基于结构的tau蛋白PET示踪剂[11C]Z-3272的优化结合与体内评价：面向非阿尔茨海默病tau蛋白病的分子探针开发

《Canadian Journal of Chemistry》：Structure-based optimization and binding assays for discovery of tau PET radiotracers: synthesis and in vivo evaluation of [11C]Z-3272

本研究针对非AD tau蛋白病缺乏特异性PET成像探针的难题，通过计算结构优化与结合实验发现了新型4R-tau结合配体Z-3272。研究团队成功合成[11C]Z-3272并开展体外结合实验（PSP/CBD/AD脑组织Kd值1.2-2.7 nmol/L）及大鼠PET成像，证实其高脑摄取（峰值SUV>2.3）但存在酯酶介导的快速代谢问题。该研究为开发选择性4R-tau示踪剂提供了新支架，对PSP/CBD等tau蛋白病的早期诊断具有重要意义。

　　

在大脑的微观世界里，tau蛋白如同神经细胞的骨架维护工，但当它错误折叠并堆积成纤维状聚集体时，就会引发一系列被称为“tau蛋白病”的神经退行性疾病。阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）作为其中最广为人知的一种，其tau病理特征为3重复（3R）和4重复（4R）tau蛋白的混合沉积。然而，还有一类以纯4R-tau沉积为特征的疾病，如进行性核上性麻痹（Progressive Supranuclear Palsy, PSP）和皮质基底节变性（Corticobasal Degeneration, CBD），它们在诊断和监测方面面临更大挑战。目前美国FDA唯一批准的tau PET显像剂[¹⁸F]Tauvid?对AD中的混合型tau有较好显示，但对PSP、CBD等非AD tau蛋白病中的4R-tau特异性不足，存在信号交叉干扰问题。开发能够精准识别4R-tau的分子探针，成为神经影像领域迫在眉睫的课题。

近日发表于《Canadian Journal of Chemistry》的研究论文，报道了通过计算结构优化发现的新型化合物Z-3272及其碳-11标记探针[¹¹C]Z-3272的研发历程。该研究由Faustine d'Orchymont、Junchao Tong等多国学者合作完成，旨在为非AD tau蛋白病提供高亲和力、高选择性的PET成像工具。

研究团队运用计算化学与实验验证相结合的策略，主要关键技术包括：1）基于已知4R-tau配体CBD-2115的二维结构，通过Small world数据库进行相似性搜索和结构优化；2）采用放射性配体结合实验（使用[³H]标记化合物）在PSP、CBD和AD尸脑组织匀浆中测定结合亲和力（K_d）和抑制常数（K_i）；3）通过¹¹C-甲基化反应自动化合成放射性探针；4）在大鼠模型中进行动态PET-CT/MR成像和放射代谢物分析。所用尸脑组织样本来源于美国匹兹堡大学和加州大学旧金山分校脑库。

3.1. 结构优化与放射性配体结合实验

通过以CBD-2115为原型的迭代优化，研究人员从16亿个可合成分子中筛选出7个候选物。其中Z-3272（甲基-1-(5-(7-羟基萘-2-基)吡啶-2-基)哌啶-4-羧酸酯）表现出最优结合特性。在针对[³H]Z-2340位点的竞争结合实验中，Z-3272对PSP、CBD和AD组织的K_i值分别为9.6 nM、11 nM和10 nM，显示其泛tau结合特性。进一步的同源结合实验表明，[³H]Z-3272本身与tau聚集体具有纳摩尔级高亲和力（PSP的K_d=2.7±0.9 nM，CBD的K_d=1.7±0.1 nM，AD的K_d=1.2±0.1 nM）。竞争实验证实Z-3272与Z-2340、OXD-2314结合于tau蛋白的相同位点。

3.2. ¹¹C-放射性标记Z-3272

采用[¹¹C]CH₃I与羧酸前体在DMF中反应的策略，[¹¹C]Z-3272在35分钟内合成完成。最终产品放射化学纯度>95%，未校正产率4±1%，摩尔活性达149.0±55.5 GBq/μmol，符合PET成像要求。

3.3. [¹¹C]Z-3272在啮齿类动物中的PET成像

大鼠体内实验显示，[¹¹C]Z-3272注射后脑内放射性迅速达到峰值（SUV>2.3），10分钟内快速下降至1.1 SUV，随后缓慢洗脱。然而代谢分析揭示了一个关键问题：注射后5分钟，血浆和脑匀浆中已检测不到原形药物，所有放射性均来自一个极性代谢物，推测为酯键水解产生的[¹¹C]甲醇。这表明Z-3272的甲基酯结构易被体内酯酶快速降解。

4. 结论

本研究成功通过结构优化获得了具有高tau结合亲和力的先导化合物Z-3272，并证实其碳-11标记物可用于PET成像。尽管[¹¹C]Z-3272在体外表现出优异特性，但其体内快速代谢问题限制了直接应用。该研究的重要意义在于：1）验证了计算结构优化策略在发现tau配体中的有效性；2）明确了Z-3272支架作为4R-tau探针开发起点的潜力；3）揭示了酯键代谢稳定性是后续优化关键方向。研究团队指出，通过将甲基酯替换为生物电子等排体（bioisosteres）来改善代谢稳定性，将是下一代衍生物开发的重点。这项工作为开发能够区分不同tau蛋白亚型的特异性诊断工具奠定了坚实基础，对推进神经退行性疾病的精准诊疗具有重要价值。