本文题为“Molecular imaging of fluorinated probes for tau protein and amyloid-β detection”，发表于Molecules期刊（发表日期为2020年7月28日），主要作者为Sarah K. Yeo, Yurii Shepelytskyi, Vira Grynko和通讯作者Mitchell S. Albert。作者单位包括加拿大湖首大学的生物系、化学与材料科学项目、化学系，以及桑德贝地区健康研究所和北安大略医学院。该论文是一篇系统性综述，旨在填补氟化分子探针在阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease， AD）成像领域综述性文章的空白，为该领域的研究人员提供一个关于近期发展和进展的全面更新。
阿尔茨海默病（AD）是最常见的痴呆形式，其神经病理学特征主要包括由过度磷酸化tau蛋白组成的神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles， NFTs）以及由β-淀粉样蛋白（amyloid-β， Aβ）组成的老年斑。目前，AD的确诊仍需通过尸检后的组织病理学观察。因此，开发能够选择性结合NFTs或Aβ的分子探针，对于实现AD的早期、准确、无创诊断至关重要。本文的核心主题是总结和评述可用于检测tau蛋白和Aβ的氟化分子探针，重点围绕三种分子成像技术展开：¹⁹F 磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）和荧光成像。
一、 分子成像技术背景与探针需求
论文首先阐述了三种主要成像技术用于AD检测的优势与挑战。PET是目前AD分子成像（特别是Aβ成像）最成熟的技术，其优势在于极高的灵敏度和特异性。FDA已批准了数种用于Aβ成像的¹⁸F标记PET示踪剂，如[¹⁸F]Florbetapir、[¹⁸F]Florbetaben和[¹⁸F]Flutemetamol。然而，PET的空间分辨率较低，且依赖于放射性核素，存在半衰期短、成本高、涉及电离辐射等问题。
相比之下，MRI具有高空间分辨率、无电离辐射、成本相对较低等优点，但其分子成像敏感性较低，因为内源性背景信号强。¹⁹F MRI则提供了一个独特的解决方案。¹⁹F在生物体内几乎没有天然背景信号，其天然丰度高且旋磁比大，这使得¹⁹F MRI能够获得高信噪比的图像。氟化探针可长期储存，成像空间分辨率高于PET。因此，开发用于¹⁹F MRI的氟化分子探针是近年来的一个重要研究方向。
荧光成像，特别是近红外荧光（NIRF）成像，则是另一种有前景的技术。它在650-900 nm波长范围内具有足够的组织穿透深度和低背景荧光，具备成本低、可实时成像、无放射性等优点。将氟原子引入荧光探针结构，有时可优化其药代动力学或结合特性，并可能实现多模态成像。
二、 用于AD检测的¹⁹F MRI分子探针
本部分详细综述了针对Aβ斑块和tau蛋白NFTs的¹⁹F MRI探针。
1. Aβ成像探针： * 早期探针： 首个利用¹⁹F MRI在转基因小鼠体内检测Aβ的研究使用的是单氟化双苯乙烯基苯配体FSB。虽然其敏感性较低，但证明了该方向的可行性。 * 优化探针： 后续研究通过结构优化提高亲和力。例如，具有四氟苯核心的双苯乙烯基苯衍生物，因其核心更具亲电性，与Aβ的结合亲和力高于单氟类似物。对位取代的衍生物也比间位取代的亲和力更高。两种代表性化合物显示出纳摩尔级的解离常数（Kd）和较高的Aβ斑块结合特异性。 * 克服挑战： 大脑组织中的脂质成分会捕获疏水性¹⁹F探针，导致信号减弱。因此，需要优化探针的亲疏水平衡，既要保证足够的亲水性以减少非特异性滞留，又要维持一定的疏水性以使其能够穿过血脑屏障。三氟甲氧基苄基化化合物如TFMB-2ET和TFMB-3ET的信号虽强于FSB，但仍受此问题困扰。 * 天然产物衍生物： 姜黄素及其氟化衍生物（如FMeC1）因其抗炎、抗氧化特性及与Aβ结合的能力而被研究。FMeC1可在生理缓冲液中以酮式存在，与Aβ聚集体结合时转化为烯醇式，并已成功用于AD小鼠模型的体内检测。为解决静脉注射姜黄素类似物所需高浓度表面活性剂带来的毒性问题，研究尝试了通过雾化吸入方式递送全氟姜黄素类似物FMeC1。 * 新型纳米探针： 氟功能化石墨烯量子点（FGQDs）与牛血清白蛋白（BSA）结合形成的探针，可通过π-π堆叠和羧基/氨基基团与Aβ中间体结合，用于体外监测淀粉样蛋白聚集过程，并具备体内应用潜力。 * 其他探针： 近期研究还探索了2-(对三氟甲基苯基)-1,3-苯并噻唑等化合物在离体AD脑组织中进行³T MRI检测的可能性。
2. Tau蛋白（NFTs）成像探针： * 首例报道： 第一项使用¹⁹F MRI检测tau病理的研究采用了苯乙烯基苯并噁唑衍生物。通过在其π电子共轭骨架上增加双键（形成丁二烯衍生物，如Shiga-X35），可增强其对tau病理的亲和力。Shiga-X35能在转基因小鼠脑中NFTs积累区域产生¹⁹F MRI信号，但其特异性、选择性和敏感性有待提高（需要高剂量，图像质量不如PET）。 * 已上市药物再利用： 兰索拉唑（Lansoprazole， LNS）是一种用于治疗胃肠道疾病的苯并咪唑类药物。研究表明，LNS能穿过血脑屏障并选择性结合聚集的tau蛋白。表面等离子共振（SPR）显示其对AD脑分离的配对螺旋丝（PHFs）有较高亲和力（Ki约833.3 nM）。LNS结构中氟原子密度高，适合用于¹⁹F MRI。离体研究显示，其¹⁹F信号与NFTs相互作用，有望在临床³T扫描仪上区分AD与健康大脑。其优势在于信号主要来自病理部位，且是已获批准的商业化产品。
三、 用于AD检测的¹⁸F标记PET分子探针
本部分系统回顾了PET示踪剂的发展历程，分为Aβ成像和tau成像。
1. Aβ成像探针： * 早期探索： 包括刚果红、克黄素G、硫黄素T等衍生物。 * 里程碑示踪剂： [¹⁸F]FDDNP是首个报道用于活体AD患者脑中Aβ和NFTs检测的PET探针，但其在示踪浓度下对老年斑和NFTs的敏感性较低。 * 划时代突破： [¹¹C]PIB（匹兹堡化合物B）在AD患者皮质中显示出明显的滞留，与已知的淀粉样蛋白沉积区域高度相关，推动了AD的临床诊断。但其²⁰分钟的半衰期限制了广泛应用。 * FDA批准的¹⁸F标记示踪剂： 为克服¹¹C半衰期短的问题，开发了半衰期110分钟的¹⁸F标记示踪剂，包括： * [¹⁸F]Florbetapir（2012年获批）：首个用于AD疑似患者的核医学成像示踪剂，生物分布稳定，图像与脑内Aβ区域相关。 * [¹⁸F]Florbetaben（2014年获批）：临床前数据显示其对合成Aβ纤维和AD脑匀浆有纳摩尔级亲和力，且不结合tau或α-突触核蛋白，特异性高。II期诊断研究显示其区分AD患者与健康对照的灵敏度为80%，特异性为91%。 * [¹⁸F]Flutemetamol（2013年获批）：是PIB的¹⁸F衍生物，具有相似的动力学特性，区分AD与健康对照的灵敏度和特异性分别为97.2%和85.3%。 * 其他探针： 如[¹¹C]AZD2184，在体外对淀粉样蛋白纤维有高亲和力，在AD患者脑皮质中结合率更高。
2. Tau蛋白（NFTs）成像探针： * 第一代探针： * 喹啉酮衍生物： 如[¹⁸F]THK523，在AD患者颞叶、顶叶等区域有较高滞留，但其在白质中的高滞留影响了图像视觉判读。改进的衍生物如[¹⁸F]THK5351，具有更快的动力学、更低的白质滞留和更高的信噪比。 * 苯并咪唑/苯并咪唑-嘧啶衍生物： 最重要的是[¹⁸F]T807（又称[¹⁸F]Flortaucipir），其在AD患者脑中显示出高靶皮质-小脑比率，且积累区域与PHF-tau分布一致。但其在基底神经节的非特异性结合可能源于其对单胺氧化酶（MAO）的弱抑制。 * 兰索拉唑衍生物： [¹¹C]N-甲基兰索拉唑（[¹¹C]NML）和[¹⁸F]兰索拉唑被研究作为潜在的tau示踪剂。尽管[¹¹C]NML在体外对tau有高亲和力，但其首次人体研究显示脑内滞留较低，不足以在体内检测tau病理。 * PBB支架衍生物： [¹¹C]PBB3在体外分析中显示出对AD脑中NFTs的优先结合，但其动态范围低、代谢不稳定、存在基底神经节脱靶结合。其¹⁸F标记衍生物（如[¹⁸F]AM-PBB3和[¹⁸F]PM-PBB3）旨在克服这些缺点。 * 第二代探针（优化后）： 多家制药公司开发了具有更优结合特性的新一代示踪剂。 * [¹⁸F]GTP1是[¹⁸F]T808的氘代类似物，旨在减少脱氟作用，具有低纳摩尔级tau亲和力、对Aβ的选择性、无明显脱靶结合，并能成功区分AD受试者与健康对照。 * [¹⁸F]PI-2620与[¹⁸F]T807相关，旨在减少对MAO的脱靶结合。体外显示对病理性tau聚集体高亲和力且对Aβ有选择性，首次人体研究显示其在已知tau沉积脑区有积累。 * [¹⁸F]RO-948、[¹¹C]RO-643和[¹¹C]RO-963对NFTs有高亲和力且对Aβ有选择性。其中[¹⁸F]RO-948在AD患者中具有更好的信背比。 * [¹⁸F]MK-6240是一种吡啶异喹啉胺衍生物，对NFTs有高选择性，人体体内研究显示其对tau高亲和力，且在基底神经节无实质性脱靶结合。 * [¹⁸F]JNJ64349311（[¹⁸F]JNJ311）对聚集tau也具有高亲和力，且在体内对tau的选择性高于Aβ。
四、 用于AD检测的荧光分子探针
本部分介绍了近红外荧光（NIRF）成像在AD中的应用。 * 优势与挑战： NIRF成像成本低、灵敏度高、无放射性，但通常穿透深度有限。其成功依赖于开发在近红外区发射、能穿透血脑屏障并与靶点特异性结合的荧光探针。 * 探针发展： * 早期探针NIAD-4基于刚果红和硫黄素T结构，能在体外结合Aβ并穿透血脑屏障，但其发射波长刚好处在近红外边缘，且技术仍有侵入性。 * 后续研究聚焦于硼二吡咯亚甲基（BODIPY）荧光团，因其量子产率高、生物相容性好、亲脂性高。BODIPY基Aβ聚集体结合探针BAP-1和BAP-2在体外和离体实验中能与Aβ结合，但在体成像时因头皮非特异性结合而失败。 * 为了减少非特异性结合和背景信号，开发了QAD-1等探针。QAD-1与可溶及不可溶Aβ结合后荧光显著增强，背景信号低。在体研究表明，其可在Aβ转基因小鼠6个月大时（症状出现前）检测到Aβ，显示出早期诊断AD的潜力。
五、 论文的意义与价值
本综述的系统性和全面性是其核心价值所在。作者不仅回顾了¹⁹F MRI、PET和荧光成像这三种主要技术领域的最新进展，还将探针按靶点（Aβ和tau）进行了清晰归类，并详细列出了已被研究的各类探针及其关键性能参数（如亲和力Kd、特异性、研究阶段等）。这种结构化的梳理为研究人员快速了解各技术路径的优缺点、探针设计思路以及当前面临的挑战（如血脑屏障穿透性、亲疏水平衡、脱靶结合、信号灵敏度等）提供了极大便利。
该论文强调了多模态成像和探针设计的交叉融合趋势。例如，氟化探针既可用于¹⁹F MRI，其衍生物也可能用于PET（如¹⁸F标记）或荧光成像。将已批准药物（如兰索拉唑）重新用于神经成像的“老药新用”策略，也为加速临床转化提供了新思路。
最终，这篇综述通过总结现有进展、明确技术瓶颈（如¹⁹F MRI探针的灵敏度与特异性需提升、PET示踪剂的脱靶结合问题、荧光探针的体内特异性等），为未来开发更优的氟化分子探针指明了方向，旨在促进这些探针从实验室研究向未来临床应用转化，从而助力阿尔茨海默病的早期诊断、病程监测和治疗效果评估。