用于AD早期诊断的近红外Aβ斑块荧光分子探针及对应放射性核素标记探针的研究

Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia characterized by symptoms such as progressive loss of memory and other cognitive functions. However, the clinical diagnosis of this disease is often difficult and unreliable. A definitive diagnosis of AD can only be established by demonstrating the presence of abundant Aβ plaques in the postmortem brain. Currently,our country is stepping into the aging society rapidly.There is an arduous task for the prevention and treatment of AD, thus the early detection of AD is more important than ever. In this project, we will design and synthesis a novel series of near-infrared imaging probes with push-pull moiety, and evaluate these probes by in vitro fluorescent staining, in vitro binding assays using Aβ(1-42) aggregates, in vivo biodistribution in normal mice and in vivo optical imaging using APP/PS1 transgenic mice.The aim of this project is to screen out novel near-infrared probes with high binding affinity and selectivity to Aβ plaques, and apply them to the early and non-invasive diagnosis of AD using optical imaging method. In addition, these near-infrared probes can be easily labeled by 11C or 18F, and be develop to positron emission tomography (PET) tracers for Aβ plaques.

阿尔茨海默症(Alzheimer's Disease，AD)是老年痴呆的一种最常见形式，已成为继肿瘤、心脏病和中风之后，严重威胁老年人身心健康的主要疾病之一，而AD只能通过病人死后尸检脑内的Aβ斑块来确诊。目前，我国正在快速步入老龄化社会，AD的防治工作任务艰巨，研究AD的早期诊断方法具有极其重要的意义。因此，本课题将以脑内Aβ斑块为靶点，设计并制备一系列具有推-拉电子结构的近红外荧光探针，通过荧光染色实验、体外竞争结合实验、正常小鼠体内分布实验、AD转基因小鼠活体荧光显像实验等多种方法对它们进行全面的生物学评价，筛选出与Aβ斑块具有高亲和性和选择性的近红外Aβ斑块荧光分子探针，通过光学成像的方法实现早期、无创伤的准确诊断AD。同时，这些荧光探针可以方便地进行11C或18F标记，开发成用于PET显像的Aβ斑块显像剂。

本课题的主要目的是以脑内Aβ斑块为靶点，设计并制备一系列具有推-拉电子结构的近红外荧光探针，通过多种方法对它们进行全面的生物学评价，筛选出与Aβ斑块具有高亲和性和选择性的近红外荧光分子探针，通过光学成像的方法实现早期、无创伤的准确诊断AD。根据研究计划，我们完成了以下三方面研究：（1）我们首先设计、制备并评价了一系列基于D-π-A模式的含有苯环的近红外分子探针，Acceptor基团主要包括丙二腈、巴比妥酸、氰基乙酸甲酯、丙二酸二甲酯、米氏酸和达米酮。其中化合物DANIR-2c的荧光发射波长大于650 nm且其与Aβ1-42聚集体的亲和力很高(Kd = 27 nM)，可以迅速透过血脑屏障且具有快速的脑清除，能够在近红外活体荧光成像中明显的区分AD转基因小鼠与正常对照小鼠，符合近红外荧光分子探针的要求，与其他已报道的近红外荧光分子探针相比具有明显的优势。（2）为了提高上述含有苯环的近红外分子探针的荧光量子产率，我们将苯环换为具有更大共轭结构的萘环，设计合成了一系列萘基丙二腈类化合物；为了进行18F标记，实现PET与近红外光学双模态显像，我们还制备并评价了侧链含有氟乙基的化合物。其中带有二甲氨基推电子基团的化合物表现出了更高量子产率(DANIR-3b：Φ = 30%)、更长的荧光发射波长(DANIR-3c：EM = 780 nm)、结合Aβ蛋白后更大的荧光性质改变(DANIR-3b：荧光增强达到716倍)以及更高的亲和力(Kd < 10 nM)。活体荧光显像结果表明，其中两个化合物DANIR-3b和3c可以迅速透过血脑屏障且具有快速的脑清除，能够明显的区分AD小鼠与正常对照小鼠。总的来说，该类萘基丙二腈类化合物相比苯基丙二腈类化合物具有更加优良的性质。（3）在开发近红外Aβ斑块分子探针的同时，我们还开展了放射性核素标记Aβ斑块分子探针的研究，涉及18F、99mTc、125I和11C四种放射性同位素。我们突破Aβ斑块分子探针必须具有平面共轭刚性结构的传统认知，创造性的设计并制备了一类具有非平面非共轭柔性结构的二苯基苄基醚化合物，并对他们进行了125I标记。研究表明，它们也能够与Aβ斑块特异性结合，并表现出优良的生物性质。其中[125I]4无论在亲和力、稳定性和脑清除速率上都优于进入临床试验的[125I]IMPY, 具有成为用于临床SPECT显像的Aβ斑块显像剂的潜力。