腦膠質(zhì)瘤氨基酸代謝磁共振波譜研究進展

王俊龍 任彥 王衛(wèi)衛(wèi) 李克 劉含秋

腦膠質(zhì)瘤的高復發(fā)性使得膠質(zhì)瘤治療極為復雜，預后極差，而及時診斷和治療方案修正是復發(fā)膠質(zhì)瘤治療和患者預后改善的重要保證。神經(jīng)影像學在膠質(zhì)瘤復發(fā)患者的治療中起著至關重要的作用，但傳統(tǒng)形態(tài)和功能影像經(jīng)常不能提供足夠的診斷信息，導致臨床治療決策失誤。尋找特異性腫瘤識別標志物，對于膠質(zhì)瘤復發(fā)的治療意義重大［1］。腦膠質(zhì)瘤存在氨基酸合成/分解代謝紊亂［2］，檢測其代謝過程對于判斷腫瘤增殖尤為重要。根據(jù)膠質(zhì)瘤中氨基酸的轉(zhuǎn)運特點，如果能夠?qū)崿F(xiàn)針對膠質(zhì)瘤特異性氨基酸進行在體的定性及定量測定，并對膠質(zhì)瘤診療前后的氨基酸代謝變化進行區(qū)分，將極有可能實現(xiàn)對膠質(zhì)瘤早期復發(fā)的及時檢測［3］。

本文將對近年來有關腦膠質(zhì)瘤氨基酸檢測技術以及膠質(zhì)瘤診療中的氨基酸代謝變化進行總結(jié)分析，以谷氨酰胺/谷氨酸、蛋氨酸和酪氨酸為例，對其在膠質(zhì)瘤生長中的作用以及膠質(zhì)瘤治療前后的代謝變化進行綜述。

膠質(zhì)瘤與氨基酸代謝

1. 谷氨酰胺/谷氨酸在腦組織和膠質(zhì)瘤中的代謝

谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中蘊含最豐富、應用最廣泛的氨基酸。谷氨酸是一種酸性氨基酸，其不僅能以代謝樞紐的身份參與細胞代謝，還可以參與神經(jīng)遞質(zhì)的信息傳遞，作為一種興奮性氨基酸，于神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)中進行代謝并不斷被消耗［4］。神經(jīng)膠質(zhì)細胞可將神經(jīng)元細胞分泌的谷氨酸轉(zhuǎn)化成谷氨酰胺，而后谷氨酰胺被傳遞到神經(jīng)元細胞內(nèi)，并在此處參與合成神經(jīng)遞質(zhì)，從而完成谷氨酸的再生過程［5］。正常腦組織中谷氨酸的含量相對穩(wěn)定，谷氨酸在神經(jīng)元細胞中的平均濃度約為5～10 mmol/L，而在細胞外液中，谷氨酸濃度卻下降至0.5～4 μmol/L［6］。神經(jīng)元細胞內(nèi)谷氨酸的主要來源是通過由星形膠質(zhì)細胞所釋放的谷氨酰胺轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生。無論是對于細胞內(nèi)或細胞外的谷氨酸穩(wěn)態(tài)，其維持都取決于上述轉(zhuǎn)運機制的共同作用［7］。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的膠質(zhì)細胞主要包括星形膠質(zhì)細胞以及少突膠質(zhì)細胞等，起著分配營養(yǎng)物質(zhì)、參與修復和吞噬的作用。

在正常腦組織中，谷氨酸主要在神經(jīng)元中釋放，并被星形膠質(zhì)細胞吸收。因此，正常的谷氨酰胺/谷氨酸代謝偶合存在于星形膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元中。然而，在膠質(zhì)瘤中，由于膠質(zhì)瘤細胞不是神經(jīng)元并可以釋放大量谷氨酸，這極大地超過了星形膠質(zhì)細胞所能吸收谷氨酸的能力，因此在膠質(zhì)瘤中，細胞外谷氨酸濃度常顯著增加。Yao等［9］通過膠質(zhì)瘤細胞和星形膠質(zhì)細胞的共培養(yǎng)模型證實，細胞外谷氨酸的濃度主要取決于膠質(zhì)瘤細胞與星形膠質(zhì)細胞之間的比例。隨著該比值的增高，細胞外谷氨酸濃度也就會越高。還有研究證實，腦膠質(zhì)瘤患者腦脊液中谷氨酸的濃度可高達400 μmol/L，該濃度遠大于正常人腦內(nèi)1 μmol/L的谷氨酸濃度［10］。膠質(zhì)瘤細胞會釋放大量的谷氨酸來殺死周圍的正常神經(jīng)元，高濃度的谷氨酸亦可造成可逆的星形膠質(zhì)細胞膨脹［11］。此外，隨著腫瘤的進展，膠質(zhì)瘤患者大腦中正常星形膠質(zhì)細胞的數(shù)量會減少，導致它們攝取谷氨酸的能力也會隨之下降。那么，這就會導致正常細胞外液中谷氨酸的濃度不斷增加，最終內(nèi)環(huán)境中原有的谷氨酸穩(wěn)態(tài)被破壞［12］。這一過程是膠質(zhì)瘤生長、發(fā)展和侵襲的重要環(huán)節(jié)。

2. 酪氨酸在腦組織和膠質(zhì)瘤中的代謝

酪氨酸是一種芳香族氨基酸，其有兩種主要來源，即從食物和苯丙氨酸的羥基化中獲得［13］。酪氨酸磷酸化被認為是信號轉(zhuǎn)導和酶活性調(diào)控中的關鍵步驟之一。酪氨酸的磷酸化是一種動態(tài)并且可逆的翻譯后修飾過程，此過程由蛋白酪氨酸磷酸酶（PTP）和蛋白酪氨酸激酶（PTK）協(xié)同調(diào)控，對許多生命活動諸如細胞的增殖、分化與遷移等都十分重要［14］。有研究表明，由PTK與PTP之間的活性失衡所致異常酪氨酸磷酸化與多種疾病與包括膠質(zhì)瘤在內(nèi)的許多疾病的發(fā)展密切相關。

研究者利用18F-乙基酪氨酸（18F-FET）示蹤劑對腦膠質(zhì)瘤患者進行了檢測，證實了其在腫瘤組織中攝取量較高而在正常腦組織中攝取量相對較低［15］。因此，相對于正常的腦組織，膠質(zhì)瘤組織中含有更多酪氨酸成分。

3. 蛋氨酸在腦組織和膠質(zhì)瘤中的代謝

蛋氨酸是哺乳動物必需的氨基酸，除了作為蛋白質(zhì)組分的作用外，蛋氨酸還與許多重要的代謝途徑有關［16］。腦組織中的蛋氨酸一般先轉(zhuǎn)化為甲基供體S-腺苷蛋氨酸（SAM），失去一個甲基繼而水解后轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，或借助四氫葉酸提供的甲基重新轉(zhuǎn)化為蛋氨酸［17］。研究證實，癌細胞通過蛋氨酸代謝過程中的轉(zhuǎn)甲基化發(fā)生癌變。在此過程中，當?shù)鞍彼岜煌桶腚装彼崛〈鷷r，癌細胞的增殖會受到抑制。最近的研究表明，癌細胞有一個“甲基池”，可以保證癌細胞的甲基供應［18］。腦膠質(zhì)瘤患者的腦組織中，腫瘤細胞增殖迅速，蛋白質(zhì)合成較快，對蛋氨酸的需求較多，呈現(xiàn)高攝取狀態(tài)。因此，以L-甲基-11C-蛋氨酸（11C-MET）為示蹤劑的PET可為腫瘤的氨基酸代謝提供重要信息，已應用于腦膠質(zhì)瘤的臨床實踐［19］。

膠質(zhì)瘤氨基酸代謝檢測技術進展

目前用于診斷膠質(zhì)瘤早期復發(fā)和治療相關性改變的氨基酸代謝檢測技術主要有代謝組學（metabonomics）、正電子發(fā)射體層顯像（positron emission tomography， PET）、以及磁共振波譜成像（magnetic resonance spectroscopy， MRS）。其中代謝組學檢測為離體檢測，后兩者為在體檢測。

1. PET在膠質(zhì)瘤中的應用研究進展

PET不僅能在CT或MRI的基礎上提供基本的解剖與形態(tài)學信息，還可以在分子水平上提供腫瘤的氨基酸代謝等信息，還是膠質(zhì)瘤的診斷、分級、復發(fā)監(jiān)測、制定治療方案及評估治療效果的重要成像手段［19］。代謝顯像的原理是利用由放射性核素標記的相關代謝底物如葡萄糖和氨基酸等作為顯像劑，這些底物可以選擇性地聚集在特定的組織、器官或病變所在的部位，并通過其在器官或病變中的攝取和分布來反映細胞的存活以及增殖等生物代謝信息，從而最終對疾病的診斷和療效進行評估。由于膠質(zhì)瘤具有較強的細胞代謝活性，因此，利用PET能夠觀察到膠質(zhì)瘤中的不同氨基酸分子在病灶內(nèi)代謝濃聚的過程［20］。11C-蛋氨酸（11C-MET）可用于評估膠質(zhì)瘤中的蛋白質(zhì)合成和細胞增殖。通過比較異檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenase， IDH）野生型、IDH突變型膠質(zhì)瘤與其他不同惡性程度腫瘤的11C-MET攝取值，有研究發(fā)現(xiàn)IDH野生型膠質(zhì)瘤對于11C-MET的攝取明顯高于IDH突變型，這表明11C-MET PET可在術前用于評估IDH的突變狀態(tài)［21］。

另一種PET顯像劑18F-酪氨酸（18F-FET）在近年來逐漸應用于膠質(zhì)瘤的臨床診斷，相比臨床常用的18F-FDG，可以更清晰地顯示腫瘤范圍，比11CMET有更長的半衰期，在膠質(zhì)瘤的術前診斷、分級、療效評估及預后的預測方面具有優(yōu)勢［22］。

2. 代謝組學在膠質(zhì)瘤中的應用研究進展

代謝組學技術是對內(nèi)源性和外源性小分子的非靶向性和靶向性分析，通過高通量檢測手段，鑒定生物樣本的代謝差異并結(jié)合生物信息學分析，闡明腫瘤在發(fā)生和進展過程中某些關鍵生化途徑的改變［23］。代謝改變被認為是監(jiān)測疾病進展、治療和揭示有效治療干預的新分子靶點的關鍵標志之一。高通量分析技術包括核磁共振波譜和質(zhì)譜，以及高效液相色譜/氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用，是代謝組學常采用的檢測技術。質(zhì)譜代謝分析技術提供所檢代謝物的相對分子質(zhì)量等信息，檢測范圍寬泛，靈敏度和特異度都很高［23］。Wang等［24］納入163例腦腫瘤患者，利用基于腦脊液的代謝組學方法，篩選出了27個代謝物作為區(qū)分不同腦腫瘤類型的診斷標志物，證實了腦脊液代謝組學可以識別不同腦腫瘤之間的代謝差異，在腦膠腫瘤的診斷中具有潛在應用價值。同樣地，其他一些腦脊液的代謝組學分析的研究也證實了許多代謝產(chǎn)物與膠質(zhì)瘤的發(fā)生和發(fā)展相關，而這些代謝產(chǎn)物中的一些在不同級別的膠質(zhì)瘤中也有所不同。

代謝組學目前仍然有很多技術難題，會受到檢測條件以及其他許多體內(nèi)和體外因素的影響，例如樣本處理方式和體內(nèi)代謝情況等［25］。另外，膠質(zhì)瘤細胞的離體培養(yǎng)條件無法完全模擬膠質(zhì)瘤在大腦內(nèi)所處的生理生化環(huán)境，因此，代謝組學所獲得的分子信息對膠質(zhì)瘤的診治方面提供的幫助較為有限。

3. MRS在膠質(zhì)瘤氨基酸檢測中的應用研究進展

MRS是一種能夠檢測和量化體內(nèi)代謝物的水平的技術，可對體內(nèi)化合物的濃度進行分析［26］，能夠以波譜的形式反映腫瘤的生化狀態(tài)、周圍水腫等信息，不僅在腫瘤的診斷及鑒別診斷等方面，而且在確定腫瘤的代謝邊界及預后判斷有廣泛的應用［27］。

Elavarasan等［28］利用1H MRS結(jié)合化學計量學鑒定了患者來源的突變IDH1模型細胞經(jīng)替莫唑胺（TMZ）處理后的代謝變化，發(fā)現(xiàn)了谷氨酸水平的顯著增加，并進行在體實驗證實谷氨酸/谷氨酰胺的增加發(fā)生在腫瘤縮小之前。Tiwari等［29］使用長TE PRESS序列進行了1H MRS對甘氨酸的檢測，并建議將其作為神經(jīng)膠質(zhì)瘤侵襲性的標志；研究結(jié)果表明甘氨酸和2-羥基戊二酸（2-HG）可以同時在體內(nèi)被檢測到，并且具有高水平甘氨酸的腫瘤增殖和進展更快。Selin等［30］利用1H MRS對離體神經(jīng)膠質(zhì)瘤組織進行成像并獲得譜圖以量化代謝物濃度，發(fā)現(xiàn)與Ⅱ級和Ⅲ級膠質(zhì)瘤相比，Ⅳ級膠質(zhì)瘤樣本中谷氨酸鹽、谷胱甘肽、乳酸鹽和丙氨酸以及白細胞介素-1β和白細胞介素-8顯著升高。

盡管氨基酸磁共振波譜檢測取得了一定的進展，目前在膠質(zhì)瘤的診治中N-乙酰天冬氨酸、蛋氨酸、酪氨酸及谷氨酰胺/谷氨酸等的檢測應用比較常見［31］。但是，膠質(zhì)瘤復發(fā)的早期診斷與鑒別仍然是一個巨大的難題。近年來，MRS被認為是識別膠質(zhì)瘤復發(fā)則準確率較高的檢查技術，現(xiàn)被廣泛用于評估腫瘤的復發(fā)和假性進展的判斷。近年來有不少研究證實了氨基酸MRS檢測在膠質(zhì)瘤診療中的價值。Nearl等［32］結(jié)合了谷氨酸化學交換飽和轉(zhuǎn)移（glutamate chemical exchange saturation transfer，GluCEST）和 單 體 素MRS序列，應用7 T磁共振設備對腦膠質(zhì)瘤患者進行檢查，量化了腫瘤區(qū)域和瘤周邊緣的GluCEST對比和MRS代謝物濃度，發(fā)現(xiàn)瘤周谷氨酸升高與癲癇的發(fā)生有關。

但是，MRS所獲信號混雜，后處理時難以對全部代謝物中的目標分子進行識別和定量。有人提出，克服這一困難的一種解決方案是測量和估計短T2信號的分量，并將其從總譜線中除去，從而只留下代謝物信號。Michael等［33］利用這種方法證實了短TE1HMRS在膠質(zhì)瘤診斷中的潛力，并指出在膠質(zhì)瘤MRS中，對谷氨酸和谷氨酰胺信號的分開估計是可行的。另外，Mamone等［34］利用一種基于磁共振核自旋單態(tài)的方法來嘗試特異性地過濾MRS中的代謝信號，其原理是利用兩個核自旋之間的電子之間介導的耦合以及它們在共振頻率上的差異。他們的研究發(fā)現(xiàn)，在活體小鼠的海馬體中可以清楚地觀察到經(jīng)過核自旋單態(tài)過濾出來的谷氨酸信號。同樣地，Stephen等［35］也開展了類似的研究，他們通過在目標分子（天冬氨酸、蘇氨酸和谷氨酰胺）中創(chuàng)建核自旋單態(tài)分子，施加連續(xù)的射頻脈沖場使目標分子保持單態(tài)同時又使不感興趣的分子磁化飽和，然后將目標分子單態(tài)映射回MR的可觀測態(tài)，從而明確地顯示了其譜線。

檢測設備上，膠質(zhì)瘤的氨基酸代謝MRS檢測，大多數(shù)都是在7 T高場下的應用，對于實體腫瘤的在體檢測應用很少，尤其是單態(tài)氨基酸在3.0 T磁共振上的應用文獻報道極少，如果這種單態(tài)技術能在3.0 T上應用，將帶來極大的社會效益，減少膠質(zhì)瘤患者在診療中過對于高昂價格的PET檢查的依賴。

盡管MRS在在近年來針對膠質(zhì)瘤的應用方面取得很多進展，但一些局限性依然存在：①磁場的不均勻性會導致波峰重疊和代謝物難以定量，若能特異性地選取某個化合物并對其進行定量分析可能會避免這種情況；②利用MRS評估膠質(zhì)瘤代謝的原理是測定腦組織內(nèi)的特定代謝物濃度，但是尚未有統(tǒng)一的代謝物選擇標準，需要根據(jù)膠質(zhì)瘤的代謝機制來選取相對特異性氨基酸。

總結(jié)與展望

膠質(zhì)瘤是大腦內(nèi)最常見的惡性腫瘤，具有高侵襲性，不僅如此，其浸潤性生長的特點及極高的復發(fā)率使得臨床上對其的診斷與治療十分困難。膠質(zhì)瘤的復發(fā)與假性進展在常規(guī)影像學上表現(xiàn)非常相似，往往難以鑒別。目前尚無有效的影像學診斷手段來區(qū)分膠質(zhì)瘤患者的復發(fā)和假性進展，臨床上需要結(jié)合不同的MR成像方法來提高對二者的鑒別診斷能力。代謝組學檢測雖然準確高效，但是主要是離體檢測。氨基酸PET在膠質(zhì)瘤復發(fā)的診斷和鑒別診斷中發(fā)揮著越來越重要的作用，但是造影劑生產(chǎn)過程復雜，輻射性及檢查費用昂貴均限制了其推廣應用。

MRS技術應用于膠質(zhì)瘤診治和研究已經(jīng)很多年，隨著高場MR技術的進步，更高的信噪比將使其在膠質(zhì)瘤研究中的應用潛力巨大。隨著相關數(shù)據(jù)處理軟件的應用以及先進序列的研發(fā)，將會使MRS在腦膠質(zhì)瘤中的應用價值得到迅速提升。單態(tài)氨基酸MRS技術在3.0 T磁共振設備的開發(fā)和應用將有助于提高MRS在膠質(zhì)瘤復發(fā)診斷中的應用價值。