磁共振pH成像技術(shù)及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)展

吳亞琳 尹建忠*

組織內(nèi)pH值是評(píng)價(jià)細(xì)胞代謝環(huán)境的重要指標(biāo)，不同的病理生理狀態(tài)所導(dǎo)致的pH值改變會(huì)影響組織功能，甚至疾病的預(yù)后。很多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病會(huì)導(dǎo)致組織內(nèi)酸堿度的變化，如缺血性腦血管病、腦腫瘤以及腦創(chuàng)傷等，pH成像能夠反映組織局部環(huán)境的酸堿度變化，對(duì)組織代謝和功能狀態(tài)評(píng)價(jià)有重要意義。多種成像方法可以進(jìn)行pH成像，如磁共振波譜成像、熒光顯像、核醫(yī)學(xué)分子成像等，但這些方法在分辨力、成像范圍及輻射劑量等方面都存在局限[1-3]，因而限制了其臨床應(yīng)用。磁共振pH成像是基于化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移 （chemical exchange saturation transfer,CEST）原理的技術(shù)，能夠更為直觀地顯示組織代謝酸堿狀態(tài)，具有安全、無(wú)創(chuàng)可定量分析的優(yōu)點(diǎn)。本文綜述磁共振pH成像方法、影響因素的優(yōu)化及在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 磁共振pH成像方法

磁共振pH成像的原理可以用“雙池”模型來(lái)解釋：對(duì)外源性或內(nèi)源性大分子的可交換基團(tuán)（溶質(zhì)池）的質(zhì)子施加特定飽和脈沖后，飽和的質(zhì)子與水分子（溶劑池）中的氫質(zhì)子進(jìn)行交換。交換的速率受局部酸堿度的影響，最終造成水分子不同程度的信號(hào)變化來(lái)反映環(huán)境的酸堿度[4]。這種信號(hào)的改變具有pH敏感性，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)pH值減低時(shí)，質(zhì)子之間的交換速率下降，進(jìn)而水分子信號(hào)強(qiáng)度會(huì)下降[5]。當(dāng)評(píng)價(jià)pH改變時(shí)，通常不同池中質(zhì)子的交換速率與組織pH呈對(duì)數(shù)關(guān)系，要對(duì)組織內(nèi)pH環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，必須確定質(zhì)子之間的交換速率[6]。磁共振pH成像無(wú)法直接獲得可交換質(zhì)子之間的交換速率，常采用比率法和酰胺質(zhì)子交換速率法來(lái)獲取信號(hào)強(qiáng)度與交換速率之間的關(guān)系。

1.1 比率法 比率法是將發(fā)生CEST作用的質(zhì)子交換速率之比轉(zhuǎn)換為信號(hào)強(qiáng)度之比的方法，進(jìn)而利用信號(hào)強(qiáng)度反映pH情況；但比率法對(duì)成像物質(zhì)的要求較高，操作并不簡(jiǎn)便。

1.1.1 外源性比率法 外源性比率法是指對(duì)外源性對(duì)比劑施加飽和脈沖時(shí)，在不同飽和脈沖條件下水分子產(chǎn)生信號(hào)強(qiáng)度之比不同，由此獲得質(zhì)子交換速率之比，進(jìn)而量化pH值。外源性比率法最初是基于不同共振頻率的比率法，成像需要分子內(nèi)存在2個(gè)pH敏感性基團(tuán)，因此成像分子的種類有限[7]。隨后衍生出基于不同飽和強(qiáng)度射頻脈沖的比率法，以及基于不同共振頻率和不同飽和強(qiáng)度射頻脈沖的比率法。改進(jìn)后的成像方法使得更多分子能夠進(jìn)行pH成像，同時(shí)可顯示更寬的pH值范圍，也提高了準(zhǔn)確度[8]；但這類成像方法常要求進(jìn)行體外標(biāo)定，成像時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)需使用不良反應(yīng)較小的對(duì)比劑，因而限制了外源性比率法的臨床應(yīng)用[8]。

1.1.2 內(nèi)源性比率法 內(nèi)源性比率法即胺和酰胺濃度-獨(dú)立檢測(cè) （amine and amide concentrationindependent detection,AACID）技術(shù)，其本質(zhì)與外源性比率法相似，但利用的是內(nèi)源性的酰胺基團(tuán)和氨基團(tuán)的CEST效應(yīng)，此交換過(guò)程中速率隨pH的增加呈線性下降。該方法要求成像分子同時(shí)具有酰胺基團(tuán)和氨基團(tuán)，且兩種基團(tuán)之間的比例是固定的。病理?xiàng)l件下，活體組織內(nèi)兩種基團(tuán)的比例可能發(fā)生變化，因此也限制了AACID方法的應(yīng)用[9]。

1.2 酰胺質(zhì)子交換速率法 而酰胺質(zhì)子交換速率法利用的是人體內(nèi)源性的大分子，通過(guò)不同的算法來(lái)進(jìn)行成像，操作簡(jiǎn)便易行。主要包括非對(duì)稱性磁化轉(zhuǎn)移率法和酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移率*（amide proton transfer,APTR*）法。

1.2.1 非對(duì)稱性磁化轉(zhuǎn)移率法 0～5ppm（ppm表示10-6）的共振頻率范圍是脂肪族化合物的質(zhì)子發(fā)生CEST作用的范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)施加不同的飽和脈沖，描繪出信號(hào)強(qiáng)度曲線稱為Z譜。研究者[6]發(fā)現(xiàn)在＋3.5ppm的共振頻率處施加飽和脈沖，酰胺基團(tuán)與水分子之間可以發(fā)生CEST作用，稱為酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移（amide proton transfer,APT）效應(yīng)。脂肪族化合物的水分子同時(shí)可以發(fā)生磁化轉(zhuǎn)移（magnetization transfer,MT）效應(yīng)、直接水飽和（direct saturation,DS）效應(yīng)以及核奧式效應(yīng) （nuclear overhauser effect,NOE），一般認(rèn)為這些效應(yīng)引起的水分子信號(hào)強(qiáng)度變化相對(duì)于Z譜的水峰（0ppm）是對(duì)稱的。MTRasym是目前常用的pH成像方法，通過(guò)將±3.5ppm處的信號(hào)強(qiáng)度做差值來(lái)抵消MT、DS及NOE對(duì)CEST作用的影響，可根據(jù)公式 M計(jì)算獲得。其中Msat指在±3.5ppm處施加飽和脈沖后測(cè)得的水分子信號(hào)強(qiáng)度，而M0是未施加飽和脈沖時(shí)水分子信號(hào)強(qiáng)度[6]。

然而MT、DS及NOE相對(duì)于水峰并不是絕對(duì)對(duì)稱的。因此，MTRasym是由兩部分組成的，包括固有磁化轉(zhuǎn)移率（solid phase magnetization transfer effect,MTR’asym）和質(zhì)子轉(zhuǎn)移率（proton transfer ratio,PTR）。MTR’asym指在施加飽和脈沖時(shí)，由于MT、DS和NOE產(chǎn)生的水分子固有的磁化轉(zhuǎn)移率。PTR是指在＋3.5ppm處發(fā)生CEST作用酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移率，即化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移率 （chemical exchange saturation transfer ratio,CESTR），它與交換速率之間的關(guān)系

其中α是標(biāo)記系數(shù)，δ是溢出因子，ksw是從酰胺質(zhì)子到水質(zhì)子的化學(xué)飽和交換速率，f是酰胺質(zhì)子與水質(zhì)子的比率，而R1w是水的縱向弛豫率。

pKw是水的電離常數(shù)，k0和kb分別是自發(fā)的和堿催化的化學(xué)交換速率[6,10]。

MTRasym參數(shù)的計(jì)算不可忽視MT效應(yīng)、DS效應(yīng)及NOE效應(yīng)，因此需要優(yōu)化的成像方法來(lái)減少這些效應(yīng)的影響。

1.2.2 APTR*法 APTR*法是一種基于Bayesian模型擬合所得到的方法。該方法將成像影響因素作為一個(gè)單獨(dú)的質(zhì)子池，生成“三池”模型——水質(zhì)子池、酰胺質(zhì)子池和不對(duì)稱磁化傳遞池，通過(guò)一定計(jì)算獲得更純凈的酰胺質(zhì)子效應(yīng)信息。APTR*可以由公 式計(jì) 算 獲 得 ， 其 中MW（3.5ppm）和 MW+α（3.5ppm）代表施加飽和脈沖后的水池以及水和酰胺質(zhì)子池在3.5ppm處的水分子信號(hào)強(qiáng)度，M0為未施加飽和脈沖時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度。進(jìn)而可以得到與pH之間的換算關(guān)系：

pH=1.951×（APTR*）0.2444+4.807。 APTR* 減少了成像干擾因素的影響，更加純化了信號(hào)強(qiáng)度，便于計(jì)算交換速率，利于反映真實(shí)的pH[11]。但APTR*方法處理數(shù)據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)，并且連續(xù)飽和脈沖會(huì)增加計(jì)算的難度[12]。

1.2.3 其他 為更好評(píng)價(jià)酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移，Jin等[13]研究了9.4 T場(chǎng)強(qiáng)下APT、NOE與pH的關(guān)系，提出分別放置3個(gè)脈沖在酰胺質(zhì)子峰（3．5ppm）和該峰的兩界，當(dāng)兩界的間隔足夠小時(shí)，酰胺質(zhì)子峰與兩界平均值之間的差值接近真實(shí)的APT效應(yīng)，稱為表觀APT（APT*）。該方法對(duì)組織酸中毒有很高的敏感性，但是APT*要求有較高的場(chǎng)強(qiáng)和較窄的帶寬。目前不斷有新的手段輔助快速獲得磁共振pH成像的影像，如CEST磁共振指紋識(shí)別 （CEST-magnetic resonance finger printing,CEST-MRF）方法[14]，這提高了成像的速度。

2 pH成像影響因素及優(yōu)化

磁共振pH成像主要受CEST速率的影響，交換速率是通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)間接獲得，因此凡是影響到信號(hào)強(qiáng)度的因素都會(huì)影響pH成像的準(zhǔn)確性。pH成像的影響因素主要包括MT效應(yīng)、DS效應(yīng)、NOE效應(yīng)以及縱向弛豫時(shí)間（T1）等[4]。為了減少這些因素的影響，除了改進(jìn)成像方法外，還可以針對(duì)影響因素采取一系列優(yōu)化措施。

MT相對(duì)于水峰 （0ppm）的頻率不是絕對(duì)對(duì)稱的，這與場(chǎng)強(qiáng)的不均勻性相關(guān)。為了克服場(chǎng)強(qiáng)（B0）不均勻?qū)π盘?hào)的影響，最初采用對(duì)Z譜進(jìn)行校正的方法，目前最新的方法是一種基于高分辨率場(chǎng)圖的校正算法。這些方法可以補(bǔ)償場(chǎng)的非均勻性[4,15]。

選擇合適的射頻（radio frequency,RF）不僅可以減少DS的影響，還會(huì)減少T1的影響。有研究[16]發(fā)現(xiàn)在4.7 T場(chǎng)強(qiáng)下0.75 μT的RF可呈現(xiàn)出最好的影像對(duì)比，而高于或低于0.75 μT的影像均不及前者。此外，還有研究者[17]采用不均勻分段RF的方法，這種方法能夠在快速獲得多層影像的同時(shí)提高pH成像的敏感性。

將NOE效應(yīng)與CEST效應(yīng)分離能夠消除NOE效應(yīng)對(duì)pH成像的影響。Jin等[13]在9.4 T場(chǎng)強(qiáng)下利用三偏移脈沖方法分離了CEST信號(hào)與NOE信號(hào)，發(fā)現(xiàn)NOE并不具有pH依賴性，但具有濃度依賴性；而另有研究者[18]反駁了該觀點(diǎn)，認(rèn)為上述結(jié)論歸因于采用的計(jì)算方法，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在低功率RF的情況下，NOE效應(yīng)的pH依賴性在-3.5ppm和-5ppm之間。這提示應(yīng)探索新方法來(lái)將NOE與CEST信號(hào)分離，同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步研究NOE效應(yīng)與pH的關(guān)系。

研究者[19]發(fā)現(xiàn)在高場(chǎng)強(qiáng)、功率較小的RF、穩(wěn)態(tài)采集以及無(wú)明顯DS效應(yīng)的條件下進(jìn)行APT成像時(shí)，有必要對(duì)T1進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。而在臨床MRI設(shè)備上（通常是低場(chǎng)或非穩(wěn)態(tài)采集），當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)男蛄袇?shù)時(shí)，可能不需要進(jìn)行T1標(biāo)準(zhǔn)化。

3 磁共振pH成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 缺血性卒中 缺血性卒中與腦細(xì)胞的pH環(huán)境有著緊密關(guān)系。Sun等[21]發(fā)現(xiàn)磁共振pH成像與乳酸濃度有明顯相關(guān)性，即與組織酸化程度相關(guān)。腦組織代謝活動(dòng)主要依賴于有氧條件下的糖酵解。而缺血時(shí)，腦組織無(wú)氧呼吸增加，乳酸堆積引起酸中毒，使腦細(xì)胞死亡。

磁共振pH成像可用于識(shí)別缺血性卒中不同區(qū)域的pH情況。有研究[22]利用APTR*方法分析12例病人的酸中毒情況發(fā)現(xiàn)，酸中毒從重到輕依次為梗死核心、最終進(jìn)展為梗死的低灌注區(qū)、最終存活的低灌注區(qū)。對(duì)于缺血半暗帶，既往影像學(xué)常用的識(shí)別方法是觀察擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）與灌注加權(quán)成像（PWI）之間的錯(cuò)配區(qū)域，但這種方法無(wú)法區(qū)分真實(shí)缺血半暗帶與良性缺血區(qū)。有研究者[23]采用MTRasym法在缺血性卒中動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，pH圖像的信號(hào)異常區(qū)總是大于或等于DWI信號(hào)異常區(qū)，而小于或等于PWI信號(hào)異常區(qū)，提示DWI范圍外存在缺血酸中毒區(qū)域，證明了酸中毒的范圍更能反映缺血半暗帶。同時(shí)，也有研究者[24]利用弛豫校正的MTRasym法將DWI-PWI錯(cuò)配區(qū)域劃分成pH-DWI錯(cuò)配區(qū)和PWI-pH錯(cuò)配區(qū)，并發(fā)現(xiàn)這兩部分的pH存在差異，pH-DWI錯(cuò)配區(qū)的pH值更低。

磁共振pH成像也可用于觀察缺血性卒中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)歸過(guò)程。不同時(shí)間點(diǎn)的腦細(xì)胞缺血狀態(tài)不同，酸化程度就不同。有研究[25]利用MTRasym法發(fā)現(xiàn)隨著缺血性卒中進(jìn)展到亞急性晚期，病灶的信號(hào)也隨之增高，提出缺血性卒中后組織酸化持續(xù)存在，但會(huì)隨時(shí)間增加而減輕。采用MTRasym法研究卒中后再灌注動(dòng)物模型顯示，梗死病灶的信號(hào)隨著恢復(fù)灌注而增高，顯示局部組織酸化逆轉(zhuǎn)[26]。

隨著磁共振pH成像方法的不斷進(jìn)展，它能夠?yàn)槿毖宰渲胁煌瑓^(qū)域的代謝狀態(tài)和轉(zhuǎn)歸判斷提供更多有價(jià)值的輔助信息。

3.2 腦腫瘤 有研究[27]發(fā)現(xiàn)腦腫瘤細(xì)胞在有氧與無(wú)氧條件下皆會(huì)不斷產(chǎn)生乳酸，并轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外，細(xì)胞外乳酸不斷累積，pH值下降。因此，腫瘤細(xì)胞內(nèi)外存在與正常組織細(xì)胞相反的pH梯度，這種細(xì)胞微環(huán)境的酸化有助于其逃避凋亡、耐藥及增殖，并增加侵襲性及轉(zhuǎn)移潛能[28]。一些文獻(xiàn)[29-30]就CEST在腦膠質(zhì)瘤（多為高級(jí)別）和轉(zhuǎn)移瘤方面的應(yīng)用做了總結(jié)分析。關(guān)于磁共振pH成像可輔助腦腫瘤的診斷和治療的研究也在不斷報(bào)道。Wang等[31]利用MTRasym法對(duì)90例膠質(zhì)瘤病人分析發(fā)現(xiàn)，在高級(jí)別膠質(zhì)瘤的T2WI高信號(hào)且無(wú)強(qiáng)化的區(qū)域，腦血容量（CBV）與酸度呈正相關(guān)，而在低級(jí)別的膠質(zhì)瘤中則無(wú)這種關(guān)系，這對(duì)鑒別高級(jí)別及低級(jí)別膠質(zhì)瘤有提示作用，同時(shí)反映了高級(jí)別膠質(zhì)瘤的不均質(zhì)性。Ferrauto等[32]利用外源性比率法發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外低pH值的膠質(zhì)瘤具有更高表達(dá)的控制增殖免疫表型，說(shuō)明磁共振pH成像可預(yù)測(cè)膠質(zhì)瘤的增殖潛能。另外，磁共振pH成像還可以輔助腦腫瘤治療。Yao等[33]采用MTRasym法發(fā)現(xiàn)化療后殘存的和新發(fā)的酸化區(qū)域可以早期預(yù)測(cè)腫瘤的復(fù)發(fā)，便于調(diào)整治療方案。Lim等[34]利用AACID法發(fā)現(xiàn)腦腫瘤細(xì)胞模型的pH梯度隨時(shí)間而不斷增加，放化療藥物具有弱酸性和弱堿性，對(duì)pH梯度的了解有助于指導(dǎo)選擇治療藥物。因此，磁共振pH成像優(yōu)勢(shì)不僅在于輔助腦腫瘤pH環(huán)境評(píng)價(jià)，更可以依據(jù)pH環(huán)境輔助治療。

3.3 其他 磁共振pH成像目前在其他領(lǐng)域也有嘗試。已有研究[35]采用MTRasym方法發(fā)現(xiàn)了磁共振pH成像在顱腦創(chuàng)傷方面的潛在價(jià)值，它可以識(shí)別創(chuàng)傷后酸中毒造成的最易長(zhǎng)期損害的組織，并且發(fā)現(xiàn)創(chuàng)傷后腦組織pH值降低會(huì)影響腦功能及6個(gè)月后的預(yù)后。另外，有研究者[36]提出磁共振pH成像對(duì)反映新生兒缺血缺氧性腦病的受累情況具有潛在應(yīng)用價(jià)值，這有待于進(jìn)一步研究。目前，CEST技術(shù)已用于阿爾茨海默病、帕金森病、多發(fā)性硬化以及兒童腦發(fā)育過(guò)程，但大部分研究用于監(jiān)測(cè)腦組織蛋白含量變化，磁共振pH成像目前未見(jiàn)用于這些疾病[37-38]。

4 小結(jié)

磁共振pH成像技術(shù)可以反映組織的代謝信息，賦予MR技術(shù)新的診斷意義，但是該技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于臨床。雖然有很多減少成像干擾因素的方法，但仍不具備臨床應(yīng)用的條件?；铙w內(nèi)“多池”比體外更復(fù)雜，以及不同研究中心技術(shù)應(yīng)用的差異也會(huì)造成所得結(jié)論在互相驗(yàn)證上存在著干擾。今后應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化磁共振pH成像技術(shù)，通過(guò)探索通用的后處理方法來(lái)保證成像的質(zhì)量及加強(qiáng)應(yīng)用的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，以利于不同中心共同研究。同時(shí)，磁共振pH成像需要不斷加強(qiáng)臨床實(shí)驗(yàn)，才能發(fā)揮其對(duì)人體疾病的不可替代的診斷價(jià)值。