张 格,薛井泉,赵世伦,刘 宇,3,杨文江

(1.中国科学院高能物理研究所,北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心,北京 100049;2.中国科学院大学,北京 100049;3.济南中科核技术研究院,济南 250131)

多巴胺是一种重要的神经递质,在大脑中分布广泛,含量丰富,参与许多中枢神经系统功能的调控,如运动行为、情感、认知、奖励等[1]。多巴胺通过与突触后膜的多巴胺受体结合,激活多巴胺能通路上的信号转导途径(胞内环腺苷酸/蛋白激酶A信号通路、G蛋白门控内向整流钾离子通道、N型钙离子通道等)[2],发生特定的生理效应,在维持多巴胺浓度平衡,调控多巴胺系统功能,维持中枢神经系统信息传递中发挥重要作用[3-4]。其中多巴胺D3受体(D3R)虽发现较晚但其在脑内边缘区域的特殊分布,涉及运动、认知、奖赏、情感等功能,提示多巴胺D3R可能与帕金森病、精神分裂症、药物成瘾等多种中枢神经系统疾病关系密切。

大脑是人体最精密复杂的器官,深入研究脑功能及神经精神系统疾病离不开分子影像学的辅助。正电子发射断层显像(PET)技术是分子影像学的重要部分,PET具有高灵敏度与分辨率,能定量、无创、可视化地跟踪体内代谢过程,从而在分子水平上发现疾病早期变化[5-6]。应用PET显像技术将使人们对D3R在各种精神疾病的病理生理中的作用有客观、科学的认识[7]。

D3R的PET显像依赖于高特异性的显像剂,本研究对多巴胺D3R PET分子探针的研究情况进行了总结和评论,并探讨未来D3R PET探针开发的挑战与方向。

1 多巴胺受体的分类与功能

按照初级结构和药理性质的相似性归类,可以将多巴胺受体分为D1类(D1、D5)和D2类(D2、D3、D4)受体[8-10],D1类受体在尾壳核、伏隔核、黑质、嗅球、额叶皮质、杏仁核分布较多,少量位于丘脑、边缘系统,其主要功能是与激活型G蛋白(Gs)偶联促进胞内环腺苷酸的合成,使下游靶蛋白磷酸化,改变细胞膜对离子的通透性,调节信号传导而发挥功能。工作记忆的恢复是治疗精神分裂症最棘手的问题,大量研究已经证实前额叶皮质D1R信号传导不足会导致工作记忆功能缺陷,以D1R为靶点的药物有望帮助精神分裂症患者认知功能的恢复[11]。研究发现,D5R基因位点(染色体4p15.1-16.1)与原发性高血压有关,D5R通过作用于脑、肾和动脉,在血压调节中发挥重要作用。研究D5R对血压的调节机制可能有助于预防和治疗原发性高血压[12]。

D2类受体在纹状体、边缘系统、黑质、丘脑、皮层等都有分布,其通过与抑制型G蛋白(Gi/o)偶联从而抑制胞内环腺苷酸的合成[13-15]。D2类受体家族在神经疾病的研究中一直备受关注,其中D2R的研究历史最为悠久,研究表明早期PD患者D2R数量代偿性上调,后期则减少,临床上已将D2R作为诊断和治疗帕金森病的靶点。目前,多巴胺D4R的功能和药理意义仍然是所有多巴胺受体亚型中了解最少的。D4R参与调节额皮质纹状体谷氨酸能神经元的传递,其介导的信号的高激活或低激活可能是注意缺陷与多动障碍(ADHD)等神经精神疾病的原因[17-18]。早期研究对D2R家族亚型的细化不足,并未有D3R的概念,其一直被误当做D2R研究,因而研究结果常有矛盾的现象,直至1990年,Sokoloff等[16]克隆出D3R,发现其在分子性质、组织分布、药理学以及可能的信号转导系统方面有别于D2R,这一成果在D3R研究中具有里程碑意义,D3R在疾病治疗与诊断中的价值也逐渐被发掘。

2 多巴胺D3R与神经精神疾病

D3R在中脑边缘区域(伏隔核、嗅结节、卡耶哈岛、丘脑等)有高水平的表达,在纹状体、黑质致密部、腹侧被盖区、海马体有适当表达,皮层部分区域也有少量分布[19]。但D3R在脑内分布存在物种间的显著差异,一定程度上限制了D3R介导行为在物种间的普适性[20]。D3R在脑内总数量很少,但其与内源多巴胺的结合亲和力却远高于其他多巴胺受体[16],因此D3R数量和功能的微小变化可能会对突触间信息传递产生显著影响。众多研究表明,D3R与认知、奖励、行为强化和渴望等情感行为及帕金森病(PD)、精神分裂、药物成瘾等神经精神疾病息息相关[21-22]。

对精神分裂患者的尸检结果表明,相比于正常人,患者脑内多巴胺D3R数量明显升高,而接受抗精神病药物治疗的患者D3R表达与正常人接近[23-24]。一般认为,D3R功能升高是精神分裂症患者认知与记忆功能损伤的原因,调节D3R可能改善认知和精神分裂症阴性症状[25]。唯一进入精神分裂症临床测试的高选择性D3R拮抗剂ABT-925(体外D3R/D2R选择性:约100倍)被发现具有促进人类认知功效,且不良反应较少[26]。

典型抗精神病药物以D2R为主要靶点,通过阻断多巴胺黑质纹状体通路发挥抗精神病作用,然而该通路与运动功能密切相关,因而该通路的阻断会导致锥体外系副反应,而D3R所在的中脑边缘通路与运动控制无关,因此对D3R具有高亲和力的非典型抗精神病药物如氨磺必利、卡利拉嗪优先占据D3R发挥抗精神病作用,相比于典型抗精神病药在治疗时引起锥体外系反应等不良反应较少[27]。

D3R因其在大脑边缘区以及苍白球分布相对丰富,可能与帕金森病的精神和运动并发症有关,因而备受关注。研究发现,未服用过药物的早期PD患者腹侧纹状体D3R数量轻微减少,苍白球D3R数量显著减少[28],这是对中脑黑质多巴胺能神经元丢失的响应。长期使用左旋多巴治疗帕金森病往往损坏神经细胞对多巴胺功能的调节从而引发运动障碍(LID)[29-31],研究表明LID中D3R表达上调[32-33],D3R激动剂BP897、FAUC329能够提高多巴胺神经元中脑源性和胶质细胞源性神经营养因子水平,帮助多巴胺神经元的恢复,减轻PD病的运动症状,抑制左旋多巴导致的运动障碍[14,27,34]。

中脑腹侧被盖区(VTA)投射到伏隔核(NAc)、杏仁核、嗅结节海马体等结构的环路涉及了正性强化效应、渴求、奖赏。其中D3R富集区域-伏隔核是多巴胺的主要投射目标,伏隔核多巴胺的增多是成瘾药物刺激后产生快感与奖励的原因[35],D3R在药物、酒精、烟草、毒品成瘾中的研究也因此备受关注。甲基苯丙胺(冰毒)、可卡因滥用人群脑内D3R密度明显升高,这与反复接受冰毒或可卡因刺激导致中脑边缘多巴胺能信号传递增强引起对多巴胺刺激的超敏反应有关,为解释药物成瘾行为提供依据[36-37]。Pilla等[38]对D3R部分激动剂BP897研究发现,BP897能够缓解瘾君子对可卡因的依赖,且不存在内在奖励机制。

数学问题解决是一种积极探索和克服障碍的活动过程,它所采用的途经和方法是新的，至少其中某些部分是新的，这些方法和途径是已有数学知识和方法的重新组合,这种重新组合通常构成一些更高级的规则和解题方法，因此数学问题解决的过程又是一个发现和创新的过程.

总之,为了在临床上更好的认识D3R,具有良好的物理化学和药代动力学特性的高亲和力、高选择性D3R配体必不可少。

3 多巴胺D3R PET分子探针及其应用

PET显像可显示活体内D3R数量变化以及受体占用情况,在疾病诊断、发病机制、药物开发及治疗剂量估计等方面发挥重要作用,然而实现这一目的的关键是开发高选择性D3R的PET配体。18F与11C是PET显像最常用的放射性核素。18F具有长短适中的半衰期(T1/2=109.7 min),并且正电子能量较低(Emax=635 keV)。氟原子或含氟基团在天然产物和生物活性分子中广泛存在,很多对D3R具有高亲和力的分子结构中都有F的存在。对于这类分子,放射性18F的引入,并不会改变其生物活性[39]。C是生物分子的重要组成部分,放射性核素11C标记的化合物与未标记的化合物相比,其亲脂性等物理化学及生化特性没有改变,11C的物理半衰期短(T1/2=20.4 min)适用于短生物半衰期化合物的标记,可以在短时间间隔内对同一对象进行重复研究,且生产11C的靶材料较18F更便宜,制备更方便,因此11C的使用也十分广泛,但短半衰期限制了其使用,一般只在能生产11C的场所开展研究[39]。目前已报道的多巴胺D3R靶向PET探针,都是18F与11C标记。根据分子结构,可以大致分为如下三类:四氢吡咯烷类、氨基四氢萘类、苯基哌嗪类。

3.1 四氢吡咯类

该类结构为苯甲酰胺通过一个亚甲基连接一个四氢吡咯环,通过在苯环上引入烷烃链、甲氧基、卤素原子、羟基等基团以及改变吡咯烷氮上烷基的长度对化合物进行修饰。用烯丙基替换D2R探针[18F]FPMB吡咯烷氮上的乙基合成了[18F]fallypride,其具有更优良的亲脂性(LogP=2.43),入脑效果显著提高。它对D2R、D3R皆有次纳摩尔的亲和力(D2R:Ki=0.05 nM,D3R:Ki=0.3 nM),与内源多巴胺竞争能力强,且从非特异性部位快速清除,可以在杏仁核等受体密度较低区域显像,具有良好显像效果[40]。由于其选择性更偏向于D2R(D2R/D3R=10),使得对D3R显像时受到一定限制[41]。但其可作为D2R/D3R显像剂使用,用于帕金森病的临床诊断、研究精神分裂症等脑神经疾病。PD患者与正常人进行[18F]fallypride PET扫描结果表明,PD患者较正常组腹侧中脑受体结合力下降39%,杏仁核下降33%,丘脑下降30%,海马体下降22%,苍白球下降16%,尾状核下降11%,而壳核与腹侧纹状体变化微小[42]。在研究抗精神分裂症药物方面,对服用抗精神病药物氯氮平的精神分裂患者和正常人进行[18F]fallypride PET研究,结果显示,下颞叶皮层D2R/D3R占有率降低55%,丘脑降低44%,壳核降低36%,尾状核降低43%,从而解释了氯氮平的治疗效果可能更多源自与外纹状体区域多巴胺受体的结合[43]。

11C标记的fallypride与[18F]fallypride具有相似的脑区定位,[11C]fallypride与[18F]fallypride都已被广泛用于D2R/D3R PET显像的研究,但[11C]fallypride有着独特优势,11C核素标记的示踪剂在60～90 min内可以获得良好显像数据,而[11C]fallypride在90 min左右可以在外纹状体区域(丘脑、杏仁核、皮层等)实现最佳结合动力学,因此可以对外纹状体区域在1 d内对个体进行重复扫描以研究药物效应,并且短的扫描时间有效避免了被试者移动的干扰,这点[18F]fallypride无法做到[44]。

另一种已用于临床研究的四氢吡咯烷类PET显像剂[11C]raclopride,是一种非选择性D2R/D3R放射性示踪剂(D2Rlow:Ki=2.5 nM,D2Rhigh:Ki=1.3 nM,D3R:Ki=3.5 nM)。用于了解帕金森病、可卡因成瘾、烟瘾中D2R/D3R的变化[45]。早期PD患者,在发病肢体对侧半脑的壳核中,[11C]raclopride的结合力减少33%,左右半脑壳核与[11C]raclopride结合的差异与左右肢体症状差异一致[46]。[11C]raclopride对内源多巴胺竞争敏感,用于研究可卡因成瘾者在条件刺激(观看吸食可卡因的视频)相比于非条件刺激(观看中性视频)多巴胺的变化,PET结果显示[11C] raclopride在壳核和尾状核的特异性结合显著减少(说明该部位受体被内源多巴胺占用),减少程度与成瘾者描述的可卡因渴望程度正相关,提示多巴胺在毒品渴望时分泌增多,是毒品成瘾中的重要部分[47]。但在用于D3R研究时要先用非放射性的D2R配体消除D2R信号的干扰。

此外[11C]FLB 457同样广泛用于人体PET显像,研究抗精神病药物的疗效,但对D2R和D3R有同等的亲和力(Ki=0.02 nM),是非选择性D2R/D3R显像剂,并不适合单独用作D3R显像[48]。

3.2 氨基四氢萘类

该类化合物具有氨基四氢萘框架,在四氢萘的苯环上常进行羟基化或甲氧基化修饰,并且氨基四氢萘的2位连接N,N-二丙基链。氨基四氢萘类化合物[11C]-(±)-PHNO最早被认为是D2R显像剂,但随着研究的深入,现已被证实为D3R偏好性显像剂(D2R:Ki=8.5 nM,D3R:Ki=0.16 nM)。体内结合实验显示,在D3R分布区域苍白球有高特异性摄取,在丘脑、脑干也有一定的特异性摄取。[11C]-(±)-PHNO是目前唯一用于选择性对D3R显像的放射性药物。临床上常用于评价抗精神病药物在D2R、D3R中占有率情况,从而对药物作用机理与疗效进行分析。对13名服用布南色林的精神分裂症患者与7名正常人进行[11C]-(±)-PHNO扫描,比较两组D2R、D3R占用情况,结果显示,布南色林在壳核中占用55%,尾状核60%,苍白球48.9%,黑质34%,此结果证实了布南色林在治疗精神分裂症时同时占用D2、D3两种受体[49]。由于[11C]-(±)-PHNO对内源多巴胺的变化非常敏感,因此在临床上也用来测定突触多巴胺浓度的急性变化[50]。在研究酒精滥用方面,对17例酗酒者与18例正常人的[11C]-(±)-PHNO PET扫描,发现酗酒者感觉运动皮层结合力下降12.3%,黑质结合力下降16%,酗酒者组内黑质结合下降越厉害对酒精依赖程度越高[51]。但由于[11C]-(±)-PHNO对D3R/D2R的选择性只有53,因此在D2R与D3R均表达的脑区如纹状体等,D2R的存在仍是干扰,需要用非标记的D3R拮抗剂消除D3R PET信号再反推出D3R存在区域摄取值[52]。此外,该类结构还有[11C]PPHT(D2R:Ki=0.65 nM)、[11C]ZYY-339(D2R:Ki=0.01 nM)等D2/D3非选择性PET探针,但都由于与D2R亲和力过强而不适于做选择性D3R探针开发[53]。

图2 氨基四氢萘类示踪剂Fig.2 Chemical structure of aminotetralin tracers

3.3 苯基哌嗪类

早期D3R探针的设计源自一些已知的多巴胺受体配体,包括氨基四氢萘类、四氢吡咯烷类等,但往往选择性较差,多为D2R/D3R探针。多年来研究者们对D3R配体的开发,由他们的构效关系总结出了一定的规律,即一个芳基或芳基取代酰胺(①),通过一个功能化的烃基部分(②)连接一个含芳基末端的结构(③)。①部分为较大芳环的苯甲酰胺类对维持共平面结构有重要作用,部分小环结构也具有良好选择性,如苯乙烯类。D3R的多巴胺结合位点比D2R更深,配体要以一种更线性、延伸的结构与D3R结合,研究发现②部分为四个碳的烃基时对维持①与③之间的几何距离和空间构象最佳,表现出的亲和力效果最好[54]。③部分为含氮取代基的芳环,在这部分结构上进行改性对提高选择性有关键影响,近年来通过计算机模型研究此部分与D3R正构结合位点(OBS)、次级结合位点(SBS)的相互作用发现,苯基哌嗪药效团具有最强大的选择性[55]。因此,近年来设计的D3R PET探针大多为苯基哌嗪类衍生物。

图3 苯基哌嗪类示踪剂结构通式Fig.3 General fomula of phenylpiperazines tracer

Robert等[56]设计合成了一系列具有柔性构象的苯基哌嗪类苯甲酰胺分子,其中化合物5在苯基哌嗪芳环的2位上用氟乙氧基进行修饰,并在苯甲酰胺的4位用3-噻吩环取代,发现该化合物对D3R的亲和力以及D3R/D2R选择性最优,对D3R的亲和力达到次纳摩尔量级,D3R/D2R选择性高达160(D2R:Ki=21.7 nM,D3R:Ki=0.17 nM)。而后该团队以化合物5为目标通过18F亲核取代标记法合成了[18F]FTP。恒河猴脑部PET显像显示,其在纹状体、丘脑等D3R富集区域有高摄取,在其他非D3R区域未见明显摄取[57],是目前最具有临床应用前景的PET探针。但由于异氟烷麻醉导致的多巴胺转运体(DAT)构象发生变化,使得突触间隙多巴胺浓度增加,从而大量占据突触后膜的多巴胺受体,阻碍了[18F]FTP与D3R的结合。安定药物劳拉西泮(Lorazepam)可以降低内源多巴胺水平,在未使用Lorazepam抑制多巴胺分泌时,恒河猴脑部PET结果显示,示踪剂的脑内分布在个体间差异较大,但在Lorazepam抑制后不同个体间[18F]FTP在脑内分布情况一致,即在纹状体、丘脑等D3R所在区域有明显摄取。因此该探针最大的缺陷在于内源多巴胺的干扰。然而与之亲和力相似而选择性差的[18F]fallypride却不受内源多巴胺影响,其原因可以归结为[18F]FTP的丁基苯基哌嗪部分与D3R正构结合位点结合的作用力比[18F]fallypride弱很多,而多巴胺恰在D3R正构位点结合,不过[18F]FTP的芳基酰胺部分与D3R的次构位点的作用力比[18F]fallypride强得多,而次构位点的结合决定着选择性[58]。通过对这两种探针差异的比较,提示在配体设计时要在正构位点有适当高的作用力足以竞争内源多巴胺,而且在次构位点也要有一定作用力以提供选择性。目前[18F]FTP的研究还缺乏对清醒的恒河猴的显像研究以及临床显像研究以验证其对D3R显像能力。

Langer等合成的11C标记的化合物[11C]RGH-1756,其结构为咪唑并噻吩基通过丁氧基苯连接甲氧基苯基哌嗪。与D3R亲和力高达次纳摩尔级(D2Rlow:Ki=15.2 nM,D2Rhigh:Ki=12.2 nM,Ki=0.12 nM),D3R/D2R选择性超过100倍,被认为有对D3R显像的巨大潜力,但猕猴的PET显像表现出全脑的较均匀摄取,抑制实验表示能够与D3R的特异性结合,通过引入利血平来消除内源多巴胺对D3R的占据,但仍未见脑中特异性摄取的增加,因而排除了内源性多巴胺竞争D3R的影响,作者认为低摄取是由于体内条件下与D3R亲和力不足[59-61]。

Stößel等[62]对其团队前期合成的高选择性、高亲和力D3R配体FAUC329[63]进行略微结构调整,合成放射性配体[18F]2,其结构为2-吡唑[1,5-a]吡啶基酰胺通过四个碳的烃基连接氟乙氧基苯基哌嗪,该化合物对D3R亲和性达次纳摩尔级,D3R/D2R选择性高达100倍左右(D2Rlow:Ki=39 nM,D2Rhigh:Ki=21 nM,D3R:Ki=0.31 nM),LogP为3.93。对大鼠的体外放射自显影显示,在D3R富集的区域如卡耶哈岛、纹状体、部分皮质区都有明显摄取。然而体内放射自显影仅在脑室有摄取,经BP897阻断后侧脑室摄取率下降7%～12%,第三脑室下降5%～14%,PET显像也未在大鼠脑内D3R富集区域发现明显摄取,但在垂体有明显摄取,40 min时垂体摄取值为(0.394±0.016) %ID/g,能被BP897阻断25%。体外放射自显影与活体PET显像中[18F]2在脑内的定位区域明显不一致,这可能来自血脑屏障(BBB)的阻碍,体外实验中血脑屏障不起作用,因而[18F]2能够在脑内区域定位。脑室中充斥着脑脊液,某些物质能够通过由脉络丛上皮细胞和毛细血管内皮细胞及其基膜组成的血-脑脊液屏蔽(BCSFB),在血液与脑脊液之间进行物质交换。体内实验显示,[18F]2在脑室、脉络从中的摄取说明其可以通过BCSFB。

Nebel等[64]合成18F标记的苯偶氮基酰胺类似物[18F]2b,其结构为氟苯偶氮基通过丁基连接甲氧基苯基哌嗪,对D3R有较高亲和性(Ki=3.5 nM),D3R/D2R选择性大于10倍,LogP为2.1。在鼠脑中体内外分布差异同[18F]2类似,体外放射自显影在卡耶哈岛(Kd=0.1 nM)、伏隔核(Kd=0.11 nM)、纹状体(Kd=0.08 nM)有明显特异性摄取,体内PET显像显示脑白质的低摄取(注射后65s时摄取值0.14%ID/g),D3R富集区域未见明显摄取,但垂体可见高摄取(5 min时摄取值0.94%ID/g)且可被BP897抑制35%,第四脑室初始摄取值0.4%ID/g,可被BP897抑制50%,第三脑室与侧脑室初始摄取值均为0.25%ID/g左右。因为垂体中有D3R,而[18F]2b在垂体的摄取可被抑制说明其在体内能与D3R特异性结合,虽然能够证明该探针具有D3R亲和力,但垂体与大脑摄取药物方式等的不同,活体中垂体内的受体结合亲和力不反映大脑内的亲和力,因而无法从垂体的摄取评价探针在脑内的效果。该团队还对[18F]2b的偶氮基类似物[18F]2a进行了研究,不同于[18F]2b,[18F]2a在丁基链上进行了3-羟基取代,苯基哌嗪部分用2,3-二氯替代甲氧基,其对D3R亲和力与[18F]2b接近(Ki=3.6 nM),LogP为2.56。体外放射自显像显示为全脑的均匀非特异性摄取,PET显像同[18F]2b一样显示脑室和垂体的特异性摄取(垂体:25 min时0.6%ID/g),[18F]2a的入脑量比[18F]2b低1.5倍,可以归结于[18F]2a的高血浆蛋白结合率([18F]2a:82%;[18F]2b:20%)。同时该团队证实了[18F]2b在脑室、脉络从等区域的摄取不来自于与脑脊液蛋白质的结合。其能通过血-脑脊液屏障与脑室部分层面中的D3R特异性结合,脑室不同层面中的非均匀摄取来源于表达D3R的脉络从室管膜细胞的分布差异。

Hocke等[65]合成了18F标记的吡啶苯基酰胺类似物[18F]6、[18F]5,苯基哌嗪部分别用2-氯和2,3-二氯取代。他们对D3R亲和力高,D3R/D2R选择性超过100([18F]6:D3R:Ki=0.58 nM,D2Rhigh:Ki=42 nM;D2Rlow:Ki=120 nM;[18F]5:D3R:Ki=0.53 nM,D2Rhigh:Ki=17 nM,D2Rlow:KiR=18 nM)[66-67],与血浆蛋白的结合率低([18F]5:6.5%,[18F]6:20.6%)且代谢稳定性好,其中[18F]5虽然能够透过BBB(10 min全脑生物分布:0.75%ID/g),但由于亲脂性(LogP=5.27)过强导致了严重的非特异性摄取,可能掩盖了特异性摄取信号。[18F]6的亲脂性(LogP=2.88)处于合理范围,入脑量低于[18F]5(10 min全脑生物分布:0.26%ID/g),但放射自显影显示,示踪剂在整个脑灰质部分表现出均匀摄取,说明脑内存在较多非特异性摄取。多巴胺D3R主要分布于垂体后叶[68],[18F]6和[18F]5在垂体有摄取且能被BP897部分抑制,可以证明他们在体内与D3R有亲和力可以特异性结合。

Nebel等[64]报道的[18F]1与[18F]5结构相似,不同之处仅在丁基链上用3-OH取代,对D3R亲和力为1.9 nM,这种结构改变增加了亲水性,LogP为2.5,但在脑内也表现为大量非特异性摄取。[18F]1在垂体和脑内的摄取几乎未被BP897抑制,反映了其体内D3R低亲和性。Hofling等[69]设计了18F标记的肉桂酰胺类探针[18F]8,其苯基哌嗪的苯环部分用2-甲氧基取代。具有次纳摩尔的D3R亲和力以及30倍的D3R/D2R选择性(D2Rlow:Ki=27 nM,D2Rhigh:Ki=21 nM,D3R:Ki=0.34 nM),LogP值为2.07,理论上适合入脑。体内放射自显影显示在D3R分布的纹状体和皮层有明显摄取,且能被BP897阻断90%,但在其他D3R富集区域如伏隔核、卡耶哈岛未见明显摄取,在脑室区域有高于纹状体区域3.7倍的摄取且能被BP897抑制50%,脑室的摄取可能和[18F]2、[18F]2b有着同样的解释,即与脑室中室管膜细胞上的D3R结合,但作者认为这种结合也可能来自[18F]8代谢物,具体原因还有待代谢实验的验证。

研究发现,次构位点上选择大芳烃环结构往往对D2R产生不利的空间相互作用,降低D2R结合亲和力而对D3R不影响,从而增加D3R/D2R选择性[55,70-71]。Stewart等[72]在大环化合物BP897的苯基哌嗪结构上用CF3基团替换甲氧基,在酰胺的羰基碳上进行标记合成化合物[11C]naphthamide1,具有高D3R亲和力和D3R/D2R选择性(D2R:Ki=1 553 nM,D3R:Ki=1.1 nM),能透过BBB,代谢稳定性好,注射后15min血液中仍有80%完整示踪剂存留。[11C]naphthamide1体外自显影大鼠PET图像清晰显示在D3R存在区域的摄取,但高低密度D3R分布区域最大标准摄取值SUV差异不显著(嗅结节:1.5,包括伏隔核的纹状体:1.2,下丘脑:0.9,小脑:1),作者认为可能存在非特异摄取,有待进一步验证。

Turolla等[73]研究萘甲酰胺类示踪剂[11C]1与苯并呋喃酰胺类示踪剂[11C]2,他们的酰胺部分通过丁基链连接2,3-二氯苯基哌嗪。细胞结合实验显示具有高D3R亲和力与选择性(1:D2R:Ki=720 nM,D3R:Ki=0.6 nM;2:D2R::Ki=720 nM,D3R:Ki=0.13 nM),体内放射自显影能够显示脑内定位,说明他们能够通过BBB。生物分布和放射自显影虽显示,在伏隔核、纹状体等D3R富集区域有轻微摄取,但在小脑、皮层等D3R低密度区域也有较多摄取([11C]1:伏隔核:0.087%ID/g,小脑:0.092%ID/g,前额皮质:0.089%ID/g,前部纹状体:0.074%ID/g;[11C]2:伏隔核:0.077%ID/g,小脑:0.078%ID/g,前额皮质:0.088%ID/g,前部纹状体:0.069%ID/g),全脑的均匀摄取很大一部分可能来自血液中的放射性,因为伏隔核、基底神经节、皮层与血浆的摄取比之间无明显差异(5 min时,[11C]1:伏隔核/血浆=0.65,后纹状体/血浆=0.64,前额皮质/血浆=0.77;[11C]2:伏隔核/血浆=1.01,前纹状体/血浆=0.93,前额皮质/血浆=1.18)。也可能是由于探针过高的脂溶性(cLogP1=5.61,cLogP2=4.98)造成的非特异摄取,因此并不适宜体内显像。

[11C]FAUC346的结构为苯并噻吩酰胺通过四个碳丁基连接甲氧基苯基哌嗪,细胞结合实验表现次纳摩尔D3亲和力与高选择性(D3R:Ki=0.23 nM,D2R/D3R:380,D4R/D3R:65),LogP为2.36,大鼠生物分布实验中显示血液清除率快,脑内停留时间长(60min未见明显放射性下降)且脑内97%放射性以原药形式存在,脑内各区域摄取值与D3R分布密度不一致。使用D3或D2/D3竞争剂抑制时,纹状体、海马体、嗅结节、皮层的[11C]FAUC346摄取均能被抑制80%～90%,说明[11C]FAUC346具有D3R特异性但也可能具有D2R特异性。在狒狒的PET显像中各脑区呈现均匀分布,BP897阻断实验未见放射性水平的改变,因而在非人灵长类动物中并不适用[74]。

吲哚酰胺类化合物[11C]BAK4-51,苯基哌嗪的苯环上由2-甲氧基和3-氯取代,在细胞结合实验中表现出良好亲和力与选择性(D3R:Ki=0.39 nM,D2R:Ki=53 nM),LogP值为3.33。体内代谢稳定(30 min是血浆原药76%,脑内原药99%)。但在大鼠与猴子脑内富集区域仅比非富集区域摄取略高。使用D2R拮抗剂spiperone对大鼠D2R抑制时,[11C]BAK4-51的摄取未见下降,说明未与D2R结合。使用D3R拮抗剂BP897对大鼠D3R抑制时,[11C]BAK4-51的摄取未见下降,因此很可能不具有D3R特异性。Tariquidar是P-糖蛋白(P-gp)抑制剂,可以减少底物与P-gp的结合从而减少底物从脑内的泵出,增加在脑内的保留,Tariquidar抑制实验与P-gp/BCRP基因敲除实验验证了该放射性配体是鼠类和猴子的外排转运体蛋白P-gp的底物,在使用tariquidar对外排转运体蛋白进行抑制后注射[11C]BAK4-51,脑内摄取值整体上升,但D3R富集区域与非富集区域比值未见明显提高(壳核/小脑SUV:未经tariquidar处理为1.4,经tariquidar处理后1.7),虽然壳核/小脑的摄取比增加但壳核清除速率也比小脑等其他其他区域更快。因此外排转运体并不是造成[11C]BAK4-51对D3R富集与非富集区域摄取差异小的关键因素,根本原因可能在于对D3R结合力不够甚至未结合。小脑区域的高摄取也证实了大部分放射性摄取为非特异性结合或脱靶。因此[11C]BAK4-51不适合作为D3R显像剂[75]。

最近的一篇文献报道的苯并呋喃酰胺类探针[18F]8b,其在苯基哌嗪苯环的间位引入了三氟甲基基团,实验显示具有优良的亲脂性(LogP=2.24),入脑量高(5 min生物分布脑摄取量:1.01%ID),能够快速被纹状体和皮层摄取(5 min生物分布:纹状体摄取量:0.76%ID/g,皮层:0.93%ID/g),PET显示纹状体最高标准摄取值为1.61%,能被BP897抑制39%,显示在纹状体区域有D3R的特异性摄取[76]。

综上,虽然通过配体三维定量构效关系(3D-QSAR)、分子对接等分子动力学研究对D3R配体的结构总结出了一定规律,认为苯基哌嗪系列的配体对D3R有着高亲和力(Ki)高选择性,然而应用到生物体内的真实结果往往并非如此,在细胞结合实验中表现出次纳摩尔亲和力以及高选择性的配体在体内放射自显影和PET显像中的结果却差强人意。因为体内外生理状态有很大差别,如内源多巴胺对受体的占用、受体的密度和活化状态对激动剂配体的影响,体外的细胞结合实验往往模拟不到这些体内环境,因而测得的Ki可能并不反应实际情况。因此,多巴胺D3R探针的筛选要基于多种评价手段,仅根据体外测得的Ki就否定探针的效果似乎不合理,同时PET显像等活体生物评价是筛选过程中不可省略的一部分。PET显像评价中,最好在被试者清醒状态下显像,以避开麻醉刺激下多巴胺增加对探针与D3R结合可能造成的干扰。由于D3R含量少的特点以及种属差异,仅通过大鼠脑PET显像很难获得可观数据,大动物显像或许更适合D3R探针的显像研究。

探针设计时,除D2R外,探针与5-羟色胺(5-HT)受体以及其他多巴胺受体等的结合亲和力要低并尽量避免脑内非特异摄取。探针还应尽量避免成为P糖蛋白的底物,以免药物被泵出脑外。此外,还应考虑血浆蛋白结合、亲脂性、代谢稳定性等药代动力学性质。对于D3R这类脑内含量较少的靶点,放化标记的比活度对显像结果有很大影响,因此自动化模块标记是最佳选择。

图4 苯基哌嗪类示踪剂Fig.4 Chemical structure of phenylpiperazines tracers

4 总结

在过去的几十年里,关于开发靶向D3R的放射性分子探针的研究络绎不绝。四氢吡咯类非选择性D2/D3R探针[18F]fallypride、[11C]fallypride、[11C]raclopride已广泛应用于人体PET显像研究。具有D3R偏好性的氨基四氢萘类D3R/D2R探针[11C]-(±)-PHNO使得与D3R相关的药理学研究向前迈出了一大步。苯基哌嗪类高选择性D3R探针[18F]FTP的出现更是为特异性D3R探针的发展带来希望。

可惜的是,目前并没有高选择性的D3R放射性示踪剂被用于临床。主要原因在于,D3R与D2R在跨膜结合域有高达80%的同源性[16],这对开发高选择性D3R探针有相当大的难度。D3R数量少(约为D2R的1%)以及D3R与内源多巴胺的结合能力强[77],都对探针的亲和力提出了相当高的要求。

毋庸置疑,D3R与PD病、精神分裂、成瘾等神经精神性疾病有着紧密联系,开发高选择性高亲和力的D3R PET分子探针虽然道路坎坷但不可或缺,期待未来会得到答案。