酰胺质子转移成像在泌尿生殖系统疾病中的研究进展

孔雅晴 ，曲倩倩，明蕾，王哲，邓凯 *

酰胺质子转移成像(amide proton transfer,APT)是一种新型的化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer,CEST)成像技术。基于Forsen和Hoffman[1]最初提出的化学交换和信号饱和的核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)概念，Balaban和他的同事首次证明了可交换质子饱和转移到水的过程可以提高分子探测的灵敏度，进而提出一种名为化学交换饱和转移成像的分子成像方法[2]。APT作为CEST序列的一个延伸和发展，通过检测组织内源性蛋白质或多肽中的酰胺质子来反映细胞内蛋白质含量及酸碱度的变化。其原理在于通过探测水质子信号变化间接获得细胞内蛋白质信息，从而将MRI技术的应用范围扩展到分子水平。目前APT在许多临床常见疾病的应用中展现出良好前景，本文拟对APT在泌尿生殖系统疾病中的应用现状做一综述，并对这种分子成像技术的发展前景进行展望。

1 APT成像技术与原理

通过特定频率的射频脉冲(radio frequency,RF)选择性地饱和蛋白质多肽链中的酰胺质子，在一定环境条件下，这些饱和质子会将饱和状态传递给水质子。由于蛋白质浓度较低，单次转移不足以对自由水信号产生影响，但如果射频饱和质子的时间足够长，酰胺质子-水质子交换率足够快，转移次数足够多，那么这种饱和效应就会有实质性的增强，也就意味着自由水信号会降低。APT技术通过探测水质子饱和前后的信号变化来间接获得信号值，即APT信号的强弱反映了酰胺质子和水质子的交换率，而二者的交换速率又取决于蛋白质的浓度及所处环境的pH值。有研究表明[3-4]，APT信号强度与所处环境的蛋白质浓度及pH值都成正相关，因此APT在一定程度上可以间接反映体内内环境的变化，进而实现对某些疾病的早期诊断。酰胺质子的共振频率是3.5 ppm，水的共振频率是0 ppm，APT信号强度一般通过水共振频率两侧+/-3.5 ppm处的非对称磁化转移率(asymmetric magnetization transfer rate,MTRasym)的差来求得，即：△MTRasym(3.5 ppm)=MTRasym(+3.5 ppm)-MTRasym(-3.5 ppm)，△MTRasym(3.5 ppm)数值大小可反映APT信号强度高低，进而作为APT信号强度的量化指标[5]。

2 APT在泌尿生殖系统中的应用

2.1 前列腺癌

目前磁共振多功能成像技术，如动态对比增强磁共振成像(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging,DCE-MRI)、扩散加权成像(diffusionweighted imaging,DWI)以及磁共振波谱(magneticresonance spectroscopy,MRS)在前列腺癌的检测及分期中的作用都已被证实[6-8]。研究表明[9]，前列腺癌细胞会分泌一种高流动性蛋白质——雄激素调节的六反式膜蛋白。随着病情进展，癌细胞数量增多，该蛋白质浓度也会随之增加。另外，在转移性前列腺癌细胞中过度表达的蛋白质是Caveolin-1，其作用为分子转运及细胞粘附[10]。这就为对内源性蛋白质浓度敏感的APT成像在前列腺癌的应用提供了理论基础。基于这一理论，Jia等[11]对前列腺癌酰胺质子转移成像进行了研究，结果显示前列腺癌的APT值显著高于前列腺周围区，他们认为APT成像可用于前列腺癌的检测，有鉴别癌组织和非癌组织的潜力。

2.2 宫颈癌与子宫内膜癌

宫颈癌和子宫内膜癌是妇科常见的恶性肿瘤，发病率和病死率较高。二者的预后因素包括肿瘤大小、病理类型、组织学分级和分期等因素，准确评估术前组织学分级仍然是一个挑战。随着影像技术的发展，磁共振APT成像在子宫疾病中已得到初步应用。

子宫颈癌分为宫颈鳞癌(cervical squamous cell carcinoma,CSC)和宫颈腺癌(cervical adenocarcinoma,CA)。Meng等[12]利用APT成像和扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)对宫颈癌进行了研究，研究发现CSC组的MTRasym(3.5 ppm)值显著低于CA组，这可能和以下两方面因素有关：第一个因素是二者细胞蛋白质分泌能力的差异，宫颈腺癌起源于宫颈内膜细胞，富含腺体结构，能够分泌黏液和黏蛋白[13]，而宫颈鳞癌起源于宫颈上皮细胞，缺乏腺体结构。第二个因素是组织中微血管密度(microvascular density,MVD)的差异，一些研究表明，宫颈腺癌细胞结构疏松，微血管密度高，不易发生缺血性坏死，而宫颈鳞癌细胞密度高，增殖速度快，MVD低，易发生缺血性坏死[13]，从而引起局部环境pH值减低，导致APT信号值减低。该研究还发现对于不同类型的子宫颈癌，高级别组宫颈癌APT值普遍高于低级别组，MTRasym(3.5 ppm)与病理分级呈正相关，这一结果与He等[14]和Li等[15]的发现基本一致，表明APT成像有助于对宫颈癌的病理分级进行初步评估。虽然APT可用于宫颈癌的初步评价，但该研究中Meng等认为DKI在病理类型、分级和分期的鉴别上要优于APT成像。

目前APT在子宫内膜癌的应用较少。Li等[16]对子宫内膜癌APT成像进行了研究，研究对象包括22名正常志愿者和113名子宫病变患者，研究结果表明子宫内膜腺癌APT信号值为2.9%±0.1%，显著高于子宫肌瘤(1.9%±0.1%)、子宫腺肌病(2.2%±0.1%)和正常子宫肌层(1.9%±0.1%)，表明APT可用于子宫良恶性疾病的鉴别。Takayama等[17]在研究子宫内膜癌APT成像与组织学分级关系时发现APT信号与子宫内膜癌的组织学分级和侵袭性呈正相关，APT成像有可能作为子宫内膜癌侵袭性的预测指标。但由于APT成像空间分辨率较低，对病灶局部进展和淋巴结及远处转移的诊断能力较弱，通常需要和动态增强磁共振成像结合评估肿瘤分级与分期。

下面以宫颈癌为重点，结合其他器官的肿瘤，讨论一下高级别恶性肿瘤APT信号值较高的几个可能原因。第一个可能原因是细胞密度的差异，与之前胶质瘤[18]、直肠癌[19]等恶性肿瘤APT成像的研究结果相似，级别越高的恶性肿瘤，细胞密度也会越高，从而通常会产生更多的蛋白和多肽，加快水质子-酰胺质子转移速率，使APT值升高。第二个可能的原因是核异型性的差异。研究表明，核异型性可诱导大分子物质和疏水性细胞膜之间的相互作用，从而促进蛋白质和多肽的释放[20-21]。与低级别宫颈癌相比，高级别宫颈癌具有更显著的核型。第三种可能的原因是组织坏死程度不同。随着肿瘤恶性程度增高，肿瘤组织容易发生缺氧缺血性坏死，这可能导致局部酸性环境的形成[22]。根据酰胺质子转移的原理，低pH值不利于酰胺质子转移。这一结论也为上述宫颈鳞癌与宫颈腺癌APT值的差异提供了支持。但Togao等[23-24]的研究发现发生坏死的肿瘤组织的MTRasym(3.5 ppm)值仍高于无坏死或坏死较少的组织，他们认为这可能与组织坏死过程中释放的蛋白和多肽促进了酰胺质子转移速率有关。另外，Meng等[12]在研究高级别宫颈癌APT成像时也发现坏死的癌组织会向周围释放大量蛋白和肽，导致内源性蛋白质含量的增加，APT信号升高。综上可以推测在肿瘤组织APT信号值的众多影响因素中，可能蛋白质和肽的含量对APT值影响占有优势，而pH值的影响较小，因此APT值随着肿瘤级别增高而逐渐增加。

2.3 子宫腺肌病

子宫腺肌病是一种常见的良性妇科疾病，其病理学特征主要表现为子宫内膜侵入子宫肌层导致平滑肌增生、肥厚，主要临床表现为痛经及异常子宫出血等[25]。促性腺激素释放的激素激动剂(gonadotropin releasing hormone agonist,GnRH-a)是子宫腺肌病的常用治疗药物，对患者症状及病灶大小都有一定的缓解作用。其主要治疗原理是通过竞争性抑制GnRH受体，使患者雌激素水平下降，从而使侵入肌层的内膜萎缩[26]，同时抑制炎症反应和血管生成[27]。林澄昱[28]在评估GnRH-a对子宫腺肌病治疗效果时发现完全缓解组患者病灶的APT信号要低于部分缓解组患者病灶的APT信号值(1.668%与2.387%)，差异具有统计学意义，其中以2.035%为临界值时，敏感度和特异度较高，表明APT成像或许可以评估子宫腺肌病对GnRH-a的治疗反应。

2.4 正常月经周期对APT信号值的影响

正常女性月经周期分为月经期、增殖期和分泌期，Zhang等[29]的研究发现各期子宫肌层和子宫内膜APT信号值均高于结合带，在各子宫结构中，APT信号在分泌期最高，增殖期次之，月经期最低。这可能是因为子宫内膜富含细胞外游离蛋白和多肽，子宫内膜上皮细胞在分泌期表达的蛋白质水平明显高于增殖期[30-31]，所以子宫内膜的APT信号值在分泌期增高。而子宫结合带的肌细胞结构密度高于子宫肌层和内膜，胞核比率较低，且结合带主要参与调节非妊娠子宫收缩，平滑肌细胞收缩也导致了结合带APT信号值的降低[32]。因此，最好避免在分泌期测量APT信号，以减少月经周期相关变化对APT信号值的影响。

2.5 卵巢疾病的鉴别

最近一项关于鉴别卵巢良性囊性病变的研究发现[33]，卵巢浆液性囊腺瘤(serous cystadenoma,SCA)组APT信号为1.41%±0.71%，黏液囊腺瘤(mucinous cystadenoma,MCA)组为5.15%±1.92%，功能性囊肿(functional cyst,FC)组为8.52%±1.17%，三者之间差异具有统计学意义。该结果表明APT显像对卵巢良性囊性病变的无创鉴别诊断有一定的参考价值，可对卵巢囊性病变进行早期诊断，而无须额外的随访研究。但由于相关研究较少，仍需进一步临床试验证实上述结论。

3 总结与展望

APT成像技术在临床中的应用日益广泛，目前主要应用于中枢神经系统疾病，如高低级别胶质瘤的鉴别[34-35]、神经退行性疾病的辅助诊断[36-37]以及脑肿瘤基因标志物的鉴定[38]等。随着APT技术的不断成熟及相关研究工作的开展，APT成像技术已在泌尿生殖系统疾病方面得到了初步应用，如子宫及前列腺病变的辅助诊断及鉴别诊断，但由于其自身的一些局限性，如空间分辨率较低，扫描时间较长，技术不够成熟以及磁场强度、RF辐射幅度等对MTRasym值的影响，目前关于APT成像在肾脏、膀胱等疾病中的应用鲜有报道。总之，APT作为一种能够反映组织中内源性蛋白质和多肽浓度水平的磁共振多功能成像技术，由于其无电离辐射及无需注射对比剂的特点，在泌尿生殖系统疾病诊断、个体化治疗及预后评估方面具有一定优势。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。