磁共振分子影像学在脑胶质瘤诊断中的应用

葛冰冰

（天津中医药大学，天津 300193）

·综 述·

磁共振分子影像学在脑胶质瘤诊断中的应用

葛冰冰

（天津中医药大学，天津 300193）

脑胶质瘤是最常见的神经系统原发性恶性肿瘤，对其进行早期诊断并明确分级意义重大，而传统的影像学在脑胶质瘤诊疗中提供的价值往往有限。磁共振分子影像学的出现，从一个全新的角度为脑胶质瘤的早期精准诊断提供了可能，本文就近年来磁共振分子影像学应用于脑胶质瘤的诊断做一综述。

磁共振分子成像；脑胶质瘤；分子探针

脑胶质瘤是最常见的颅内恶性肿瘤，占颅内肿瘤的40%～50%，WHO根据胶质瘤的恶性程度其分为Ⅰ～Ⅱ级的低级别胶质瘤和Ⅲ～Ⅳ级的高级别胶质瘤[1]。2012年我国脑及中枢神经系统肿瘤新发病例约8.8万，死亡病例约5.4万，较2011年都有明显增长[2-3]。目前脑胶质瘤的临床精准诊断和分级还主要依靠组织病理学，部分患者难以接受且伴随感染、水肿的风险。磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）拥有极高的空间分辨率和极好的组织分辨率，目前仍是颅内占位病变的首选方法，但它对脑胶质瘤的诊断尚缺乏特异性，尤其是在早期胶质瘤病变的诊断中还需同脱髓鞘性疾病、炎性假瘤、感染等中枢神经系统病变相鉴别。因此，寻找安全无创、简便精准的诊断新方法对于胶质瘤的治疗及预后评估意义重大。

1 磁共振分子影像学的定义和成像条件

磁共振分子影像学是分子影像学的重要分支，它是指借助高特异性的分子探针，无创地与体内细胞特定表达的分子靶点结合，利用磁共振成像的方式反映分子水平的变异信息以便在细胞和分子水平上定性和定量地研究活体的生物过程。磁共振分子影像学的应用有两个关键部分，一是高度特异性的分子探针，二是能灵敏地获得高分辨力图像并进行信号放大的的探测系统[4]。

2 磁共振分子探针

分子探针是进行磁共振分子成像的先决条件，设计合适的分子探针要满足以下条件：①能借助靶向物质与靶点高特异性结合；②通过磁共振对比剂能有良好的成像能力；③在体内半衰期较长，能满足成像的时间要求，避免被快速清除；④能够穿过生理屏障到达需要观察的组织部位，满足成像的浓度要求[5]。

2.1 特异性的靶点和靶向物质是磁共振成像的基础：脑胶质瘤上的特异性靶点是供研究者对脑胶质瘤进行客观测定和评价的一个生化或分子生物学指标，反映机体当前所处的生物学状态及进程，检测脑胶质瘤中特异性的靶点对于脑胶质瘤的鉴定、早期诊断、预防、预后及治疗过程中的监控均可起到关键作用。随着研究的深入，越来越多的脑胶质瘤标记物被发现，其中以基质金属蛋白酶和神经纤毛蛋白-1的研究较为深入与成熟。

2.1.1 MMPs和CTX：作为降解细胞外基质的蛋白水解酶类家族，基质金属蛋白酶家族（MMPs）被证实在胶质瘤的发病过程中扮演着重要角色，正常情况下金属基质蛋白酶受调控作用无法大量合成，而在胶质瘤组织中MMPs被大量合成分泌，它把正常的细胞外基质及基底膜降解使周围组织严重破坏，为胶质瘤的浸润生长提供条件[6]。MMPs还参与了肿瘤内新生血管的形成，其机制可能是MMPs将促进血管生成的因子释放到细胞外基质及基底膜[7]。Hur[8]通过对MTS23和pv2的细胞研究及胶质瘤小鼠实验证实MT1E（Metallothinein 1E）因子能构通过激活基质金属蛋白酶-2（MMP-2）的分泌进而促进胶质瘤组织的增生浸润生长。国内亦有学者通过对38例脑胶质瘤患者及20例非肿瘤颅脑手术患者的脑组织进行MMP-1、MMP-2、MMP-9与TIMP-1、TIMP-2 表达检测得出结论，MMP-1、MMP-2、MMP-9、TIMP-1、TIMP-2与脑胶质瘤的生长具有相关性，并且能反映出恶性程度及其侵袭能力[9]。氯毒素（chlorotoxin，CTX）是有36个氨基酸构成的神经毒素，对哺乳动物无害[10]。Soroceanu等[11]人用I125（放射性碘125）标记了氯毒素，发现它能特异性的与胶质瘤细胞结合，进一步的研究发现氯毒素与脑胶质瘤结合的位点之一正是胶质瘤细胞分泌的MMP-2，而它与MMPs的其他亚型均不结合，此外氯毒素还被证实能以剂量依赖型的方式抑制MMP-2酶的活性，减少MMP-2的表达[12]。

2.1.2 NRP-1 和 tLyp1：神经纤毛蛋白-1（NRP-1）是一种分子量为140kd的跨膜蛋白受体，属神经纤毛蛋白家族（NRPs）的一个亚型，最初由fusuj发现于形成中的神经纤维轴突上[13]。胶质瘤的生长和转移依赖血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）调控下的血管生成，NRP-1正是通过其a1/a2和b1/b2结构域使VEGF2同其共受体VEGF165结合从而促进血管生成[14]。Roth等在iRGD肽的研究基础上证实线性多肽tlyp1（氨基酸序列为CGNKRTR）能与NRP-1高效特异性结合并内化入细胞同时能产生跨血管渗透和肿瘤穿膜作用[15]。Hu-bingwu等[16]用5-羧基二乙酸荧光素（5-carboxyfluorescein（FAM））分别标记了 tLyp1和对照组多肽（MAQKTSH），进行U87MG细胞及U87MG载瘤裸鼠结合实验后得出结论：即使在浓度很低（1uM）的情况下FAM-tLyP-1也能被U87MG细胞极大程度的摄取；U87MG载瘤裸鼠的正常脑组织中只有极少量的FAM-tLyP-1，而胶质瘤组织中检测到大量的FAM-tLyP-1的富集，且其分布区域均存在NRP-1的表达，该实验很好的验证了tLyp1的特异性靶向能力。

2.2 氧化铁纳米颗粒能有效提高磁共振的成像效果：磁共振对比剂能提高软组织的分辨率，解决不同组织之间的弛豫时间相互重叠等问题，从而提高诊断的准确率[17]，目前临床上常用的是以含有钆的金属有机络合物为代表的T1阳性对比剂，它在诊断过程中对脑胶质瘤周围水肿区及胶质瘤相关血管的成像效果优于脑胶质瘤本身，往往价值有限。氧化铁纳米颗粒（Iron oxide nanoparticle）是一种磁共振T2阴性对比剂，可以降低T2加权像的信号值（Signal intensity，SI），缩短T2弛豫时间并提高弛豫率使T2加权像变暗，从而增强对比度。其中超小型超顺磁性氧化铁直径在40～150纳米之间，具有更小的尺寸而容易逃避网状内皮系统（RES）的摄取，因此较超顺磁性氧化铁拥有更长的血液循环时间，目前应用的最为广泛。新合成的单纯氧化铁纳米颗粒由于生物相容性等问题仍无法在胶质瘤部位聚集到充足浓度以满足成像要求，研究发现通过引入修饰剂可以很好的解决这个问题。以羧基化聚乙二醇（PEG）为代表的修饰剂具有良好的亲水性，利用它修饰超顺磁性氧化铁纳米颗粒后可以获得相容性和水分散性更好、血液循环时间更长、无生物毒性的PEG-USPIO，使超顺磁性氧化铁拥有更加优异的磁共振成像效果[18]。Sun-c等[19]利用聚乙二醇修饰的超顺磁性氧化铁纳米颗粒和CTX成功的合成了分子探针NP-PEG-CTX，，并通过细胞实验和动物实验成功验证了分子探针的生物安全性、良好靶向性及在核磁共振下的出色成像能力。

2.3 经鼻路径是避开血脑屏障的有效方式：血脑屏障（Brain blood barrier，BBB）是存在于血液和中枢神经系统的生理屏障，由毛细血管内皮细胞、基膜及星形胶质细胞构成，近100%的大分子物质和超过98%的小分子物质无法穿透这道屏障。经鼻路径在近些年来得到大量研究，证实它能有效避开血脑屏障使药物到达中枢神经系统，更加有效治疗中枢神经系统疾病，同时避免被胃肠道的消化吸收和肝脏首过效应保证药物的稳定性[20]。经鼻路径分为直接路径和非直接路径，直接路径有包括嗅上皮、嗅道、梨状皮质、杏仁核、下丘脑在内的嗅觉通路和三叉神经通路组成；非直接路径是指药物被鼻黏膜丰富的毛细血管吸收的血液循环通路[21]。另Kozlovskaya L等[22]给出了药物靶向有效百分比（Drug targeting efficiency percentage（%DTE）和 经鼻直接通路百分比（Nose-to-brain direct transport percentage（%DTP）的计算方法，为经鼻路径的定量分析提供了方法。经鼻路径可能为磁共振分子影像学用于胶质瘤诊断的给药方法提供新的思路。

3 分子探针在磁共振成像中的应用

目前已经有磁共振分子探针技术应用于脑胶质瘤成像的基础研究。Zhang[18]用叶酸（FA）和环状氨基酸序列（Arg-Gly-Asp-D-Tyr-Lys（c（RGDyK)）偶联了用氧化铁纳米颗粒标记的Cy5.5分子探针，将该分子探针应用于胶质瘤模型小鼠，对照组则单纯使用氧化铁纳米颗粒标记的Cy5.5分子探针，通过核磁共振成像测量T2值证实实验组的增强效应明显优于对照组。Xu等[17]利用CTX和USPIO合成了分子探针NP-PEG-CTX，通过细胞实验和动物实验也证实该分子探针能有效的提高胶质瘤磁共振成像效果。随着磁共振分子成像技术的成熟与研究的深入，磁共振分子影像学有望在脑胶质瘤的诊断、靶向治疗、疗效监测中得到广泛应用。

［1］ Louis DN，Ohgaki H，Wiestler OD，et al.The 2007 WHO classification of tumours of the central nervous system［J］.Acta Neuropathol，2007，114（2）：97-109.

［2］ 陈万青，郑荣寿，张思维，等.2012年中国恶性肿瘤发病和死亡分析［J］.中国肿瘤，2016，23（1）：1-8.

［3］ 陈万青，郑荣寿，曾红梅，等.2011年中国恶性肿瘤发病和死亡分析［J］.中国肿瘤，2015，22（1）：1-10.

［4］ 鹿蓉，姚振威.分子探针在疾病诊疗中的应用与展望［J］.上海医药，2014，13（2）：16-22.

［5］ 滕皋军，崔莹.磁共振分子影像学研究进展［J］.磁共振成像，2014，23（1）：31-36.

［6］ Shan YQ，Ying RC，Zhou CH，et al.MMP-9 is increased in the pathogenesis of gastric cancer by the mediation of HER2［J］.Cancer Gene Ther，2015，22（3）：101-107.

［7］ Heo SH，Cho JY.ELK3 suppresses angiogenesis by inhibiting the transcriptional activity of ETS-1 on MT1-MMP［J］.Int J Biol Sci，2014，10（4）：438-442.

［8］ Hur H，Ryu HH，Li CH，et al.Metallothinein 1E Enhances Glioma Invasion through Modulation Matrix Metalloproteinases-2 and 9 in U87MG Mouse Brain Tumor Model［J］.J Korean Neurosurg Soc，2016，59（6）：551-558.

［9］ 朱雁兵，王谦，舒畅，李云超，等.MMP1、MMP2、MMP9与 TIMP-1、TIMP-2 在脑胶质瘤中的诊断价值［J］.现代预防医学，2012，22（3）：5926-5927.

［10］ Debin JA，Maggio JE，Strichartz GR.Purification and characterization of chlorotoxin，a chloride channel ligand from the venom of the scorpion［J］.AmJPhysiol，1993，264（2）：361-369.

［11］ Soroceanu L，Gillespie Y，Khazaeli MB，et al.Use of chlorotoxin for targeting of primary brain tumors［J］.Cancer Res，1998，58（21）：4871-4879.

［12］Deshane J，Garner CC，Sontheimer H.Chlorotoxin inhibits glioma cell invasion via matrix metalloproteinase-2［J］.J Biol Chem，2003，278（6）：4135-4144.

［13］Takagi S，Tsuji T，Amagai T，et al.Specific cell surface labels in the visual centers of Xenopus laevis tadpole identified using monoclonal antibodies［J］.Dev Biol，1987，122（1）：90-100.

［14］ Osada H，Tokunaga T，Nishi M，et al.Overexpression of the neuropilin 1（NRP1）gene correlated with poor prognosis in human glioma［J］.Anticancer Res，2004，24（2）：547-552.

［15］Roth L，Agemy L，Kotamraju VR，et al.Transtumoral targeting enabled by a novel neuropilin-binding peptide［J］.Oncogene，2012，31（33）：3754-3763.

［16］Wu H，Wang Z，Wang Q，et al.Use of Labelled tLyP-1 as a Novel Ligand Targeting the NRP Receptor to Image Glioma［J］.PloS One，2015，10（9）：e0137676.

［17］ Xu HL，Mao KL，Huang YP，et al.Glioma-targeted superparamagnetic iron oxide nanoparticles as drug-carrying vehicles for theranostic effects［J］.Nanoscale，2016，8（29）：14222-14236.

［18］Zhang J，Chen N，Wang H，et al.Dual-targeting superparamagnetic iron oxide nanoprobes with high and low target density for brain glioma imaging［J］.J Colloid Interface Sci，2016，469（23）：86-92.

［19］Sun C，Veiseh O，Gunn J，et al.In vivo MRI detection of gliomas by chlorotoxin conjugated superparamagnetic nanoprobes［J］.Small，2008，4（3）：372-379.

［20］Gao H，Pang Z，Jiang X.Targeted delivery of nano-therapeutics for major disorders of the central nervous system［J］.Pharm Res，2013，30（10）：2485-2498.

Mri Molecular Imaging in the Diagnosis of Glioma

Ge Bingbing
（The Application of Magnetic Resonance Molecular Imaging in the Diagnosis of Brain Glioma，Tianjin 300193，China）

Brain glioma is the most common primary malignant tumor of the nervous system.It is of great significance to the early diagnosis and classification.The value of traditional imaging in the diagnosis of glioma is often limited.The appearance of magnetic resonance molecular imaging may provide a more reliable way to the early accurate diagnosis of brain glioma from a new perspective，this paper makes a review of the diagnosis of brain glioma by magnetic resonance molecular imaging in recent years.

Molecular magnetic resonance imaging；Brain glioma；Molecular probe

R739.91

A 学科分类代码： 32067

1001-8131（2017）05-0480-03

2017-03-16