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研究概述
谷氨酰胺环化酶QCs是一种锌依赖性基质金属蛋白酶，在体内主要负责催化蛋白或多肽N端谷氨酰胺或谷氨酸环化形成焦谷氨酸（pGlu），其在AD的核心病理β淀粉样蛋白（Aβ）中起到重要作用，是该疾病药物研发的重要靶点。QCs包括两种同工酶，分别是分布在神经元胞外空间的分泌型QC（secretory glutaminyl cyclase, sQC, 别名QPCT）和表达在细胞内高尔基体的Golgi-resident glutaminyl cyclase (gQC，别名QPCTL)。在AD脑内， sQC能够催化Aβ3-40/42生成细胞毒性更强的焦谷氨酸化Aβ（pE-Aβ）；其中，pE-Aβ3(pE)-42疏水性高、易聚集，还会启动AD病理级联反应，加剧神经损伤。gQC也可通过修饰脑内趋化因子引发神经炎症，间接推动AD进展。开发QCs抑制剂一直是AD疾病修饰疗法的重要方向。然而，诸如PQ912等候选药物临床进展受限，且缺乏能在脑内实时监测QCs的工具。因此，研究团队开发了[18F]SEN177（[18F]8）和[18F]QP5020（[18F]9）两种三唑类靶向PET探针，旨在为阐明QCs介导的AD病理及监测QCs抑制剂治疗响应提供新的工具。
本研究成功研发了两种靶向脑内谷氨酰胺环化酶（QCs）的新型三唑类PET分子探针。研究首次通过体外放射自显影技术直观揭示了正常老鼠（大鼠和小鼠）与阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）模型小鼠脑中QCs的分布差异，并发现其与AD重要生物靶标amyloid-β（Aβ）斑块密切相关，为理解AD病理机制及推进QCs靶向诊疗研究奠定了重要基础。
图 1、已经报道的QCs抑制剂/相应PET探针，以及本研究开发的PET探针化学结构。
相关研究以“Development of triazole-based positron emission tomography ligands targeting glutaminyl cyclases (QCs) in the brain”为题，发表在《European Journal of Medicinal Chemistry》。北京师范大学化学院付化龙博士、中国人民解放军总医院张锦明教授、中国科学院上海药物研究所徐石林教授为其共同通讯作者。
图文内容
通过芳香亲核取代反应高效制备了[18F]8和[18F]9，放射化学产率分别为46.1%和37.8%。这两个探针在大鼠脑部的结合分布具有区域特异性：[18F]8的放射性信号主要集中于中脑、小脑、丘脑和延髓等区域；相比之下，[18F]9则表现出更广泛且均匀的脑区分布。这种分布差异可能与两者的脂溶性和亲和力差别有关。此外，抑制实验证明，[18F]8和[18F]9的信号就能被有效抑制，证明两者对大鼠脑部的QCs具有较高的结合特异性。
[18F]9在AD模型小鼠的大脑皮层、中脑及丘脑等区域结合信号较强，明显高于同龄野生型对照组小鼠。此外，与Aβ斑块荧光染色对比发现， [18F]9的高摄取区域与密集分布的致密核心型Aβ斑块（图中以白色箭头标示）在空间上高度重合。这表明[18F]9的结合信号增强不仅反映了QCs在AD病理脑区中的活性上调，同时提示其与Aβ沉积病理过程存在密切关联。
目标化合物SEN177和QP5020的化学合成 试剂和条件。 (a) 草酰氯，二氯甲烷（DCM），DMF，室温（rt），4小时；(b) 4-甲基硫代氨基脲，吡啶，室温，12小时；(c) 氢氧化钠水溶液（0.5 M），100 °C，4小时，三步总收率49.4%；(d) 30% H2O2，乙酸，室温，18小时，收率86.9%；(e) 盐酸（6 M），100 °C，6小时；(f) 碳酸铯，DMF，120 °C，18小时，6和7的两步总收率分别为28.2%和15.7%；(g) (6-氟吡啶-3-基)硼酸，碳酸铯，Pd(dppf)Cl2，THF/H2O（体积比9/1），100 °C，氮气保护，20小时，8和9的收率分别为75.6%和46.9%。
(A) 前体10和11的合成路线及PET配体[18F]8和[18F]9的放射性合成。试剂和条件：(a) K2CO3, Pd(dppf)Cl2, 二氧六环/H2O (v/v, 9/1)，110 °C，N2，48小时，产率22.0%；(b) K2CO3, Pd(pph3)4, 甲苯/H2O (v/v, 10/1)，80 °C，N2，48小时，产率2.4%；(c) [18F]F−, Kryptofix 2.2.2, K2CO3, DMF，120 °C，15分钟。HPLC色谱图（与未标记的8和9共注射）如图所示（完整的色谱图见支持信息SI中的图S3）。(B) 通过HPLC分析评估[18F]8和[18F]9在小鼠血浆中的体外稳定性，分别在孵育60和100分钟后进行。HPLC条件：对于[18F]8使用Dr. Maisch GmbH C18反相柱（5 μm, 10 × 250 mm），对于[18F]9使用Venusil MP C18柱（10 μm, 10 × 250 mm, Agela Technologies）；流速=4 mL/min；洗脱液：对于[18F]8为CH3CN/0.05 M醋酸铵水溶液（35%/65%），对于[18F]9为CH3CN/H2O（46%/54%）。
体外正常大鼠脑切片中的ARG。(A) 基线结合（左图）、自身阻断（中图）和竞争性阻断条件（右图）下[18F]8和[18F]9（370 kBq/mL）的自显影图，使用未标记的8和9（10 μM）进行阻断。(B) 在选定的脑区中对各实验组的区域特异性放射活性进行定量分析（n=2-3）。CB，小脑；Cx，皮层；M，延髓；MB，中脑；HIP，海马；HY，下丘脑；OLF，嗅球；STR，纹状体；TH，丘脑。星号表示统计学显著性：p∗∗ <0.01 对照组；数据通过双尾非配对学生t检验分析。
体外ARG和荧光染色在Tg (APP/PS1)和年龄匹配的WT (C57BL/6J)小鼠脑切片中的应用。(A) 基线、自身阻断（未标记的9，10 μM）和竞争性阻断（未标记的8，10 μM）条件下[18F]9 (370 kBq/mL)的自显影图像。使用DANIR 3b (0.5 μM)进行荧光染色，在同一脑切片中突出显示致密核心Aβ斑块（白色箭头）。(B) WT小鼠脑切片相应的体外ARG和荧光染色结果。比例尺：200 μm。
ICR小鼠在不同时间点（2、10、30和60分钟）对应生存间隔内[18F]8 (A) 和 [18F]9 (B) 的脑、血和骨摄取（n=4）。
PET/CT 图像（汇总 0-10 分钟和 50-60 分钟）和时间-活性曲线（TACs，n=2-3）。(A) Tg (APP/PS1) 小鼠在基线条件下 [18F]8 的代表性 PET/CT 图像（上图，n=3），WT (C57BL/6J) 小鼠（中图，n=3），以及预处理未标记的 9（2 mg/kg，下图，n=2）的 Tg 小鼠。(B) 每个实验组的全脑 TACs。
结论
本研究成功开发了两种具有较高亲和力的QCs靶向PET探针，并首次在AD模型脑切片中实现了QCs分布的可视化，揭示了其与Aβ病理的密切关联。尽管体外实验效果较好，但初步的生物学分布研究显示，两种探针的脑摄取较低，这限制了其用于活体PET成像的效果。优化探针的理化性质以提高脑摄取，以及提高探针对sQC和gQC的结合选择性是未来相关PET探针研发的重要方向。
文献信息
标题：Development of triazole-based positron emission tomography ligands targeting glutaminyl cyclases (QCs) in the brain
作者：Wanqing Li、Xiaojun Zhang、Lei Yu、Donglan Huang、Xuan Di、Xiaoyu Du、Kaixiang Zhou、Ping Wang、Shilin Xu、Jinming Zhang、Mengchao Cui、Hualong Fu
期 刊：European Journal of Medicinal Chemistry 299 (2025) 118060
DOI: 10.1016/j.ejmech.2025.118060
https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2025.118060
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