书。所有研究均按照《赫尔辛基宣言》的原则进行。所有受试者在影像学检查前后三个月内接受了医疗保健专业人员的神经学和神经心理学评估。根据美国国家老龄化研究所-阿尔茨海默病协会 （NINCDS-ADRDA） 标准²⁴ 和国家老龄化研究所-阿尔茨海默病协会 （NAA） 标准²⁵ 纳入患者。所用试剂和设备的详细信息列在 材料表中。

1 ^{. 18}F-AV-1451 合成

注意：在作过程中，遵循生物和放射职业保护的原则，以及医疗和放射性废物处理的原则。

1. 合成细节
   1. 使用粒子加速器，使用 ¹⁸O（p， n）¹⁸F 核反应合成 2.5 mL [¹⁸F] 氟化物，质子在高达 45 μA 的积分电流下轰击 40 分钟。通过传输管道将 [¹⁸F] 氟化物添加到自动合成模块中，氦气超压促进。按照图 1 所示的顺序作合成模块。
   2. 在离子交换柱上捕获 [¹⁸F] 氟化物（用 1 mL 乙醇和 2 mL 水预活化），同时将 ¹⁸O 水保留在回收容器中。
   3. 让来自 1 号容器（图 1）的碳酸钾溶液流过指定的阀门和离子交换柱，与 [¹⁸F] 氟化物交换，然后洗脱到反应容器中。不同容器中的解决方案见表 1。
   4. 溶解 [¹⁸F] 氟化物和预先加载到反应容器的 2 号容器中的基于加密的相转移催化剂。
   5. 打开指定的阀门。将反应混合物在 85 °C 吹氮下进行真空蒸馏 8 min，然后在 110 °C 下吹氮 4 min，以消除残留水。
   6. 将 3 号容器中的前驱体加入 12 号容器中，加热至 130 °C 10 分钟。 ¹⁸F-AV-1451 的放射性合成如图 2 所示。
   7. 将反应混合物冷却至 50 °C，然后打开指定阀门以恢复大气压。
   8. 使用来自 5 号和 6 号容器的 3 mL HPLC 流动相（25% 乙醇水溶液，pH 调节至 2.0）将反应混合物冲洗到 14 号容器中。打开指定的阀门，使混合物在氦气压力下进入 HPLC 定量环。
      1. 将产物引入 HPLC 半制备色谱柱中，用流动相以 5 mL/min 的流速洗脱。使用 UV （λ = 254 nm） 和放射性计数器观察洗脱液。
   9. 通过指定阀门将产品收集到圆底培养瓶中。
   10. 将产物包封并保留在 C18 柱内（由 5 mL 乙醇和 10 mL 水活化）。
   11. 打开指定阀门，用水从 9 号容器清洗色谱柱到废液容器中，然后用 8 号和 7 号容器的溶液冲洗到产品瓶中。
   12. 在氦气压力下，将 ¹⁸F-AV-1451 通过 0.22 μm 液体滤膜进入分配热室中的收集瓶中。
2. 质量管理
   注意： 对连续三个批次的产品进行质量控制。确保商品的质量控制符合《中华人民共和国药典》2020 年版标准（参见 材料表）。
   1. 将产品放在铅玻璃后面，检查颜色和净度，进行目视检查。
   2. 使用精密 pH 试纸测定产品的 pH 值。
   3. 使用 HPLC 分析产物的放射化学纯度 ^8,16。
   4. 使用 γ 能谱仪方法¹⁷ 分析产物的放射性核纯度。
   5. 根据《中华人民共和国药典》¹³ 准确测量产品的半衰期。
   6. 对无菌滤膜施加 0.34 MPa 的压力（步骤 1.1.12）以测试其密封性和完整性。
   7. 使用细菌培养物和马蹄蟹试剂方法²³ 进行无菌和内毒素检测。
   8. 使用碘铂酸钾方法测试基于隐窝的相转移催化剂残基。使用气相色谱仪分析产品中丙酮、乙腈和 DMSO 的含量 ^8,16。
      注：确保除 0.511 MeV 和 1.022 MeV 外没有其他峰出现。

2. 预审指南

注意：如果参与者目前对认知变化感到担忧并在保持功能能力的独立性的同时在一个或多个认知领域表现出障碍，则他们被包括在内²⁵。资格要求简易精神状态检查 （MMSE） 评分在 0 到 20 之间，淀粉样蛋白阳性，通过异常的脑脊液 （CSF） Aβ42 或 Aβ42/Aβ40 比率或淀粉样蛋白正电子发射断层扫描 （PET） 扫描阳性确认 ^6,20。排除标准包括血管疾病、抑郁症、创伤性脑损伤、精神障碍或其他与认知能力下降相关的病症的诊断⁵。对起搏器、铁磁性物质或构成行动危险的异物有禁忌症的参与者，以及无法进行 MRI 成像的参与者被排除在外。其他排除标准包括对钆造影剂不耐受和存在严重肾功能不全²¹。

1. 指导受试者在研究前 24 小时内避免饮酒、咖啡因、药物或任何剧烈运动或活动。保持稳定的生理状态（例如，生物节律、脑功能任务）以确保数据准确性。
2. 允许受试者在检查前喝水和食物，因为这些不会干扰 tau PET/MR 成像。
3. 成像前停用神经系统相关药物至少 12 小时。
4. 建议受试者在检查当天避免佩戴金属首饰或带有金属纽扣或拉链的衣服。
   注意：确保患者由家人陪同，携带以前的检查记录，并告知医务人员药物使用情况。

3. 扫描准备

1. 请确认报名表的一般信息、审查目的和程序。确保已完成所有必要的准备工作。注册并提交详细信息。
2. 获得受试者或家庭成员对 PET/MR 成像的知情同意。告知受试者目的、程序、风险和益处。
3. 进行详细的病史回顾，记录受试者的身高、体重和血药浓度，并确认无 MR 检查禁忌症。
4. 在外周浅静脉中建立静脉导管或通路端口导管。
5. 在管理 ¹⁸F-AV-1451 之前，请再次验证所有信息以防止错误。
6. 通过静脉通路以 3.7-5.5 MBq/kg 的速度缓慢注射 ¹⁸F-AV-1451。用适量的生理盐水冲洗试管，以尽量减少放射性示踪剂残留。对注射部位进行压缩以防止液体泄漏。
7. 记录注射时间、部位和活动。
8. 完成注射后，启动视听闭合。在等待中调暗灯光
   房间并将温度设置为约 22 °C。 指导受试者闭上眼睛在床上休息 80 分钟，在此期间避免说话、进食或咀嚼。

4. PET/MRI 扫描

1. 指示受试者和同伴在检查前取下所有金属物体，包括手机、头饰、假牙、眼镜、手表、钱包和硬币。请勿让轮椅、担架、检查床、氧气瓶或监测设备进入检查室。
2. 为受试者提供耳塞，并将其仰卧在 PET/MRI 台上，头部/颈部线圈包围颈部区域。使用专门的头枕或海绵垫来稳定头部，最大限度地减少运动并确保舒适。
   注意：如有必要，根据神经系统评估给予适当剂量的镇静药物。
3. 将受试者的手臂放下，并指导他们在感到不适时使用警报装置。
4. 查看图像以确认头部在扫描仪中居中，与线圈中心对齐，并且相对于颈部的位置一致。
5. 使用 8 通道头颈接头线圈进行成像。
6. 使用损坏的梯度召回序列，以高分辨率和高信噪比 （SNR） 获取 3D 脑体积 T1 加权序列。设置以下参数：
   1. 重复时间 （TR） = 8.5 ms;回波时间 （TE） = 3.2 ms;反转时间 （TI） = 450 ms;翻转角度 = 12°;体素大小 = 1 × 1 × 1 mm³;视场 （FOV） = 256 毫米;矩阵大小 = 256 × 256;切片厚度 = 1 mm。
   2. 使用以下参数获取轴向螺旋桨 T2 加权序列：TR = 6837 毫秒;TE = 132 毫秒;翻转角度 = 142°;视场角 = 240 毫米;矩阵大小 = 416 × 416;切片厚度 = 5 mm。
      注意：PET 扫描使用单床位，覆盖从枕骨大孔到颅骨顶部的整个大脑。
7. 同时采集 20 分钟 PET 图像。
8. 在 3D 采集模式下执行 PET 扫描。
9. 使用体积扫描进行 PET 成像。
10. 使用零回波时间 （ZTE） 脉冲序列执行 MR 成像衰减校正，以分割骨骼、空气和软组织。
11. 使用飞行时间有序子集期望最大化 （OSEM） 获取 PET 数据以进行图像重建^20,23。使用以下参数：
    1. 矩阵大小 = 192 × 192;28 个子集，6 次迭代;FOV = 350 × 350 毫米;半高全宽 （FWHM） = 3.0 mm。
12. 使用公式^20,23 计算标准化摄取值 （SUV）：
    SUV =（球体活性 （Bq/ml） × 体重 （kg）））/ 注射剂量。

5. 图像解读

1. 由至少两名对临床诊断不知情的经验丰富的核医学医生独立目视评估所有 PET/MR 图像。
2. 识别表现出异常结构变化和蛋白质沉积的脑叶。
3. 重复视觉评估，直到达成最终共识。
4. 将“阳性扫描”定义为任何或所有皮质区域 ¹⁸F-AV-1451 摄取增加。将“阴性扫描”定义为所有皮质区域都没有 ¹⁸个 F-AV-1451 摄取。
5. 将内侧颞叶萎缩，尤其是 MRI 上的海马体萎缩定义为神经变^{性 20,25}。

结果

¹⁸F-AV-1451 合成结果
在优化的反应条件下一步合成 ¹⁸F-AV-1451 将合成产率提高到 25.7% ± 5.8%。总反应时间为 70 min。典型的半制备型 HPLC 和 UV 谱图如图 3 所示，其中峰 2 表示产物峰。

质量测试结果
连续三个批次的质量控制结果如下：溶液无色，视觉透明，无明显杂质。pH 值范围为 4.5 ?...

讨论

在该方法学手稿中，我们介绍了用于 tau PET 成像的 ¹⁸F-AV-1451 的更新放射合成和 ¹⁸F-AV-1451 PET/MRI 图像采集的技术，并提供了 ¹⁸F-AV-1451 PET/MR 用于评估 AD 的潜在用途。常规脑部 CT 或 MRI 通常提供宏观解剖结构评估，这限制了疾病进展的评估和预后的预测。PET 是一种神经成像工具，可以测量 体内 分子过程。PET 放射性配体可以结合靶标，包括受?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
18O-rich water	Taiyo Nippon Sanso,Japan	24-0091
2020 edition of Pharmacopoeia of the People's Republic of China	NA	https://english.nmpa.gov.cn/2020-07/03/c_538689.htm
Acetonitrile	ABX,Germany	TF-A1-231207002
air filter membrane (Millex-25)	Merck,Germany	SLFGN25VS
Boc-protected-precursor	Huayi,Jiangsu,China	NPPI-95-0001A
C18 column	Waters,USA	186004770
Cyclotron	GE,USA	MINITRACE
Dimethyl sulfoxide (DMSO)	Bailing Wei Technology,Beijing,China	984549
EtOH	ABX,Germany	10009216
EtOH for isolation	Sinopharm Chemical Reagent,Shanghai,China	400212682
Gas chromatography	Tianmei,Shanghai,China	GC-7900
HPLC	SYKNM,Germany	S-1122
Hydrochloric acid	Sinopharm Chemical Reagent,Shanghai,China	10011018
K2CO3 Solution	ABX,Germany	TF-K1-230724001
Kryptofix[2.2.2](K222)	ABX,Germany	800
liquid filter membrane (Millex-GV)	Merck,Germany	SLGVR33RB
Oasis HLB solid-phase extraction (SPE) column	Waters,USA	186003908
PET/MR	GE,USA	Signa
QMA column	Waters,USA	186002350
Radionuclide activity	Capintec,USA	CRC-25R