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根据受体的功能、结构和信号转导等特性,目前公认将5-HT受体分为7种类型(5-HT1、5-HT2、5-HT3、5-HT4、5-HT5、5-HT6、5-HT7),其中,cDNA序列分析中已经发现脑内存在5-HT5、5-HT6 mRNA,但受体蛋白尚未确定;每种类型又分不同的亚型,目前已经成功克隆出了14种亚型(表 1)。7种类型中,5-HT3为Na+/K+离子通道型受体,通过开放非选择性阳离子通道,使Na+/K+自由进出,加速神经元去极化;其余6种均为G蛋白耦联受体,其中,5-HT1、5-HT5受体耦联的主要为Gi/o蛋白,其功能是降低神经兴奋性;5-HT2受体耦联Gq/11蛋白,而5-HT4、5-HT6、5-HT7受体耦联Gs蛋白,均引起去极化,导致神经兴奋。
受体 亚型 生物等分布 耦联蛋白/离子通道 膜效应 5-HT1 5-HT1A 海马;背缝神经核;齿状回;隔核;脊髓 Gi/o 超极化突触后抑制 5-HT1B 黑质;基底节;纹状体;扣带回 Gi/o 5-HT神经元自身受体 5-HT1D 基底节;扣带回 Gi/o 5-HT1E 纹状体;杏仁核;额叶皮质 5-HT1F 5-HT2 5-HT2A 新皮层;嗅结节;基底节;屏状核 Gq/11 缓慢去极化 5-HT2B 杏仁核;隔核;下丘脑;小脑 Gq/11 5-HT2C 海马;基底节;下丘脑;脉络丛 Gq/11 缓慢去极化 5-HT3 自主节后神经元;杏仁核;后缘区 Na+/K+ 快速去极化 5-HT4 四叠体神经元;海马 Gs 去极化 5-HT5 5-HT5A 皮质;海马;嗅球;小脑 Gi/o 突触后抑制 5-HT5B 5-HT6 纹状体;边缘区 Gs 去极化 5-HT7 下丘脑;海马;丘脑;边缘区;视交叉上核;延髓;脊髓运动神经元 Gs 去极化 注:表中,5-HT为5-羟色胺;Gi为抑制腺苷酸环化酶的G蛋白;Gg/11为激活细胞膜上的磷脂酶的C的G蛋白;Gs为激活腺苷酸环化酶的G蛋白;Go为其他类型的G蛋白。 表 1 5-HT受体亚型及其概况
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5-HT1受体分为5-HT1A、5-HT1B、5-HT1D、5-HT1E、5-HT1F等5个亚型,在突触前和突触后均有分布,其中,在突触前发挥自身受体作用,突触后则降低神经兴奋性。5-HT1E及5-HT1F受体蛋白尚未确定,缺乏特异性配体,仅发现舒马坦琥珀酸盐可与5-HT1F受体结合,亲和力与5-HT1D受体相似。
人5-HT1A受体是最早克隆成功的5-HT受体,其基因序列相对保守。在5-HT神经元及其投射区域均有该受体分布,以边缘系统最为密集,主要集中在海马、杏仁核、隔核及脑干中缝核群,基底节及丘脑分布较少。中缝核群的5-HT1A受体主要为突触前受体,在端脑则为突触后受体。女性脑部5-HT1A受体的密度高于男性,且与年龄无明显相关性。麦角酰二乙胺和丁螺环酮(buspirone)是5-HT1A受体的部分激动剂,前者具有致幻效应,后者为抗焦虑药物。吲哚洛尔为5-HT1A受体拮抗剂,但对突触前受体也发挥较弱的部分性激动效应。
5-HT1B受体与5-HT1D受体的分布区域类似,但5-HT1D受体密度远不及5-HT1B受体高,并主要集中在苍白球腹侧[4],发挥自身受体作用。舒马坦琥珀酸盐在5-HT1受体激动剂中对5-HT1D受体的选择性较好,用于治疗周期性偏头痛。
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5-HT2受体介导缓慢去极化,目前已发现5-HT2A、5-HT2B、5-HT2C等3种亚型。5-HT2受体呈明显的年龄相关性,与行为和心血管功能调节有关。成瘾药物亚甲二氧甲基苯丙胺对5-HT2受体具有高亲和力。
5-HT2A受体主要司职兴奋效应,并能作为异源受体调节乙酰胆碱、多巴胺、兴奋性氨基酸等递质。麦角酰二乙胺是该受体的激动剂,有致幻效应。MDL100907是该受体的高选择性拮抗剂,其他拮抗剂如氯氮平(clozapine)、利培酮(risperidone)及奥氮平(olanzapine)等,同时也是D2受体拮抗剂,都已用于精神分裂症的治疗。
5-HT2B受体密度较低,缺乏特异性配体,目前了解甚少。
5-HT2C受体mRNA可受翻译后调节,提示可能存在功能有差异的异构体。属于SSRI的氟西汀对5-HT2C受体有拮抗作用。有学者认为,5-HT2A、5-HT2c受体可以对脑内多巴胺的释放进行一定程度的调节,以此解释一些非典型抗精神疾病药物的作用机制[5-6]。
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5-HT3受体为配体门控离子通道,介导短暂而快速的去极化。该受体主要分布在外周神经系统,脑部极后区、低位脑干、皮质、杏仁核及海马等也有极少量分布,在外周神经系统主要参与痛觉反应和呕吐的发病,因此,恩丹西酮(ondansetron)等5-HT3受体拮抗剂可用于缓解化疗后的呕吐。有学者认为,基底节区的5-HT3受体与该区域的5-HT1A/5-HT1B、5-HT2及5-HT7受体一起调节睡眠与觉醒,使用5-HT1B、5-HT2、5-HT3及5-HT7受体激动剂后可以促进快速动眼睡眠[7]。
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5-HT4受体主要引起神经元兴奋,在中枢神经系统可能与学习和记忆有关;在外周神经系统激活该受体可引起心率加快、胃肠道平滑肌收缩。药物激动5-HT4受体对阿尔兹海默病以及严重抑郁症均有效。
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5-HT5受体有5-HT5A、5-HT5B两种亚型,其分布情况、信号转导机制均与5-HT1A受体极其类似,针对该受体的药物已经用于焦虑症和偏头痛。目前尚未发现5-HT6受体亚型,其与多种三环类抗抑郁药物有极高的亲和力,因此有关5-HT6受体的研究主要集中在药物研发领域。
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5-HT7受体主要兴奋神经元。在视交叉上核也发现了大量5-HT7 mRNA分布,提示该受体可能参与昼夜节律的调节。5-HT7受体基因敲除小鼠表现出类似服用抗抑郁药物后的行为,长期使用抗抑郁药物后,5-HT7受体出现下调,这都提示该受体与情绪调节相关。三环类抗抑郁药物是该受体的拮抗剂。
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除化学性质稳定、利于显像和定量分析外,受体核素显像剂还必须具备以下特点:(1)高度选择性和亲和力;(2)有一定的脂溶性,能通过血脑屏障;(3)具有相对缓慢的清除率,避免放射性代谢产物或本底的干扰。目前,针对5-HT受体的特异性核素显像剂的研究主要集中在5-HT1、5-HT2、5-HT4、5-HT7受体,尤其以5-HT1A受体显像剂最为突出。5-HT受体拮抗剂普遍具有极高的亲和力,因此应用广泛,而5-HT受体激动剂显像也逐渐开始受到关注,以获取更准确的受体功能状态信息。5-HT受体各亚型核素显像剂见表 2。
受体 亚型 激动剂 拮抗剂 核素显像剂 5-HT1 5-HT1A 8-OH-DPAT WAY 100635 11C-WAY100635 8-OH-DPAT Gepirone MDL 73005 11C-DWAY 11C-MPT 5-CT SDZ 216525 11C-CPC222 11C-18F-S14506 Buspirone spiperone 18F-FCWAY 11C-CUMI-101 flesinoxan 18F-MeWAY 11C-NAD299 11C-(R)RWAY 18F-F15599 18F-MPPF 18F-DMPPF 99Tcm-BicineHYN IC/MPP2 5-HT1B CP 93129 SDZ 21-009 11C-AZ10419369 RU 24969 SB 224289 SB-616234-A 5-CT 11C-P943 5-HT1D Sumatriptan CR 127935 L 694247 BRL 15572 5-HT1E 5-HT1F LY334370 5-HT2 5-HT2A α-甲基-5-HT 酮色体 18F-setoperone 18F-altanserin CP 94253 MDL 100907 11C-MDL100907 DOI LY 53857 11C-NNC112 RU 24909 (R)-18F-MH.MZ 123I-5-I-R91159 5-HT2B α-甲基-5-HT SB204741 BW 723C68 5-HT2C α-甲基-5-HT 美舒麦角 MK 212 SB242084 5-HT3 2-甲基-5-HT Ondansetron phenylbiguanide MDL 72222 5-HT4 BLMU8 GR113808 11C-SB207145 SDZ 216454 SB 204070 SB207710 5-HT5 5-HT5A 5-HT5B 5-HT6 SB 271046 11C-DR4446 5-HT7 SB 258719 8-OH-DPAT 表 2 5-HT受体常用显像剂、拮抗剂和激动剂
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5-HT1D、5-HT1E及5-HT1F受体尚无核素显像剂相关研究报道。
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5-HT1A受体核素显像剂主要分为两大类:①受体拮抗剂WAY100635的结构类似物;②受体激动剂8-OH-DPAT的衍生物。受体激动剂的结合时间短暂,目前成功实现受体PET的多为受体拮抗剂。WAY100635具有高度的亲和力和选择性,对突触前和突触后受体都有拮抗作用。11C-WAY100635代谢产物不能自由通过血脑屏障,显像稳定,PET结果显示,11C-WAY100635增高区域与尸检后应用3H-8-OH-DPAT的放射自显影结果具有良好的相关性,因此11C-WAY100635成为目前最常用的活体5-HT1A受体显像剂[6]。DWAY是WAY100635的一种代谢产物,动物及人体实验均证实,相同放射剂量下,11C-DWAY较11C-WAY100635具有更高的放射性计数[8],然而因合成产率低,标记困难,限制了其临床应用。
进一步研究发现,1-(2-(甲氧基苯基)哌嗪(1-(2-methoxyphenyl)piperazine, MPP)是WAY100635的药效结构团。1994年,Shiue等[9]首先合成了18F-MPPF,其不仅具备11C-WAY100635的优点,还具有脑部结合稳定、清除速率相对较慢、制备简单、生物半衰期长的特点。Passchier等[10]研究了健康人脑部18F-MPPF的分布情况,所示18F-MPPF摄取增高区域与5-HT1A受体在脑内的分布情况基本一致。但作为P-糖蛋白底物,18F-MPPF静脉注射后到达脑部的剂量仅为注射剂量的0.05%;细胞外5-HT浓度、P-糖蛋白的表达和5-HT1A受体的活性都会影响脑部的摄取。Defraiteur等[11]合成了去甲基的18F-DMPPF,小鼠活体PET提示,静脉注射后15 min,脑部摄取剂量为注射剂量的0.31%,并具有清除速率慢的优点。
目前报道的、由99Tcm标记的5-HT1A受体显像剂主要采用“3+1”或“4+1”方案制备混配配合物,大多在体外实验中获得了成功,然而体内研究时却出现了脑部摄取低、特异性差的问题,且这类显像剂的制备和纯化均较复杂,不利于推广应用。新近,张现忠等[12]合成了99Tcm-Bicine HYNIC/MPP2,在小鼠研究中获得了满意的数据,有望实现5-HT1A受体的SPECT。
受体拮抗剂对受体具有极高的亲和力,结合后不产生生物学效应,因此,拮抗剂显像可以提供受体的数量和亲和力信息,但无法区分不同功能状态受体亲和力的高低。受体激动剂仅与高亲和力的受体结合,对内源性神经递质敏感,故能更好地反映受体功能状态。受体激动剂显像可用于测量高亲和力与低亲和力受体比值,分析G-蛋白耦联受体上调和下调的情况。5-HT1A受体激动剂8-OH-DPAT早已广泛运用于药理学研究及尸检,但有研究发现其同时也能激动5-HT7受体。罗巴佐坦是亲和力中等的5-HT1A受体激动剂,与内源性5-HT易发生竞争性结合,故11C-罗巴佐坦PET可评价内源性5-HT功能状态[13]。新近研究中的抗抑郁药物F15599也是高选择性和高亲和力的突触后5-HT1A受体激动剂,Lemoine等[14]利用18F-F15599进行小鼠和猫的活体PET,发现摄取增高区域主要集中在基底节和扣带回,海马未见摄取增高,这可能是由于5-HT1A受体耦联的G蛋白不同所致。
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Pierson等[15]合成的11C-AZ10419369在5-HT1B受体活体研究中获得了较为理想的结果,但阻断实验使用的CR127935对5-HT1B及5-HT1D受体缺乏选择性,无法完全论证11C-AZ10419369的结合特异性。最近,Nabulsi等[16]使用拮抗剂11C-P943成功实现了恒河猴脑部5-HT1B受体PET,结果显示,苍白球、枕叶皮层的摄取最高,基底节、丘脑居中,小脑最低,与已知的5-HT1B受体分布一致;受体阻断及饱和性试验均获得满意数据,有望用于人体显像。但该研究的阻断剂同样是CR127935。
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目前,5-HT2A受体显像已经较为成熟,但尚无5-HT2B及5-HT2C受体特异性核素显像的报道。
早期曾使用123I-5-I-R91159进行5-HT2A受体SPECT,但缺乏解剖信息,如在对厌食症患者的研究中,没有考虑到患者相应脑区神经元的缺失及脑部形态的改变,因此,所得图像信息不能准确评价5-HT2A受体的功能状态。18F-阿坦色是5-HT2A受体的高选择性、高亲和力拮抗剂,已成功应用于人体显像。11C-MDL100907显示出与18F-阿坦色相似的优良特性[17]。Debus[18]等合成的(R)-18F-MH.MZ在小动物PET研究中取得了成功。
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目前研究最多的为11C-SB207145,属于5-HT4受体拮抗剂,近期进行的人体PET获得了较为乐观的结果。Marner等[19]使用该显像剂对健康志愿者的研究发现,纹状体摄取率最高,在海马及额叶前部也有少量摄取,并认为摄取率与性别无关,但随年龄呈下降趋势。使用西酞普兰片(可促进内源性5-HT竞争性结合)后,摄取率未出现明显变化,说明该显像剂具有一定的抗干扰能力。近期,XuR等[20]还合成了高亲和力的SB207710,但尚未进行人体研究。
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早在2002年,研究者就合成了11C-DR4446(一种5-HT7拮抗剂),在离体研究和动物实验中取得了理想的结果,但之后未进行人体研究,且近期针对该受体的新PET显像剂研究还未获得成功。5-HT1A受体激动剂8-OH-DPAT可部分性激动5-HT7受体。
5-羟色胺受体显像剂在神经系统疾病及脑功能研究中的应用
Application of 5-hydroxytryptamine receptor imaging for study of neuropsychiatric disorders and brain functions
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摘要: 5-羟色胺(5-HT)受体广泛分布于中枢神经系统,参与精神与情绪、自主神经系统功能、睡眠与觉醒、内分泌活动等的调节,与疼痛、抑郁症、癫等诸多疾病存在广泛而直接的联系。随着5-HT受体核素显像剂的不断开发,利用SPECT、PET对中枢神经系统进行无创性的5-HT受体显像已经广泛开展,并为临床诊断和治疗上述疾病提供了独一无二的活体功能信息;在药物研发和疗效评估方面也具有无可替代的价值;此外,此方法还为脑功能的研究提供了全新的手段。该文主要就中枢神经系统5-HT受体的生物学特性、放射性核素显像剂及其临床研究进展进行阐述。Abstract: In the central nervous system, the widely distributed 5-hydroxytryptamine(5-HT)receptors are involved in regulating a large number of psychological and physiological functions, including mood, sleep, endocrine and autonomic nervous system. Abnormal 5-HT transmission has been implicated in a variety of neuropsychiatric disorders, such as pain, depression and epilepsy. With the development of radioligands, non-invasive nuclear imaging technique with exquisite sensitivity and specificity has been applied for delineation of neurotransmitter function in vivo. It does great benefit for researches of these diseases and development of drugs. This review provided an overview of 5-HT receptors radioligands and recent findings.
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Key words:
- Receptors, serotonin /
- Central nervous system /
- Radionuclide imaging /
- Receptor imaging
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表 1 5-HT受体亚型及其概况
受体 亚型 生物等分布 耦联蛋白/离子通道 膜效应 5-HT1 5-HT1A 海马;背缝神经核;齿状回;隔核;脊髓 Gi/o 超极化突触后抑制 5-HT1B 黑质;基底节;纹状体;扣带回 Gi/o 5-HT神经元自身受体 5-HT1D 基底节;扣带回 Gi/o 5-HT1E 纹状体;杏仁核;额叶皮质 5-HT1F 5-HT2 5-HT2A 新皮层;嗅结节;基底节;屏状核 Gq/11 缓慢去极化 5-HT2B 杏仁核;隔核;下丘脑;小脑 Gq/11 5-HT2C 海马;基底节;下丘脑;脉络丛 Gq/11 缓慢去极化 5-HT3 自主节后神经元;杏仁核;后缘区 Na+/K+ 快速去极化 5-HT4 四叠体神经元;海马 Gs 去极化 5-HT5 5-HT5A 皮质;海马;嗅球;小脑 Gi/o 突触后抑制 5-HT5B 5-HT6 纹状体;边缘区 Gs 去极化 5-HT7 下丘脑;海马;丘脑;边缘区;视交叉上核;延髓;脊髓运动神经元 Gs 去极化 注:表中,5-HT为5-羟色胺;Gi为抑制腺苷酸环化酶的G蛋白;Gg/11为激活细胞膜上的磷脂酶的C的G蛋白;Gs为激活腺苷酸环化酶的G蛋白;Go为其他类型的G蛋白。 表 2 5-HT受体常用显像剂、拮抗剂和激动剂
受体 亚型 激动剂 拮抗剂 核素显像剂 5-HT1 5-HT1A 8-OH-DPAT WAY 100635 11C-WAY100635 8-OH-DPAT Gepirone MDL 73005 11C-DWAY 11C-MPT 5-CT SDZ 216525 11C-CPC222 11C-18F-S14506 Buspirone spiperone 18F-FCWAY 11C-CUMI-101 flesinoxan 18F-MeWAY 11C-NAD299 11C-(R)RWAY 18F-F15599 18F-MPPF 18F-DMPPF 99Tcm-BicineHYN IC/MPP2 5-HT1B CP 93129 SDZ 21-009 11C-AZ10419369 RU 24969 SB 224289 SB-616234-A 5-CT 11C-P943 5-HT1D Sumatriptan CR 127935 L 694247 BRL 15572 5-HT1E 5-HT1F LY334370 5-HT2 5-HT2A α-甲基-5-HT 酮色体 18F-setoperone 18F-altanserin CP 94253 MDL 100907 11C-MDL100907 DOI LY 53857 11C-NNC112 RU 24909 (R)-18F-MH.MZ 123I-5-I-R91159 5-HT2B α-甲基-5-HT SB204741 BW 723C68 5-HT2C α-甲基-5-HT 美舒麦角 MK 212 SB242084 5-HT3 2-甲基-5-HT Ondansetron phenylbiguanide MDL 72222 5-HT4 BLMU8 GR113808 11C-SB207145 SDZ 216454 SB 204070 SB207710 5-HT5 5-HT5A 5-HT5B 5-HT6 SB 271046 11C-DR4446 5-HT7 SB 258719 8-OH-DPAT -
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