酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像的應用進展

林月， 李春媚， 陳敏

酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(amid proton transfer,APT)成像是近年來在化學交換及磁化傳遞理論基礎上發(fā)展起來的一種新型磁共振分子成像技術(shù)，能夠無創(chuàng)性地檢測內(nèi)源性、位于細胞質(zhì)內(nèi)的游離蛋白質(zhì)及多肽分子，從而間接反映活體細胞內(nèi)部的代謝變化和生理病理信息[1]。APT成像對組織的pH值變化敏感，從而能夠?qū)τ衟H值變化的血管性疾病進行鑒別診斷。目前，APT成像在臨床上已經(jīng)得到了較為廣泛的應用。本文旨在介紹APT技術(shù)原理及其在臨床上的應用現(xiàn)狀，并對其應用前景進行展望。

APT技術(shù)原理

1.APT成像原理

APT成像技術(shù)是化學交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer，CEST)的分支，其原理是利用特定的偏共振飽和脈沖，充分預飽和外源性或內(nèi)源性的特定物質(zhì)，這種飽和的特定物質(zhì)通過化學交換，在適宜溫度及酸堿度條件下，進一步影響自由水的信號強度，因此，通過檢測自由水的信號，便可間接反映這種物質(zhì)的化學交換的組織環(huán)境及信息。APT成像產(chǎn)生化學交換飽和轉(zhuǎn)移的物質(zhì)為細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和/或多肽的酰胺質(zhì)子。Zhou等[2]采集不同頻率脈沖下水的信號，獲得一條曲線，稱為Z譜，其兩側(cè)呈不對稱峰圖，以水峰為中心，距水峰+3.5 ppm處為酰胺質(zhì)子峰，于+3.5 ppm處施加飽和脈沖后，該處水信號明顯下降，提示酰胺質(zhì)子飽和后水信號下降，證明存在APT效應即酰胺質(zhì)子與水的交換，通過探測水的信號，即可間接得出體內(nèi)內(nèi)環(huán)境的變化。APT信號強度一般通過水共振頻率兩側(cè)+/-3.5 ppm處的非對稱磁化轉(zhuǎn)移率(magnetization transfer ratio,MTRasym)的差來求得，即：

△MTRasym(3.5 ppm)=MTRasym(+3.5 ppm)-MTRasym(-3.5 ppm)

△MTRasym(3.5 ppm)數(shù)值可通過后處理軟件直接得出，數(shù)值大小反映APT信號強度的高低，因此可以作為APT信號強度的量化指標。

但酰胺質(zhì)子的共振頻率在偏離水3.5 ppm處，活體檢測APT時難免帶來水的直接飽和效應和傳統(tǒng)的磁化傳遞(magnetization transfer,MT)效應，考慮到相對于MT (+3．5 ppm)在(-3．5 ppm)偏置處可能存在的奧氏核效應(nuclear overhauser effect，NOE)，我們一般將計算得出的△MTRasym(3.5 ppm)稱為APT加權(quán)(APTW)圖像，即本文提到的APT圖像就是APTW圖像，為避免混亂，統(tǒng)一用APT表示。

2.影響APT成像的因素

根據(jù)APT成像原理可以發(fā)現(xiàn)，APT成像信號取決于酰胺質(zhì)子和自由水質(zhì)子的交換速率，而這種交換速率依賴于體內(nèi)的pH值及蛋白質(zhì)濃度[3]。在缺血缺氧性腦損傷中，疾病初始階段蛋白濃度只有細微改變，因而信號的高低均取決于化學交換速率的變化即pH值的改變。研究顯示，pH值每變化0.5個單位，交換速率變化50%～70%，因而觀察到的APT信號減低可以認為是由于pH值降低所致。同理，在腦腫瘤這樣很難探測到微小pH值改變的疾病中，APT信號強度的高低近似取決于細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的含量。由于腫瘤組織內(nèi)蛋白質(zhì)水平較高，因此腫瘤部分的APT信號強度明顯高于正常組織。APT的pH成像與蛋白質(zhì)成像互相關(guān)聯(lián)，互相影響，共同反映細胞內(nèi)環(huán)境的改變，從而評估細胞活性和狀態(tài)，進而明確疾病的分期和階段，更好地指導治療和預測預后。

APT的臨床應用

1.APT在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應用

腦梗死：又稱為缺血性腦卒中，是由動脈粥樣硬化、血栓形成等各種原因?qū)е碌木植磕X組織區(qū)域血液供應障礙，以致腦組織缺血缺氧性病變壞死，從而導致腦內(nèi)pH值發(fā)生較大的變化，根據(jù)APT的pH成像原理，可以將正常腦組織與有pH值改變的腦血管疾病進行鑒別。

鑒別缺血半暗帶與不需治療可自行恢復的良性血量減少。Sun等[4]選取大腦中動脈閉塞成年大鼠模型進行實驗，分別對腦梗死后3.5 h和24 h的大鼠進行APT成像，結(jié)果顯示3.5 h的腦梗死區(qū)在APT上呈明顯低信號，同時低信號區(qū)代表的梗死區(qū)與動物解剖判定的梗死區(qū)域顯示一致。由于缺血半暗帶伴隨著腦血流低灌注及pH值下降，與良性血量減少的pH值無改變形成鮮明對比，因此，APT成像不僅可以在腦梗死早期對病灶進行診斷，也可鑒別缺血半暗帶與良性血量減少[5]。

鑒別缺血性與出血性腦梗死。Wang等[6]對大腦中動脈梗死大鼠模型(缺血性腦梗死)與誘導產(chǎn)生的腦內(nèi)動脈出血大鼠模型(出血性腦梗死)進行APT成像，結(jié)果顯示與正常腦組織相比，誘導產(chǎn)生的出血性梗死灶在APT上呈持續(xù)高信號，主要歸因于新形成的血腫中存在豐富的紅細胞和其他血漿蛋白和肽；而缺血性大鼠模型梗死灶在APT上呈持續(xù)低信號，主要歸因于有氧代謝受損后組織酸中毒導致的pH值降低。由此根據(jù)所得圖像信號的高低差異可很好地鑒別了缺血性與出血性腦梗死。

對腦出血進行分期。腦出血原因有很多，從良性的血管病變到惡性的腫瘤都可導致腦出血。并且，出血的分期不同，臨床治療及預后也不盡相同，所以通過APT技術(shù)對不同原因(腫瘤、非腫瘤)導致的腦出血的鑒別及對出血進行分期很有必要。相關(guān)研究證明，APT信號強度與腦出血原因并沒有明確的相關(guān)性；但與亞急性腦出血相比，急性腦出血有更高的MTRasym，即腦出血的分期越早，APT信號強度越高[7，8]。

腦腫瘤：腫瘤發(fā)生時腫瘤組織的代謝水平增高，將合成更多蛋白產(chǎn)物，此時pH值改變很小，基本可以忽略不計，蛋白質(zhì)濃度與APT效應呈正相關(guān)[9]，因此APT技術(shù)能夠?qū)δX腫瘤進行診斷及預后分析。

對腦膜瘤和腦膠質(zhì)瘤進行分級：高、低級別腦膜瘤、膠質(zhì)瘤的治療方法及預后完全不同，腦膜瘤及膠質(zhì)瘤診斷的金標準是外科穿刺病理，當腫瘤內(nèi)部不均勻時，穿刺也可能出現(xiàn)誤差，所以需要一種非侵入性影像技術(shù)對其進行準確分級；根據(jù)APT蛋白成像原理[10]，隨著腫瘤級別的增高，內(nèi)部蛋白濃度增高，更高級別腫瘤的固體組分細胞更加密集，導致APT信號強度越高，從而很好地對腦膜瘤[11]及膠質(zhì)瘤[12，13]進行分級。

鑒別膠質(zhì)瘤與其他腫瘤：實性轉(zhuǎn)移瘤、原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤與高級別膠質(zhì)瘤有時在影像圖像上難以鑒別，但是三者治療方法截然不同。Yu等[14]、Jiang等[15]對轉(zhuǎn)移瘤、原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤及膠質(zhì)瘤進行APT成像，由于轉(zhuǎn)移瘤及原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤周圍主要是血管源性水腫，而膠質(zhì)瘤周圍主要是腫瘤浸潤細胞及炎癥細胞，含有更多的蛋白。根據(jù)APT蛋白成像原理，膠質(zhì)瘤在APT圖像上有著更高的信號，從而能夠很好地將膠質(zhì)瘤與另外兩種沒有蛋白質(zhì)濃度變化的腫瘤進行鑒別。

鑒別膠質(zhì)瘤復發(fā)與治療后反應：對于腦膠質(zhì)瘤患者，外科手術(shù)治療后還要進行相應的術(shù)后放療和化療，因而會產(chǎn)生治療后相關(guān)的效應，在 MRI上難以將腫瘤浸潤與復發(fā)相鑒別。腫瘤復發(fā)時細胞異常活躍，細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)合成迅速，濃度增加，在基于探測細胞內(nèi)蛋白濃度的APT成像上顯示為高信號，有別于蛋白質(zhì)濃度并沒有發(fā)生明顯變化的治療后相關(guān)效應[16]。同時，由于其對細胞內(nèi)蛋白濃度改變的高度敏感性[17]，可以在腫瘤復發(fā)早期做出診斷；因而可對疾病治療的干預手段進行正確評估，為進一步的治療提供指導方向。

神經(jīng)退行性疾病：帕金森病(Parkinson's disease，PD)和阿爾茲海默病(Alzheimer's disease，AD)是中老年人常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。神經(jīng)病理學研究顯示，大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病，包括PD和AD，均伴有中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常蛋白的沉積。因此，APT成像為PD和AD的早期診斷提供了新的技術(shù)手段。

評價阿爾茨海默病：AD患者病變首先累及顳葉內(nèi)側(cè)，以海馬區(qū)為著。Wang等[18]選取AD患者與正常對照者進行頭部APT成像，并對海馬區(qū)的影像進行對比分析。結(jié)果顯示，AD患者海馬區(qū)APT信號強度與正常人存在差異，在APT圖像上呈高信號。說明APT成像能夠?qū)D患者與正常對照者進行鑒別。

評價帕金森病：黑質(zhì)內(nèi)多巴胺能神經(jīng)元的選擇性變性缺失和殘余神經(jīng)元內(nèi)Le、Ⅳy小體的形成是PD的特征性病理改變。Li等[19]選取PD患者與正常對照者進行頭部APT成像，研究結(jié)果表明與正常對照者相比，PD患者黑質(zhì)的APT信號強度顯著減低，推測這可能是由于PD患者黑質(zhì)神經(jīng)元的缺失導致可與自由水進行飽和交換的化學物質(zhì)減少，引起APT信號強度下降；同時研究結(jié)果顯示，PD患者蒼白球、殼核和尾狀核的APT信號強度均顯著高于正常對照者，推測可能與PD患者腦內(nèi)游離蛋白的異常增加有關(guān)。

評價兒童腦發(fā)育：APT成像技術(shù)在成人腦病中的應用已經(jīng)相對成熟，而對于兒童中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應用較為局限，主要集中于兒童腦發(fā)育和新生兒腦損傷。

眾所周知，人類大腦發(fā)育是一個復雜而終身的過程，其中髓鞘形成從懷孕中期到兒童出生后2周歲，并伴隨著神經(jīng)元突觸發(fā)生，以及灰質(zhì)和白質(zhì)生長，所以基于蛋白質(zhì)的APT成像在評估兒童腦髓鞘形成方面是有價值的。Zhang等[20]對82例正常發(fā)育的兒童進行APT成像，結(jié)果顯示隨著年齡增長，全腦區(qū)域(胼胝體、額、枕白質(zhì)及半卵圓中心)APT信號指數(shù)曲線下降，其中最重要的變化出現(xiàn)在第一年，并且在成熟期在白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)APT值下降幅度較大，研究分析蛋白質(zhì)遷移率的降低(從移動蛋白質(zhì)到半固體蛋白質(zhì)，如髓鞘堿性蛋白從少突神經(jīng)膠質(zhì)細胞質(zhì)遷移到髓鞘)可以解釋在腦髓鞘形成期間觀察到的APT信號強度降低。

評價新生兒腦損傷：新生兒圍產(chǎn)期各種原因造成的腦損傷(如新生兒缺血缺氧性腦病)會引起腦組織內(nèi)環(huán)境的改變。腦內(nèi)pH值的調(diào)節(jié)至關(guān)重要，這對于腦內(nèi)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及酶的作用尤為明顯。因此及時了解及調(diào)控細胞內(nèi)pH值對腦組織的改善是非常重要的，可以應用APT的pH成像原理加以診斷。Zheng等[21]對13例腦損傷新生兒及25例健康新生兒進行APT及MT成像，結(jié)果顯示圍產(chǎn)期缺氧缺血使全腦代謝發(fā)生變化，APT及MT成像可從內(nèi)環(huán)境及分子水平評估新生兒腦損傷。

2.APT在其他系統(tǒng)中的應用

APT成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應用價值較為肯定。影像學者也嘗試將此技術(shù)應用在其他系統(tǒng)，但由于研究較少且結(jié)果不盡統(tǒng)一，因此筆者僅對其他系統(tǒng)的APT應用進展進行簡單概括。

有學者將APT技術(shù)應用在胸部疾病診斷上 ，結(jié)果顯示胸部惡性病變的APT信號強度明顯高于良性病變[22]；肺癌外的胸部其他惡性病變(如縱膈來源的腫瘤)的APT信號強度高于肺癌；肺癌中的腺癌的APT信號高于鱗癌。說明APT對于胸部疾病有一定的診斷價值。Togao等[23]的研究也證實APT對肺癌分級有很好的應用前景。此外，有研究將APT技術(shù)應用于前列腺癌的診斷上，結(jié)果顯示病變位置的APT信號強度明顯高于周圍未患病區(qū)域[24]，證實了APT對于判斷前列腺癌的位置及分級是有應用價值的；同時也有研究證實APT信號強度與Gleason評分有很好的相關(guān)性[25]。另有研究將APT技術(shù)應用于乳腺，結(jié)果證實了APT評估健康乳房中的纖維組織的可靠性[26]。與之相應，有研究應用APT技術(shù)評估乳癌治療后淋巴水腫，特別是雙側(cè)上肢的累及情況，結(jié)果顯示乳癌治療后淋巴水腫累及的上肢的APT信號強度明顯高于對側(cè)未累及的上肢，并且隨著淋巴水腫程度加重，APT信號強度增高，即APT技術(shù)提供了一種新的淋巴管成像方法[27]。也有研究證實APT技術(shù)可以用來評估餐后及過夜未餐的肝臟某些物質(zhì)的輸出量，并發(fā)現(xiàn)與餐后相比，禁食12h的APT信號強度明顯下降[28-30]，這也符合人體肝臟組織的儲備功能與代謝過程特點[31]。

APT技術(shù)的優(yōu)缺點

APT成像的優(yōu)勢不僅在于無電離輻射，無需注射外源性對比劑，最重要的是它能無創(chuàng)檢測內(nèi)源性、位于細胞質(zhì)內(nèi)的游離蛋白質(zhì)及多肽分子，從而間接反映活體細胞內(nèi)部的代謝變化和生理病理信息；APT成像對組織的pH值變化高度敏感，對有pH值變化的血管性病變診斷準確。然而APT技術(shù)也存在一定的局限性，APT圖像偽影較重，分辨率不高，所以需要優(yōu)化脈沖頻率、翻轉(zhuǎn)角以及提高對比度，使其提高對病變的識別能力。另外隨著射頻激發(fā)脈沖功率的增加，射頻激發(fā)脈沖所負載的能量部分以熱量形式釋放出來，可被人體局部吸收，導致體溫升高，因此高場核磁掃描中，為不引起局部熱損傷，還需選擇合適的脈沖能量及脈沖時間。

展望

APT技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括對腦腫瘤分級、帕金森病、急性期腦梗死、兒童腦發(fā)育及損傷的評價價值被廣為肯定；但影像學家并沒有止步于此，而是把APT技術(shù)應用于更多部位疾病，如胸部腫瘤鑒別、前列腺癌分級及乳腺癌治療后淋巴水腫的評價；APT技術(shù)不僅可用于具體疾病的診斷，還對人體內(nèi)微量物質(zhì)的探測具有重要的應用價值，如糖原，乳酸[32]等。

綜上所述，APT從細胞分子水平探測細胞內(nèi)蛋白質(zhì)[33]及pH值[34]，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有較為肯定的應用價值，對其他部位疾病的診治亦可提供更詳盡的信息。

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