酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像原理及其在腦膠質(zhì)瘤中的研究進(jìn)展

劉曉燕，王寶劍，張娟，倪琳，馬千里，謝元忠，李秀娟*

作者單位：1.山東第一醫(yī)科大學(xué)(山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院)，泰安 217000；2.泰安市中心醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像中心，泰安 217000；3.山東第一醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，泰安 217000

腦膠質(zhì)瘤(glioma)又叫神經(jīng)膠質(zhì)瘤(neuroglioma)，是顱內(nèi)最常見的原發(fā)性腫瘤，呈浸潤性生長，死亡率及復(fù)發(fā)率較高，嚴(yán)重影響患者的生存質(zhì)量，因此明確患者的術(shù)前診斷尤為重要，目前MRI 檢查在腦膠質(zhì)瘤的術(shù)前診斷中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。磁共振化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer，CEST)這一概念最早是由Forsen 和Hoffman 提出的，而酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(amide proton transfer，APT)成像作為一種磁共振功能成像新技術(shù)，是基于磁化傳遞(magnetizatiotransfer，MT)衍生的CEST 的一個分支，可以檢測組織中游離蛋白質(zhì)和多肽。本文主要對APT 成像的基本原理及其在腦膠質(zhì)瘤中的具體應(yīng)用、局限性及前景進(jìn)行闡述。

1 腦膠質(zhì)瘤的病理生理

腦膠質(zhì)瘤呈浸潤生長，侵襲性強(qiáng)，而生物系統(tǒng)的功能基本依賴于蛋白質(zhì)[1]，與正常組織相比，腫瘤細(xì)胞因致癌突變的存在代謝活躍，因此蛋白質(zhì)合成速率快，蛋白質(zhì)含量增多[2]。一般而言，高級別膠質(zhì)瘤的細(xì)胞增殖速度比低級別膠質(zhì)瘤快，并且蛋白表達(dá)相對較多。Li等[3]通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析結(jié)合選擇性組織顯微解剖和選定蛋白靶點(diǎn)的測序，發(fā)現(xiàn)人腦膠質(zhì)瘤的蛋白質(zhì)特征不同于正常腦組織，蛋白質(zhì)的表達(dá)較正常腦組織明顯增多。

2 APT成像的基本原理

APT 成像是基于CEST 成像的一種分子水平的功能成像技術(shù)，是由Zhou 等[4]提出的檢測體內(nèi)蛋白質(zhì)及多肽和酸堿度的一種新的成像方式，通過施加一定的射頻脈沖預(yù)飽和體內(nèi)游離蛋白質(zhì)和多肽中的酰胺質(zhì)子(-NH)，然后，被飽和的酰胺質(zhì)子不斷地再與自由水中的氫質(zhì)子進(jìn)行化學(xué)交換，從而使自由水不斷地被飽和，信號減低，通過水分子信號的變化來間接反映體內(nèi)游離蛋白質(zhì)的含量及多肽鏈上的酰胺質(zhì)子與水中氫質(zhì)子的轉(zhuǎn)移速率。

酰胺質(zhì)子和水的共振頻率分別為3.5 ppm、0 ppm (ppm表示10-6m)。根據(jù)自由水隨著飽和頻率脈沖的變化可以得出Z譜圖像，通過Z譜計算出在±3.5 ppm處的非對稱磁化轉(zhuǎn)移率(asymmetric magnetization transfer ratio，MTRasym)來反映APT的信號強(qiáng)度。公式如下：

其 中Ssat( + 3.5ppm)、Ssat( - 3.5ppm) 分 別 表 示 在+3.5ppm和-3.5ppm施加飽和脈沖的信號強(qiáng)度，S0為未施加飽和脈沖的信號強(qiáng)度。

根據(jù)目前的理論，APT信號強(qiáng)度受組織含水量、溫度、組織酸堿度、水質(zhì)子T1 值、磁化傳遞效應(yīng)等多種因素的影響，組織中的APT 成像信號主要與兩個因素有關(guān)：游離酰胺質(zhì)子含量和酰胺質(zhì)子交換率[4-5]，但是，APT 成像的信號強(qiáng)度主要取決于組織內(nèi)酰胺質(zhì)子與自由水質(zhì)子的交換速率，這種交換速率與蛋白質(zhì)濃度及pH 有關(guān)，在一定條件下，組織內(nèi)游離的蛋白質(zhì)濃度越高，交換速率越快，APT 的信號強(qiáng)度越高[6-7]。APT 信號作為一種成像生物標(biāo)志物，反映腫瘤細(xì)胞增殖過程中細(xì)胞增殖為異常的蛋白質(zhì)合成和多種蛋白或肽的過表達(dá)[4]。此外，酰胺質(zhì)子交換速率在生理酸堿度范圍內(nèi)是堿催化的[8]，酸性環(huán)境不利于酰胺質(zhì)子的轉(zhuǎn)移，因此pH 值越低，酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移速率越慢，APT的信號強(qiáng)度越低。

3 APT成像技術(shù)在腦膠質(zhì)瘤中的應(yīng)用

3.1 APT 成像對高低級別膠質(zhì)瘤的區(qū)分及腫瘤增殖能力的預(yù)測

膠質(zhì)瘤的準(zhǔn)確分級對臨床治療方案的制定以及改善患者預(yù)后尤為重要，T1 加權(quán)成像(T1 weighted imaging，T1WI)增強(qiáng)掃描只能反映血腦屏障的破壞，不能反映腦腫瘤的分級以及區(qū)分腫瘤實質(zhì)和瘤周水腫，在有些情況下，低級別膠質(zhì)瘤也可以產(chǎn)生類似高級別膠質(zhì)瘤的強(qiáng)化方式。膠質(zhì)瘤的分級錯誤會導(dǎo)致高級別膠質(zhì)瘤治療不足，低級別膠質(zhì)瘤過度治療[9]。近年來，關(guān)于APT 成像是否可以進(jìn)行對膠質(zhì)瘤進(jìn)行準(zhǔn)確分級得到廣泛關(guān)注。由于腫瘤分子水平的變化早于形態(tài)學(xué)改變，因此通過APT 成像可以觀察內(nèi)源性分子的變化，為腫瘤治療提供更有價值的信息[10]。Choi等[11]通過對46例彌漫型膠質(zhì)瘤患者進(jìn)行APT 成像，發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)瘤分級越高，APT 信號越高[Ⅱ級為(0.84±0.60)%，Ⅲ級為(1.55±0.87)%，Ⅳ級為(2.53±0.70)%；P＜0.001]，APT 信號在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。這一結(jié)果與Su 等[12]和Song 等[9]的研究發(fā)現(xiàn)基本一致，這可能是由于高級別膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖較快，細(xì)胞排列密集，細(xì)胞代謝所產(chǎn)生內(nèi)源性游離的蛋白質(zhì)及多肽的含量較多，而APT對內(nèi)源性游離蛋白比較敏感，所以APT 信號強(qiáng)度增加；然而，隨著腫瘤增殖加快，其體積的增大一定程度上會引起腫瘤組織內(nèi)部缺血缺氧壞死，形成局部的酸性環(huán)境，理論上講APT 信號強(qiáng)度是減低的，然而有研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞內(nèi)pH 值的變化比細(xì)胞外的變化不明顯，腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞內(nèi)的pH 僅有輕微升高[13-15]，因此理論結(jié)果與實際結(jié)果相矛盾，Togao 等[16]發(fā)現(xiàn)，與無壞死的腦膠質(zhì)瘤相比，有壞死的腫瘤組織的APT 值仍然很高，他們認(rèn)為這可能與腫瘤組織發(fā)生液化壞死過程中分泌較多的游離蛋白質(zhì)和多肽有關(guān)，因此我們推測pH 對腫瘤的影響微乎其微。綜上可推測APT 能用于腦膠質(zhì)瘤病理分級的初步定量診斷，為腫瘤術(shù)前分級及腫瘤生物學(xué)行為提供有價值的預(yù)測。另外，由于APT 對于蛋白質(zhì)的敏感性較高，富含蛋白的囊腫、空腔病變、腫瘤內(nèi)出血、單純性血腫等均會影響APT 信號，因此在APT 信號的測量中需要結(jié)合常規(guī)平掃，避開病變的囊變壞死及出血等區(qū)域。

Ki-67抗原是一種位于增殖細(xì)胞核中的非組蛋白，能反映腫瘤細(xì)胞的增殖速度和侵襲能力，對膠質(zhì)瘤的預(yù)后有重要意義[17]。一般來說，Ki-67 的表達(dá)水平越高，膠質(zhì)瘤的分級就越高。Chen等[18]通過對20例膠質(zhì)瘤患者進(jìn)行APT成像發(fā)現(xiàn)，高級別膠質(zhì)瘤的APT 值[(4.5±2.3)%]明顯高于低級別膠質(zhì)瘤[(2.9±1.1)%]，高級別膠質(zhì)瘤Ki-67 的表達(dá)[(38.9±21.0)%]也明顯高于低級別膠質(zhì)瘤[(4.3±2.8)%]。APT信號與Ki-67值呈正相關(guān)，該研究結(jié)果也為上述APT可用于腦膠質(zhì)瘤高低級別的診斷提供支持，同時表明APT 信號可以預(yù)測腫瘤的增殖情況。還有研究發(fā)現(xiàn)，APT成像能顯示病灶高增殖細(xì)胞的分布，為腫瘤立位定向穿刺活檢及局部治療提供更準(zhǔn)確的靶點(diǎn)[19-20]。由于APT成像屬于無創(chuàng)檢查，無需注射外源性對比劑，其可重復(fù)性從長遠(yuǎn)角度來看，降低了重復(fù)活檢帶來一系列并發(fā)癥的風(fēng)險。

3.2 APT成像在腦膠質(zhì)瘤治療后的評估

由于腦膠質(zhì)瘤具有浸潤性生長的生物學(xué)特性，即使手術(shù)切除病灶，也不能完全保證沒有腫瘤殘留，這成為膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)的重要原因之一。一般腦膠質(zhì)瘤術(shù)后需要輔助放射治療，因為放射治療能殺滅腫瘤細(xì)胞或抑制腫瘤細(xì)胞生長，從而降低腫瘤的復(fù)發(fā)率。在治療后的高級別膠質(zhì)瘤患者中，APT成像在區(qū)分腫瘤進(jìn)展和治療相關(guān)變化方面的診斷發(fā)揮優(yōu)勢，可以幫助降低不當(dāng)治療決策的風(fēng)險[21]。Zhou 等[5]通過對大鼠放射性壞死模型及異種移植人膠質(zhì)瘤模型研究發(fā)現(xiàn)，兩種病灶表現(xiàn)出相似的T2WI 高信號和釓增強(qiáng)磁共振成像特征，但在APT 圖像上信號不同，放射性壞死呈低信號，而腦膠質(zhì)瘤呈高信號，研究人員認(rèn)為，壞死病灶A(yù)PT 呈低信號可能與細(xì)胞質(zhì)丟失導(dǎo)致細(xì)胞溶質(zhì)蛋白的缺乏有關(guān)。前期在動物模型中，APT成像在區(qū)分有活性的腫瘤和放射性壞死發(fā)揮優(yōu)勢，那么在人腦膠質(zhì)瘤的應(yīng)用如何，對此，Jiang 等[22]在對放化療后疑似復(fù)發(fā)的腦膠質(zhì)瘤研究時發(fā)現(xiàn)，其APT 的信號強(qiáng)度與組織病理形態(tài)、細(xì)胞數(shù)量、增殖指數(shù)呈顯著正相關(guān)，區(qū)分活性腫瘤和非活性腫瘤的APT 信號強(qiáng)度臨界值為1.79%，敏感性及陽性預(yù)測值較高，表明APT 成像可以評估膠質(zhì)瘤術(shù)后的治療反應(yīng)。此外，Park等[23]也做了類似研究，發(fā)現(xiàn)APT 成像聯(lián)合T1WI 增強(qiáng)可顯著提高鑒別腫瘤進(jìn)展和治療相關(guān)效應(yīng)的診斷效能。我們可以推測APT成像可作為評估腫瘤治療后相關(guān)反應(yīng)的一個早期、靈敏的成像生物標(biāo)志物，對腦膠質(zhì)瘤術(shù)后放射治療靶區(qū)范圍的精確劃分、腫瘤復(fù)發(fā)與假性進(jìn)展的判別具有重要指導(dǎo)意義。值得注意的是，化療藥物是否對APT 信號有影響目前尚不清楚；與此同時，由于APT 成像的空間分辨率較低，對于病灶的局部進(jìn)展的鑒別能力較弱，所以，需要和T1WI 增強(qiáng)檢查聯(lián)合才能更好地評估腫瘤治療效果。

3.3 APT成像在腫瘤基因突變方面的預(yù)測

異檸檬酸脫氫酶基因(isocitrate dehydrogenase，IDH)和染色體1p/19q 是膠質(zhì)瘤分子分型的核心依據(jù)。IDH 突變以胞質(zhì)內(nèi)IDH1最常見，IDH1突變時其生物學(xué)行為與高級別膠質(zhì)瘤的腫瘤性質(zhì)相似[24]。IDH1突變與具有高度預(yù)后重要性的基因變化(如1p/19q共缺失)之間存在很強(qiáng)的聯(lián)系[25]，由于IDH野生型膠質(zhì)瘤的預(yù)后較差[26]，因此術(shù)前預(yù)測腦膠質(zhì)瘤IDH的突變狀態(tài)尤為重要。Jiang等[27]對27例經(jīng)病理證實為低級別膠質(zhì)瘤的患者進(jìn)行統(tǒng)計分析，并比較IDH野生型和IDH突變型Ⅱ級膠質(zhì)瘤術(shù)前的APT圖像特征發(fā)現(xiàn)，與IDH突變型膠質(zhì)瘤相比，IDH野生型膠質(zhì)瘤的APT信號增加，表明通過APT成像可以在術(shù)前無創(chuàng)地預(yù)測膠質(zhì)瘤的基因型。Han等[28]通過研究已知IDH1突變狀態(tài)的Ⅱ/Ⅲ級膠質(zhì)瘤患者的APT圖像發(fā)現(xiàn)，基于APT圖像特征的放射組學(xué)策略可能有助于術(shù)前評估腦膠質(zhì)瘤IDH1突變狀態(tài)。對浸潤性膠質(zhì)瘤的治療反應(yīng)及結(jié)果預(yù)測是具有挑戰(zhàn)性的，APT成像在提供更精確的膠質(zhì)瘤基因型診斷方面具有潛在的應(yīng)用價值，為膠質(zhì)瘤術(shù)前和預(yù)后提供更多有價值的信息。

3.4 APT成像在鑒別腦膠質(zhì)瘤與顱內(nèi)其他占位中的應(yīng)用研究

對于沒有結(jié)核接觸病史或顱外結(jié)核典型表現(xiàn)的腦結(jié)核瘤，若其增強(qiáng)掃描呈環(huán)形強(qiáng)化，其與高級別腦膠質(zhì)瘤進(jìn)行準(zhǔn)確鑒別診斷有一定的困難。最近一項研究發(fā)現(xiàn)[29]，與高級別腦膠質(zhì)瘤相比，腦結(jié)核瘤的APT值相對較低(1.34%～3.11%)，這反映了結(jié)核瘤微環(huán)境中游離酰胺質(zhì)子相對較少，該研究還發(fā)現(xiàn)，結(jié)核瘤病灶周圍水腫區(qū)APT值較對側(cè)腦白質(zhì)明顯增高。另外，還有學(xué)者研究了腫瘤性和感染性腫塊病變中的APT圖像對比，但其側(cè)重點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化方法和ROI優(yōu)化選擇[30]。相關(guān)研究[31]發(fā)現(xiàn)高級別膠質(zhì)瘤瘤周區(qū)的APT 值明顯高于原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤(primary central nervous system lymphomas，PCNSLs)的瘤周區(qū)信號強(qiáng)度，這可能是由于腫瘤細(xì)胞向周圍浸潤所致。APTmax-min(APT最大值與最小值之差)鑒別PCNSLs和高級別膠質(zhì)瘤的受試者操作特性(receiver operator characteristic，ROC)曲線下面積最大，準(zhǔn)確率最高為94.1%，表明APT成像或許可以鑒別PCNSLs和高級別膠質(zhì)瘤。另外，Yu等[32]發(fā)現(xiàn)APT信號強(qiáng)度在腦轉(zhuǎn)移瘤和高級別膠質(zhì)瘤之間沒有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異，這可能由于兩者均為含有較多游離蛋白的惡性腫瘤所致。但是，腦轉(zhuǎn)移瘤的瘤周區(qū)APT信號強(qiáng)度顯著低于高級別膠質(zhì)瘤的瘤周區(qū)信號強(qiáng)度，這可能是由高級別膠質(zhì)瘤的腫瘤細(xì)胞對瘤周區(qū)的浸潤造成的。目前，APT在顱內(nèi)其他占位中的應(yīng)用研究相對較少，仍需要大量的臨床試驗數(shù)據(jù)來證實上述結(jié)論。

4 總結(jié)與展望

APT成像作為一種全新的功能成像技術(shù)，目前在腦膠質(zhì)瘤疾病中應(yīng)用日益廣泛，如高低級別膠質(zhì)瘤的鑒別及膠質(zhì)瘤增殖活性的預(yù)測、膠質(zhì)瘤術(shù)后治療的評估以及膠質(zhì)瘤基因突變方面的預(yù)測等。隨著APT技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，APT成像技術(shù)已在缺血性腦卒中、腦功能疾病等疾病中得到初步應(yīng)用，但在顱內(nèi)其他占位中的應(yīng)用報道較少，由于其存在掃描時間較長、空間分辨率較低及容易受主磁場強(qiáng)度的局限性，APT應(yīng)用于頸部腫瘤、前列腺癌及乳腺癌等疾病的報道目前也相對較少?？傊?，APT可以通過探測體內(nèi)游離蛋白質(zhì)及多肽鏈的含量從而在分子水平反映細(xì)胞中蛋白質(zhì)含量及酸堿度變化，希望在未來的發(fā)展中，隨著APT成像技術(shù)的不斷優(yōu)化和發(fā)展，APT技術(shù)可以在腦膠質(zhì)瘤及其他疾病的診斷、治療及預(yù)后方面發(fā)揮更大作用。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。