酰胺质子转移成像在脑肿瘤中的研究进展

刘怀贵 李威

病理学检查是肿瘤诊断的金标准，近年来分子和遗传学亦为肿瘤诊断提供了重要信息[1]。MRI因具有无创性在临床诊断中枢神经系统肿瘤中发挥着至关重要的作用。化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer，CEST）是一种新型 MRI技术，能够选择性标记内源性或外源性游离大分子中可交换的氢质子[2]。酰胺质子转移（amide proton transfer，APT）成像是基于 CEST 的 MRI技术[3]，可敏感探测组织中游离蛋白质和多肽。APT成像最早在2003年由Zhou团队提出，并逐步应用于脑肿瘤、卒中、阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化症和创伤性脑损伤等领域[4]。近年已有文献[5-6]对APT成像在中枢神经系统（包括脑肿瘤、卒中、脑发育及神经退行性疾病）的研究进展，以及在胶质瘤假性进展与复发鉴别中的应用进展进行了总结报道。本文则对CEST/APT的基本原理及其在脑肿瘤中的具体应用价值、局限性和前景进行阐述。

1 CEST和APT原理

CEST 是在磁化传递（magnetization transfer，MT）技术的基础上衍生而来，其经典的原理解释是两池模型[7]，包括自由水池（溶液池）与可交换池（溶质池）。通过选择性对可交换池预先施加饱和脉冲，使可交换池中的氢质子得到饱和，进而与周围的自由水池中的氢质子进行化学交换，使水的MR信号降低，通过水分子的信号变化可以间接反映特定大分子的含量或者此交换过程的快慢。由于溶质浓度非常低（通常为毫摩尔级），并且受到交换速率快慢的限制，因而不容易在常规MR影像上观察到信号。通过持续施加饱和脉冲，使自由水池与可交换池中氢质子的化学交换转移效应得到累积，利用这种放大机制，间接观察低浓度溶质的相关信息。

APT成像是一种特殊类型的内源性CEST成像技术[3]，能够半定量检测内源性游离蛋白质和多肽中的酰胺质子。自由水中氢质子的共振频率是0，而酰胺质子的共振频率是3.5ppm （ppm表示10-6），由于水和酰胺质子的共振频率相差较远，因此APT成像被认为是最具临床可行性的CEST成像类型。APT效应通常被量化为非对称性磁化传递率（magnetization transfer ratio，MTRasym）。 在 距 离 水 峰 ±3.5ppm位置的磁化转移率之差被认为是APT信号强度近似指标，亦被称为APT加权信号强度（APT-weighted signal intensity，APT-WSI）。 计 算 公 式 为MTRasym（3.5ppm)= （S-3.5ppm-S3.5ppm）/S0，其中 S-3.5ppm、S3.5ppm分别为施加饱和脉冲在-3.5ppm和3.5ppm的信号强度，S0为未施加饱和脉冲的信号强度。

2 APT在脑肿瘤的应用

Zhou等[8]首次将APT成像技术应用于大鼠胶质肉瘤模型的研究中，发现肿瘤组织的APT-WSI明显高于对照侧的正常脑组织；并比较APT图像与常规T1WI、T2WI的差异，发现APT图像上肿瘤的边界范围显示更加清晰；肿瘤内的蛋白质和多肽类含量较高，其内可交换的酰胺质子较多从而表现出明显的APT对比，APT成像在显示肿瘤组织时有较高的敏感度和特异度。蛋白质组学研究[9]表明，异常增殖、代谢活跃的肿瘤组织，其蛋白质代谢增强，表达蛋白质种类更丰富、含量增加。此后，Zhou等[10]又以胶质瘤病人为研究对象，发现肿瘤核心区域的APT-WSI大于肿瘤周围水肿区；且随着肿瘤级别的增高，APT图像上的肿瘤信号强度也随之增高。由此可见，APT成像有利于提高诊断的准确性且能提供更多的信息；同时不需要引入外源性对比剂，利用人体内的大分子物质作为天然对比剂进行成像更加有效、安全。

2.1 胶质瘤分级的预测 由于胶质瘤级别不同，病人的预后和相应的治疗策略存在很大差异，因此预测胶质瘤分级十分重要[11]。有研究[10]采用3 TMRI对高、低级别胶质瘤分析发现，脑肿瘤核心区域组织比周围水肿区域组织的APT-WSI高3%~4%，且6例高级别胶质瘤的APT-WSI高于3例低级别胶质瘤（分别为 2.9%±0.6%，1.2%±0.2%），表明 APT成像在胶质瘤分级方面具有较大潜力。Togao等[12]研究显示成人弥漫性胶质瘤 （36例）的WHO分级与APTWSI呈正相关，高级别胶质瘤的APT-WSI高于低级别胶质瘤，进一步证实了APT成像在预测组织学分级方面具有一定的临床应用价值；并且以APT-WSI作为生物标志物区分高级别（Ⅲ级和Ⅳ级）和低级别（Ⅱ级）胶质瘤的敏感度和特异度分别高达93%和100%。Jiang等[13]利用APT成像技术引导定向活检，发现APT图像可识别异质性胶质瘤中的高级别区域。这些研究表明，APT成像技术可能成为胶质瘤分级预测的可靠手段。

2.2 胶质瘤基因突变的预测 2016中枢神经系统WHO分类首次增加了分子分型[1]，其中弥漫性胶质瘤病人是否有异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变对于预测预后十分重要。有研究[14]报道，Ⅱ级和Ⅲ级星形细胞瘤和胶质母细胞瘤存在IDH突变是预后良好的标志。因此，术前检测这种突变有助于规划合适的治疗方案。Jiang等[15]采用APT成像预测Ⅱ级胶质瘤的IDH突变状态，结果发现IDH野生型胶质瘤的APT-WSI显著高于IDH突变型肿瘤 （IDH野生型：1.39%±0.49%，IDH 突变型：0.93%±0.44%）， 证明APT成像对胶质瘤基因突变预测价值较好。

2.3 胶质瘤与脑转移瘤、淋巴瘤的鉴别 脑转移瘤和胶质瘤是最常见的脑恶性肿瘤，因两者治疗方案不同，所以对于脑转移瘤和胶质瘤的鉴别至关重要。Yu等[16]应用APT成像鉴别孤立性脑转移瘤和胶质母细胞瘤，发现孤立性脑转移瘤瘤周脑区的APTWSI明显低于胶质母细胞瘤。原发性中枢神经系统淋巴瘤约占原发性脑肿瘤的5%，尽管发病率相对较低，因胶质瘤与原发性中枢神经系统淋巴瘤治疗方案不同，所以术前准确鉴别肿瘤类型具有重要的临床意义。Jiang等[17]利用APT成像鉴别高级别胶质瘤和原发性中枢神经系统淋巴瘤发现，淋巴瘤的APT-WSI低于胶质瘤（分别为3.38%±1.06%，4.36%±1.30%）；在肿瘤内勾画不同兴趣区测量发现，淋巴瘤的最大、最小APT-WSI差值亦低于胶质瘤（分别为 0.76%±0.42%，2.55%±1.20%），且利用最大、最小APT-WSI差值作为生物标志物来区分这两种肿瘤的敏感度为100%、特异度为84.6%[17]。该研究将这一发现归因于原发性中枢神经系统淋巴瘤具有较高的核-细胞质比率且细胞异质性较低，细胞质内游离蛋白的数量较少，故其APT-WSI较低，不同兴趣区APT-WSI差异较小。此外，该研究还发现淋巴瘤瘤周水肿的APT-WSI显著低于胶质瘤[17]。可能是因为脑转移瘤和原发性中枢神经系统淋巴瘤的瘤周水肿主要为血管炎性水肿，而胶质瘤的瘤周水肿主要是肿瘤细胞浸润，含有更多的游离蛋白质，因此胶质瘤瘤周水肿的APT-WSI更高。由此可见，APT成像技术在术前鉴别脑肿瘤方面有较高的应用价值。

2.4 治疗后相关变化与肿瘤复发的区别 高级别胶质瘤通常采用手术治疗，辅以放射治疗及化疗。术后放化疗后，胶质瘤病人在后续随访复查的增强MR检查中出现T1WI明显强化的病变时，需要判断是肿瘤复发还是治疗后相关变化，但常规T1WI增强检查无法准确鉴别[18]。肿瘤复发表现为细胞异常增生，细胞内蛋白质迅速合成、浓度增加；而治疗后相关变化表现为细胞坏死，细胞质和细胞器损伤导致细胞内蛋白缺乏。动物实验研究发现APT可作为鉴别肿瘤复发和治疗后相关变化的生物标志物，并已在临床研究中得到验证[19-21]。Zhou等[22]对大鼠放射诱导坏死模型研究发现，与正常脑组织相比，放射后坏死区域表现为低或等APT-WSI。Ma等[23]对化疗后临床怀疑肿瘤复发的病人进行APT成像，发现真正的肿瘤复发与高APT-WSI密切相关，而治疗后相关变化与APT-WSI等信号或轻度高信号相关。近期，一项关于MRI引导定向活检的研究[24]发现，有活性的肿瘤区域APT-WSI明显高于无活性的肿瘤区域。这些研究均显示与治疗后相关变化相比，复发性肿瘤的APT-WSI明显增高，较高的APTWSI可能与肿瘤的异常增殖有关，进一步支持了APT技术并可作为鉴别治疗后相关变化与肿瘤复发的生物学标志物。

3 APT成像的局限性

在脑肿瘤成像中，细胞内胞质蛋白被认为是APT成像的主要信号来源，但也有一些其他因素可以增加APT信号强度：①若囊肿和空腔病变中富含蛋白质，其APT-WSI值往往较高，此时囊肿中较高的APT-WSI与恶性程度无关[25]。因此，在胶质瘤评估研究中，均需排除囊性成分的影响[12,20]。②因血液中含有丰富的蛋白质，如白蛋白和多肽[26]，血肿及流动的血液也可表现为高APT-WSI。有研究者[27]在急性期颅内出血的大鼠模型中观察到高APT-WSI。研究[28]发现海绵窦血管畸形也可表现为高APT-WSI（高达6.9%）。由此推测，富血供肿瘤血管中的血液可能是高APT-WSI的潜在来源。③水肿的脑组织亦可表现为APT-WSI增高。Wen等[25]的早期研究发现，胶质瘤病人肿瘤周围水肿区的APT-WSI明显高于对侧正常脑白质。由于胶质瘤细胞可能会浸润肿瘤周围组织，所以高APT-WSI可能归因于肿瘤细胞浸润或水肿。然而，Yu等[16]发现脑转移瘤周围水肿区域的APT-WSI明显高于正常脑白质。值得注意的是，脑转移瘤周围水肿区域代表血管源性水肿，通常不包括肿瘤细胞，该结果更进一步表明水肿与APT-WSI增加密切相关，这一发现可能与血管内蛋白质和多肽通过血脑屏障渗入血管外间隙有关。④APT-WSI可受局部pH和温度的影响。研究发现许多类型肿瘤细胞内pH值高于正常脑组织。由于在生理性pH值范围内，酰胺质子交换是由碱催化的，因此pH值增加时，酰胺质子交换率增加，APT对比度也随之增加。然而，在恶性肿瘤中，pH值并不是高APT-WSI的主要因素。因此，在解释APT成像结果时，应将这些因素视为可能的混淆因素。

4 小结

APT成像在胶质瘤术前分级、基因突变的预测、脑肿瘤的鉴别及治疗后评估等方面显示了良好的应用前景，但一些因素也可导致APT信号升高，因此在进行APT信号分析时，应注意鉴别信号升高的原因。近期研究[29-30]阐述了在其他部位进行APT成像的可行性，为扩大其应用范围开辟了新的视野。