首个用于ASK1成像的碳-11正电子发射断层扫描放射性示踪剂的设计、合成与评估

《Bioorganic Chemistry》：The design, synthesis and evaluation of the first carbon-11 positron emission tomography radiotracer for ASK1 imaging

　　

黄雅菲|王永乐|王艳丽|程华|杨洪志|王长宁|徐宇龙

美国马萨诸塞州哈佛医学院麻省总医院Athinoula A. Martinos生物医学成像中心，放射科，Charlestown，MA 02129

摘要

凋亡信号调节激酶1（ASK1）通过介导炎症、氧化应激和凋亡，在多种神经性疾病的分子发病机制中起着核心作用。ASK1已成为阿尔茨海默病、帕金森病和多发性硬化症等神经退行性和神经炎症性疾病的重要治疗靶点。本文描述了[¹¹C]HYF038作为首个用于成像ASK1的正电子发射断层扫描（PET）放射性示踪剂的发展和临床前评估。体外放射自显影实验表明，[¹¹C]HYF038在鼠脑区域对ASK1蛋白质具有良好的特异性结合能力，阻断组的数据以“每平方毫米光密度单位（DLU/mm²”表示，结合程度降低了28%。在啮齿动物模型中进行的[¹¹C]HYF038体内PET成像显示其具有了一定的血脑屏障（BBB）穿透能力（SUV = 0.5），[¹¹C]HYF038在不同器官中的分布结果表明该示踪剂主要在肝脏中被代谢。这些发现表明[¹¹C]HYF038可作为进一步开发用于神经退行性疾病进展成像的PET示踪剂的候选化合物。

引言

凋亡信号调节激酶1（ASK1），也称为MAP3K5，属于丝裂原激活蛋白激酶激酶（MAPKKK）家族[1]。ASK1在调节细胞应激反应中起关键作用，尤其是由促炎细胞因子、氧化应激和内质网应激引起的应激反应[2]、[3]。ASK1的激活会触发JNK和p38 MAPK信号通路。ASK1–MAPK轴越来越多地涉及多种细胞应激相关过程，如炎症反应、细胞分化和凋亡[4]。因此，ASK1信号通路失调与多种病理状况有关，例如癌症、炎症相关疾病和神经性疾病[5]、[6]、[7]、[8]。

ASK1在中枢神经系统的多个区域表达。越来越多的证据表明ASK1是多种神经性疾病发病机制中的关键调节因子[9]。从机制上看，ASK1参与多种重要的细胞过程，包括由氧化应激和炎症应激引发的神经元凋亡、胶质细胞（特别是小胶质细胞和星形胶质细胞）的激活和调控、线粒体功能障碍和能量失调，以及神经炎症信号通路的调节和突触可塑性[10]、[11]。在阿尔茨海默病（AD）中，ASK1在 amyloid-β（Aβ）积聚和氧化应激的作用下被激活，随后主要通过JNK和p38 MAPK信号通路促进神经元死亡。在AD小鼠模型中的实验研究表明，遗传性消融或药物抑制ASK1可显著减轻Aβ引起的神经毒性，并改善认知功能[7]、[12]、[13]。在帕金森病（PD）背景下，ASK1参与多巴胺能神经退行性变，尤其是在MPTP诱导的模型中。抑制ASK1可保护多巴胺能神经元并改善运动缺陷，这表明ASK1靶向干预具有神经保护作用[14]、[15]。此外，ASK1在自身免疫性神经炎症性疾病（如多发性硬化症（MS）的病理生理过程中也起作用。在广泛使用的MS动物模型——实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）中，ASK1会促进胶质细胞介导的炎症和脱髓鞘。相反，抑制ASK1可改善神经功能结果并减少促炎标志物的表达[11]、[16]。

鉴于ASK1在多种分子过程中的作用，它已成为一个具有重大治疗前景的靶点。过去十年间，人们投入了大量努力开发选择性ASK1抑制剂，旨在调节其病理激活[17]、[18]、[19]、[20]。其中，selonsertib（GS-4997）作为一种小分子ASK1抑制剂，在临床开发方面取得了最大进展[19]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。它已经在包括慢性肾病和肺纤维化在内的多个适应症中进行了评估。值得注意的是，selonsertib在非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的II期临床试验中显示出令人鼓舞的结果，尤其是在与抗纤维化药物simtuzumab联合使用时。然而，随后的III期试验表明，单药治疗未能达到其主要疗效终点，这突显了在复杂的多因素疾病中靶向ASK1干预的挑战。在神经炎症领域，科学家们也进行了大量探索。早在2010年，MSC2032964A就被开发为一种口服ASK1抑制剂，用于评估其对EAE的神经保护作用[29]。基于GS-4997的新分子结构骨架和高活性，Felix团队鉴定了一系列强大、选择性的、能穿透血脑屏障的ASK1抑制剂，用于体内调节脑部炎症[18]。尽管在外周条件下的临床研究较为充分，但由于缺乏能够评估中枢神经系统（CNS）内ASK1激活的工具，ASK1在神经性疾病中的调节作用尚未得到充分探索。这种转化工具的缺乏阻碍了针对神经退行性和神经炎症的ASK1靶向治疗的临床前验证和临床进展。

使用正电子发射断层扫描（PET）成像ASK1可以研究健康状态与疾病状态之间的ASK1相关病理变化，并评估新型ASK1抑制剂与靶标的结合情况。在过去的十年中，PET作为一种高度灵敏和定量的成像技术，在中枢神经系统（CNS）药物开发中发挥了重要作用[30]、[31]。它能够无创地测量临床环境中无法直接评估的参数，如靶点可用性和药物占据率，因此在转化神经科学研究中特别有价值。开发一种能够穿透血脑屏障的PET放射性配体将有助于在神经退行性疾病临床研究中验证ASK1靶向治疗的效果。我们的团队致力于开发用于诊断和研究ASK1相关神经退行性疾病的新型PET探针。我们之前报道了首个F18标记的ASK探针分子[¹⁸F]ASK1-IN-6的合成和初步评估[32]。然而，由于其合成产率较低，不适合用于体内评估。迄今为止，尚无可用于体内成像ASK1或ASK1相关神经退行性疾病的PET示踪剂。迫切需要开发具有适当药代动力学和成像特性的PET放射性配体，以有效可视化大脑中的ASK1。在本研究中，我们描述了[¹¹C]HYF038这种能穿透大脑的ASK1 PET成像探针的设计、合成和评估。

章节片段

材料与方法

分析分离使用Agilent 1100 HPLC系统进行。质谱分析在配备电喷雾离子化（ESI）源的Agilent 6310离子阱质谱仪上进行，并与Agilent 1200 HPLC系统连接。本研究中使用的所有化学品和溶剂均为ACS级质量，按收到时状态使用，无需额外纯化。

所有体内实验均在麻省总医院（MGH）进行

PET放射性配体设计

选择性ASK1抑制剂Selonsertib显示出良好的治疗潜力以及良好的药代动力学和药效学特性。它已进入多项适应症的临床试验，包括肾脏和肺部疾病[21]、[23]、[24]、[25]、[26]、[34]。但由于其高Er值和低Kp,uu（Kp,uu = 0.1），其在大脑中的浓度较低[35]，因此尚未在人类神经性疾病中进行研究。

结论

在本研究中，我们设计并合成了[¹¹C]HYF038，这是第一种具有良好放射化学产率和纯度的ASK1放射性配体。体外放射自显影实验显示，[¹¹C]HYF038在鼠脑区域对ASK1蛋白质具有良好的特异性结合能力。根据C57BL/6小鼠的动态PET/CT成像，[¹¹C]HYF038在大脑中有显著摄取，在肝脏中也有摄取，在肺和肾脏中有一定积累，但清除速度快。因此，[¹¹C]HYF038可用作

CRediT作者贡献声明

黄雅菲：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，项目管理，正式分析。王永乐：方法学，研究。王艳丽：方法学。程华：监督。杨洪志：方法学。王长宁：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源获取。徐宇龙：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

本研究由NIH资助，项目编号为S10OD034259。所有成像研究均在麻省总医院的Athinoula A. Martinos生物医学成像中心进行。我们感谢该中心工作人员在回旋加速器和放射性核素生产方面的专业技术和协助。