含钆造影剂脑内沉积的研究现状

刘金沙 ，伍建林

(1. 遵义医科大学 研究生院,贵州 遵义 563000；2. 大连大学附属中山医院 放射科,辽宁 大连 116001)

自1988年含钆对比剂马根维显获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准以来，含钆造影剂(gadolinium-based contrast agents, GBCAs)被广泛应用于磁共振增强检查[1]，尤其是神经系统疾病的检测与诊断。目前全球每年大约有3000万人次注射含钆造影剂[2]。过去认为含钆造影剂是安全，稳定的，它们以原型经肾脏完全快速地代谢出体外。直到2006年Grobner[3]证实多次使用含钆造影剂可导致肾源性系统性纤维化(nephrogenic systemic fibrosis，NSF)的发生，近年来又有新证据表明多次行MRI增强检查的患者，可能会出现脑深部核团，尤其是苍白球与齿状核钆沉积的现象[4-5]。含钆造影剂的安全性引起了社会广泛关注，反复使用线性含钆造影剂的患者，深部脑核(主要是齿状核)中的钆沉积引发医学界对于潜在的神经系统后遗症的担忧。本文就近年来脑内钆沉积的机制和证据，以及脑内钆沉积的研究现状进行综述。

1 钆离子与含钆造影剂

钆是一种独特的顺磁性重金属，含有7个未配对钆电子，它具有与其他镧离子的最佳亲和性[6]。这种罕见的顺磁性金属能改变附近质子弛豫，明显缩短T1WI、T2WI弛豫时间，增加组织之间对比度，以T1WI信号改变最为明显，有助于对炎症、肿瘤、脑白质病变等疾病的诊断。游离的钆离子(Gd3+)具有很高的毒性，由于其在生理pH值上的不溶性而排泄缓慢，钆离子是已知的最有效的钙拮抗剂[1]，它具有与钙离子相近的离子半径，能够抑制各种生理过程中钙离子的作用，不能单独作为造影剂使用。但当游离钆离子与有机配体结合后，可螯合形成稳定的配合物,即GBCAs，这种螯合物很稳定，不易解离，能够使Gd3+离子经由肾脏快速清除，以减少在体内的生物转化或沉积，被广泛用作磁共振成像造影剂。

GBCAs是氨基多聚羧酸配体螯合钆，具有相对分子量小，亲水性等特点[7]，根据其分子结构可以分为线性类和大环类，根据其电荷情况又可以分为离子型和非离子型。不同类型的GBCAs稳定性不同，线性造影剂相较大环类，具有更低的热力学稳定性，更容易释放出游离的钆离子。目前临床常用的线性含钆造影剂主要包括钆双胺、钆贝葡胺、钆喷酸葡胺、钆塞酸二钠等，大环类含钆造影剂主要包括钆布醇、钆特酸葡甲胺、钆特醇等[8]。含钆造影剂毒性、沉积的主要来源是体内游离的钆离子，而钆离子的游离又与含钆造影剂的稳定性密切相关。

2 脑内钆沉积

2.1 脑内钆沉积的现象

近年来一系列研究表明，反复多次使用含钆造影剂与脑内信号改变的相关性，提示这些区域信号的改变可能与钆在脑内的沉积有关。钆可以沉积在大脑和小脑的灰白质各个区域，但沉积量有差别[9]，以脑深部核团，尤其是齿状核与苍白球的沉积最为明显。2014年，Kanda 等[10]首次报道了多次使用含钆造影剂引起脑实质信号改变的现象，他们将19个至少使用6次钆喷酸葡胺或钆双胺增强检查的患者与16个反复行磁共振平扫的患者进行对比，前者MRI平扫时齿状核和苍白球的T1WI信号明显增高。

同样， Adin ME等[11]研究了184个在1995-2010年之间反复经过磁共振增强检查的患者，发现其中103个患者的齿状核平扫MRI的T1WI呈明显高信号，并且这种信号的改变具有持续性，最长的能持续11年之久。Zhang等[12]发现肾功正常的患者在静脉多次注入线性GBCAs后,除了尾状核和丘脑外，在后丘脑、黑质、红核及小脑也出现T1WI信号增高的改变，且信号改变的程度与既往钆对比剂使用次数显著相关。

2.2 脑内钆沉积的证据

然而是否是钆沉积引起了脑内信号强度的改变，一直是缺乏组织学证据的，直到McDonald等[13]采集了肾功相对正常且至少行4次MRI增强检查的病人的尸检大脑样本，并运用电感耦合等离子体质谱(icp-ms)、透射电子显微镜和光学显微镜进行定量、定位的评估。这项研究不仅完善了脑内钆沉积的组织学证据，还提示了磁共振T1WI信号强度的变化与钆造影剂存在明显的剂量相关性。被检测到的钆主要聚集在内皮细胞膜上，大约18%～42%的钆穿过完整的血脑屏障，沉积到正常的神经元间质中。Kanda等[14]在尸体脑组织切片中检测到标本的齿状核、苍白球深部、小脑的白质、额叶皮质、额叶白质均有钆浓度的增加，且与脑组织样本的其他解剖学区域相比，齿状核及苍白球的钆沉积浓度更高。Fingerhut S等[15]对多次使用含钆造影剂的尸检标本大脑组织进行定量分析，在所有样本的齿状核血管壁均发现了钆的沉积，尤其是因NSF死亡的患者，DN中的钆浓度极高，但所有的样本中均未发现邻近脑组织胶质增生或神经元受损的改变，表明大脑中的钆沉积仅限于血管壁，而神经元未见明显受累，也没有明显的细胞反应。

2.3 脑内钆沉积与GBCAs类型的相关性

GBCAs的化学结构决定其稳定性，大环类物质配体内的金属结合位点大，熵值大，再加上其刚性的环形结构，相较于非环形物质热力学稳定性更大[16]。相比之下，线性造影剂热力学稳定性更低，因此更容易释放游离的钆离子，而游离的钆离子是引起毒性和脑内钆沉积的最主要的成分。GBCAs稳定性由高至低排序为[17]：环状对比剂>离子线型对比剂>非离子线型对比剂。目前，已有大量研究比较了不同类型的含钆造影剂对脑内钆沉积的影响。Radbruch和Olchowy C等[18-19]均发现，在T1WI上，苍白球和齿状核信号强度的增加只与线性结构的GBCAs，如钆喷酸葡胺等有关，而与大环类GBCAs，如钆特酸葡甲胺等无关，而脑实质中磁共振T1WI上的信号强度改变可能是钆与其螯合有机配体分离的结果。Ramalho J 等[20]选取了69名患者，其中23名注射线性非离子剂Omniscan，46名注射线性离子剂MultiHance，他们发现非离子组苍白球和齿状核T1WI信号增高强度显著高于离子组。Ryu YJ等[21]在连续注射大环类GBCAs后没有发现齿状核和苍白球信号强度的变化。目前为止，很少有关于大环类GBCAs脑沉积的报道，大环类GBCAs相关的TWI信号的增加，可能与影响血脑屏障完整性的疾病有关，如多发性硬化和高级别胶质瘤等。Stojanov DA等[22]发现系统性硬化患者在多次注射大环类钆造影剂后出现了齿状核信号的轻微改变。而且当含钆对比剂种类变化时，脑内钆沉积现象也会随之改善。Behzadi AH等[23]纳入13例至少使用6次以上线性对比剂钆喷酸葡胺的患者，将对比剂替换为大环类的钆布醇后发现，患者齿状核信号强度降低。

2.4 特殊人群脑内钆沉积

与成人一样，GBCAs也常用于儿科患者肿瘤的诊断，炎症、感染过程的评估等。Kasper E等[24]测量了70名儿童在多次行MRI增强检查后脑实质T1WI信号强度变化，他们发现多次注射线性钆造影剂可导致儿童齿状核-脑桥信号强度比增加，且信号增加程度取决于线性造影剂的注射次数，但目前70名儿童尚未出现任何的神经系统症状。同样， Roberts DR等[25]也报道了类似的儿童多次使用线性GBCAs后，齿状核和苍白球信号增高的案例。但是也有很多学者提出儿童脑深部核团信号的增加与多次使用大环类造影剂并无相关性。Tibussek D等[26]收集24例 5～18岁接受9次以上脑MRI增强检查的脑肿瘤患儿，计算5个兴趣区(ROI)：齿状核(DN)、脑桥、中脑黑质(SN)、丘脑后结节和苍白球(GP)的相对信号变化和用药次数、总剂量数之间关系，发现用药次数或总量和 ROI的信号变化之间无相关性，儿童多次静脉注射大环钆对比剂与ROI信号的增加无相关性。

也有学者发现，儿童脑深部核团信号的增加与年龄增长，脑发育过程密切相关，而不是钆的沉积导致。Pozeg P等[27]将24名多次使用大环类GBCAs葡甲胺的0～17岁患者与190名同年龄健康对照组的脑MRI平扫感兴趣区域ROI的信号强度进行评估比较，发现葡甲胺的给药数量与ROI信号强度的增加无明显相关性，但年龄与T1WI上苍白球、尾状核信号的增厚显著相关。Olchowy C等[28]收集了43名接受了4次或以上大环GBCAs注射的0～8岁患者，计算MRI平扫T1WI上苍白球与丘脑(gp/th)和齿状核与桥脑(dn/p)的信号强度比，他们发现2岁以下的儿童髓鞘尚处于形成过程，其gp/th比值明显低于2岁以上儿童，表明大脑的正常的发育活动可能会影响深部核团的信号强度，以及对GBCAs的易感性，因此，评估大脑结构的信号强度时考虑到儿童的年龄，GBCAs的儿童用药相对成人也应当更加谨慎。

3 脑内钆沉积的机制和清除

3.1 脑内钆沉积的机制

近年来存在许多关于钆在脑内沉积的机制的猜想，主要包括:载体介导机制、转运体介导机制和被动运输等[17]。目前虽然已知钆沉积的事实，但由于现有技术的局限性，在提取、电解组织标本的过程中，会不可避免的破坏有机配体，因此所检测到钆的具体沉积形式及沉积机制尚并不能确定。而且迄今为止的国内外的所有相关研究，尚未发现与钆沉积相关神经毒性的确切临床证据，少数的学者通过模拟实验提示沉积钆存在潜在细胞毒性的可能性。Bower DV等[29]通过模拟人类基底神经节细胞，发现含钆造影剂能降低神经元细胞的线粒体膜电位，抑制细胞的氧化呼吸功能，且随着药剂浓度的增加和药剂的动力学稳定性降低，毒性作用增加。

含钆造影剂脑内沉积的现象是否与血脑屏障完整性相关呢？McDonald RJ等[30]通过尸检，在血脑屏障正常的患者脑切片中也发现了钆沉积的现象，沉积的钆可以削弱正常人的血脑屏障，钆沉积的主要部位为细胞核，其毒副作用可能与钆的细胞核毒性、遗传毒性有关。有研究发现，影响血脑屏障(BBB)完整性的病理状况可能会促进钆在脑内的沉积，患者的GBCAs毒性风险相应增加。Tang R等[31]发现神经系统正常的患者和鼻咽癌患者在多次行MRI增强检查后，均会出现齿状核信号的增高，但以鼻咽癌患者更为明显，可能与鼻咽癌患者多次放疗后，血脑屏障的破坏有关。Wang S 等[32]发现，注射8次Gd-DTP的小鼠脑切片中，患有自身免疫性脑脊髓炎的小鼠和健康对照组相比，大脑中钆沉积量更高，而且主要集中在炎症活动区域，从而证明了持续炎症造成的血脑屏障的破坏是促进钆沉积的有利因素。Arena F等[33]通过对大鼠的双侧颈总动脉永久性阻塞来模拟人类神经系统失代偿疾病相关的慢性脑低灌注状态，他们发现与健康对照组相比，大脑低灌注状态的大鼠齿状核T1WI信号的增加是健康对照组的一倍左右。此外，海马体作为一个特别容易受慢性再灌注损伤的区域， T1WI信号强度也显著增加。提示大脑失代偿性疾病，引起的血脑屏障的损伤可能是脑内钆沉积的风险性因素。

3.2 脑内钆沉积可能带来的影响

正是由于大量证据表明了多次使用GBCAs的患者大脑皮层及脑深部核团等重要结构均有不同程度钆的沉积，近年来基于人体以及动物基础实验探究沉积钆所带来的组织病理学损伤等相关研究也成为一大热点。Olchowy等[19]对1247名多次注射GBCAs的患者以及27例尸检结果予以综述分析，均未发现确切的证据能够表明脑内沉积的钆能够引起脑神经的损伤。而对于患者在注射线型GBCAs后1个月内出现的包括头痛、头晕、共济失调等神经学症状，Cao等[34]认为大多数症状在注射前就时有发生，没有确切证据表明两者之间的相关性。王淑婷[35]以正常大鼠及1型糖尿病大鼠模型为基础，发现在多次注射线型及环型GBCAs后，各组大鼠GFAOP阳性星型胶质细胞瘤和NSE阳性神经元细胞的形态及数量与注射前相比均无统计学差异，表明脑内沉积的钆并未引起明显的脑组织病理学损伤，并且沉积钆也未进一步加重1型糖尿病大鼠脑组织的病理学损伤。国内外至今仍没有确切的证据能够表明脑内沉积的钆能够引起中枢神经系统的神经毒性作用，但从分子学角度分析，钆沉积对于正常大脑以及常见疾病状态下大脑可能会带来怎样的影响仍有待进一步研究。

3.3 脑内钆沉积的清除

现阶段关于沉积钆脑内清除的认识多基于动物实验基础上。Smith AP等[36]将大鼠模型分为实验组和参照组(每组6只)，实验组注射钆双胺或钆喷酸葡胺，参照组注射相同渗透压的盐水。 注射对比剂1周后或20周后，采用电感耦合等离子体质谱法对老鼠血液及脑内钆的含量进行定量分析。结果发现，不同种类的造影剂清除率存在差异，在注射钆对比剂1周后，钆双胺比钆喷酸葡胺的沉积量更多，并且在20周后，钆双胺组的钆沉积量大约降低了43%，提示体内可能存在沉积钆的清除机制。Robert P等[37]通过观察重复注射钆双胺或gadoterate后健康大鼠的脑内钆沉积现象及长期脑消除动力学，发现钆在脑内清除率很低，12个月内清除率为25%，同时还发现了在最后一次注射钆双胺5个月后的脑内钆浓度基本维持稳定。

4 小 结

目前已有充足证据证明，在反复使用含钆造影剂后，可能会出现脑内钆沉积的现象，尤其对于儿童、孕妇、肾功损伤、血脑屏障损伤等特殊人群而言，这一点不仅是对于GBCAs带来的肾源形系统性纤维化等不良反应的补充，同时也提示影像科医师在临床实践中，应当就患者病情进行综合权衡评估，对于上述高危人群GBCAs的用药应该更加谨慎，并且更推荐使用大环类含钆造影剂。虽然已知钆脑内沉积的事实，但是目前缺乏大量的临床相关证据证明，脑内沉积的钆到底会带来怎样的神经毒性作用，会对人体造成怎样的危害，这一切都仍有待进一步的研究和探索。 对于GBCAs脑内的沉积形式、毒性机制及清除机制的充分理解有利于指导临床更加合理、安全地使用含钆造影剂。