酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像在泌尿生殖系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展

孔雅晴 ，曲倩倩，明蕾，王哲，鄧凱 *

酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像(amide proton transfer,APT)是一種新型的化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer,CEST)成像技術(shù)?；贔orsen和Hoffman[1]最初提出的化學(xué)交換和信號(hào)飽和的核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)概念，Balaban和他的同事首次證明了可交換質(zhì)子飽和轉(zhuǎn)移到水的過程可以提高分子探測(cè)的靈敏度，進(jìn)而提出一種名為化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像的分子成像方法[2]。APT作為CEST序列的一個(gè)延伸和發(fā)展，通過檢測(cè)組織內(nèi)源性蛋白質(zhì)或多肽中的酰胺質(zhì)子來反映細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量及酸堿度的變化。其原理在于通過探測(cè)水質(zhì)子信號(hào)變化間接獲得細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)信息，從而將MRI技術(shù)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到分子水平。目前APT在許多臨床常見疾病的應(yīng)用中展現(xiàn)出良好前景，本文擬對(duì)APT在泌尿生殖系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用現(xiàn)狀做一綜述，并對(duì)這種分子成像技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 APT成像技術(shù)與原理

通過特定頻率的射頻脈沖(radio frequency,RF)選擇性地飽和蛋白質(zhì)多肽鏈中的酰胺質(zhì)子，在一定環(huán)境條件下，這些飽和質(zhì)子會(huì)將飽和狀態(tài)傳遞給水質(zhì)子。由于蛋白質(zhì)濃度較低，單次轉(zhuǎn)移不足以對(duì)自由水信號(hào)產(chǎn)生影響，但如果射頻飽和質(zhì)子的時(shí)間足夠長(zhǎng)，酰胺質(zhì)子-水質(zhì)子交換率足夠快，轉(zhuǎn)移次數(shù)足夠多，那么這種飽和效應(yīng)就會(huì)有實(shí)質(zhì)性的增強(qiáng)，也就意味著自由水信號(hào)會(huì)降低。APT技術(shù)通過探測(cè)水質(zhì)子飽和前后的信號(hào)變化來間接獲得信號(hào)值，即APT信號(hào)的強(qiáng)弱反映了酰胺質(zhì)子和水質(zhì)子的交換率，而二者的交換速率又取決于蛋白質(zhì)的濃度及所處環(huán)境的pH值。有研究表明[3-4]，APT信號(hào)強(qiáng)度與所處環(huán)境的蛋白質(zhì)濃度及pH值都成正相關(guān)，因此APT在一定程度上可以間接反映體內(nèi)內(nèi)環(huán)境的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)某些疾病的早期診斷。酰胺質(zhì)子的共振頻率是3.5 ppm，水的共振頻率是0 ppm，APT信號(hào)強(qiáng)度一般通過水共振頻率兩側(cè)+/-3.5 ppm處的非對(duì)稱磁化轉(zhuǎn)移率(asymmetric magnetization transfer rate,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)值大小可反映APT信號(hào)強(qiáng)度高低，進(jìn)而作為APT信號(hào)強(qiáng)度的量化指標(biāo)[5]。

2 APT在泌尿生殖系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 前列腺癌

目前磁共振多功能成像技術(shù)，如動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging,DCE-MRI)、擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusionweighted imaging,DWI)以及磁共振波譜(magneticresonance spectroscopy,MRS)在前列腺癌的檢測(cè)及分期中的作用都已被證實(shí)[6-8]。研究表明[9]，前列腺癌細(xì)胞會(huì)分泌一種高流動(dòng)性蛋白質(zhì)——雄激素調(diào)節(jié)的六反式膜蛋白。隨著病情進(jìn)展，癌細(xì)胞數(shù)量增多，該蛋白質(zhì)濃度也會(huì)隨之增加。另外，在轉(zhuǎn)移性前列腺癌細(xì)胞中過度表達(dá)的蛋白質(zhì)是Caveolin-1，其作用為分子轉(zhuǎn)運(yùn)及細(xì)胞粘附[10]。這就為對(duì)內(nèi)源性蛋白質(zhì)濃度敏感的APT成像在前列腺癌的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)?；谶@一理論，Jia等[11]對(duì)前列腺癌酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示前列腺癌的APT值顯著高于前列腺周圍區(qū)，他們認(rèn)為APT成像可用于前列腺癌的檢測(cè)，有鑒別癌組織和非癌組織的潛力。

2.2 宮頸癌與子宮內(nèi)膜癌

宮頸癌和子宮內(nèi)膜癌是婦科常見的惡性腫瘤，發(fā)病率和病死率較高。二者的預(yù)后因素包括腫瘤大小、病理類型、組織學(xué)分級(jí)和分期等因素，準(zhǔn)確評(píng)估術(shù)前組織學(xué)分級(jí)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。隨著影像技術(shù)的發(fā)展，磁共振APT成像在子宮疾病中已得到初步應(yīng)用。

子宮頸癌分為宮頸鱗癌(cervical squamous cell carcinoma,CSC)和宮頸腺癌(cervical adenocarcinoma,CA)。Meng等[12]利用APT成像和擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)對(duì)宮頸癌進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)CSC組的MTRasym(3.5 ppm)值顯著低于CA組，這可能和以下兩方面因素有關(guān)：第一個(gè)因素是二者細(xì)胞蛋白質(zhì)分泌能力的差異，宮頸腺癌起源于宮頸內(nèi)膜細(xì)胞，富含腺體結(jié)構(gòu)，能夠分泌黏液和黏蛋白[13]，而宮頸鱗癌起源于宮頸上皮細(xì)胞，缺乏腺體結(jié)構(gòu)。第二個(gè)因素是組織中微血管密度(microvascular density,MVD)的差異，一些研究表明，宮頸腺癌細(xì)胞結(jié)構(gòu)疏松，微血管密度高，不易發(fā)生缺血性壞死，而宮頸鱗癌細(xì)胞密度高，增殖速度快，MVD低，易發(fā)生缺血性壞死[13]，從而引起局部環(huán)境pH值減低，導(dǎo)致APT信號(hào)值減低。該研究還發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同類型的子宮頸癌，高級(jí)別組宮頸癌APT值普遍高于低級(jí)別組，MTRasym(3.5 ppm)與病理分級(jí)呈正相關(guān)，這一結(jié)果與He等[14]和Li等[15]的發(fā)現(xiàn)基本一致，表明APT成像有助于對(duì)宮頸癌的病理分級(jí)進(jìn)行初步評(píng)估。雖然APT可用于宮頸癌的初步評(píng)價(jià)，但該研究中Meng等認(rèn)為DKI在病理類型、分級(jí)和分期的鑒別上要優(yōu)于APT成像。

目前APT在子宮內(nèi)膜癌的應(yīng)用較少。Li等[16]對(duì)子宮內(nèi)膜癌APT成像進(jìn)行了研究，研究對(duì)象包括22名正常志愿者和113名子宮病變患者，研究結(jié)果表明子宮內(nèi)膜腺癌APT信號(hào)值為2.9%±0.1%，顯著高于子宮肌瘤(1.9%±0.1%)、子宮腺肌病(2.2%±0.1%)和正常子宮肌層(1.9%±0.1%)，表明APT可用于子宮良惡性疾病的鑒別。Takayama等[17]在研究子宮內(nèi)膜癌APT成像與組織學(xué)分級(jí)關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)APT信號(hào)與子宮內(nèi)膜癌的組織學(xué)分級(jí)和侵襲性呈正相關(guān)，APT成像有可能作為子宮內(nèi)膜癌侵襲性的預(yù)測(cè)指標(biāo)。但由于APT成像空間分辨率較低，對(duì)病灶局部進(jìn)展和淋巴結(jié)及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的診斷能力較弱，通常需要和動(dòng)態(tài)增強(qiáng)磁共振成像結(jié)合評(píng)估腫瘤分級(jí)與分期。

下面以宮頸癌為重點(diǎn)，結(jié)合其他器官的腫瘤，討論一下高級(jí)別惡性腫瘤APT信號(hào)值較高的幾個(gè)可能原因。第一個(gè)可能原因是細(xì)胞密度的差異，與之前膠質(zhì)瘤[18]、直腸癌[19]等惡性腫瘤APT成像的研究結(jié)果相似，級(jí)別越高的惡性腫瘤，細(xì)胞密度也會(huì)越高，從而通常會(huì)產(chǎn)生更多的蛋白和多肽，加快水質(zhì)子-酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移速率，使APT值升高。第二個(gè)可能的原因是核異型性的差異。研究表明，核異型性可誘導(dǎo)大分子物質(zhì)和疏水性細(xì)胞膜之間的相互作用，從而促進(jìn)蛋白質(zhì)和多肽的釋放[20-21]。與低級(jí)別宮頸癌相比，高級(jí)別宮頸癌具有更顯著的核型。第三種可能的原因是組織壞死程度不同。隨著腫瘤惡性程度增高，腫瘤組織容易發(fā)生缺氧缺血性壞死，這可能導(dǎo)致局部酸性環(huán)境的形成[22]。根據(jù)酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移的原理，低pH值不利于酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移。這一結(jié)論也為上述宮頸鱗癌與宮頸腺癌APT值的差異提供了支持。但Togao等[23-24]的研究發(fā)現(xiàn)發(fā)生壞死的腫瘤組織的MTRasym(3.5 ppm)值仍高于無壞死或壞死較少的組織，他們認(rèn)為這可能與組織壞死過程中釋放的蛋白和多肽促進(jìn)了酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移速率有關(guān)。另外，Meng等[12]在研究高級(jí)別宮頸癌APT成像時(shí)也發(fā)現(xiàn)壞死的癌組織會(huì)向周圍釋放大量蛋白和肽，導(dǎo)致內(nèi)源性蛋白質(zhì)含量的增加，APT信號(hào)升高。綜上可以推測(cè)在腫瘤組織APT信號(hào)值的眾多影響因素中，可能蛋白質(zhì)和肽的含量對(duì)APT值影響占有優(yōu)勢(shì)，而pH值的影響較小，因此APT值隨著腫瘤級(jí)別增高而逐漸增加。

2.3 子宮腺肌病

子宮腺肌病是一種常見的良性婦科疾病，其病理學(xué)特征主要表現(xiàn)為子宮內(nèi)膜侵入子宮肌層導(dǎo)致平滑肌增生、肥厚，主要臨床表現(xiàn)為痛經(jīng)及異常子宮出血等[25]。促性腺激素釋放的激素激動(dòng)劑(gonadotropin releasing hormone agonist,GnRH-a)是子宮腺肌病的常用治療藥物，對(duì)患者癥狀及病灶大小都有一定的緩解作用。其主要治療原理是通過競(jìng)爭(zhēng)性抑制GnRH受體，使患者雌激素水平下降，從而使侵入肌層的內(nèi)膜萎縮[26]，同時(shí)抑制炎癥反應(yīng)和血管生成[27]。林澄昱[28]在評(píng)估GnRH-a對(duì)子宮腺肌病治療效果時(shí)發(fā)現(xiàn)完全緩解組患者病灶的APT信號(hào)要低于部分緩解組患者病灶的APT信號(hào)值(1.668%與2.387%)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其中以2.035%為臨界值時(shí)，敏感度和特異度較高，表明APT成像或許可以評(píng)估子宮腺肌病對(duì)GnRH-a的治療反應(yīng)。

2.4 正常月經(jīng)周期對(duì)APT信號(hào)值的影響

正常女性月經(jīng)周期分為月經(jīng)期、增殖期和分泌期，Zhang等[29]的研究發(fā)現(xiàn)各期子宮肌層和子宮內(nèi)膜APT信號(hào)值均高于結(jié)合帶，在各子宮結(jié)構(gòu)中，APT信號(hào)在分泌期最高，增殖期次之，月經(jīng)期最低。這可能是因?yàn)樽訉m內(nèi)膜富含細(xì)胞外游離蛋白和多肽，子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞在分泌期表達(dá)的蛋白質(zhì)水平明顯高于增殖期[30-31]，所以子宮內(nèi)膜的APT信號(hào)值在分泌期增高。而子宮結(jié)合帶的肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)密度高于子宮肌層和內(nèi)膜，胞核比率較低，且結(jié)合帶主要參與調(diào)節(jié)非妊娠子宮收縮，平滑肌細(xì)胞收縮也導(dǎo)致了結(jié)合帶APT信號(hào)值的降低[32]。因此，最好避免在分泌期測(cè)量APT信號(hào)，以減少月經(jīng)周期相關(guān)變化對(duì)APT信號(hào)值的影響。

2.5 卵巢疾病的鑒別

最近一項(xiàng)關(guān)于鑒別卵巢良性囊性病變的研究發(fā)現(xiàn)[33]，卵巢漿液性囊腺瘤(serous cystadenoma,SCA)組APT信號(hào)為1.41%±0.71%，黏液囊腺瘤(mucinous cystadenoma,MCA)組為5.15%±1.92%，功能性囊腫(functional cyst,FC)組為8.52%±1.17%，三者之間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。該結(jié)果表明APT顯像對(duì)卵巢良性囊性病變的無創(chuàng)鑒別診斷有一定的參考價(jià)值，可對(duì)卵巢囊性病變進(jìn)行早期診斷，而無須額外的隨訪研究。但由于相關(guān)研究較少，仍需進(jìn)一步臨床試驗(yàn)證實(shí)上述結(jié)論。

3 總結(jié)與展望

APT成像技術(shù)在臨床中的應(yīng)用日益廣泛，目前主要應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如高低級(jí)別膠質(zhì)瘤的鑒別[34-35]、神經(jīng)退行性疾病的輔助診斷[36-37]以及腦腫瘤基因標(biāo)志物的鑒定[38]等。隨著APT技術(shù)的不斷成熟及相關(guān)研究工作的開展，APT成像技術(shù)已在泌尿生殖系統(tǒng)疾病方面得到了初步應(yīng)用，如子宮及前列腺病變的輔助診斷及鑒別診斷，但由于其自身的一些局限性，如空間分辨率較低，掃描時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)不夠成熟以及磁場(chǎng)強(qiáng)度、RF輻射幅度等對(duì)MTRasym值的影響，目前關(guān)于APT成像在腎臟、膀胱等疾病中的應(yīng)用鮮有報(bào)道?？傊?，APT作為一種能夠反映組織中內(nèi)源性蛋白質(zhì)和多肽濃度水平的磁共振多功能成像技術(shù)，由于其無電離輻射及無需注射對(duì)比劑的特點(diǎn)，在泌尿生殖系統(tǒng)疾病診斷、個(gè)體化治療及預(yù)后評(píng)估方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。