分子影像新技術(shù)——氘代謝波譜及成像的綜述與展望

張 怡，樓飛洋，方 可，陳 高，張孝通4,,

分子影像新技術(shù)——氘代謝波譜及成像的綜述與展望

張 怡1，樓飛洋2，方 可3，陳 高1，張孝通4,1,2*

1. 浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院 神經(jīng)外科，浙江大學(xué)，浙江 杭州 310009；2. 浙江大學(xué) 系統(tǒng)神經(jīng)與認(rèn)知科學(xué)研究所，浙江 杭州 310020；3. 布魯克（北京）科技有限公司，北京 100081；4. 浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027

目前常用的分子影像技術(shù)主要有正電子發(fā)射型斷層顯像（PET）、質(zhì)子磁共振波譜（1H MRS）及成像 （1H MRSI）、化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（CEST）、超極化13C MRSI等．近4年來，氘代謝波譜（DMS）及成像（DMI）作為一種新興的分子影像技術(shù)獲得了越來越多的關(guān)注，其通過采集注射或口服氘代葡萄糖后的目標(biāo)組織與正常組織間氘代謝產(chǎn)物的磁共振信號(hào)進(jìn)行組織區(qū)分．相比于其他分子影像方法，該影像技術(shù)具有無輻射、穩(wěn)定性好、掃描操作相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)．本文綜述了近年來DMS/DMI技術(shù)的研究進(jìn)展及其意義，歸納總結(jié)了其臨床應(yīng)用價(jià)值，并對(duì)該技術(shù)未來的發(fā)展和改進(jìn)方向，以及應(yīng)用前景進(jìn)行了展望．

磁共振；代謝成像；葡萄糖；氘；腫瘤

引 言

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)步很大部分得益于醫(yī)學(xué)檢測(cè)手段的發(fā)展．在精準(zhǔn)醫(yī)療的背景下，基于結(jié)構(gòu)變化的無創(chuàng)醫(yī)學(xué)成像所提供的信息有限，愈發(fā)不能滿足個(gè)體化診治的需要．而代謝成像則從生物分子角度提供了更為豐富的疾病相關(guān)的信息，在諸多疾病發(fā)生發(fā)展的監(jiān)測(cè)中具有重要作用．目前臨床上最常用的代謝成像手段是正電子發(fā)射型斷層顯像（Positron Emission Tomography，PET），該方法利用多種設(shè)計(jì)的示蹤劑在組織細(xì)胞、亞細(xì)胞、分子水平顯示人體組織器官的功能、細(xì)胞代謝的變化，其中，最常用的顯影劑是2-氟-2-脫氧-D-葡萄糖（2-18F-fluoro-2-deoxy-D-glucose，18FDG）．基于FDG的PET利用了不同組織攝取葡萄糖的差異，在腫瘤診斷、分期中起著重要的作用，特別是在轉(zhuǎn)移瘤的診斷中．但是在檢測(cè)和研究腦腫瘤時(shí)，正常腦組織中FDG的高攝取特性大大降低了PET圖像的對(duì)比度，同時(shí)存在放射性、無法反映組織進(jìn)一步代謝等問題[1]．質(zhì)子磁共振波譜（Hydrogen Magnetic Resonance Spectroscopy，1H MRS）及成像（Hydrogen Magnetic Resonance Spectroscopy Imaging，1H MRSI）靈敏度高，可進(jìn)行高空間分辨率的代謝特異性成像，但其檢測(cè)的是基于組織累計(jì)效應(yīng)的靜態(tài)代謝池變化[2]，不能完全反映動(dòng)態(tài)的代謝過程，且易受組織固有的代謝物信號(hào)影響（如大分子代謝物譜峰掩蓋了感興趣代謝物譜峰），同時(shí)掃描過程對(duì)成像參數(shù)設(shè)計(jì)（水脂信號(hào)抑制等）、勻場(chǎng)要求高．化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（Chemical Exchange Saturation Transfer，CEST）MRI技術(shù)通過施加特定頻率的脈沖飽和溶質(zhì)池中的質(zhì)子，自由水池中的質(zhì)子因與其產(chǎn)生化學(xué)交換而導(dǎo)致一定量的自由水質(zhì)子飽和，從而造成磁共振信號(hào)降低．通過外源性或內(nèi)源性的對(duì)比劑，CEST成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)如酰胺質(zhì)子或葡萄糖等物質(zhì)的成像等[3]，然而卻無法直接反映其后續(xù)的代謝流信息．另外，還有一些基于其他核素的代謝成像手段．例如13C磁共振波譜（13C MRS）通過富含13C的代謝底物來反映相關(guān)代謝過程的變化，但由于靈敏度低、譜圖相對(duì)復(fù)雜、技術(shù)要求高等特性在臨床轉(zhuǎn)化上較為困難．國內(nèi)具有代表性的超極化129Xe技術(shù)不僅可用于肺部MRI[4]，還可通過合成特異性的分子探針從而對(duì)相應(yīng)的靶向分子進(jìn)行探測(cè)[5]．超極化技術(shù)通過動(dòng)態(tài)核極化（Dynamic Nuclear Polarization，DNP)、自旋交換光抽運(yùn)(Spin-Exchange Optical Pumping，SEOP）等方法提高原子核的自旋極化度，提升了產(chǎn)生的磁共振信號(hào)的強(qiáng)度，雖然解決了傳統(tǒng) MRS低靈敏度的問題，但仍存在制備成本高、在生物體內(nèi)退極化速度快等不足[6]．

近年來，氘代謝波譜（Deuterium Metabolic Spectroscopy，DMS）和氘代謝成像（Deuterium Metabolic Imaging，DMI）已被活體實(shí)驗(yàn)證明是簡(jiǎn)單但有效的代謝物測(cè)量技術(shù)[7]．目前，該方法主要反映注射或口服氘代葡萄糖（如D-Glucose-6,6’-2）后，目標(biāo)組織與正常組織之間相應(yīng)氘代謝產(chǎn)物的差別（如糖酵解、三羧酸循環(huán)等代謝過程的產(chǎn)物），從而進(jìn)行組織區(qū)分[7]，這些代謝過程的信息將在疾病診治中發(fā)揮重要作用．而且，所用的氘代化合物具有穩(wěn)定性高、安全性好、無輻射等優(yōu)點(diǎn)，且掃描過程無需水/脂抑制，對(duì)磁共振系統(tǒng)的主場(chǎng)均勻性相對(duì)不敏感．但DMS/DMI這一新興方法目前在臨床/臨床前應(yīng)用中具有其它影像學(xué)手段無法替代的作用，因此本文就近幾年來DMS/DMI的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)回顧，并進(jìn)一步對(duì)其臨床應(yīng)用前景進(jìn)行了展望．

1 氘代謝波譜及成像原理

傳統(tǒng)的1H MRI基本原理為：在外加磁場(chǎng)的作用下，繞主磁場(chǎng)（靜磁場(chǎng)）進(jìn)動(dòng)的自旋質(zhì)子在短暫的射頻脈沖磁場(chǎng)（幾十到幾百M(fèi)Hz的質(zhì)子共振頻率）作用下，進(jìn)動(dòng)角增大；當(dāng)射頻脈沖停止后，質(zhì)子又會(huì)逐漸恢復(fù)到原來的狀態(tài)（即弛豫過程）；與此同時(shí)，通過在主磁場(chǎng)中附加一個(gè)梯度交變磁場(chǎng)（kHz頻率），選擇性地激發(fā)目標(biāo)組織的原子核，然后接收磁共振信號(hào)，進(jìn)而建立完整的磁共振圖像．不同的組織可以通過不同的弛豫特性來區(qū)分，但該傳統(tǒng)成像方式是基于水中質(zhì)子信號(hào)，不能反映人體復(fù)雜的代謝偶聯(lián)反應(yīng)．

DMS/DMI通過氫的同位素—氘（2H或D），來標(biāo)記進(jìn)入機(jī)體的化合物，射頻脈沖選擇性地設(shè)定為氘核對(duì)應(yīng)的共振頻率，利用相對(duì)簡(jiǎn)單的脈沖序列（無需水脂抑制的脈沖序列），結(jié)合三維相位編碼進(jìn)行信號(hào)采集和重建．圖1為2H標(biāo)記化合物在生物體內(nèi)糖代謝過程的示意圖，以及目前DMS/DMI研究中使用過的反應(yīng)底物及所檢測(cè)的代謝產(chǎn)物．將葡萄糖中C-6上的H用2H取代后，2H將隨著主鏈不斷代謝為不同的化合物（此亦PET達(dá)不到的優(yōu)點(diǎn)），2H標(biāo)記的不同化合物具有不同的化學(xué)位移，可以通過MRS進(jìn)行識(shí)別．再結(jié)合空間定位編碼，分析不同組織中相關(guān)2H標(biāo)記代謝物的濃度，可獲得不同病理生理狀態(tài)下的組織代謝情況．

圖1 氘標(biāo)記化合物在生物體內(nèi)糖代謝過程的示意圖：主要為糖酵解過程和檸檬酸循環(huán)過程．D表示相連的為氘核，D/H表示相連的為氘核或氫核，*表示目前研究中使用過的反應(yīng)底物，#表示目前研究中檢測(cè)過的代謝產(chǎn)物

2H作為一種穩(wěn)定的同位素示蹤劑，自被提出至今已有近90年[8]，雖然已在結(jié)構(gòu)化學(xué)研究中作為標(biāo)定手段而廣泛應(yīng)用，但DMI研究卻進(jìn)展緩慢．部分原因在于氘核自身的物理性質(zhì)：氘核自旋量子數(shù)為1，有電四極矩，影響了2H譜的線寬而難以得到高分辨率的磁共振圖像；同時(shí)氘核的自然豐度低，敏感性不如氫質(zhì)子和其他放射性同位素[9]．近年來，隨著磁共振硬件水平的不斷提升（包括主磁場(chǎng)強(qiáng)度提升，射頻、梯度系統(tǒng)性能的提高）和相關(guān)氘代化合物（如氘代葡萄糖、氘代乙酸）合成技術(shù)的成熟，DMI重新獲得研究者的關(guān)注，各種醫(yī)學(xué)應(yīng)用因此不斷被拓展和延伸．

2 氘代謝波譜及成像的應(yīng)用

DMI的結(jié)果類似PET，在人體或大鼠原位腦膠質(zhì)瘤中的成像效果可詳見de Graaf小組的研究結(jié)果[7]．但首次利用氘代葡萄糖進(jìn)行在體代謝研究出現(xiàn)在2017年[10]．如圖1所示，葡萄糖在體內(nèi)的代謝主要分為兩個(gè)階段——糖酵解作用和檸檬酸循環(huán)（又稱三羧酸循環(huán)）：前者的代謝產(chǎn)物丙酮酸在缺氧的環(huán)境下會(huì)被乳酸脫氫酶還原成為乳酸（lactate）；而在氧氣充足的環(huán)境下則進(jìn)入三羧酸循環(huán)，并最終代謝成為水和二氧化碳，在此循環(huán)過程中產(chǎn)生的-酮戊二酸可經(jīng)轉(zhuǎn)氨基作用生成谷氨酸（glutamate）或進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺（glutamine）[11]．據(jù)此，Lu等[10]在16.4 T小動(dòng)物超高場(chǎng)磁共振系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)：靜脈注射氘代葡萄糖后，在健康大鼠腦部采集DMS，根據(jù)水模標(biāo)定、測(cè)得的2H譜信號(hào)強(qiáng)度以及代謝動(dòng)力學(xué)模型，擬合葡萄糖、谷氨酸+谷氨酰胺隨時(shí)間變化的濃度曲線，從而以在體無創(chuàng)的DMS方式測(cè)得了葡萄糖代謝率；為了進(jìn)一步檢測(cè)該方法的敏感性，研究者也在不同狀態(tài)（嗎啡鎮(zhèn)靜組、2%異氟烷麻醉組）的大鼠上使用同樣的方法檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)嗎啡鎮(zhèn)靜組的腦葡萄糖消耗率（Cerebral Glucose Consumption Rate，CMRglu）和三羧酸循環(huán)速率（Tricarboxylic Acid Cycle Flux，TCA）明顯高于異氟烷深度麻醉組：?jiǎn)岱孺?zhèn)靜組的CMRglu和TCA分別為0.46 μmolg-1min-1和0.96 μmolg-1min-1，異氟烷麻醉組的CMRglu和TCA分別為0.25 μmolg-1min-1和0.6 μmolg-1min-1. 該研究首次利用2H標(biāo)記葡萄糖，并在體進(jìn)行代謝的檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氘代謝產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)定量測(cè)量，為氘在磁共振領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門；美中不足的是，此研究采集的是DMS，尚無法達(dá)到成像定位的要求．

為進(jìn)一步擴(kuò)展DMS/DMI的醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍，de Graaf小組首次在人體和大鼠上進(jìn)行了DMI[7]. 腫瘤組織的葡萄糖代謝不同于正常組織，表現(xiàn)為Warburg效應(yīng)：腫瘤細(xì)胞較正常細(xì)胞有更高的葡萄糖攝取利用率，即使在氧氣充足的條件下也更傾向于通過糖酵解途徑給細(xì)胞供能，因此導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞糖酵解后續(xù)產(chǎn)物乳酸含量較高，而有氧三羧酸循環(huán)后續(xù)產(chǎn)物谷氨酰胺和谷氨酸含量較少[12]. de Graaf等創(chuàng)造性地利用Warburg效應(yīng)將乳酸與谷氨酸+谷氨酰胺（二者在MRS上無法完全區(qū)分，故常以二者之和的形式進(jìn)行研究）的比值作為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，在攝入氘代葡萄糖后的高級(jí)別腦膠質(zhì)瘤患者（4 T）和腦膠質(zhì)瘤大鼠模型（11.7 T）中成功實(shí)現(xiàn)了DMI；結(jié)合1H高分辨率結(jié)構(gòu)磁共振圖像，實(shí)現(xiàn)了膠質(zhì)瘤組織與正常腦組織的高對(duì)比度區(qū)分[7]．該腫瘤代謝研究將DMS/DMI的應(yīng)用推到了一個(gè)新的高度．

此后開展的實(shí)驗(yàn)基本上以此為思路，利用不同病理生理狀態(tài)組織之間葡萄糖代謝的差別進(jìn)行組織代謝的鑒別．Kreis等[13]利用9.4 T磁共振系統(tǒng)，在注射氘代葡萄糖后的淋巴瘤（EL4）小鼠模型中以10 min的時(shí)間分辨率實(shí)現(xiàn)了乳酸代謝流的定量代謝成像；以常用化療藥物依托泊苷進(jìn)行治療48 h后，再次進(jìn)行DMI，發(fā)現(xiàn)經(jīng)治療后，淋巴瘤區(qū)域腫瘤細(xì)胞糖酵解產(chǎn)生的乳酸大量減少（乳酸/重水比值從0.33±0.10降至0.089±0.039），證明了化療作用早期的治療效應(yīng)．淋巴瘤作為一種血液系統(tǒng)腫瘤，其快速生長(zhǎng)的特性也使Warburg效應(yīng)有著更明顯的體現(xiàn)；然而該研究更為重要的意義在于通過DMI來反映腫瘤組織經(jīng)過治療后的代謝變化，為治療反應(yīng)的早期評(píng)價(jià)提供了一種新的思路，因?yàn)槟壳皩?duì)腫瘤的治療評(píng)價(jià)主要依靠治療后腫瘤組織體積縮小的程度，但該評(píng)價(jià)指標(biāo)仍然存在著評(píng)價(jià)時(shí)間滯后、敏感性差（某些腫瘤組織干預(yù)后生長(zhǎng)受到抑制但體積未縮小，從而無法完全反映其治療效果）等問題[14]．此外，Kreis研究組又利用7 T磁共振系統(tǒng)研究了人乳腺癌細(xì)胞（MDA-MB-231）小鼠移植瘤模型和人結(jié)直腸癌細(xì)胞（Colo205）小鼠移植瘤模型，予以腫瘤壞死因子相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體受體2（Tumor Necrosis Factor-related Apoptosis-inducing Ligand Receptor 2，TRAILR2）治療24 h后，進(jìn)行DMI，使用的代謝成像顯影劑為氘代延胡索酸（延胡索酸fumarate為三羧酸循環(huán)的代謝物之一，其進(jìn)一步反應(yīng)生成蘋果酸malate，而蘋果酸生成增加提示細(xì)胞膜滲透屏障的破壞，進(jìn)而提示腫瘤細(xì)胞壞死[15]），通過檢測(cè)到腫瘤組織中蘋果酸與延胡索酸比值的增加，驗(yàn)證了利用DMI進(jìn)行早期腫瘤治療反應(yīng)評(píng)價(jià)的可行性[16]．

上述研究主要關(guān)注腫瘤的異常糖代謝，但生物體中除了腫瘤組織，肌肉、肝組織中葡萄糖代謝也相當(dāng)活躍，主要為葡萄糖與糖原之間的合成和分解代謝．de Feyter等[17]在肝臟中利用DMS進(jìn)行了嘗試：通過在小鼠體內(nèi)注射氘代葡萄糖和糖原磷酸化酶抑制劑，使小鼠肝組織合成并貯存大量糖原，然后將肝組織取出碾磨，并在11.7 T磁共振系統(tǒng)上對(duì)組織液進(jìn)行DMS分析；而在使用葡萄糖苷酶使糖原分解為葡萄糖后，再次進(jìn)行DMS分析．該研究順利測(cè)得了葡萄糖的譜峰，但難以測(cè)得糖原的譜峰．究其原因在于糖原的橫向弛豫時(shí)間極短（2< 2 ms）而譜峰的線寬極大（約190 Hz），導(dǎo)致其難以探測(cè)．但該研究仍不失為一次有意義的嘗試，在腫瘤葡萄糖代謝之外開拓了新的思路：糖原代謝，這對(duì)諸如糖尿病、糖原貯積病等的機(jī)制研究都有重要意義．需要注意的是，該實(shí)驗(yàn)為離體磁共振實(shí)驗(yàn)，而在體成像實(shí)驗(yàn)還需要平衡回波時(shí)間、重復(fù)時(shí)間等影響．

急性腦梗塞患者的局部腦組織供血中斷導(dǎo)致局部缺氧，致使神經(jīng)細(xì)胞的能量代謝途徑發(fā)生改變，糖酵解所占的比重增大，生成的乳酸也因此增多[18]．鑒于此，Straathof等[19]對(duì)缺血性腦梗塞大鼠模型注射氘代葡萄糖后，利用9.4 T磁共振系統(tǒng)進(jìn)行DMI，以乳酸濃度為標(biāo)志呈現(xiàn)出相應(yīng)的腦缺血部位．棕色脂肪組織作為寒冷環(huán)境下機(jī)體產(chǎn)熱的組織，其產(chǎn)熱過程中對(duì)葡萄糖的需求也高于正常組織．基于此，Riis-Vestergaard等[20]將大鼠分別預(yù)先在寒冷環(huán)境（9 ℃）和正常環(huán)境中（30 ℃）飼養(yǎng)一周，之后注射氘代葡萄糖，并在9.4 T磁共振系統(tǒng)上進(jìn)行DMI，發(fā)現(xiàn)寒冷環(huán)境適應(yīng)組的棕色脂肪組織無論是葡萄糖攝取量還是谷氨酸+谷氨酰胺和乳酸生成量都明顯高于相應(yīng)的正常環(huán)境飼養(yǎng)組．不同于腦組織，心肌組織能量物質(zhì)來源主要為脂肪，但在不同病理生理狀態(tài)下其能量來源可能發(fā)生相應(yīng)變化．Wang等[21]利用2H標(biāo)記的葡萄糖及乙酸鹽進(jìn)行DMI，發(fā)現(xiàn)心肌的能量底物更偏好于乙酸鹽．盡管其中仍存在諸如定量化等的難題，但其提示著將DMI應(yīng)用于能量代謝研究的可行性，結(jié)合31P譜成像，將對(duì)無創(chuàng)能量代謝研究提供新的思路．表1總結(jié)了已有文獻(xiàn)報(bào)道的DMS/DMI的相關(guān)研究．

綜上所述，截至目前為止，DMS/DMI應(yīng)用的最主要核心論據(jù)為不同生理或病理狀態(tài)的組織之間存在著糖代謝的差異，從而可以通過這種在體無創(chuàng)的新型分子影像技術(shù)實(shí)現(xiàn)氘代謝產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)定量檢測(cè)．

3 氘代謝波譜及成像的相關(guān)因素探討

DMS/DMI是一門新興的磁共振分子影像技術(shù)，其涉及的相關(guān)氘代底物、儀器設(shè)備、脈沖序列、成像參數(shù)、數(shù)據(jù)處理過程等方面仍有許多問題有待探討．

氘代葡萄糖是目前使用較多的氘代底物，但也有使用其他氘代底物的研究．von Morze等[22]在4.7 T磁共振系統(tǒng)下直接比較了超極化13C MRSI和DMI效果：就所攝取的初始代謝物而言，13C-丙酮酸的信噪比（107±65）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氘代葡萄糖（12.7±5.6），但是由于13C衰變速度快，致使其只能探測(cè)到相對(duì)較前的代謝產(chǎn)物（如乳酸），而無法探測(cè)后續(xù)的代謝產(chǎn)物（如谷氨酸等）信號(hào)，然而穩(wěn)定的同位素氘則可以探測(cè)到這些代謝產(chǎn)物．

Mahar等[23]使用D-Glucose-1,2,3,4,5,6,6’-7（即六碳主鏈上每個(gè)碳原子的一個(gè)氫原子被氘原子取代，而C-6位的兩個(gè)氫都被氘取代），由于其他號(hào)位碳上的氘在代謝過程中會(huì)參與生成水，因此使用D-Glucose-1,2,3,4,5,6,6’-7會(huì)產(chǎn)生大量的重水，這些產(chǎn)生的重水與產(chǎn)生的乳酸數(shù)量上相匹配，也可在一定程度上可反映腫瘤代謝．而研究中最常使用的氘代葡萄糖為D-Glucose-6,6’-2，即將普通葡萄糖C-6上的兩個(gè)氫原子替換為氘原子而獲得，其好處是在三羧酸循環(huán)中，C-6位的氘會(huì)在葡萄糖分解代謝過程中留存于三碳主鏈，從而可以在下游代謝物（如谷氨酸）等中檢測(cè)到2H信號(hào)．若使用D-Glucose-6,6’-2，則產(chǎn)生的重水為C-6上的氘與氫進(jìn)行化學(xué)交換所產(chǎn)生，而且這種氫氘交換反應(yīng)將造成目標(biāo)檢測(cè)物（如谷氨酸等）上2H信號(hào)的降低，對(duì)2H信號(hào)的定量檢測(cè)造成影響．有研究利用13C和2H雙重標(biāo)記的葡萄糖在大鼠腦組織內(nèi)進(jìn)行了2H信號(hào)損失的定量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)以D-Glucose-6,6’-2為底物時(shí)，乳酸、谷氨酸和谷氨酰胺上2H信號(hào)的丟失率分別為15.7%±2.6%、 37.9%±1.1%和41.5%±5.2%[24]，由此可見隨著代謝的進(jìn)行，2H信號(hào)的損失越來越大，這樣的損失對(duì)定量DMI來說是不可忽視且影響重大的．然而，Rich等[25]創(chuàng)造性地利用這種化學(xué)交換效應(yīng)提出了定量標(biāo)記交換流失磁共振波譜（Quantitative Exchanged-label Turnover MRS，QELT MRS）技術(shù)，或簡(jiǎn)稱定量磁共振波譜（qMRS）技術(shù)．之前的DMI是通過注射氘代葡萄糖之后，在氘核的共振頻率下采集2H信號(hào)的升高展示相關(guān)代謝產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)變化；但qMRS方法則反其道而行，即注射氘代葡萄糖之后，氫氘交換效應(yīng)的存在致使原本不含氘的代謝產(chǎn)物的部分氫原子被氘取代，因此在氫的共振頻率下測(cè)得的相應(yīng)代謝產(chǎn)物的1H信號(hào)將降低，所以注射前后代謝產(chǎn)物1H信號(hào)的差值即可提示相應(yīng)2H信號(hào)的增加量．需要指出的是，普通的DMI對(duì)軟硬件都有極大的要求，包括針對(duì)氘核專用的射頻線圈、前置功率放大器、配套的多核采集系統(tǒng)等，但qMRS采集的是1H信號(hào)，可克服這些問題，具有良好的應(yīng)用前景．

上文中提到的DMS/DMI研究都在非臨床磁共振設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)殡溯^低的天然豐度及量子力學(xué)性質(zhì)等因素導(dǎo)致其成像敏感度低，故已有研究都是在超高場(chǎng)磁共振（主磁場(chǎng)強(qiáng)度大于3 T）系統(tǒng)中進(jìn)行，且在體實(shí)驗(yàn)大部分使用小動(dòng)物模型，極少應(yīng)用于人體．而隨著磁共振系統(tǒng)靜態(tài)主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的提升，DMI的敏感性及波譜分辨率也將不斷提高[26]．

在具體的成像過程中，現(xiàn)階段下相對(duì)成熟的方式仍是直接采集2H信號(hào)．由于氘核的拉莫爾頻率僅為氫的1/6～1/7，因此采集過程需使用特定頻率的氘核射頻線圈（9.4 T環(huán)境對(duì)應(yīng)61.4 MHz）．商用小動(dòng)物氘線圈采用單通道發(fā)射-接收一體化表面線圈設(shè)計(jì)，但表面線圈固有的缺點(diǎn)—射頻發(fā)射場(chǎng)（1+）不均勻性，在高場(chǎng)下將被進(jìn)一步放大，導(dǎo)致采用常規(guī)脈沖序列（如PRESS及STEAM）進(jìn)行層選定位時(shí)輪廓不理想，無法精確實(shí)現(xiàn)定域譜成像，所以高性能的氘核成像射頻線圈的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)也是開展一系列代謝研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵．有研究人員嘗試在9.4 T的主磁場(chǎng)強(qiáng)度下，采用8通道收發(fā)/2通道僅接收的氘線圈，在人腦DMI中達(dá)到了10 min的時(shí)間分辨率和2.97 mL的空間分辨率[27]，但其技術(shù)實(shí)現(xiàn)上難度較大．如圖2所示，本課題組創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制作了一款氫/氘雙核發(fā)射接收一體化鳥籠狀線圈，并成功采集到腫瘤小鼠注射氘代葡萄糖后的預(yù)期波譜[28]，而且系統(tǒng)地評(píng)估了氘核鳥籠狀體線圈在磁共振信號(hào)激發(fā)區(qū)域、發(fā)射均勻性、發(fā)射效率和接收信噪比方面的性能．結(jié)合水模型以及腫瘤/對(duì)照活體小鼠的成像結(jié)果，我們比較并討論了射頻體線圈和表面線圈設(shè)計(jì)在DMS/DMI應(yīng)用的利與弊，為高信噪比DMS/DMI射頻線圈的設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)參考，并提出利用體線圈發(fā)射結(jié)合表面線圈接收或許是實(shí)現(xiàn)高分辨率及高信噪比代謝成像的最佳選擇．

圖2 氫/氘雙核線圈三維透視圖以及腫瘤/對(duì)照小鼠的氘代謝波譜結(jié)果：射頻線圈采用同軸嵌套結(jié)構(gòu)將氫、氘兩個(gè)鳥籠天線一體化封裝，線圈中心為小動(dòng)物支撐床，同時(shí)配以咬合棒、耳棒用以動(dòng)物保定裝置；腫瘤組和對(duì)照組小鼠的氘代謝波譜顯示（左上），二者皆有重水及氘代葡萄糖譜峰，但僅有腫瘤組可見明顯的氘代乳酸譜峰，符合腫瘤細(xì)胞代謝特性

在脈沖序列及相應(yīng)成像參數(shù)的選擇上，使用最簡(jiǎn)單的單脈沖（single pulse）激發(fā)序列即可采集全腦的DMS．而由于氘核與氫核的共振主頻率差距極大，在1H MRS中相當(dāng)重要的外部體積抑制（Outer Volume Suppression，OVS）模塊在2H譜采集中可能將不再需要，并且氘核極低的自然豐度使得體內(nèi)水和脂肪信號(hào)不再需要特殊抑制；對(duì)于定域波譜，在發(fā)射場(chǎng)均勻的情況下，采用常規(guī)的序列（STEAM或PRESS）即可進(jìn)行譜成像，無需OVS及水脂抑制，從而簡(jiǎn)化了序列的優(yōu)化與調(diào)節(jié)，但若發(fā)射場(chǎng)極不均勻（如使用表面線圈），則需采用基于絕熱脈沖（adiabatic pulse）的方法（如LASER或semi-LASER序列）進(jìn)行定位；對(duì)于波譜成像，氘頻率下的2D或3D化學(xué)位移成像（Chemical Shift Imaging，CSI）可采集選定層面的代謝譜，操作亦較氫譜簡(jiǎn)單．在參數(shù)選擇上，氘原子的電四極矩導(dǎo)致氘代化合物1、2顯著縮短．常用于檢測(cè)的氘代物質(zhì)1值如下：水（約350 ms）、葡萄糖（約50～60 ms）、谷氨酸/谷氨酰胺（約150～200 ms）、乳酸（約300 ms），其值隨0場(chǎng)變化不大；氘代水2值約為20～30 ms、其他代謝物2值在50～60 ms以下，并隨0場(chǎng)增大而減小[29]．因此現(xiàn)有的DMI文獻(xiàn)中掃描使用的重復(fù)時(shí)間多為150～400 ms，翻轉(zhuǎn)角約60?～90?，而回波時(shí)間極短（回波時(shí)間鮮有報(bào)道，有報(bào)道的為1 ms左右[20]）．除此以外，也有結(jié)合平衡穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)序列[30]以及機(jī)器學(xué)習(xí)方法[31]來嘗試提高DMI的信噪比，均具有一定的應(yīng)用前景．

對(duì)后處理軟件而言，由于2H譜僅包含所用反應(yīng)物及相關(guān)代謝產(chǎn)物，因此對(duì)DMS/DMI的后處理比1H譜更為簡(jiǎn)單，常用的軟件如jMRUI[32]或LCModel[33]皆可進(jìn)行處理．

4 結(jié)論和展望

DMS/DMI作為一種新興的分子影像技術(shù)，相比于現(xiàn)有的分子影像技術(shù)（PET、1H MRSI、CEST等），具有一定的優(yōu)勢(shì)，目前主要用于研究不同生理或病理狀態(tài)的組織之間的糖代謝差異．該技術(shù)涉及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、醫(yī)學(xué)模型設(shè)計(jì)、射頻電子電路設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)圖像重建等諸多領(lǐng)域，從理論推導(dǎo)到臨床實(shí)踐尚有許多亟待完善的地方．

為了推動(dòng)該新興分子影像技術(shù)真正服務(wù)于患者、應(yīng)用于臨床診療，以下幾個(gè)方面的工作值得進(jìn)一步研究：①成像分辨率的提高—上述DMI在小動(dòng)物上最小分辨率為2′2′2 mm3、在人體實(shí)驗(yàn)中多為2′2′2 cm3，這樣的分辨率水平對(duì)于組織結(jié)構(gòu)區(qū)分而言過于粗糙，因此應(yīng)在成像實(shí)驗(yàn)中以2H信號(hào)反映組織代謝信息、以1H信號(hào)呈現(xiàn)組織形態(tài)信息，即設(shè)計(jì)氫/氘雙核雙頻線圈以滿足精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)定位的組織代謝功能需求，同時(shí)重點(diǎn)提升氘線圈電磁設(shè)計(jì)的接收靈敏度、提高DMI的空間域信噪比．由于多核磁共振設(shè)備的限制，將來小動(dòng)物成像研究的改進(jìn)重點(diǎn)是采用基于絕熱脈沖的序列進(jìn)行定位，并結(jié)合更好的硬件設(shè)計(jì)（如體發(fā)射結(jié)合表面接收）來進(jìn)一步提升分辨率和信噪比；而人體成像研究中接收線圈陣列化將有效提升成像效果．②醫(yī)學(xué)應(yīng)用的開發(fā)．目前的研究表明DMI在葡萄糖代謝成像方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，而除腫瘤外，諸多疾病如糖尿病、半乳糖血癥、糖原貯積病等都存在著糖代謝異常，因此值得將這種無創(chuàng)、無輻射、穩(wěn)定、可動(dòng)態(tài)測(cè)量代謝變化的分子影像技術(shù)開發(fā)應(yīng)用于更多臨床疾病的診斷與治療．比如，端粒選擇性延長(zhǎng)（Alternative Lengthening of Telomeres，ALT）途徑在星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤的增殖中與葡萄糖代謝密切相關(guān)，結(jié)合相關(guān)藥理及細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，將DMI與基因聯(lián)系起來，用于無創(chuàng)評(píng)價(jià)治療反應(yīng)[34]；此外，利用13C進(jìn)行神經(jīng)發(fā)育過程中的原位空間甲基化檢測(cè)[35]，也對(duì)DMI的應(yīng)用開發(fā)具有極大的借鑒意義．但這部分應(yīng)用的開發(fā)極具挑戰(zhàn)性，需要真正醫(yī)工信的結(jié)合來共同實(shí)現(xiàn)，未來DMI將可能架構(gòu)起微觀分子生物學(xué)和宏觀生物成像的橋梁．③氘代顯影劑的設(shè)計(jì)．當(dāng)前研究使用過的氘代顯影劑有氘代葡萄糖、氘代乙酸、氘代延胡索酸等，這些顯影劑都為糖代謝過程的相關(guān)代謝物；而設(shè)計(jì)更多種類的氘代顯影劑，即可在相應(yīng)的代謝循環(huán)中檢測(cè)不同的代謝物信息，將使我們獲得更豐富且有意義的代謝變化信息．不過需要指出的是，其他氘代試劑的使用必須考慮到劑量、安全性及給藥途徑等，按目前的檢測(cè)靈敏度，相應(yīng)氘代試劑的濃度需要在體內(nèi)達(dá)到mmol/L級(jí)別方可被檢測(cè)，而使用這種濃度的氘標(biāo)記的激素、神經(jīng)遞質(zhì)等，人體是否耐受，以及且蛋白質(zhì)類物質(zhì)口服是否吸收，給藥途徑如何等一系列的問題都需要考慮．以上這三方面的因素又是相輔相成的，分辨率的提高可以使得更小濃度的標(biāo)記物質(zhì)被檢測(cè)出，從而推動(dòng)應(yīng)用范圍及氘代顯影劑的開發(fā)．

DMS/DMI需要醫(yī)工信等多學(xué)科交叉來推動(dòng)其發(fā)展，合力挖掘這一新興分子影像技術(shù)的潛力，從而在疾病的早期診斷、治療決策、預(yù)后評(píng)估等方面通過新的視角為臨床醫(yī)生提供有意義的信息，從而推動(dòng)個(gè)體化精準(zhǔn)醫(yī)療的進(jìn)展．

本研究受到了如下科研基金的贊助：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFA0701400），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61771423、81701774）．

無

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Review of a New Molecular Imaging Method——Deuterium Metabolic Spectroscopy and Imaging

1，2，3，1，4,1,2*

1. Department of Neurosurgery at the Second Affiliated Hospital of Zhejiang University School of Medicine, Zhejiang University, Hangzhou 310009, China; 2. Interdisciplinary Institute of Neuroscience and Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310020, China; 3. Bruker (Beijing) Scientific Technology Co. Ltd., Beijing 100081, China; 4. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

Commonly used molecular imaging methods include positron emission tomography (PET), hydrogen magnetic resonance spectroscopy (1H MRS) and imaging (1H MRSI), chemical exchange saturation transfer (CEST), and hyperpolarized13C MRSI. As a cutting-edge molecular imaging method, deuterium metabolic spectroscopy (DMS) and imaging (DMI) has been recently developed and it distinguishes different tissues according to their specific glycometabolism. Compared with other molecular imaging methods, this promising technique has apparent advantages such as no radioactivity, good stability, and easy to maneuver. In this article, we review the progress of DMS/DMI and discuss its significance, future development, and potential clinical applications.

magnetic resonance, metabolic imaging, glucose, deuterium, tumor

O482.53

A

10.11938/cjmr20222999

2022-04-15;

2022-06-13

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFA0701400)，國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81701774, 61771423).

* Tel: 0571-86971735, E-mail: zhangxiaotong@zju.edu.cn.