含釓對比劑在腦部沉積研究

陳明月，周佳偉，崔永征，陸佳瑩，李菁菁

小分子順磁性含釓對比劑(gadolinium-based contrast agents,GBCAs)是一種靜脈內(nèi)注射藥品，臨床上被廣泛用于增強各種內(nèi)臟器官、血管和組織的圖像質(zhì)量，在放射學(xué)實踐中起著重要的作用[1]。特別是一些氧化物納米粒子，如極小尺寸的氧化鐵納米顆粒[2]和氧化錳納米顆粒[3]以及基于聚合物的氧化釓納米顆粒[4]，展現(xiàn)出了優(yōu)異的MRI對比效果。

GBCAs自1987年被發(fā)現(xiàn)以來已使用超過3億次，現(xiàn)階段每年全世界使用量達(dá)三千多萬[5]。研究表明在靜脈給藥后GBCAs大多以原型形式通過腎臟排出體外，小部分的釓貝葡胺可由正常肝細(xì)胞代謝并分泌到膽道系統(tǒng)。盡管絕大部分GBCAs在注射后可以從體內(nèi)有效清除，但是隨著GBCAs的大量應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)磁共振(magnetic resonance, MR)增強掃描后GBCAs可能會造成釓在皮膚、骨骼、肝臟和腦等組織器官中的沉積。

2014年，Kanda等[6]發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷多次GBCAs 增強MR檢查的腎功能正?；颊吣X部T1WI上，尤其是齒狀核(dentate nucleus,DN)和蒼白球(globus pallidus,GP)處出現(xiàn)異常高信號。當(dāng)GBCAs注射量超過某一閾值時，腦中某些區(qū)域的信號強度增加，迄今為止，已有研究證明暴露于超過6次MR增強檢查患者的這種相關(guān)性[7]。GBCAs給藥后的生物安全性問題已經(jīng)引起了國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注[8-10]。

含釓對比劑的分類及其化學(xué)性質(zhì)

釓是一種鑭系金屬元素，因Gd3+具有高順磁性，在成像過程中會改變水質(zhì)子的弛豫特性，從而產(chǎn)生組織對比度的變化。GBCAs由Gd3+和其他分子螯合而成，釓與配體分子緊密結(jié)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而降低游離釓本身的毒性，同時改變體內(nèi)分布以確保圖像對比度[11]。根據(jù)螯合配體化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，GBCAs分為線性和大環(huán)類，每組根據(jù)電荷又可細(xì)分為離子型和非離子型(表1)。其中，臨床常用含釓對比劑Gd-DTPA為線性離子型。

GBCAs作為臨床廣泛使用的MRI對比劑，具有以下特征：高弛豫率、高穩(wěn)定性、快速清除能力、低滲透壓(高于血漿但遠(yuǎn)低于碘對比劑)、低粘度以及低毒性。釓螯合物的穩(wěn)定性通過熱力學(xué)穩(wěn)定性和動力學(xué)穩(wěn)定性兩個主要參數(shù)描述。熱力學(xué)穩(wěn)定性描述了破壞Gd3+與螯合配體之間的鍵并釋放Gd3+所需的能量，反映了釓對配體的親和力，而動力學(xué)穩(wěn)定性描述了當(dāng)滿足熱力學(xué)條件時Gd3+從螯合物中解離的速率，即多快達(dá)到解離平衡。釓螯合物的熱力學(xué)和動力學(xué)穩(wěn)定性是GBCAs的固有性質(zhì)并且取決于它們的分子結(jié)構(gòu)，除此之外，解離速率還與暴露環(huán)境有關(guān)，例如溫度和pH[12]。

基于過去的研究發(fā)現(xiàn)大環(huán)GBCAs比線性GBCAs更能在體內(nèi)穩(wěn)定存在，同時表現(xiàn)出較低的體外釋放釓的傾向，而離子型又優(yōu)于非離子型[13]。一項臨床前實驗顯示[14]重復(fù)高劑量給藥后，僅在一些線性劑釓雙胺處理的動物中觀察到皮膚宏觀和組織病理學(xué)損傷，這一結(jié)果也充分證明了線性和大環(huán)類GBCAs在螯合物穩(wěn)定性上的差異。

表1 臨床常用含釓對比劑的名稱及分類

釓在腦部沉積現(xiàn)象

近年來，研究者們多次報道了腦MRI異常T1WI高信號與GBCAs接觸史之間的關(guān)聯(lián)[15-16]，線性和大環(huán)GBCAs由于自身結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的不同而在人體和動物模型中表現(xiàn)出一定的沉積差異。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)，從重復(fù)施用GBCAs的患者腦中檢測到釓，進(jìn)一步證實了上述現(xiàn)象與釓在腦部的沉積有關(guān)。

1.臨床試驗

Zhang等[17]發(fā)表了一項研究，在接受超過35次線性GBCAs給藥患者的其他大腦區(qū)域(如黑質(zhì)、紅核、上小腦腳、尾狀核、丘腦和殼核)中發(fā)現(xiàn)了T1WI高信號，與此同時，Khant等[18]發(fā)現(xiàn)在至少86次給藥后(大多數(shù)為線性)，中央前回和中央后回的皮質(zhì)以及距狀溝周圍出現(xiàn)T1WI高信號。上述研究結(jié)果表明盡管DN和GP是腦內(nèi)釓沉積最常發(fā)現(xiàn)的部位，但釓在腦內(nèi)的沉積并不局限于DN和GP。

根據(jù)Kanda[19]和Radbruch等[20]一系列的研究結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)DN中出現(xiàn)的T1WI高信號與線性GBCAs重復(fù)給藥有關(guān)，而與大環(huán)類無關(guān)，這一現(xiàn)象在兒科患者身上也得到了證實[21-22]。然而，Stojanov等[23]報道了在大環(huán)類GBCAs注射后檢測到DN信號強度增加，Bjornerud等[24]在接受大環(huán)劑釓布醇注射的腦膠質(zhì)瘤患者中也觀察到了類似現(xiàn)象。目前，R1(1/T1)弛豫率測量[25]和定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping，QSM)的應(yīng)用實現(xiàn)了更加準(zhǔn)確的腦部釓沉積評估。QSM研究結(jié)果顯示在給予線性GBCAs后，DN易感性增加[26]，而接受大劑量大環(huán)GBCAs(主要是釓布醇)的患者沒有發(fā)現(xiàn)信號改變[27]。關(guān)于穩(wěn)定性較高的大環(huán)GBCAs是否導(dǎo)致腦部釓沉積存在著矛盾的研究，大量作者表明僅在使用線性GBCAs后觀察到DN和GP中出現(xiàn)T1WI高信號[28-30]。

先前的研究將暴露于GBCAs作為釓沉積后T1WI信號強度變化的唯一作用因素，然而最近一些研究顯示腦照射、化療以及原發(fā)性腦腫瘤組織病理類型對于GBCAs后兒童DN和GP信號強度變化的測量可能存在影響[31-32]。此外，Ramalho等[33]的研究表明T1加權(quán)自旋回波和MPRAGE序列互換會影響DN中信號強度的定性或定量分析，在患者給藥前后應(yīng)使用相同的序列進(jìn)行檢查。這提示人們在進(jìn)行腦內(nèi)釓沉積實驗研究以及解讀相關(guān)研究報告時，應(yīng)將這些潛在的混雜因素考慮在內(nèi)。

總之，在未增強的T1WI上，DN和較小程度上GP的信號強度增加顯示與先前重復(fù)暴露于GBCAs相關(guān)。此外，所用GBCAs的類別和累積劑量，均可能會造成上述區(qū)域的影像學(xué)差異。釓沉積發(fā)生在人腦中并且可能長時間保留，大量腎功能正?；颊叩难芯繄蟮辣砻髂I功能健全與否不是釓可能在腦內(nèi)沉積的先決條件。

組織學(xué)分析:大量MRI結(jié)果已經(jīng)描述了DN和基底神經(jīng)節(jié)中信號強度增加與先前接觸GBCAs之間的相關(guān)性，隨后的研究則直接證實了神經(jīng)元組織中釓的存在[34]。ICP-MS結(jié)合透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡的使用，提供了釓沉積的客觀證據(jù)，隨后，掃描電子顯微鏡/能量色散X射線光譜儀和激光燒蝕ICP-MS(laser ablation ICP-MS,LA-ICP-MS)的更高空間分辨率提供了進(jìn)一步的信息，以量化、定位和評估釓沉積的影響。McDonald等[35]利用透射電子顯微鏡/能量色散X射線光譜儀檢測到釓沉積物主要積聚在內(nèi)皮壁內(nèi)，少數(shù)散布在神經(jīng)間質(zhì)中，但光學(xué)顯微鏡下未發(fā)現(xiàn)神經(jīng)損害。最初認(rèn)為這種沉積是由于血腦屏障遭到破壞而發(fā)生的，但腦病理正?；颊叩氖瑱z報告表明[36]，在血腦屏障完整的情況下也可以定量觀察到這種現(xiàn)象。在腦腫瘤的活檢標(biāo)本中，Xia等[37]發(fā)現(xiàn)含釓的沉積物主要存在于高度血管區(qū)域，通常位于血管壁內(nèi)，并與鈣化有關(guān)。盡管在MRI上DN缺乏T1WI高信號，但尸檢標(biāo)本相應(yīng)的LA-ICP-MS顯示釓在DN及小腦皮質(zhì)內(nèi)的沉積[38]。

多數(shù)腦T1WI的體內(nèi)研究表明大環(huán)GBCAs無沉積或沉積程度較小因而未表現(xiàn)出T1WI異常高信號。然而Murata等[39]發(fā)表的尸檢報告中大環(huán)試劑在DN和GP處均有沉積。造成這種差異的原因可能在于ICP-MS等組織分析技術(shù)較MRI更為靈敏，能捕捉到顱內(nèi)更細(xì)微的釓沉積。此外，從螯合物中釋放的Gd3+可能與體內(nèi)陰離子形成不溶性釓鹽(如磷酸釓)，其對質(zhì)子的T1WI和T2WI弛豫影響很小，因此通過T1WI信號強度來評估腦中釓含量時可能會造成對釓的估計不足。

尸檢和活檢標(biāo)本的組織學(xué)分析與影像學(xué)檢查形成了病理相關(guān)性，有助于闡明釓和T1WI高信號之間的關(guān)系并詳細(xì)描述釓在顱內(nèi)的生物分布。盡管尸檢報告表明神經(jīng)元組織中存在釓沉積的直接證據(jù)，但組織病理學(xué)未顯示釓的神經(jīng)損害，因此顱內(nèi)釓沉積的臨床后果尚不清楚。

2.動物模型

臨床前動物研究表明在給予不同類型的GBCAs后，腦組織中釓沉積存在顯著差異。Robert等[40]在健康大鼠線性或大環(huán)GBCAs給藥后，對深部小腦核(deep cerebellar nucleus,DCN)進(jìn)行評估，T1WI高信號在第8次注射線性劑釓雙胺的動物模型中得到了定性觀察，而大環(huán)劑釓特酸葡甲胺組未觀察到該現(xiàn)象。隨后，多項研究顯示重復(fù)給予GBCAs主要是線性藥物后，大鼠DCN出現(xiàn)T1WI高信號[41-43]。這與先前的研究結(jié)果一致，這些研究表明大環(huán)GBCAs處理的大鼠腦內(nèi)釓保留濃度遠(yuǎn)低于線性GBCAs。然而不容忽視的是在注射大環(huán)試劑的實驗動物中，檢測到的顱內(nèi)釓水平均高于生理鹽水注射組。

目前，已有LA-ICP-MS結(jié)果表明在施用線性GBCAs后的嚙齒動物DCN和腦顆粒層內(nèi)釓的局部積累，但組織學(xué)分析未在腦中發(fā)現(xiàn)相關(guān)病理學(xué)改變[14]。

釓在腦中的沉積和清除

1.釓在腦中沉積的潛在機制

顱內(nèi)腫瘤等疾病導(dǎo)致血腦屏障完整性局部破壞時，GBCAs可通過缺損處進(jìn)入腦內(nèi)，然而無血腦屏障異常情況下的腦內(nèi)釓沉積難以解釋。健康大鼠[44]和人體成像研究[45-46]表明藥物可能是通過脈絡(luò)叢在腦脊液(cerebrospinal fluid,CSF)中積聚，然后分布到大腦。研究表明CSF和間質(zhì)液存在著對流交換，Iliff等[47]據(jù)此提出假設(shè)，GBCAs從CSF轉(zhuǎn)移到大腦是通過“glymphatic”途徑。盡管轉(zhuǎn)移到CSF的GBCAs濃度非常低，但其在CSF中清除較慢，腦組織以相對更長的時間暴露在含有GBCAs的CSF中，因而更大可能發(fā)生釓沉積。

由于目前的組織檢測方法對螯合物配體有破壞性，因此ICP-MS僅能夠檢測元素釓的量，而不知其具體存在形態(tài)。最近一項大鼠研究顯示[48]重復(fù)給予GBCAs后大鼠腦中的殘留釓至少存在于3種形式：可溶性小分子(包括完整的GBCAs)、可溶性大分子和不溶性形式。其中來自大環(huán)試劑的釓僅存在于可溶性小分子中(最有可能是完整GBCAs)，而線性GBCAs解螯合的釓大部分與其他分子形成不溶性釓復(fù)合物，較小程度上也與可溶性大分子結(jié)合。Gianolio等[49]在同年發(fā)表的一篇文章中也報道了相似的結(jié)果。

在生理條件下，內(nèi)源性陽離子如Fe3+、Zn2+、Cu2+等可與Gd3+競爭配體，誘導(dǎo)釓螯合物的解離，這個過程稱為金屬轉(zhuǎn)移。金屬轉(zhuǎn)移的概率取決于內(nèi)源金屬離子對配體的親和力，即與金屬離子螯合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)。由于Fe配體螯合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性比已知GBCAs高出幾個數(shù)量級[50]，因此鐵金屬轉(zhuǎn)移假設(shè)是高度可信的。據(jù)報道多次暴露于GBCAs的患者M(jìn)RI T1WI高信號區(qū)域與生理性鐵沉積有關(guān)[18]。Fretellier等[51]在大鼠血清中加入線性GBCAs后觀察到Fe配體螯合物，表明在pH4.0下Fe3+與Gd3+發(fā)生了金屬轉(zhuǎn)移。在一項專門研究該假設(shè)的大鼠實驗中，作者提出釓和Fe還可能通過相同的途徑進(jìn)入腦區(qū)域[52]。

2.腦部釓沉積的潛在清除

研究顯示在重復(fù)給予線性劑釓雙胺后，大腦中低水平的釓從第1周到20周減少了約43%，表明存在腦內(nèi)釓清除的可能性[53]。Behzadi等[54]對13名先前使用超過6次線性劑釓噴酸葡胺后轉(zhuǎn)用大環(huán)劑釓布醇的患者進(jìn)行了回顧性研究。在最后一次釓噴酸葡胺給藥后至少12個月的多次隨訪中發(fā)現(xiàn)DN-腦橋和DN-小腦腳信號強度比率下降。

大多數(shù)靜脈注射的GBCAs通過體循環(huán)經(jīng)腎臟排泄，腦血管中的濃度也隨之迅速降低。然而， hT2W-3D-FLAIR(heavily T2-weighted 3D-FLAIR)觀察顯示一定量的GBCAs可以從血液中漏到眼球前部或顱神經(jīng)周圍區(qū)域等腔室[55-56]。這暗示著GBCAs在腦中可能存在其他清除途徑，包括房水通道或CSF-淋巴連接通道，且此時GBCAs的動力學(xué)與全身循環(huán)不同[57]。釓從腦組織中清除的具體機制和過程尚不清楚，但釓的潛在清除將是各類型GBCAs使用時的重要考量因素。

釓在大腦以外部位的沉積

2006年的一項研究首先將嚴(yán)重腎功能不全患者腎源性系統(tǒng)性纖維化(nephrogenic systemic fibrosis,NSF)的發(fā)生與GBCAs的給藥聯(lián)系起來[58]。NSF是終末期腎病患者接受GBCAs增強掃描后的一種嚴(yán)重晚期不良反應(yīng)，以皮膚增厚、硬結(jié)和皮下水腫為特征。最近，一項報道[59]顯示在腎功能正常的患者中，以極高累積劑量接觸GBCAs可導(dǎo)致皮膚中顯著的釓沉積，這對NSF的發(fā)生機制和發(fā)展過程提出了新的挑戰(zhàn)。

尸檢研究發(fā)現(xiàn)[39]暴露于GBCAs的患者骨皮質(zhì)存在顯著的釓沉積。Lord等[60]開發(fā)的無創(chuàng)測量裝置的檢測結(jié)果表明釓可以在骨中保留多年。除了皮膚和骨骼，釓還可殘留在肝臟等其他器官，在施用GBCAs的動物模型中也有發(fā)現(xiàn)[61]。暴露于GBCAs后延遲發(fā)作NSF的報告表明[62]骨可能作為釓的長期儲存庫，隨后緩慢釋放釓至其他組織。然而，在沒有嚴(yán)重腎損害的情況下，這種儲庫效應(yīng)的臨床意義尚不明確。

關(guān)于含釓對比劑腦部沉積危害的評估

由于DN和GP在調(diào)節(jié)和控制自主運動中起著重要作用，因此釓在這些區(qū)域的沉積可能導(dǎo)致功能缺陷或出現(xiàn)其他臨床癥狀。Barbieri等[63]在研究3名腎功能損傷和血管鈣化的患者腦內(nèi)釓沉積的高信號時，發(fā)現(xiàn)他們均出現(xiàn)了原因不明的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的短暫癥狀。但這些癥狀與釓沉積的關(guān)聯(lián)并不清楚，因此無法證明釓的潛在神經(jīng)毒性。

目前，美國、歐盟等國外藥監(jiān)部門已相繼發(fā)布了關(guān)于GBCAs的安全性信息，提醒在進(jìn)行多次增強MR掃描后，可能會造成釓在腦部的沉積。美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration,FDA)于2015年7月發(fā)布安全聲明[64]表示正在調(diào)查重復(fù)使用GBCAs進(jìn)行MR檢查后腦沉積的風(fēng)險。2017年5月，F(xiàn)DA發(fā)表最新說明[65]評估顯示尚未發(fā)現(xiàn)GBCAs腦部沉積后對健康存在不良影響或有相關(guān)的病理改變，因此目前并未限制GBCAs的使用，但會進(jìn)一步研究可能的安全風(fēng)險。隨后，歐洲藥品管理局(European Medicines Agency,EMA)發(fā)布了關(guān)于GBCAs的決定，基于GBCAs給藥后腦內(nèi)釓沉積的證據(jù)，EMA建議限制MR掃描中使用的某些線性釓劑，同時規(guī)定線性劑釓貝葡胺僅限于肝臟掃描[66]。鑒于目前腦沉積的研究情況和未知風(fēng)險，國際醫(yī)學(xué)磁共振協(xié)會(International Society for Magnetic Resonance in Medicine，ISMRM)推薦將腦內(nèi)釓沉積作為知情同意書的一部分[67]。

現(xiàn)有證據(jù)支持GBCAs可能造成腦內(nèi)釓沉積，但目前沒有發(fā)現(xiàn)任何有關(guān)腦沉積實質(zhì)性健康損害的確切證據(jù)。盡管尚未收到與腦部釓沉積相關(guān)的不良反應(yīng)事件報告，國家藥品不良反應(yīng)監(jiān)測中心仍建議相關(guān)醫(yī)務(wù)人員應(yīng)謹(jǐn)慎使用 GBCAs。在必須使用的情況下，應(yīng)使用最低批準(zhǔn)劑量，并在重復(fù)給藥前仔細(xì)進(jìn)行獲益風(fēng)險評估[68]。

近年來發(fā)表的臨床和非臨床研究數(shù)據(jù)表明，多次暴露于GBCAs與腦和其他組織中可能出現(xiàn)的釓積累相關(guān)，且對于某些結(jié)構(gòu)(例如DN和GP)具有趨向性。線性GBCAs由于較低的熱力學(xué)和動力學(xué)穩(wěn)定性，往往表現(xiàn)出顯著高于大環(huán)試劑的組織沉積。目前雖然有較多關(guān)于腦內(nèi)釓沉積的報道，但存在一定的偏倚：①臨床研究都是單中心回顧性研究；②研究中存在可能影響實驗分析的其他混雜因素，如先前GBCAs的使用情況，GBCAs注射間隔，放化療、腦腫瘤和已有疾病的活動進(jìn)展以及磁場強度、MRI序列和檢查間隔等。