糖胺聚糖化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像對(duì)軟骨成分的定量研究進(jìn)展

楊佳偉 邵泓達(dá) 諸靜其 湯光宇*

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis,OA）是以關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行性退變、軟骨下骨硬化、骨贅形成和滑膜炎癥為主要特點(diǎn)的常見(jiàn)慢性致殘性疾病[1－2]。OA始于軟骨退變，早期為軟骨細(xì)胞外基質(zhì) （extracellular matrix，ECM）成分改變，包括蛋白聚糖（proteogl ycan，P G）分子 （主要成分為糖胺聚糖，glycosaminoglycan，GAG）丟失，纖維蛋白網(wǎng)被破壞，病情發(fā)展到晚期因疼痛、關(guān)節(jié)活動(dòng)障礙嚴(yán)重影響病人生活質(zhì)量。傳統(tǒng)的OA影像診斷方法（X線、CT、形態(tài)學(xué)MRI）僅能顯示其形態(tài)學(xué)改變，缺乏對(duì)OA超早期軟骨生化成分的評(píng)估，所以傳統(tǒng)影像檢查發(fā)現(xiàn)軟骨損傷時(shí)OA病情已較嚴(yán)重且不可逆。目前，對(duì)終末期OA除關(guān)節(jié)置換手術(shù)外尚無(wú)有效治療手段，其早期治療多為改善軟骨生化成分的新型干預(yù)措施，例如新型OA藥物、軟骨細(xì)胞移植等。為監(jiān)測(cè)這些治療措施療效，亟需特異且可定量的活體成像生物標(biāo)記技術(shù)。糖胺聚糖化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像 （glycosaminoglycan chemical exchange saturation transfer,gagCEST）技術(shù)是目前最新的MR軟骨成分定量技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)軟骨ECM中PG/GAG成分無(wú)創(chuàng)、準(zhǔn)確定量，在OA早期診斷和治療監(jiān)測(cè)方面具有良好應(yīng)用前景。

1 GAG代謝與OA的發(fā)生

ECM是影響軟骨生物力學(xué)特性的主要因素。ECM最主要成分為膠原纖維和PG。PG的組成包括1個(gè)核心蛋白質(zhì)，以及與其相連的數(shù)個(gè)帶負(fù)電荷的GAG和透明質(zhì)酸。GAG吸附有大量Na+，Na+的高度集中產(chǎn)生的滲透壓對(duì)周?chē)哂袕?qiáng)大的吸引力，以此保證了軟骨的黏彈性和抗壓能力。研究[3]表明軟骨基質(zhì)中PG/GAG合成和降解的穩(wěn)態(tài)平衡對(duì)維持軟骨正常功能至關(guān)重要。軟骨損傷的超早期階段主要表現(xiàn)為膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)的松弛，表面和上半部分軟骨基質(zhì)中PG/GAG的丟失，而軟骨PG/GAG成分損失后缺乏彈性膠原的網(wǎng)絡(luò)更易受損，進(jìn)而導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行性惡化。當(dāng)PG/GAG的過(guò)度降解和丟失后將引發(fā)一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，包括軟骨膠原大量降解以及各種炎性因子（IL－1β及 TNFα）釋放增加，相關(guān)PG降解酶（多聚蛋白聚糖酶、基質(zhì)金屬蛋白酶）活性增高，最終使得整個(gè)關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)徹底被打破，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨損傷和OA發(fā)生[3－4]。因此，對(duì)軟骨基質(zhì)PG/GAG成分的定量分析有助于OA早期診斷和療效評(píng)估。

2 MR gagCEST成像技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 技術(shù)原理 MR gagCEST技術(shù)是一種新型的GAG分子定量技術(shù)，主要是基于化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移原理，即在一定條件下人體組織中含氫大分子可與周?chē)肿又袣滟|(zhì)子發(fā)生化學(xué)交換[5]，通過(guò)施加一個(gè)與待測(cè)分子頻率相同的預(yù)飽和脈沖可使特定大分子中氫質(zhì)子得到飽和，而飽和的高能氫質(zhì)子會(huì)與周?chē)械牡湍軞滟|(zhì)子進(jìn)行化學(xué)交換，使得一部分水中的氫質(zhì)子飽和；再次常規(guī)掃描時(shí)由于飽和的水質(zhì)子無(wú)法產(chǎn)生共振，因而無(wú)法采集到信號(hào)，通過(guò)測(cè)定預(yù)飽和脈沖前后水分子MR信號(hào)的變化，可以反映特定分子在人體內(nèi)的含量。MRgagCEST成像即將特定的預(yù)飽和脈沖頻率選擇為GAG中－OH（偏移自由水氫質(zhì)子 0.9ppm～1.9ppm，ppm 表示 10－6）頻率，通過(guò)選擇性飽和對(duì)應(yīng)GAG羥基中氫質(zhì)子，使其與周?chē)湍芩|(zhì)子發(fā)生磁化交換轉(zhuǎn)移，但由于直接測(cè)定的值含有其他影響因素，如直接水飽和效應(yīng)及半固體常規(guī)磁化轉(zhuǎn)移（ma gnetization tran sfer，MT）效應(yīng)等，需用非對(duì)稱(chēng)分析公式計(jì)算出相應(yīng)的非對(duì)稱(chēng)性磁化轉(zhuǎn)移率（magnetization transfer asymmetry，MTRasym），其原理是假設(shè)不存在MRgagCEST效應(yīng)，通過(guò)不同頻率預(yù)飽和脈沖得到的z譜（Ssat/S0為關(guān)于飽和頻率的函數(shù)，Ssat為預(yù)飽和后信號(hào)，S0為未飽和信號(hào)）應(yīng)該在0ppm點(diǎn)左右對(duì)稱(chēng) （即只由直接水飽和效應(yīng)和半固體常規(guī)MT效應(yīng)引起），但實(shí)際上由于CEST效應(yīng)，z譜左右兩邊是非對(duì)稱(chēng)的，所以通過(guò)z譜中0點(diǎn)左右對(duì)稱(chēng)點(diǎn)的Ssat/S0差值即可反映MR gagCEST效應(yīng)，相應(yīng)公式為 MTRasym（Δω）=[Ssat（－Δω）－Ssat（Δω）/S0（Δω為與自由水氫質(zhì)子飽和頻率偏移值）。測(cè)量MTRasym值能準(zhǔn)確反映軟骨GAG含量，軟骨GAG含量不同可形成高和低區(qū)域?qū)Ρ葓D像，即MR gagCEST 圖像[5－6]。

2.2 優(yōu)勢(shì) 除MR gagCEST成像外，目前常用的軟骨成分MRI定量技術(shù)還包括對(duì)比劑延遲增強(qiáng)軟骨MR 成像（delayed gadolinium－enhanced MRIcartilage dGEMRIC）、 鈉成像 （23Na－MRI）、MRIT1ρ成像（T1ρ）等。dGEMRIC是現(xiàn)在較為常用的GAG定量技術(shù)，其原理是利用軟骨固定電荷密度間接測(cè)量軟骨GAG含量[7－8]。注射對(duì)比劑后，軟骨中GAG減少的區(qū)域?qū)Ρ葎└患箤?duì)應(yīng)部位的T1值縮短，依據(jù)T1值變化可間接測(cè)定軟骨成分GAG含量。雖然dGEMRIC在軟骨GAG測(cè)定上具有一定優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)也十分明顯：①注射對(duì)比劑對(duì)肝臟、腦、腎等具有潛在毒性作用，故不適合腎功能不全病人[9]；②為保證對(duì)比劑在軟骨表面均勻分布，掃描前需要較長(zhǎng)的等待時(shí)間[10]。T1ρ成像也可用于GAG檢測(cè)，其利用水分子與組織內(nèi)大分子的相互作用進(jìn)行T1ρ成像，可直接測(cè)定GAG含量，但特異性較低。有研究[11]顯示T1ρ與GAG含量的相關(guān)性較弱，而且自旋鎖預(yù)備脈沖的射頻能量會(huì)有潛在灼傷組織的可能[12]。23Na－MRI在用于軟骨GAG測(cè)定中，由于軟骨中的鈉離子緊緊吸附于帶負(fù)電荷的GAG上且與其分布一致[13]，所以當(dāng)軟骨中PG（GAG）丟失時(shí)會(huì)釋放出帶正電荷的鈉離子，因此23Na－MRI可間接評(píng)價(jià)GAG/PG的分布，但由于人體內(nèi)鈉濃度較低，很難產(chǎn)生充足的信號(hào)，同時(shí)它還需要較高的場(chǎng)強(qiáng)和特殊的線圈，限制了其臨床應(yīng)用[14]。相比之下，MRgagCEST技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)軟骨基質(zhì)中GAG成分直接且準(zhǔn)確定量，在關(guān)節(jié)軟骨成分評(píng)價(jià)中存在先天優(yōu)勢(shì)，與dGEMRIC相比，其具有無(wú)創(chuàng)性、無(wú)需對(duì)比劑，且也不需要較長(zhǎng)的等待時(shí)間，因此它的適用對(duì)象更為廣泛。 與 MRIT1ρ、23Na－MRI相比，其特異性更好，圖像質(zhì)量也更適用于臨床，目前已用于研究早期OA診斷和病情監(jiān)測(cè)。

3 MR gagCEST在OA的臨床應(yīng)用

3.1 OA的超早期診斷 研究表明OA早期發(fā)病機(jī)制與軟骨基質(zhì)成分改變有關(guān)（如GAG減少），其遠(yuǎn)早于軟骨形態(tài)結(jié)構(gòu)改變，是超早期OA的特點(diǎn)[15]，因此有效檢測(cè)關(guān)節(jié)軟骨中GAG的含量有助于OA的超早期診斷。研究[16－19]證實(shí)MRgagCEST測(cè)量軟骨GAG的含量具有高敏感性。Wei等[18]的研究顯示dGEMRIC與MR gagCEST定量GAG呈中度相關(guān)（r=0.55），其與 Rehnitz等[20]的報(bào)道幾乎相似。 Lee等[17]也報(bào)道了MR gagCEST成像MTRasym值與軟骨GAG濃度具有高度相關(guān)性（r=0.963），證實(shí)了MR gagCEST對(duì)GAG含量定量的可靠性。同時(shí)，MR gagCEST可用于鑒別健康和受損軟骨也得到了研究證實(shí)，如Brinkhof等[19]對(duì)8名健康志愿者和5例軟骨受損病人的對(duì)比研究顯示，軟骨受損病人較健康志愿者平均MTRasym值低，MR gagCEST鑒別患病軟骨的能力不遜于T2mapping、dGEMRIC，充分說(shuō)明MR gagCEST可作為膝關(guān)節(jié)軟骨生化成分的有效成像手段，可在超早期為膝關(guān)節(jié)OA診斷提供有用信息。研究[20]顯示，隨著年齡增加，正常關(guān)節(jié)軟骨MR gagCESTMTRasym值也會(huì)降低，反映了關(guān)節(jié)軟骨正常衰老過(guò)程伴隨著的蛋白質(zhì)聚糖丟失。Lee等[17]通過(guò)對(duì)22例膝關(guān)節(jié)疼痛病人的研究指出，MTRasym值與OA髕骨和股骨滑車(chē)區(qū)軟骨損傷等級(jí)呈負(fù)相關(guān)（分別為r=-0.460和r=-0.543），與VAS疼痛得分也呈顯著負(fù)相關(guān)（分別為r=-0.435和r=-0.671），且研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于低級(jí)別軟骨損傷和疼痛，gagCEST圖像較傳統(tǒng)MRI更加敏感。

3.2 軟骨（軟骨細(xì)胞）移植術(shù)后評(píng)估 目前，臨床對(duì)OA療效缺乏有效評(píng)估手段。傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)MRI并不能準(zhǔn)確顯示軟骨損傷范圍，而MRgagCEST通過(guò)對(duì)軟骨生化成分的監(jiān)測(cè)，為軟骨修復(fù)后療效評(píng)估提供了一種無(wú)創(chuàng)的檢查手段。通過(guò)軟骨GAG含量檢測(cè)可對(duì)手術(shù)前、后軟骨生物力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估及監(jiān)測(cè)（軟骨損傷位置和范圍），同時(shí)為軟骨切除程度的手術(shù)決策或手術(shù)后手術(shù)療效提供參考。Schmitt等[6]首次采用7.0 TMRI比較了12例膝關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)術(shù)病人手術(shù)前后變化，發(fā)現(xiàn)從膝關(guān)節(jié)正常軟骨到修復(fù)后軟骨MTRasym值和23Na-MRI信號(hào)值的變化呈高度一致性 （r=0.701），術(shù)后隨訪2年發(fā)現(xiàn)正常軟骨MR gagCEST MTRasym值和23Na-MRI信號(hào)值均高于修復(fù)軟骨，或?qū)榕R床軟骨修復(fù)術(shù)后長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟骨質(zhì)量提供一種新思路。Koller等[21]研究顯示MRgagCESTMTRasym值有望作為一種有效的潛在生物標(biāo)記用于監(jiān)測(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨移植術(shù)后改變，特別是對(duì)毗鄰病灶周?chē)能浌墙M織，其對(duì)于移植軟骨成功植入至關(guān)重要。MR gagCEST上可見(jiàn)病灶周?chē)能浌墙M織與正常軟骨有著顯著區(qū)別，而它們?cè)趥鹘y(tǒng)形態(tài)學(xué)MRI上的差異并不明顯[22]，通過(guò)MRgagCEST測(cè)定毗鄰病灶周?chē)能浌墙M織的MTRasym值可作為移植術(shù)成功與否的參數(shù)[23]。正常關(guān)節(jié)不同軟骨區(qū)域的MTRasym值也不同，其可為軟骨移植后不同軟骨區(qū)域質(zhì)量評(píng)估提供重要的參考，但不同場(chǎng)強(qiáng)下不同軟骨區(qū)域的MTRasym值有待進(jìn)一步驗(yàn)證。Schleich等[23]在 3.0 T場(chǎng)強(qiáng)采用MR gagCEST對(duì) 12名健康志愿者的測(cè)定發(fā)現(xiàn)髕骨區(qū)及滑車(chē)區(qū)軟骨MTRasym值高于股骨內(nèi)側(cè)和脛骨平臺(tái)側(cè)軟骨；而Schreiner等[24]在7.0 T場(chǎng)強(qiáng)下對(duì)10名健康志愿者的研究顯示脛軟骨、髕骨軟骨及滑車(chē)軟骨MTRasym值低于股骨軟骨非負(fù)重區(qū)。髕骨區(qū)及滑車(chē)區(qū)軟骨MTRasym值高于股骨內(nèi)側(cè)和脛骨平臺(tái)側(cè)軟骨[23]，非負(fù)重軟骨區(qū) （脛軟骨和髕骨軟骨及滑車(chē)軟骨）MTRasym值明顯低于負(fù)重軟骨（股骨軟骨）[24]。

4 MR gagCEST目前存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)

4.1 較復(fù)雜的后處理 由于人體成分復(fù)雜，直接MRgagCEST測(cè)定值受干擾因素較多，如直接核奧氏效應(yīng)、直接水飽和效應(yīng)及半固體常規(guī)MT效應(yīng)、組織代謝等，使得計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜[25]。年齡、性別、體質(zhì)量指數(shù)、被檢測(cè)物體的溫度、酸堿度等可能是影響MRgagCEST檢測(cè)的潛在因素[26-27]，今后可行進(jìn)一步研究分析。

4.2 對(duì)磁場(chǎng)的不均勻性敏感 由于人體膝關(guān)節(jié)解剖復(fù)雜，其軟骨結(jié)構(gòu)薄而彎曲，故膝關(guān)節(jié)軟骨中的靜磁場(chǎng)是不均勻的。當(dāng)主磁場(chǎng)不均勻性增大時(shí)，相對(duì)于水的0點(diǎn)頻率的z譜會(huì)發(fā)生漂移，由于MTRasym值是基于與氫質(zhì)子飽和頻率（Ssat/S0）的差值，任何由局部主磁場(chǎng)不均引起的z譜微小變化都會(huì)影響MTRasym值測(cè)定[5，28]。所以，實(shí)際測(cè)定時(shí)常常需對(duì)B0進(jìn)行校正，確保自由水中氫質(zhì)子頻率相較于z譜0點(diǎn)不出現(xiàn)偏移。常用的驗(yàn)證及校正磁場(chǎng)均勻性的方法有3種：①傳統(tǒng)z譜法，即前期通過(guò)一系列固定間隔的預(yù)飽和脈沖頻率偏移量獲得整個(gè)z譜所需水質(zhì)子的飽和率。然后，用高階多項(xiàng)式擬合法評(píng)估并判斷光譜中最低信號(hào)是否為自由水頻率，評(píng)估主磁場(chǎng)均勻情況。但是，這種方法缺點(diǎn)較多，一是由于需要測(cè)定的預(yù)飽和脈沖頻率較多，所用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；另外，由于所繪制的z譜較寬，共振脈沖頻率間隔較大，導(dǎo)致測(cè)得的自由水共振頻率常不準(zhǔn)確，對(duì)測(cè)定MR gagCEST效應(yīng)影響較大。②水飽和移位（water saturation shift referencing，WASSR）校正法[29-30]，該方法被國(guó)際主流研究團(tuán)隊(duì)所推崇，2009年Kim等[29]首次提出，由于MRgagCEST技術(shù)的固有直接水飽和效應(yīng)，特別是在低場(chǎng)強(qiáng)領(lǐng)域，直接水飽和效應(yīng)會(huì)明顯增加，從而影響GAG濃度量化的測(cè)定準(zhǔn)確性，因此當(dāng)常規(guī)z譜法顯示主磁場(chǎng)不均時(shí)，用WASSR校正更為準(zhǔn)確。其原理是通過(guò)先激發(fā)一個(gè)能量較低的預(yù)飽和射頻脈沖，只引起直接水飽和效應(yīng)，再根據(jù)常規(guī)固體MT效應(yīng)和直接水飽和效應(yīng)關(guān)于水頻率的對(duì)稱(chēng)性，校正主磁場(chǎng)的不均勻性，由于只選取參考頻率范圍（+1ppm～－1ppm）進(jìn)行部分z譜采樣，大大增加了準(zhǔn)確性，同時(shí)縮短總掃描時(shí)間。③改變采集多回波的脈沖序列進(jìn)行校正，根據(jù)其相位差校正B0場(chǎng)強(qiáng)非均勻性[31－32]。通過(guò)調(diào)節(jié)飽和脈沖長(zhǎng)度等參數(shù)的改進(jìn)亦能減少磁場(chǎng)不均的影響[24]。

4.3 掃描時(shí)間長(zhǎng) 由于在低場(chǎng)強(qiáng)中化學(xué)轉(zhuǎn)移率較慢及前期需要對(duì)主磁場(chǎng)均勻性的校正，使掃描時(shí)間增加，長(zhǎng)時(shí)間的掃描也增加了運(yùn)動(dòng)偽影產(chǎn)生的可能。但也有研究[33]證實(shí)合理調(diào)節(jié)MR gagCEST掃描參數(shù)（如適當(dāng)增加分區(qū)數(shù)目和延長(zhǎng)TR），可以有效減少掃描時(shí)間，提高信噪比，增加MTRasym值準(zhǔn)確性，其為MRgagCEST技術(shù)未來(lái)在低場(chǎng)強(qiáng)中運(yùn)用于臨床診斷提供了新的方向。

4.4 3 T場(chǎng)強(qiáng)下CEST值易受到高T2值影響 有研究[20]表明，在3.0 TMRI中，如果T2值很高或生化成分改變明顯將嚴(yán)重影響其結(jié)果，甚至?xí)c7 T場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量結(jié)果相反。當(dāng)已知T1或T2值時(shí)，使用現(xiàn)有CEST校正算法進(jìn)行修改，以最小化T2效應(yīng)[34]，即有可能對(duì)T2效應(yīng)進(jìn)行校正。

5 小結(jié)

MRgagCEST技術(shù)是一種評(píng)估關(guān)節(jié)軟骨質(zhì)量的有效且無(wú)創(chuàng)的新方法，其不僅可用來(lái)檢測(cè)由于退化損傷導(dǎo)致的軟骨質(zhì)量的縱向變化，而且可以客觀測(cè)定軟骨和軟骨修復(fù)組織的生物化學(xué)成分，評(píng)價(jià)軟骨修復(fù)術(shù)的療效。由于3.0 T的MR gagCEST測(cè)量的MTRasym值較低且化學(xué)轉(zhuǎn)移率較慢，影像信噪比差，受磁場(chǎng)不均影響較大，因此準(zhǔn)確的MR gagCEST成像大多依靠7.0 TMR設(shè)備實(shí)現(xiàn)，但目前主要用于科研，尚未廣泛用于臨床。隨著未來(lái)技術(shù)的進(jìn)步，3.0 TMRgagCEST可能會(huì)真正廣泛地服務(wù)于臨床。