2023年7月7日，上海交通大学Bio-X研究院李丹课题组与中科院深圳先进技术研究院叶克强（原Emory大学终身教授）课题组、武汉大学人民医院张振涛课题组合作于Cell期刊上发表了题为“Development of an α-synuclein positron emission tomography tracer for imaging synucleinopathies”的研究论文，开发了极具临床应用前景的α-syn聚集体PET示踪剂，并揭示了其与α-syn淀粉样纤维相互作用的结构基础。
α-突触核蛋白（α-syn）的病理性聚集是多种神经退行性疾病的关键致病蛋白和病理学标志，包括帕金森病（PD）、多系统萎缩（MSA）、路易体痴呆（DLB）等。在临床实践中，目前这些疾病是根据运动障碍等症状进行诊断的，但是由于个体的异质性，具有非典型临床症状的患者诊断准确性不高。而基于病理学标志的检查目前只有等到尸检时才可获得准确诊断，对于患者的诊断和治疗帮助有限。此外，α-syn的病理性聚集早在临床症状出现前便已发生，因此是PD等突触核蛋白病的精确诊断和早期诊断极具价值的靶点。正电子发射断层扫描（PET）成像技术使用示踪剂追踪靶标的空间分布和动力学，使得在活体成像分子病理变化成为可能。选择性靶向α-syn的PET成像示踪剂一直是PD临床和研究领域最为迫切的需求之一，然而迄今为止，尚无应用于临床的靶向α-syn聚集体的PET成像示踪剂。主要的瓶颈是小分子示踪剂普遍存在对淀粉样蛋白纤维特异性较低的问题，并且由于缺乏小分子配体与纤维相互作用的基本原理，阻碍了基于结构的示踪剂设计和优化。
我院李丹课题组近年来聚焦于“化学小分子如何识别病理蛋白聚集体”这一蛋白相变聚集领域的核心科学问题，揭示了化学小分子与淀粉样蛋白聚集体相互作用的基本原理，相关研究工作近期发表在Nature Chemical Biology期刊上（doi:10.1038/s41589-023-01370-x）。基于这些对小分子-纤维相互作用的新的认识，在此项工作中，李丹课题组对焦临床应用的核心需求，合作开发了与α-syn纤维特异性结合的PET成像示踪剂[18F]-F0502B，并通过高分辨率结构解析阐明了该配体特异性的相互作用，推动了PD等突触核蛋白病的诊断方法的进展。
研究人员根据α-syn纤维配体的共同分子结构特征设计和筛选了一系列小分子化合物，通过体外纤维筛选得到选择性、高亲和力结合α-syn纤维的结构骨架。进一步通过神经退行性疾病患者的离体脑切片、相关小鼠模型的脑切片进行免疫荧光成像、免疫组织化学、放射自显影分析，优化获得了一种新型的特异性结合α-syn纤维的PET示踪剂——苯并噻唑-乙烯基-苯酚衍生物F0502B（图1）。F0502B能够选择性染色PD、MSA和DLB患者脑切片中的α-syn聚集，而不染色阿尔兹海默病人和健康对照脑切片的淀粉样蛋白纤维聚集。相关小鼠模型证明了F0502B的成像特异性。氟-18放射同位素标记的[18F]-F0502B具有良好的脑通透性和安全性，可在恒河猴PD模型活体内特异性显像α-syn的淀粉样沉积，是作为PET示踪剂的很有前景的先导化合物。
图1 α-Syn纤维的特异性PET示踪剂[18F]-F0502B的开发流程
李丹课题组解析了F0502B-α-syn纤维复合物的原子结构（图2a），为F0502B特异性结合α-syn纤维提供了结构机制。研究人员发现F0502B采用对角线取向结合在α-syn纤维的一个配体结合深腔中，相邻F0502B分子沿纤维轴堆叠，形成配体-配体π-π相互作用，从而稳定了特异性结合（图2b）。更重要的是，F0502B还与α-syn形成特异的相互作用网络（图2c），这些配体-蛋白质相互作用协同贡献了小分子在此处结合的特异性。该配体结合口袋在体外重组纤维和MSA离体纤维结构中是保守的，因此是α-syn淀粉样聚集示踪剂开发可靶向的口袋（图2d）。
图2 F0502B-α-syn纤维复合物的冷冻电镜结构
综上，此项研究首次说明利用高分辨率的小分子配体-淀粉样纤维复合物结构提供的信息，可以实现基于结构的α-syn聚集体PET示踪剂的合理设计和优化。该研究为后续α-syn聚集体及其他多种神经退行性疾病核心致病蛋白的开发提供了新的思路和优秀范例。[18F]-F0502B是颇具潜力的先导化合物，目前正在临床试验验证其灵敏度和特异性。若其展示出足够的有效性和安全性，将显著推动PD等突触核蛋白病的早期精准诊断和疾病亚型分类，并成为纵向评估靶向α-syn聚集的疾病修饰疗法的关键监测指标，实现这类疾病的临床诊疗规范的重要革新。
上海交通大学Bio-X研究院李丹课题组的陶友琦博士，原Emory大学叶克强团队的项捷博士、夏亦元博士，为该论文的共同第一作者。李丹团队的博士研究生赵钦玥参与了此项工作。李丹教授和中科院深圳先进技术研究院叶克强教授、武汉大学人民医院张振涛教授为通讯作者。此项工作受到国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划、上海市科学技术委员会、中国科学院上海分院等基金的资助。
论文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00644-X
