酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像在腦腫瘤中的研究進(jìn)展

劉懷貴 李威

病理學(xué)檢查是腫瘤診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，近年來分子和遺傳學(xué)亦為腫瘤診斷提供了重要信息[1]。MRI因具有無創(chuàng)性在臨床診斷中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?；瘜W(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（chemical exchange saturation transfer，CEST）是一種新型 MRI技術(shù)，能夠選擇性標(biāo)記內(nèi)源性或外源性游離大分子中可交換的氫質(zhì)子[2]。酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移（amide proton transfer，APT）成像是基于 CEST 的 MRI技術(shù)[3]，可敏感探測組織中游離蛋白質(zhì)和多肽。APT成像最早在2003年由Zhou團(tuán)隊提出，并逐步應(yīng)用于腦腫瘤、卒中、阿爾茨海默病、帕金森病、多發(fā)性硬化癥和創(chuàng)傷性腦損傷等領(lǐng)域[4]。近年已有文獻(xiàn)[5-6]對APT成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)（包括腦腫瘤、卒中、腦發(fā)育及神經(jīng)退行性疾?。┑难芯窟M(jìn)展，以及在膠質(zhì)瘤假性進(jìn)展與復(fù)發(fā)鑒別中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)報道。本文則對CEST/APT的基本原理及其在腦腫瘤中的具體應(yīng)用價值、局限性和前景進(jìn)行闡述。

1 CEST和APT原理

CEST 是在磁化傳遞（magnetization transfer，MT）技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生而來，其經(jīng)典的原理解釋是兩池模型[7]，包括自由水池（溶液池）與可交換池（溶質(zhì)池）。通過選擇性對可交換池預(yù)先施加飽和脈沖，使可交換池中的氫質(zhì)子得到飽和，進(jìn)而與周圍的自由水池中的氫質(zhì)子進(jìn)行化學(xué)交換，使水的MR信號降低，通過水分子的信號變化可以間接反映特定大分子的含量或者此交換過程的快慢。由于溶質(zhì)濃度非常低（通常為毫摩爾級），并且受到交換速率快慢的限制，因而不容易在常規(guī)MR影像上觀察到信號。通過持續(xù)施加飽和脈沖，使自由水池與可交換池中氫質(zhì)子的化學(xué)交換轉(zhuǎn)移效應(yīng)得到累積，利用這種放大機(jī)制，間接觀察低濃度溶質(zhì)的相關(guān)信息。

APT成像是一種特殊類型的內(nèi)源性CEST成像技術(shù)[3]，能夠半定量檢測內(nèi)源性游離蛋白質(zhì)和多肽中的酰胺質(zhì)子。自由水中氫質(zhì)子的共振頻率是0，而酰胺質(zhì)子的共振頻率是3.5ppm （ppm表示10-6），由于水和酰胺質(zhì)子的共振頻率相差較遠(yuǎn)，因此APT成像被認(rèn)為是最具臨床可行性的CEST成像類型。APT效應(yīng)通常被量化為非對稱性磁化傳遞率（magnetization transfer ratio，MTRasym）。 在 距 離 水 峰 ±3.5ppm位置的磁化轉(zhuǎn)移率之差被認(rèn)為是APT信號強(qiáng)度近似指標(biāo)，亦被稱為APT加權(quán)信號強(qiáng)度（APT-weighted signal intensity，APT-WSI）。 計 算 公 式 為MTRasym（3.5ppm)= （S-3.5ppm-S3.5ppm）/S0，其中 S-3.5ppm、S3.5ppm分別為施加飽和脈沖在-3.5ppm和3.5ppm的信號強(qiáng)度，S0為未施加飽和脈沖的信號強(qiáng)度。

2 APT在腦腫瘤的應(yīng)用

Zhou等[8]首次將APT成像技術(shù)應(yīng)用于大鼠膠質(zhì)肉瘤模型的研究中，發(fā)現(xiàn)腫瘤組織的APT-WSI明顯高于對照側(cè)的正常腦組織；并比較APT圖像與常規(guī)T1WI、T2WI的差異，發(fā)現(xiàn)APT圖像上腫瘤的邊界范圍顯示更加清晰；腫瘤內(nèi)的蛋白質(zhì)和多肽類含量較高，其內(nèi)可交換的酰胺質(zhì)子較多從而表現(xiàn)出明顯的APT對比，APT成像在顯示腫瘤組織時有較高的敏感度和特異度。蛋白質(zhì)組學(xué)研究[9]表明，異常增殖、代謝活躍的腫瘤組織，其蛋白質(zhì)代謝增強(qiáng)，表達(dá)蛋白質(zhì)種類更豐富、含量增加。此后，Zhou等[10]又以膠質(zhì)瘤病人為研究對象，發(fā)現(xiàn)腫瘤核心區(qū)域的APT-WSI大于腫瘤周圍水腫區(qū)；且隨著腫瘤級別的增高，APT圖像上的腫瘤信號強(qiáng)度也隨之增高。由此可見，APT成像有利于提高診斷的準(zhǔn)確性且能提供更多的信息；同時不需要引入外源性對比劑，利用人體內(nèi)的大分子物質(zhì)作為天然對比劑進(jìn)行成像更加有效、安全。

2.1 膠質(zhì)瘤分級的預(yù)測 由于膠質(zhì)瘤級別不同，病人的預(yù)后和相應(yīng)的治療策略存在很大差異，因此預(yù)測膠質(zhì)瘤分級十分重要[11]。有研究[10]采用3 TMRI對高、低級別膠質(zhì)瘤分析發(fā)現(xiàn)，腦腫瘤核心區(qū)域組織比周圍水腫區(qū)域組織的APT-WSI高3%~4%，且6例高級別膠質(zhì)瘤的APT-WSI高于3例低級別膠質(zhì)瘤（分別為 2.9%±0.6%，1.2%±0.2%），表明 APT成像在膠質(zhì)瘤分級方面具有較大潛力。Togao等[12]研究顯示成人彌漫性膠質(zhì)瘤 （36例）的WHO分級與APTWSI呈正相關(guān)，高級別膠質(zhì)瘤的APT-WSI高于低級別膠質(zhì)瘤，進(jìn)一步證實(shí)了APT成像在預(yù)測組織學(xué)分級方面具有一定的臨床應(yīng)用價值；并且以APT-WSI作為生物標(biāo)志物區(qū)分高級別（Ⅲ級和Ⅳ級）和低級別（Ⅱ級）膠質(zhì)瘤的敏感度和特異度分別高達(dá)93%和100%。Jiang等[13]利用APT成像技術(shù)引導(dǎo)定向活檢，發(fā)現(xiàn)APT圖像可識別異質(zhì)性膠質(zhì)瘤中的高級別區(qū)域。這些研究表明，APT成像技術(shù)可能成為膠質(zhì)瘤分級預(yù)測的可靠手段。

2.2 膠質(zhì)瘤基因突變的預(yù)測 2016中樞神經(jīng)系統(tǒng)WHO分類首次增加了分子分型[1]，其中彌漫性膠質(zhì)瘤病人是否有異檸檬酸脫氫酶（IDH）突變對于預(yù)測預(yù)后十分重要。有研究[14]報道，Ⅱ級和Ⅲ級星形細(xì)胞瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤存在IDH突變是預(yù)后良好的標(biāo)志。因此，術(shù)前檢測這種突變有助于規(guī)劃合適的治療方案。Jiang等[15]采用APT成像預(yù)測Ⅱ級膠質(zhì)瘤的IDH突變狀態(tài)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)IDH野生型膠質(zhì)瘤的APT-WSI顯著高于IDH突變型腫瘤 （IDH野生型：1.39%±0.49%，IDH 突變型：0.93%±0.44%）， 證明APT成像對膠質(zhì)瘤基因突變預(yù)測價值較好。

2.3 膠質(zhì)瘤與腦轉(zhuǎn)移瘤、淋巴瘤的鑒別 腦轉(zhuǎn)移瘤和膠質(zhì)瘤是最常見的腦惡性腫瘤，因兩者治療方案不同，所以對于腦轉(zhuǎn)移瘤和膠質(zhì)瘤的鑒別至關(guān)重要。Yu等[16]應(yīng)用APT成像鑒別孤立性腦轉(zhuǎn)移瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，發(fā)現(xiàn)孤立性腦轉(zhuǎn)移瘤瘤周腦區(qū)的APTWSI明顯低于膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤約占原發(fā)性腦腫瘤的5%，盡管發(fā)病率相對較低，因膠質(zhì)瘤與原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤治療方案不同，所以術(shù)前準(zhǔn)確鑒別腫瘤類型具有重要的臨床意義。Jiang等[17]利用APT成像鑒別高級別膠質(zhì)瘤和原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤發(fā)現(xiàn)，淋巴瘤的APT-WSI低于膠質(zhì)瘤（分別為3.38%±1.06%，4.36%±1.30%）；在腫瘤內(nèi)勾畫不同興趣區(qū)測量發(fā)現(xiàn)，淋巴瘤的最大、最小APT-WSI差值亦低于膠質(zhì)瘤（分別為 0.76%±0.42%，2.55%±1.20%），且利用最大、最小APT-WSI差值作為生物標(biāo)志物來區(qū)分這兩種腫瘤的敏感度為100%、特異度為84.6%[17]。該研究將這一發(fā)現(xiàn)歸因于原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤具有較高的核-細(xì)胞質(zhì)比率且細(xì)胞異質(zhì)性較低，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離蛋白的數(shù)量較少，故其APT-WSI較低，不同興趣區(qū)APT-WSI差異較小。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)淋巴瘤瘤周水腫的APT-WSI顯著低于膠質(zhì)瘤[17]?？赡苁且驗槟X轉(zhuǎn)移瘤和原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤的瘤周水腫主要為血管炎性水腫，而膠質(zhì)瘤的瘤周水腫主要是腫瘤細(xì)胞浸潤，含有更多的游離蛋白質(zhì)，因此膠質(zhì)瘤瘤周水腫的APT-WSI更高。由此可見，APT成像技術(shù)在術(shù)前鑒別腦腫瘤方面有較高的應(yīng)用價值。

2.4 治療后相關(guān)變化與腫瘤復(fù)發(fā)的區(qū)別 高級別膠質(zhì)瘤通常采用手術(shù)治療，輔以放射治療及化療。術(shù)后放化療后，膠質(zhì)瘤病人在后續(xù)隨訪復(fù)查的增強(qiáng)MR檢查中出現(xiàn)T1WI明顯強(qiáng)化的病變時，需要判斷是腫瘤復(fù)發(fā)還是治療后相關(guān)變化，但常規(guī)T1WI增強(qiáng)檢查無法準(zhǔn)確鑒別[18]。腫瘤復(fù)發(fā)表現(xiàn)為細(xì)胞異常增生，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)迅速合成、濃度增加；而治療后相關(guān)變化表現(xiàn)為細(xì)胞壞死，細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器損傷導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)蛋白缺乏。動物實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn)APT可作為鑒別腫瘤復(fù)發(fā)和治療后相關(guān)變化的生物標(biāo)志物，并已在臨床研究中得到驗證[19-21]。Zhou等[22]對大鼠放射誘導(dǎo)壞死模型研究發(fā)現(xiàn)，與正常腦組織相比，放射后壞死區(qū)域表現(xiàn)為低或等APT-WSI。Ma等[23]對化療后臨床懷疑腫瘤復(fù)發(fā)的病人進(jìn)行APT成像，發(fā)現(xiàn)真正的腫瘤復(fù)發(fā)與高APT-WSI密切相關(guān)，而治療后相關(guān)變化與APT-WSI等信號或輕度高信號相關(guān)。近期，一項關(guān)于MRI引導(dǎo)定向活檢的研究[24]發(fā)現(xiàn)，有活性的腫瘤區(qū)域APT-WSI明顯高于無活性的腫瘤區(qū)域。這些研究均顯示與治療后相關(guān)變化相比，復(fù)發(fā)性腫瘤的APT-WSI明顯增高，較高的APTWSI可能與腫瘤的異常增殖有關(guān)，進(jìn)一步支持了APT技術(shù)并可作為鑒別治療后相關(guān)變化與腫瘤復(fù)發(fā)的生物學(xué)標(biāo)志物。

3 APT成像的局限性

在腦腫瘤成像中，細(xì)胞內(nèi)胞質(zhì)蛋白被認(rèn)為是APT成像的主要信號來源，但也有一些其他因素可以增加APT信號強(qiáng)度：①若囊腫和空腔病變中富含蛋白質(zhì)，其APT-WSI值往往較高，此時囊腫中較高的APT-WSI與惡性程度無關(guān)[25]。因此，在膠質(zhì)瘤評估研究中，均需排除囊性成分的影響[12,20]。②因血液中含有豐富的蛋白質(zhì)，如白蛋白和多肽[26]，血腫及流動的血液也可表現(xiàn)為高APT-WSI。有研究者[27]在急性期顱內(nèi)出血的大鼠模型中觀察到高APT-WSI。研究[28]發(fā)現(xiàn)海綿竇血管畸形也可表現(xiàn)為高APT-WSI（高達(dá)6.9%）。由此推測，富血供腫瘤血管中的血液可能是高APT-WSI的潛在來源。③水腫的腦組織亦可表現(xiàn)為APT-WSI增高。Wen等[25]的早期研究發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)瘤病人腫瘤周圍水腫區(qū)的APT-WSI明顯高于對側(cè)正常腦白質(zhì)。由于膠質(zhì)瘤細(xì)胞可能會浸潤腫瘤周圍組織，所以高APT-WSI可能歸因于腫瘤細(xì)胞浸潤或水腫。然而，Yu等[16]發(fā)現(xiàn)腦轉(zhuǎn)移瘤周圍水腫區(qū)域的APT-WSI明顯高于正常腦白質(zhì)。值得注意的是，腦轉(zhuǎn)移瘤周圍水腫區(qū)域代表血管源性水腫，通常不包括腫瘤細(xì)胞，該結(jié)果更進(jìn)一步表明水腫與APT-WSI增加密切相關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)可能與血管內(nèi)蛋白質(zhì)和多肽通過血腦屏障滲入血管外間隙有關(guān)。④APT-WSI可受局部pH和溫度的影響。研究發(fā)現(xiàn)許多類型腫瘤細(xì)胞內(nèi)pH值高于正常腦組織。由于在生理性pH值范圍內(nèi)，酰胺質(zhì)子交換是由堿催化的，因此pH值增加時，酰胺質(zhì)子交換率增加，APT對比度也隨之增加。然而，在惡性腫瘤中，pH值并不是高APT-WSI的主要因素。因此，在解釋APT成像結(jié)果時，應(yīng)將這些因素視為可能的混淆因素。

4 小結(jié)

APT成像在膠質(zhì)瘤術(shù)前分級、基因突變的預(yù)測、腦腫瘤的鑒別及治療后評估等方面顯示了良好的應(yīng)用前景，但一些因素也可導(dǎo)致APT信號升高，因此在進(jìn)行APT信號分析時，應(yīng)注意鑒別信號升高的原因。近期研究[29-30]闡述了在其他部位進(jìn)行APT成像的可行性，為擴(kuò)大其應(yīng)用范圍開辟了新的視野。