酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像原理及其在動脈閉塞性腦梗死的研究進(jìn)展

蔣玉涵，苗延巍，常佩佩，車藝瑋

動脈閉塞性腦梗死具有高發(fā)病率、高致殘率及高復(fù)發(fā)率，是導(dǎo)致患者死亡或功能障礙的主要病因之一[1]。腦動脈供血區(qū)血流灌注下降會引起一系列病理生理學(xué)改變，包括代謝及化學(xué)環(huán)境的改變[2]。然而，目前CT或MRI結(jié)構(gòu)像，甚至灌注加權(quán)成像(perfusion-weighted imaging，PWI)和擴散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging，DWI)都難以顯示腦梗死的酸堿代謝變化。

雖然磁共振波譜(magnetic resonance spectrum，MRS)可以檢測腦代謝物的變化并測量組織pH值，但其空間和時間分辨率較低，應(yīng)用受限。酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(amide proton transfer，APT)成像技術(shù)作為非侵入性成像方法可以檢測腦代謝物的改變[3]，評估梗死后腦組織的代謝變化，明確缺血組織化學(xué)環(huán)境演變。本文就APT技術(shù)及其對腦梗死病理生理及代謝變化的研究進(jìn)行綜述。

1 腦梗死的病理生理及代謝變化

腦動脈發(fā)生狹窄或閉塞后，相應(yīng)血流灌注壓降低，進(jìn)而會出現(xiàn)一系列病理生理學(xué)變化，其演變過程可以以如下流程圖(圖1)顯示[4-5]。腦梗死超急性期，腦血流灌注不足，線粒體能量代謝障礙引起乳酸堆積及CO2排出受阻等一系列變化最終導(dǎo)致pH降低；ATP合成降低，Na+-K+泵衰竭，引發(fā)細(xì)胞高滲狀態(tài)，神經(jīng)細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞腫脹。梗死進(jìn)一步進(jìn)展，急性期，血腦屏障受損，毛細(xì)血管通透性升高，細(xì)胞水腫進(jìn)一步加重，神經(jīng)細(xì)胞開始發(fā)生壞死。而亞急性期及慢性期，壞死組織逐漸吸收，膠質(zhì)細(xì)胞增生，此外由于緩沖機制的改變，梗死區(qū)域酸中毒開始逐漸向堿中毒轉(zhuǎn)化。

2 MRS在腦梗死的應(yīng)用

MRS可以無創(chuàng)地獲得許多細(xì)胞內(nèi)代謝物濃度變化并進(jìn)行體內(nèi)測定，并基于這些代謝物的水平分析組織代謝狀態(tài)。腦梗死發(fā)生早期即可出現(xiàn)乳酸聚集等代謝變化，而MRS對這種代謝改變敏感性很高，可以早期檢出梗死區(qū)域代謝物濃度變化。

腦梗死導(dǎo)致細(xì)胞密度顯著下降，死亡的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞被巨噬細(xì)胞吞噬、清除，梗死區(qū)域被水腫、星形膠質(zhì)細(xì)胞和新的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞填充，導(dǎo)致N-乙酰天門冬氨酸(N-acetylaspartate，NAA)、膽堿(choline，Cho)降低，乳酸(lactate，Lac)增加[6]。

3 APT成像

雖然MRS已被用于評估腦卒中期間腦組織的pH。然而，由于其空間和時間分辨率低，實際適用性受到限制。而溶質(zhì)質(zhì)子和水質(zhì)子之間的化學(xué)交換速率也取決于多種物理化學(xué)因素，如pH和溫度[7]。因此，需要一種新型的成像技術(shù)方法來評估腦梗死期間的pH變化。

由于蛋白質(zhì)中酰胺的化學(xué)交換是堿催化的，因此，pH降低導(dǎo)致酰胺質(zhì)子的交換速率降低，進(jìn)而引發(fā)缺血組織的APT MRI對比度降低[8-9]。與梗死區(qū)周圍的低灌注區(qū)域相比，缺血核心可顯示APTw顯著降低[10]。因此，組織pH可以作為潛在的替代生物學(xué)標(biāo)志物，以反映缺血期間的代謝狀態(tài)和病情進(jìn)展。因此，APT的內(nèi)在性質(zhì)，即pH敏感性及提供有關(guān)蛋白質(zhì)含量的信息可用于同時評估早期缺血期間的pH變化。

3.1 成像原理

3.1.1 化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像

化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer，CEST)是一種新型的磁共振分子成像方法，衍生于磁化傳遞(magnetization transfer，MT)技術(shù)[11]。通過對內(nèi)源性或外源性特定物質(zhì)施加飽和脈沖(radiofrequence，RF)進(jìn)行選擇性預(yù)飽和，飽和氫質(zhì)子與自由水分子中的氫質(zhì)子進(jìn)行交換，引起自由水信號的衰減[12-13]。該信號衰減程度與具有可交換質(zhì)子的化合物的量成比例，可以間接測量組織代謝物濃度以及影響交換率的組織物理化學(xué)特性，提高分子的檢測靈敏度[12，14]。事實上，CEST已被證明能夠檢測大量生物分子，包括谷氨酸、糖原、葡萄糖、糖胺聚糖、酯酶、基因表達(dá)以及pH等[1]。

3.1.2 APT成像

APT成像技術(shù)是CEST成像技術(shù)的一個分支，其主要基于游離細(xì)胞蛋白和多肽鏈上的酰胺質(zhì)子產(chǎn)生圖像對比度[12，15]。在APT成像中，多肽鏈和蛋白質(zhì)中的飽和酰胺質(zhì)子與游離水質(zhì)子交換，使得游離水部分飽和。Zhou等[16]通過施加不同頻率RF獲得曲線，即Z-光譜，將大量自由水信號的峰值定義為0，酰胺質(zhì)子峰位于距離水峰約+3.5 ppm處。在+3.5 ppm處施加射頻脈沖，飽和酰胺質(zhì)子與游離水質(zhì)子交換，結(jié)果引起該處水信號的衰減，這即為APT效應(yīng)。其評估通常以Z-光譜水峰兩側(cè)±3.5 ppm處磁化傳遞轉(zhuǎn)移率(magnetization transfer rate，MTR)的差值來計算，即：

ΔMTRasym(3.5 ppm)=MTRasym(+3.5 ppm)-MTRasym(-3.5 ppm)

考慮到核奧氏效應(yīng)(nuclear overhauser effect，NOE)[17]等的影響，通常將ΔMTRasym稱作APT加權(quán)(APTw)圖像。

既往多針對Zhou等[18]提出的雙池交換模型來計算，而Tee等[19]通過三池交換模型提出新的計算方法，即：

APTR*=[Sw(3.5 ppm)-Sw+a(3.5 ppm)]/MW0

其中S表示使用擬合模型參數(shù)3.5 ppm下的模擬信號，下標(biāo)w和w+a表示水池以及水和酰胺池，MW0是擬合的不飽和信號。用于數(shù)據(jù)擬合的三池交換模型是水，酰胺和不對稱磁化傳遞。第三個池代表在負(fù)頻偏處觀察到的飽和效應(yīng)與常規(guī)磁化傳遞的組合。

與傳統(tǒng)的APTR不同，APTR*基于酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移Z-光譜的模型分析，控制B0不均勻性、T1和T2的影響，不依賴于水共振相反部位飽和頻率的數(shù)據(jù)作為參考，避免了與pH無關(guān)的可能信號變化(例如B0不均勻性)[20]。在健康者和急性卒中患者中，發(fā)現(xiàn)APTR*比APTR更均一，在缺血組織和正常組織之間產(chǎn)生更好的對比噪聲比[19]。

3.2 APT成像對腦梗死的研究

3.2.1 APT成像早期顯示腦缺血及其范圍

腦梗死發(fā)生時，乳酸濃度增加，pH下降，飽和酰胺和水之間的質(zhì)子交換速率降低。相反，如果pH增加，飽和酰胺和水之間的質(zhì)子交換速率將增加。Zhou等[21]一項針對7只大腦中動脈閉塞的大鼠模型的研究首次證實了缺血組織存在APT效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)pH降低引起酰胺質(zhì)子與水中氫質(zhì)子交換速率減慢，死亡大鼠腦中MTRasym(3.5 ppm)降低。結(jié)合31P光譜對pH進(jìn)行評估(活體pH值為7.11，死亡后約為6.66)，他們將全腦缺血模型中APTR的變化校準(zhǔn)為：APTR=5.73×10pH-9.4，發(fā)現(xiàn)梗死區(qū)平均pH值約為6.52±0.32，而正常腦組織平均PH值約為7.0～7.4，這與組織學(xué)染色最終結(jié)果相吻合。

Sun等[22]對21只永久性大腦中動脈閉塞的大鼠進(jìn)行MRI。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腦中動脈供血區(qū)血流灌注減低區(qū)在T1WI、T2WI及ADC未見明顯變化時即可出現(xiàn)pH的變化。此外，他們發(fā)現(xiàn)3 h內(nèi)pH發(fā)生變化的區(qū)域于24 h無明顯變化，而PWI及ADC變化明顯，說明APT可以精確預(yù)測缺血半暗帶的范圍，其中APT-DWI不匹配區(qū)為缺血半暗帶(ischemic penumbra，IP)，APT-PWI不匹配區(qū)為良性灌注不足區(qū)。

Harston等[8]將梗死區(qū)域劃分為梗死核心區(qū)、梗死進(jìn)展區(qū)、良性灌注不足區(qū)、彌散假正常區(qū)及影像恢復(fù)區(qū)，對12例急性梗死(＜24 h)患者進(jìn)行APT成像發(fā)現(xiàn)梗死核心區(qū)(0.86±0.11)、梗死進(jìn)展區(qū)(0.92±0.11)以及良性灌注不足區(qū)(0.97±0.11)較對側(cè)正常腦組織APT信號減低，且其酸中毒程度逐漸減低。由于急性梗死期間的MTR和弛豫變化相對較小，Guo等[23]提出磁化轉(zhuǎn)移和弛豫標(biāo)準(zhǔn)化APT (MRAPT)分析，與常規(guī)MRI相輔相成，精確劃分代謝變化區(qū)域。其研究也表明梗死核心酸中毒最嚴(yán)重(-1.05±0.29)%/s，缺血半暗帶存在中度酸中毒(-0.67±0.27)%/s，而良性灌注不足區(qū)的pH變化很小(-0.04±0.14)%/s，與Harston等[8]研究結(jié)果一致。

Tietze等[10]應(yīng)用APT技術(shù)對超急性梗死患者(癥狀發(fā)作后1～4.5 h)進(jìn)行評估，并在約30 d時進(jìn)行隨訪，以確定最終梗死體積，結(jié)果表明腦梗死患者梗死區(qū)APT信號較對側(cè)正常白質(zhì)及健康對照組明顯降低，且其范圍與最終梗死范圍一致，表明APT能夠正確預(yù)測急性缺血性卒中患者最終梗死體積。

3.2.2 腦梗死APT的演變

既往，APT相關(guān)研究很少關(guān)注腦梗死各個時期的pH動態(tài)變化。Song等[24]按發(fā)病時間(2 h～7 d)將39例腦梗死分為4組(超急性期、急性期、亞急性早期、亞急性晚期)，并定量測量梗死區(qū)及對側(cè)正常白質(zhì)APT信號值，結(jié)果表明梗死后腦組織可能發(fā)生持續(xù)的酸中毒，隨著發(fā)病時間的增加，酸中毒會逐漸減輕。該研究系統(tǒng)地描述了不同階段腦梗死的APT信號特征，并研究其隨時間的動態(tài)變化，可能有助于了解缺血組織的進(jìn)展情況。張帥等[25]同樣關(guān)注腦梗死各個時期APT信號值的變化，不同的是其增加了慢性期梗死患者，并發(fā)現(xiàn)在亞急性期和慢性期MTRasym值增加，可能是腦組織由酸中毒逐漸向堿中毒轉(zhuǎn)化，有關(guān)MRS的研究也證實了這一點[26-27]。

3.2.3 APT成像評估預(yù)后

近期，Park等[28]針對大鼠瞬時大腦中動脈閉塞模型與永久性閉塞模型進(jìn)行缺血后再灌注研究，分別對閉塞時、閉塞后1 h再灌注、閉塞后3 h再灌注與閉塞后4 h再灌注進(jìn)行APTw、ADC、腦血流量(cerebral blood flow，CBF)和MR光譜的評估，并分析APTw與乳酸濃度之間的關(guān)系，結(jié)果顯示閉塞后再灌注時APTw值顯著增加，酸中毒面積明顯減小，APTw值與乳酸濃度呈負(fù)相關(guān)，表明APT是一種pH加權(quán)成像技術(shù)，可顯示再灌注治療后組織代謝和缺血的逆轉(zhuǎn)。

有研究表明APT成像可作為評估腦梗死患者嚴(yán)重程度和預(yù)后的有效技術(shù)方法。Lin等[29]根據(jù)90 d改良Rankin量表(mRS)評分將55例急性梗死(24～48 h)患者分為預(yù)后良好組(mRS評分＜2)與預(yù)后不良組(mRS評分≥2)，發(fā)現(xiàn)APTWmax-min(表明APT異質(zhì)性)在兩組之間顯著不同。因此，梗死區(qū)APT信號的異質(zhì)性可作為預(yù)測預(yù)后的生物標(biāo)志物。最近，Yu等[30]對腦梗死患者進(jìn)行支持治療前后的APT信號值進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)所有治療有效的患者APT信號值顯著增加，提示與臨床癥狀改善相關(guān)，說明APT可用于評估缺血性卒中的治療療效。

3.2.4 APT成像鑒別出血與缺血性梗死

Wang等[31]應(yīng)用APT技術(shù)對誘導(dǎo)出血與缺血的大鼠模型成像，以對超急性期缺血與出血進(jìn)行鑒別，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超急性出血始終存在APT高信號，與缺血的低信號形成明顯對比。在超急性出血中，血管破裂后的血腫由一系列紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板和富含白蛋白的血清組成。因此超急性出血APT高信號反映了豐富的游離蛋白和多肽的存在。

4 局限與展望

APT成像因為受到一些技術(shù)層面的限制并未廣泛應(yīng)用于臨床，而高場強的APT成像目前僅限于動物和實驗?zāi)Ｐ汀Ｒ虼?，廣泛應(yīng)用APT成像關(guān)鍵是優(yōu)化掃描序列參數(shù)、減少運動及及腦脊液偽影、提高掃描速度以及優(yōu)化成像算法[32-33]。

從技術(shù)角度來看，B0不均勻性仍然是APT成像的關(guān)鍵問題。APT信號通常通過相對于水峰±3.5 ppm的信號強度之間的MTR不對稱性分析來測量。因此，APT的成像質(zhì)量很大程度上取決于B0的均勻性，因為這會影響水共振位置。目前，已有將3D多層成像應(yīng)用于APT技術(shù)，與既往2D成像相比，SNR明顯提高[34]。

綜上，腦梗死的演變伴隨著腦內(nèi)代謝物的變化，與病理生理變化互相影響。APT成像技術(shù)可以在不同程度詮釋腦梗死的代謝變化，更全面、深入了解缺血腦組織的化學(xué)環(huán)境及病理生理改變。隨著技術(shù)的不斷成熟，APT技術(shù)或許會為腦梗死的早期診斷、病情監(jiān)控與治療決策提供更豐富的信息。

利益沖突：無。