¹⁸F-AV-1451에 기반한 알츠하이머병의 하이브리드 PET/MRI 영상

이 프로토콜은 ¹⁸F-AV-1451 PET/MRI를 사용하여 타우 병리학 및 신경 퇴행을 밝히고, 신경과 전문의가 알츠하이머병을 진단하고, 중증도를 평가하고, 알츠하이머병의 진행 및 기저 병리학적 메커니즘에 대한 통찰력을 얻는 데 도움을 주는 방법을 설명합니다.

알츠하이머병(Alzheimer's disease, AD)은 인지 기능 장애, 일상 생활 능력 저하, 행동 변화를 특징으로 하는 진행성 및 비가역적 신경 퇴행성 질환으로, 전 세계적으로 상당한 경제적, 사회적 부담을 초래합니다. 알츠하이머병의 주요 병리학적 특징 중 하나는 과인산화된 타우 단백질에 의해 형성된 신경섬유다발이 축적되는 것입니다. 양전자 방출 단층촬영/자기공명영상(PET/MRI)은 특정 단백질 분포와 함께 상세한 구조 및 기능 정보를 제공하여 알츠하이머병 진단 및 연구를 위한 점점 더 가치 있는 도구로 자리매김하고 있습니다. ¹⁸분F-AV-1451은 뇌 조직의 PET 이미징에서 타우 단백질 검출을 위해 특별히 설계된 방사성 추적자입니다. 이 연구는 ¹⁸F-AV-1451의 방사선 합성, 환자 준비, PET/MRI 이미지 획득 기술 및 AD 평가에서의 잠재적 응용을 위한 자세한 프로토콜을 제시합니다. ¹⁸분F-AV-1451 PET/MRI는 신경과 전문의가 알츠하이머병을 진단하고, 질병의 중증도를 평가하고, 병리학적 메커니즘에 대한 통찰력을 얻는 데 도움이 될 수 있습니다. 결론적으로, 이 프로토콜은 알츠하이머병 평가를 위한 민감하고 포괄적이며 비침습적인 접근 방식을 제공하여 질병 진행 및 병리학에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.

알츠하이머병(Alzheimer's disease, AD)은 진행성이며 돌이킬 수 없는 신경퇴행성 질환입니다. 환자는 일반적으로 인지 기능 장애, 일상 생활 능력의 저하 및 행동 변화를 경험합니다. 전 세계적으로 인구 고령화가 가속화됨에 따라 알츠하이머병은 주요 공중 보건 문제가 되었습니다. 현재 전 세계적으로 5천만 명 이상의 사람들이 알츠하이머병을 앓고 있습니다. 2050년까지 치매 유병률은 전 세계적으로 3배 증가할 것으로 예상됩니다¹. 65세 이상 개인의 약 10.8%가 알츠하이머성 치매를 앓고 있습니다. 알츠하이머병의 유병률은 65세에서 74세 사이의 개인에서 약 5%이며, 85세 이상에서는 33.3%로 증가하여 노인의 주요 사망 원인 중 하나가 되고 있다². 일단 환자가 알츠하이머병에 걸리면 가족에게 상당한 부담이 됩니다³. 서서히 발병하기 때문에 환자는 진단 후 최적의 치료 기간을 놓치는 경우가 많습니다. 조기에 발견하는 것은 전 세계적인 과제로 남아 있습니다⁴, 정확한 병인은 아직 완전히 이해되지 않았기 때문입니다 ^5,6. 알츠하이머병에 영향을 미치는 복잡한 병인과 경로를 감안할 때, 보다 정확하고 조기에 진단하는 전략이 시급히 필요합니다.

컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 자기 공명 영상(MRI)과 같은 기존 영상 방법은 인지 장애에 기여할 수 있는 뇌의 위축 또는 기타 구조적 변화를 관찰하는 데 사용됩니다. 특히 MRI는 CT보다 연조직 대비가 우수하고 환자를 전리 방사선에 노출시키지 않으면서 종양 생물학 정보를 제공하기 때문에 대부분의 신경 질환에서 선호되는 영상 기법이다⁶. MRI는 상세한 거시적 해부학적 정보를 제공할 뿐만 아니라 기능적 뇌 활동을 관찰하는 데 사용할 수 있는 혈중 산소 수준 의존적 기능적 자기 공명 영상(BOLD fMRI)과 같은 다양한 기능적 영상 방법을 포함하는 강력한 영상 기술입니다⁶. 양전자 방출 단층촬영(PET)은 인간 뇌의 생물학적 과정에 대한 광범위한 반정량 분석을 가능하게 하는 비침습적 분자 이미징 방법입니다. 다양한 PET 추적자를 사용하면 해부학적 MRI 이미지를 보완하는 추가적인 생리학적 정보를 제공할 수 있기 때문에 하이브리드 PET/MRI는 AD 진단을 위한 다른 영상 기법7에 비해 이점을 제공할 수 있다 ^8,9.

타우 단백질의 과인산화에 의해 형성된 신경섬유다발은 알츠하이머병의 병리학적 특징 중 하나로, 신경퇴행의 발병 및 공간적, 시간적으로 임상적 증상의 발현과 밀접한 관련이 있다⁶. 타우 단백질은 생체 내에서 가장 풍부한 미세소관 관련 단백질이며 말초 신경계와 중추 신경계 모두에 널리 퍼져 있습니다. 타우의 병리학적 진행은 인지 장애의 정도와 밀접한 관련이 있으며, 알츠하이머병 환자의 치료 대상이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다⁷. 특정 뇌 영역에서 타우 단백질 침착을 비침습적으로 검출하는 것은 질병의 조기 예측 및 진단에 유용합니다. 타우 방사성 추적자를 사용하면 뇌에 축적된 타우 단백질의 시각화 및 국소화가 가능하여 시기적절하고 정확한 감별 진단을 제공할 뿐만 아니라 질병 진행 추적 및 실험적 임상 치료 평가에 귀중한 지원을 제공할 수 있습니다 ^8,9.

여러 연구에서 특정 단백질의 변화와 기능적 또는 형태학적 MRI 소견 사이의 관계를 입증했습니다^10,11. 그러나 아밀로이드/타우 영상과 기능적 MRI¹²를 사용한 결합 분석에 대한 보고는 제한적이다. 새로운 분자 진단 약물인 ¹⁸F-AV-1451 (7-(6-[¹⁸F]플루오로피리딘-3yl)-5H-피리도[4,3-b]인돌)은 PET 영상 뇌 조직에서 타우 단백질 검출을 위한 방사선 진단제로 사용되었습니다. 타우 PET 이미징에 대한 연구는 아직 개발 단계에 있으며, 현재 평가된 추적자는 ¹⁸F-T807 (¹⁸F-AV-1451), ¹⁸F-T808 (¹⁸F-AV-680)¹³, ¹¹C-PBB3¹⁴, ¹⁸F-THK-5117¹⁵, ¹⁸F-THK-523¹⁶ 및 ¹⁸F-THK-5105^17,18 등입니다. ¹⁸분F-AV-1451은 상업적으로 개발되었으며¹⁹AD²⁰, 진행성 핵상마비²¹ 및 루이소체 치매 환자에게 사용되는 것으로 보고되었다²². ¹⁸F-AV-1451의 방사 합성 공정은 최종 제품이 임상 영상 연구의 투여 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 복잡한 정제 단계를 필요로 합니다²³. PET 이미징 기술에서 ¹⁸F-표지 방사성 추적자의 적용이 증가함에 따라 새로운 ¹⁸F 표지 방사성 추적자의 합성 및 개발에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 본 연구는 알츠하이머병 환자의 진단을 위한 보다 상세한 정보를 제공하는 것을 목표로 하는 타우 PET/MRI 영상 방법을 제시합니다.

이 연구는 지역 의료 윤리 위원회의 승인을 받았으며 모든 피험자는 참여 전에 서면 동의서를 제공했습니다. 모든 연구는 헬싱키 선언의 원칙에 따라 수행되었습니다. 모든 피험자는 영상 촬영 전후 3개월 이내에 의료 전문가에 의해 신경학적 및 신경심리학적 평가를 받았습니다. 환자는 미국 국립노화알츠하이머병협회(National Institute on Aging-Alzheimer's Disease Association, NINCDS-ADRDA)의 기준²⁴ 및 미국 국립노화-알츠하이머병 협회(National Institute on Aging-Alzheimer's Association, NAA)의 기준²⁵에 따라 포함되었다. 사용된 시약 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나열되어 있습니다.

1. ¹⁸F-AV-1451 합성

알림: 작업 중에는 생물학적 및 방사선 직업 보호 원칙과 의료 및 방사성 폐기물 처리 원칙을 따르십시오.

1. 합성 디테일
   1. 입자 가속기를 사용하여 ¹⁸O(p, n)¹⁸F 핵반응을 사용하여 2.5mL의 [¹⁸F] 불화물을 합성하고 최대 45μA의 적분 전류에서 양성자를 40분 동안 폭격합니다. 헬륨 가스 과압에 의해 촉진되는 이송 파이프라인을 통해 자동화된 합성 모듈에 [¹⁸F] 불화물을 추가합니다. 그림 1에 표시된 순서대로 합성 모듈을 작동하십시오.
   2. 회수 용기에 ^18O의 물을 유지하면서 이온 교환 컬럼(1mL의 에탄올과 2mL의 물로 사전 활성화)에 불소[ ^18F]를 트랩합니다.
   3. No.1 용기(그림 1)의 탄산칼륨 용액이 지정된 밸브와 이온 교환 컬럼을 통해 흐르도록 하여 [^18F] 불소와 교환한 다음 반응 용기로 용리합니다. 다른 용기의 용액에 대해서는 표 1을 참조하십시오.
   4. [¹⁸F] 불소와 크립톤 기반 상 전달 촉매를 반응 용기의 No.2 용기에 미리 로드하여 용해시킵니다.
   5. 지정된 밸브를 엽니다. 반응 혼합물을 85°C에서 8분 동안 질소 분사 하에서 진공 증류한 다음 110°C에서 4분 동안 질소를 분사하여 잔류 수분을 제거합니다.
   6. No.3 vessel의 precursor를 No.12 vessel에 넣고 130°C에서 10분간 가열합니다. ¹⁸F-AV-1451의 방사 합성은 그림 2에 나와 있습니다.
   7. 반응 혼합물을 50°C로 냉각한 다음 지정된 밸브를 열어 대기압을 복원합니다.
   8. No.5 및 No.6 용기에서 공급된 3mL HPLC 이동상(25% 에탄올 수용액, pH 2.0으로 조정됨)을 사용하여 반응 혼합물을 No.14 용기로 플러시합니다. 헬륨 압력 하에서 혼합물이 HPLC 루프로 유입될 수 있도록 지정된 밸브를 엽니다.
      1. HPLC 반분취(semi-preparative) 컬럼에 산물을 주입하고 5mL/분의 유속으로 이동상으로 용리합니다. UV(λ = 254nm) 및 방사능 카운터를 사용하여 용리액을 관찰합니다.
   9. 지정된 밸브를 통해 둥근 바닥 플라스크에 제품을 수집합니다.
   10. 생성물을 C18 컬럼 내에 포집하여 유지합니다(5mL의 에탄올과 10mL의 물로 활성화).
   11. 지정된 밸브를 열고 No.9 용기에서 물로 컬럼을 폐기물 용기로 세척한 다음 No.8 및 No.7 용기의 용액으로 제품 병에 헹굽니다.
   12. ¹⁸F-AV-1451을 0.22μm 액체 필터 멤브레인을 통해 헬륨 압력으로 디스펜싱 핫 셀의 수집 병에 통과시킵니다.
2. 품질 관리
   참고: 제품의 3회 연속 배치에 대한 품질 관리를 수행합니다. 제품의 품질 관리가 2020년판 중화인민공화국 약전 기준을 충족하는지 확인합니다( 재료표 참조).
   1. 제품을 납 유리 뒤에 놓고 색상과 투명도를 검사하여 육안 검사를 수행합니다.
   2. 정밀 pH 시험지를 사용하여 제품의 pH 값을 측정합니다.
   3. HPLC를 사용하여 제품 ^8,16의 방사성 화학적 순도를 분석하십시오.
   4. 감마 분광계 방법¹⁷을 사용하여 생성물의 방사성 핵 순도를 분석합니다.
   5. 중화 인민 공화국 약전에 따라 제품의 반감기를 정확하게 측정하십시오¹³.
   6. 멸균 필터 멤브레인에 0.34MPa의 압력을 가하여(단계 1.1.12) 밀봉 및 무결성을 테스트합니다.
   7. 박테리아 배양과 투구게 시약 방법²³을 사용하여 무균 및 내독소 테스트를 수행합니다.
   8. 요오드플라틴산칼륨 방법을 사용하여 크립탄드 기반 상전달 촉매 잔류물을 테스트합니다. 가스 크로마토그래프 ^8,16을 사용하여 제품의 아세톤, 아세토니트릴 및 DMSO의 함량을 분석합니다.
      참고: 0.511 MeV 및 1.022 MeV를 제외한 다른 피크가 나타나지 않는지 확인합니다.

2. 사전심사 요강

참고: 참가자는 인지의 변화에 대한 현재의 우려가 있고 기능적 능력의 독립성을 유지하면서 하나 이상의 인지 영역에서 장애를 보이는 경우 포함되었습니다²⁵. 자격을 갖추려면 0에서 20 사이의 간이 정신 상태 검사(MMSE) 점수와 비정상적인 뇌척수액(CSF) Aβ42 또는 Aβ42/Aβ40 비율 또는 양성 아밀로이드 양전자 방출 단층촬영(PET) 스캔 ^6,20을 통해 확인된 아밀로이드 단백질 양성이 필요했습니다. 제외 기준은 혈관 질환, 우울증, 외상성 뇌 손상, 정신병적 장애 또는 인지 기능 저하와 관련된 기타 상태의 진단을 포함한다⁵. 심박 조율기, 강자성 물질 또는 이동성 위험을 초래하는 이물질에 대한 금기 사항이 있는 참가자와 MRI 영상을 받을 수 없는 참가자는 제외되었습니다. 추가적인 제외 기준에는 가돌리늄 조영제에 대한 과민증과 심각한 신부전증의 존재가 포함되었다²¹.

1. 피험자에게 연구 전 24시간 동안 알코올, 카페인, 약물 또는 격렬한 운동이나 활동을 삼가도록 지시합니다. 안정적인 생리적 상태(예: 생체 리듬, 뇌 기능 작업)를 유지하여 데이터 정확성을 보장합니다.
2. 피험자가 타우 PET/MR 이미징을 방해하지 않으므로 검사 전에 물과 음식을 섭취할 수 있도록 합니다.
3. 영상 촬영 전 최소 12시간 동안 신경 관련 약물을 중단하십시오.
4. 피험자에게 검사 당일에 금속 장신구나 금속 단추나 지퍼가 달린 옷을 입지 않도록 조언합니다.
   참고: 환자가 가족과 동행하고, 이전 검사 기록을 가져오고, 의료진에게 약물 사용에 대해 알리도록 합니다.

3. 스캔 준비

1. 신청서를 확인하여 일반 정보, 시험 목적 및 프로그램을 확인합니다. 필요한 모든 준비가 완료되었는지 확인합니다. 세부 정보를 등록하고 제출합니다.
2. 피험자 또는 가족 구성원으로부터 PET/MR 영상에 대한 정보에 입각한 동의를 얻습니다. 대상자에게 목적, 절차, 위험 및 이점을 알립니다.
3. 상세한 병력 검토를 수행하고, 피험자의 키, 체중 및 혈중 농도를 기록하고, MR 검사에 대한 금기 사항이 없는지 확인합니다.
4. 말초 표재성 정맥에 정맥 주사 라인을 구축하거나 포트 카테터에 접근합니다.
5. ¹⁸F-AV-1451을 관리하기 전에 오류를 방지하기 위해 모든 정보를 다시 확인하십시오.
6. 정맥 주사를 통해 3.7-5.5MBq/kg에서 ¹⁸개의 F-AV-1451을 천천히 주입합니다. 방사성 추적자 잔류물을 최소화하기 위해 적절한 양의 식염수로 튜브를 세척합니다. 유체 누출을 방지하기 위해 주입 부위에 압축을 가하십시오.
7. 주입 시간, 부위 및 활동을 기록합니다.
8. 주입을 완료한 후 시청각 폐쇄를 시작합니다. 대기 중 조명 어둡게 하기
   실내를 열고 온도를 약 22°C로 설정합니다. 피험자에게 80분 동안 눈을 감고 침대에서 휴식을 취하도록 지시하고, 이 시간 동안 말하거나, 먹거나, 씹는 것을 피한다.

4. PET/MRI 스캐닝

1. 피험자와 동료에게 검사 전에 휴대폰, 머리장식, 의치, 안경, 시계, 지갑, 동전 등 모든 금속 물체를 제거하도록 지시합니다. 휠체어, 들것, 검사 침대, 산소통 또는 모니터링 장비를 검사실에 허용하지 마십시오.
2. 피험자에게 귀마개를 제공하고 경추 부위를 둘러싸고 있는 머리/목 코일이 있는 PET/MRI 테이블에 누운 자세로 놓습니다. 특수 머리 받침대나 스폰지 패드를 사용하여 머리를 안정시키고 움직임을 최소화하고 편안함을 보장합니다.
   참고: 신경학적 평가에 따라 필요한 경우 적절한 용량의 진정제를 투여합니다.
3. 팔을 아래로 내리고 피험자를 위치시키고 불편할 경우 경보 장치를 사용하도록 지시합니다.
4. 이미지를 검토하여 머리가 스캐너의 중앙에 있고, 코일의 중심과 정렬되며, 목을 기준으로 일관되게 배치되어 있는지 확인합니다.
5. 이미징을 위해 8채널 두경부 유니온 코일을 사용합니다.
6. 손상된 그래디언트 리콜 시퀀스를 사용하여 고해상도 및 높은 신호 대 잡음비(SNR)로 3D 뇌 체적 T1 가중치 시퀀스를 획득합니다. 다음 매개 변수를 설정합니다.
   1. 반복 시간(TR) = 8.5ms; 에코 시간(TE) = 3.2ms; 반전 시간(TI) = 450ms; 플립 각도 = 12°; 복셀 크기 = 1 × 1 × 1 mm³; 시야각(FOV) = 256mm; 매트릭스 크기 = 256 × 256; 슬라이스 두께 = 1mm.
   2. 다음 매개변수를 사용하여 축 PROPELLER T2 가중 시퀀스를 획득합니다: TR = 6837 ms; TE = 132밀리초; 플립 각도 = 142°; 시야각 = 240mm; 매트릭스 크기 = 416 × 416; 슬라이스 두께 = 5mm.
      참고: PET 스캔은 단일 침대 위치를 사용하여 대공에서 두개골 상단까지 전체 뇌를 덮습니다.
7. 20분 분량의 PET 이미지를 동시에 획득할 수 있습니다.
8. 3D 획득 모드에서 PET 스캔을 수행합니다.
9. PET 이미징을 위해 체적 스캔을 사용합니다.
10. ZTE(Zero Echo Time) 펄스 시퀀스를 사용하여 뼈, 공기 및 연조직을 분할하는 MR 이미징 감쇠 보정을 수행합니다.
11. 영상 재구성을 위한 OSEM(Time-of-Flight Ordered Subset Expectation Maximization)을 사용하여 PET 데이터를 획득합니다 ^20,23. 다음 매개 변수를 사용합니다.
    1. 매트릭스 크기 = 192 × 192; 6 반복이있는 28 개의 하위 집합; 시야각 = 350 × 350mm; 최대 전체 너비(FWHM) = 3.0mm.
12. 공식^20,23을 사용하여 표준화된 흡수 값(SUV)을 계산합니다.
    SUV = (구 활성(Bq/ml) × 체중(kg)) / 주입 용량.

5. 이미지 해석

1. 임상 진단에 눈이 먼 최소 2명의 경험 많은 핵의학 의사가 모든 PET/MR 이미지를 독립적으로 시각적으로 평가합니다.
2. 비정상적인 구조적 변화와 단백질 침착을 보이는 뇌엽을 식별합니다.
3. 최종 합의에 도달할 때까지 시각적 평가를 반복합니다.
4. "양성 스캔"을 일부 또는 모든 피질 영역에서 ¹⁸F-AV-1451 흡수가 증가한 것으로 정의합니다. "음성 스캔"을 모든 피질 영역에서 ¹⁸F-AV-1451 흡수가 없는 것으로 정의합니다.
5. MRI에서 내측 측두엽, 특히 해마의 위축을 신경퇴행으로 정의한다^20,25.

¹⁸분F-AV-1451 합성 결과
최적화된 반응 조건에서 ¹⁸F-AV-1451의 1단계 합성은 합성 수율을 25.7% ± 5.8%로 증가시켰습니다. 총 반응 시간은 70분이었습니다. 일반적인 반분취(semi-preparative) HPLC 및 UV 스펙트럼은 그림 3에 나와 있으며, 여기서 피크 2는 제품 피크를 나타냅니다.

품질 테스트 결과

이 방법론적 원고에서는 타우 PET 이미징을 위한 ¹⁸F-AV-1451의 업데이트된 방사선 합성과 ¹⁸F-AV-1451 PET/MRI 이미지 획득 기술을 소개하고, AD 평가를 위한 ¹⁸F-AV-1451 PET/MR의 잠재적 유용성을 제공했습니다. 기존의 뇌 CT 또는 MRI는 일반적으로 거시적 해부학적 구조 평가를 제공하므로 질병 진행 평가와 예후 예측이 제한됩니다. PET는 생체 내 분자 과...

저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

이 작업은 랴오닝성 핵심 연구 개발 계획(2019JH/10300010) 및 랴오닝성 응용 기초 연구 프로그램(2022JH2/101500011)의 보조금으로 지원되었습니다.