化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像在膠質(zhì)瘤的應(yīng)用研究進展

張嵐，汪晶*

膠質(zhì)瘤是最常見的原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤，且病死率高。目前膠質(zhì)瘤分類、分級的“金標準”仍然為手術(shù)或活檢病理及相關(guān)免疫組化。但該方法為有創(chuàng)性操作，且部分患者無法耐受手術(shù)或病灶無法完全切除。近年來，磁共振成像已經(jīng)成為腦腫瘤患者最常用的術(shù)前診斷方法，尤其是灌注加權(quán)成像(perfusion weighted imaging，PWI)、擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)、擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、擴散峰度成像(diffusion kurtosis imging，DKI)、磁共振波譜(magnetic resonance spectrum，MRS)等先進的磁共振序列的出現(xiàn)及臨床廣泛應(yīng)用，在膠質(zhì)瘤的初步診斷、手術(shù)規(guī)劃、療效監(jiān)測等方面提供了豐富的關(guān)于腫瘤微環(huán)境、代謝等相關(guān)信息。然而，上述方法在術(shù)前預(yù)測膠質(zhì)瘤的分級及分子分型、確定手術(shù)切除及放療靶區(qū)范圍、選擇活檢部位及鑒別膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)和放射性壞死等方面仍存在不足。

化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer，CEST)成像基于水與質(zhì)子交換率進行成像，從分子水平檢測內(nèi)源性或外源性大分子中的可交換質(zhì)子，對組織中游離的蛋白質(zhì)等大分子含量的變化十分敏感，目前在膠質(zhì)瘤的精準診斷和療效評估等方面均表現(xiàn)出良好的臨床應(yīng)用前景。

1 CEST技術(shù)的出現(xiàn)及原理

CEST 是由磁化傳遞(magnetic transfer，MT)衍生而來的一類新的MRI對比劑技術(shù)，2000年由Ward等[1]首先提出。CEST模型經(jīng)典的解釋為兩池模型(自由水池和可交換質(zhì)子池)，選擇性飽和某特定頻率處的微量大分子可交換質(zhì)子池，與自由水中的氫質(zhì)子進行空間位置的交換，將飽和狀態(tài)傳遞到水的氫質(zhì)子，自由水中氫質(zhì)子的信號減低，通過對氫質(zhì)子在自由水中的信號差異進行成像，產(chǎn)生MRI 對比度。通過飽和期間重復(fù)化學(xué)交換過程，不斷放大對比度，可以檢測微摩爾-毫摩爾范圍內(nèi)的低濃度溶質(zhì)分子[2]。但是由于機體內(nèi)組織成分復(fù)雜，并且隨著CEST 掃描技術(shù)及分析算法的發(fā)展，目前可以用多池擬合模型來更好地解釋CEST 效應(yīng)，分別為直接水飽和效應(yīng)(direct saturation of water，DSW)、酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(amide proton transfer，APT)、核奧氏效應(yīng)(nuclear Overhauser effect，NOE)、磁化轉(zhuǎn)移效應(yīng)(magnetization transfer，MT)。依靠標化后的水信號強度(Isat/I0)與飽和脈沖的偏共振頻率的關(guān)系繪制Z譜圖[3]，能更形象地顯示不同頻率點的自由水信號改變。常用的CEST定量參數(shù)為非對稱磁化轉(zhuǎn)移率(magnetic transfer ratio asymmetry，MTRasym)。研究表明，pH、代謝物濃度以及溫度等會影響CEST 對比度[1]。目前研究及應(yīng)用最廣泛的為APT 成像，屬于CEST技術(shù)的一種，特定檢測共振頻率在3.5 ppm處的大分子中的酰胺質(zhì)子。除此之外，CEST 技術(shù)還可以對羥基(-OH)、胺(-NH)及肌酸、谷氨酸、肌醇等代謝物進行成像。CEST技術(shù)除可以檢測內(nèi)源性可移動質(zhì)子外，也可通過靜脈注射外源性可移動質(zhì)子產(chǎn)生外源性CEST效應(yīng)。但目前外源性對比劑在臨床中的應(yīng)用十分有限，大多數(shù)仍處于臨床前研究階段，本文主要就內(nèi)源性CEST成像在膠質(zhì)瘤中的應(yīng)用研究進展進行綜述。

2 內(nèi)源性CEST成像在膠質(zhì)瘤中的應(yīng)用

2.1 內(nèi)源性CEST成像在膠質(zhì)瘤術(shù)前診斷中的應(yīng)用

2.1.1 術(shù)前評估膠質(zhì)瘤范圍

CEST技術(shù)在膠質(zhì)瘤的術(shù)前評估中有巨大的潛力。盡管常規(guī)MRI 廣泛應(yīng)用于膠質(zhì)瘤的術(shù)前診斷中，但是其難以將膠質(zhì)瘤瘤體與周圍水腫分開。Zhou 等[4]首先提出APT 成像可以反映膠質(zhì)肉瘤的確切邊界。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)APT 成像可以無創(chuàng)性地顯示高級別膠質(zhì)瘤內(nèi)部的異質(zhì)性成分[5]。即使在常規(guī)T1WI 增強掃描中表現(xiàn)為輕微強化的病灶，在APT 圖像中也表現(xiàn)為不均勻高信號。腫瘤實性區(qū)域平均APT 信號強度明顯高于瘤周水腫區(qū)，中央壞死區(qū)的平均APT 信號明顯低于腫瘤實性部分，可能與腫瘤細胞異常增殖活躍，蛋白含量增加，酰胺質(zhì)子濃度增加有關(guān)，而瘤周水腫區(qū)的APT 信號增高可能由于腫瘤細胞浸潤和水腫。同時，膠質(zhì)瘤細胞外谷氨酸的增加會對周圍組織產(chǎn)生興奮性毒性并促進腫瘤向周圍侵襲性生長，與膠質(zhì)瘤患者的耐藥性癲癇發(fā)作相關(guān)。Neal等[6]分析了10 例彌漫性膠質(zhì)瘤患者的谷氨酸CEST (glutemate chemical exchange saturation transfer，GluCEST)成像的差異，結(jié)果顯示腫瘤周圍谷氨酸升高與膠質(zhì)瘤患者癲癇發(fā)生有關(guān)，并在膠質(zhì)瘤侵襲過程中改變了腫瘤的谷氨酸穩(wěn)態(tài)。類似的研究也發(fā)現(xiàn)，瘤周水腫帶外帶仍有少量GluCEST 高信號灶，表明GluCEST 可以更為準確地識別膠質(zhì)瘤的侵襲范圍[7]。無強化的膠質(zhì)瘤，由于腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性，也可迅速增長，但通過常規(guī)MRI 序列區(qū)分腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性十分困難，有研究發(fā)現(xiàn)通過洛倫茲擬合分離3D 脈沖CEST 成像得到的APT 信號在無強化膠質(zhì)瘤內(nèi)部分存在異質(zhì)性高信號區(qū)，表明非增強型膠質(zhì)瘤內(nèi)部的空間特異性，該發(fā)現(xiàn)有助于指導(dǎo)此類膠質(zhì)瘤的靶向活檢，進而實現(xiàn)精準診斷及治療，未來可能有助于識別常規(guī)MRI 無法識別的微觀上的腫瘤侵襲區(qū)域[8-9]。

2.1.2 膠質(zhì)瘤的術(shù)前分級診斷

根據(jù)世界衛(wèi)生組織(world health organization，WHO)分級標準，膠質(zhì)瘤分為WHO Ⅰ-Ⅳ級，術(shù)前對膠質(zhì)瘤分級對于膠質(zhì)瘤患者的個性化治療意義重大。但20%的低級別膠質(zhì)瘤表現(xiàn)為明顯強化，25%左右的高級別膠質(zhì)瘤表現(xiàn)為無強化或輕度強化，因此僅通過常規(guī)MRI對膠質(zhì)瘤進行術(shù)前分級存在較大的不足。與低級別膠質(zhì)瘤相比，高級別膠質(zhì)瘤細胞增殖加速，蛋白表達增加，因此CEST技術(shù)可對膠質(zhì)瘤的分級提供更準確的影像診斷信息。多項研究表明[10-12]，CEST及其衍生序列已經(jīng)廣泛應(yīng)用于膠質(zhì)瘤的分級，能顯著提高分級的準確性。Togao等[11]研究發(fā)現(xiàn)，平均APT信號在膠質(zhì)瘤的Ⅱ級和Ⅲ級、Ⅲ級和Ⅳ級以及Ⅱ級和Ⅳ級差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，且WHO分級越高，APT信號越高。同時該研究還表明APT信號可以術(shù)前預(yù)測膠質(zhì)瘤細胞增殖程度。另Park等[12]通過直方圖分析得出，APT第90%百分位數(shù)(90th percentile APT，APT90)能顯著提高PWI 在識別高低級別膠質(zhì)瘤中的準確性[兩位評估者診斷的受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線下面積(area under the curve，AUC)分別從0.8和0.82上升至0.97]。與之相似，有研究也得出了APT相關(guān)參數(shù)在膠質(zhì)瘤的分級診斷中的診斷性能優(yōu)于定量弛豫時間及DKI的定量參數(shù)[13-14]。與傳統(tǒng)的基于磁化轉(zhuǎn)移不對稱分析不同，Su等[15]通過五池洛倫茲函數(shù)擬合，將影響CEST信號的主要混雜因素[包括MT、NOE、DSW、APT及肌酐CEST效應(yīng)(creatine CEST，CrCEST)]單獨量化，分別評估各個參數(shù)對膠質(zhì)瘤分級的價值并構(gòu)建組合模型，結(jié)果表明洛倫茲函數(shù)擬合的多參數(shù)組合模型能提供更全面的輔助診斷信息。

2.1.3 膠質(zhì)瘤的鑒別診斷

在臨床常規(guī)MRI 序列中，腦轉(zhuǎn)移瘤、原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤(primary central nervous system lymphoma，PCNSL)及部分感染性腫塊與膠質(zhì)瘤均表現(xiàn)為相似的信號特征及強化方式，因此常需與膠質(zhì)瘤鑒別。但常規(guī)MRI 序列及PWI、DWI、MRS等序列僅有有限的診斷特異性。Jiang 等[16]研究發(fā)現(xiàn)PCNSL病灶區(qū)的APT 信號(APTmax、APTmax-min、CESTtotal)顯著低于高級別膠質(zhì)瘤，這可能與PCNSL 核質(zhì)比更高有關(guān)，而由于膠質(zhì)瘤向周圍侵襲性生長，瘤周水腫區(qū)的APT 信號高于PCNSL。上述參數(shù)均能區(qū)分二者，其中APTmax-min鑒別診斷效果最佳(AUC值為0.963，準確度為94.1%)。同時該機構(gòu)還發(fā)現(xiàn)APT成像能顯著提高膠質(zhì)母細胞瘤與轉(zhuǎn)移瘤鑒別診斷的準確性，瘤周水腫區(qū)的APTmin是區(qū)分轉(zhuǎn)移瘤和膠質(zhì)母細胞瘤的最佳參數(shù)(AUC值為0.905，準確度為85.2%，而該機構(gòu)的初級醫(yī)生和高級醫(yī)生診斷準確度僅分別為51.6%和79.5%)[17]。與之不同的是，Kamimura等[18]通過直方圖分析發(fā)現(xiàn)，腫瘤強化區(qū)的APT 直方圖參數(shù)能顯著區(qū)分轉(zhuǎn)移瘤和膠質(zhì)母細胞瘤，而瘤周水腫區(qū)的APT直方圖參數(shù)無法區(qū)分二者，推測可能是由于掃描參數(shù)設(shè)置、分析方法及轉(zhuǎn)移瘤的原發(fā)灶來源廣泛導(dǎo)致兩個機構(gòu)的研究結(jié)果存在差異。Lingl等[19]同樣證實了CEST 有助于區(qū)分膠質(zhì)瘤與轉(zhuǎn)移瘤，而ADC 值在二者之間則差異無統(tǒng)計學(xué)意義。除此之外，基于APT 的影像組學(xué)模型也可用于鑒別膠質(zhì)瘤與轉(zhuǎn)移瘤，得到的AUC 為0.863，特異度為81.1%[20]。APT成像的直方圖分析還可用于鑒別腦膠質(zhì)瘤與感染性腫塊樣病變[21]。

2.1.4 膠質(zhì)瘤分子病理標志物的預(yù)測診斷

根據(jù)WHO 2021版中樞神經(jīng)系統(tǒng)腦腫瘤分類標準[22]，異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)、O6-甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶(O6-methylguanine-DNA-methyltransferase，MGMT)啟動子甲基化、組蛋白H3 賴氨酸27 (histone H3 at lysine 27，H3K27)突變及染色體1p/19q共缺失等基因突變在膠質(zhì)瘤的分類、分級中起著至關(guān)重要的作用，與患者治療方案選擇、療效及預(yù)后關(guān)系密切。多項研究發(fā)現(xiàn)CEST及其衍生序列能術(shù)前無創(chuàng)性地預(yù)測上述多種基因突變[23-25]。MGMT能夠修復(fù)化療藥導(dǎo)致的腫瘤細胞DNA損傷，使化療耐受，治療效果減低。MGMT基因啟動子甲基化能沉默MGMT轉(zhuǎn)錄表達，減少膠質(zhì)母細胞瘤(glioblastoma，GBM)患者對化療藥物的耐藥。基于蛋白質(zhì)的APT成像可以術(shù)前評估GBM患者的MGMT甲基化狀態(tài)，有助于提高復(fù)發(fā)性GBM患者的療效[24]。另有研究發(fā)現(xiàn)弛豫補償?shù)亩喑谻EST技術(shù)能預(yù)測膠質(zhì)瘤患者IDH突變狀態(tài)，尚無法區(qū)分MGMT啟動子甲基化狀態(tài)，但同樣觀察到MGMT啟動子未甲基化的膠質(zhì)瘤患者CEST信號更高的趨勢[26]。IDH突變型1p/19q共缺失膠質(zhì)瘤患者細胞外酸度及缺氧程度可能較IDH野生型患者低，預(yù)后更好。幾乎所有的1p/19q共缺失狀態(tài)都發(fā)生在IDH突變型膠質(zhì)瘤中，而1p/19q共缺失狀態(tài)可能也與細胞外酸度更低相關(guān)。Yao等[23,27]證實pH敏感的胺CEST可以作為一種快速識別IDH突變及1p/19q共缺失膠質(zhì)瘤的非侵入性標志物。Mancini等[28]除了分析常規(guī)的CEST參數(shù)外，提出基于不對稱分析和流體抑制兩種模型的酰胺/胺可以對無明顯強化的膠質(zhì)瘤的IDH突變狀態(tài)進行預(yù)測，且不對稱分析與流體抑制模型計算酰胺/胺不匹配可能對膠質(zhì)瘤的具有預(yù)后價值。Hagiwara等[29]進一步利用胺CEST成像結(jié)合PWI成像研究膠質(zhì)瘤異常代謝機制，發(fā)現(xiàn)IDH突變型膠質(zhì)瘤的有氧糖酵解指數(shù)(aerobic glycolytic index，AGI)顯著低于野生型，IDH突變型膠質(zhì)瘤的AGI與單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白密度相關(guān)，而IDH野生型膠質(zhì)瘤的AGI與葡萄糖攝取及腫瘤細胞的AGI有關(guān)。H3K27M突變型膠質(zhì)瘤癌癥相關(guān)基因表達增加，預(yù)后較差，是彌漫性中線膠質(zhì)瘤的一個重要分子標志物。Zhuo等[25]發(fā)現(xiàn)，常規(guī)膠質(zhì)瘤術(shù)前APT圖像的參數(shù)無法區(qū)分H3K27M 突變型和野生型，基于支持向量機(support vector machine，SVM)的影像組學(xué)模型(驗證集的AUC值為0.93，準確度為0.86)能顯著區(qū)分二者。

膠質(zhì)瘤術(shù)前APT同樣也可以作為其預(yù)后的獨立預(yù)測因子。高APT信號是高級別膠質(zhì)瘤患者總生存期和無進展生存期較差的重要獨立預(yù)測因子，比臨床相關(guān)預(yù)后因素及分子標志物更具有預(yù)后價值，這與較高的APT信號反映了腫瘤細胞增殖及侵襲性的增加有關(guān)[30]。同時將APT信號作為一個因素加入預(yù)測模型能顯著提高模型的預(yù)測性能，這更加凸顯了APT作為一種新的補充診斷方法的重要性。Paech等[31]也得到了類似的結(jié)論。

2.2 CEST在膠質(zhì)瘤術(shù)后評估中的應(yīng)用

目前膠質(zhì)瘤一線治療方法為最大安全距離手術(shù)切除后輔助放療聯(lián)合替莫唑胺化療。盡管綜合治療能延長患者的生存時間，但膠質(zhì)母細胞瘤的五年生存率僅為5%[32]。化療同時會造成正常腦組織損傷，導(dǎo)致局部炎癥反應(yīng)、水腫及血管通透性改變，在常規(guī)MRI 上表現(xiàn)為T1WI、T2WI 混雜信號及不規(guī)則強化，與膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)難以鑒別。臨床上將同步放化療結(jié)束后前6 個月內(nèi)腫瘤強化程度暫時增加的現(xiàn)象稱為假性進展[32]。因此尋找能早期反應(yīng)治療療效的生物標志物，鑒別腫瘤真實進展和治療后改變，以避免過多的無效治療并尋找其他治療方法對患者個體化治療至關(guān)重要。相繼多個研究證明CEST 技術(shù)的多個參數(shù)能對膠質(zhì)瘤患者放化療后進行明確的早期反應(yīng)評估，明顯早于放化療后腫瘤體積減小等形態(tài)學(xué)改變，甚至在放化療開始之前能識別可能早期進展的患者，有助于及時調(diào)整治療方案[33-34]。Yao 等[35]發(fā)現(xiàn)pH 敏感的胺CEST 能早期監(jiān)測貝伐單抗治療療效，同時，胺CEST 信號早期減低可能與患者無進展生存時間更長相關(guān)，殘留或新出現(xiàn)的胺CEST 高信號區(qū)域可能對應(yīng)腫瘤復(fù)發(fā)。蘇昌亮等[36]研究顯示APT 定量指標磁化轉(zhuǎn)移率(magnetization transfer ratio，MTR)及病灶區(qū)相對正常腦白質(zhì)的MTR 變化率(relative MTR，rMTR)對膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)和假性進展有良好的鑒別診斷價值(AUC 值分別為0.986、0.943)。有研究將APT 成像與DTI、動態(tài)磁敏感對比增強掃描(dynamic susceptibility contrast-enhanced，DSC)及動態(tài)對比增強(dynamic contrast-enhanced，DCE)進行比較，發(fā)現(xiàn)APT值較其他臨床常用定量參數(shù)診斷價值更高，且加入APT值后構(gòu)建的模型在區(qū)分膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)與假性進展方面效果更佳[37]。Park 等[38]則通過研究認為將T1WI 增強圖像、歸一化腦血流量(normalized cerebral blood volume，nCBV)第90%百分位數(shù)(90th percentile nCBV，nCBV90)及APT90結(jié)合能顯著提高鑒別診斷效能(AUC 值為0.97)。也有研究將18F-FET-PET、APTw 及DSC 灌注參數(shù)相結(jié)合，構(gòu)建基于隨機森林分類器的全自動影像組學(xué)分析模型，實現(xiàn)了較高的分類準確度[39]。

3 外源性CEST在膠質(zhì)瘤中的應(yīng)用

與內(nèi)源性CEST分子相比，外源性CEST對比劑的使用可以提供相對較高的局部濃度[40]。外源性CEST對比劑主要包括順磁性對比劑、反磁性對比劑、脂質(zhì)體CEST 對比劑、納米顆粒及超極化氣體CEST 對比劑。順磁性CEST 對比劑較反磁性CEST對比劑距離水的頻率更遠，能產(chǎn)生更大的化學(xué)位移，獲得更強的CEST 效應(yīng)。此外順磁性CEST 化學(xué)交換速率更快，對CEST效應(yīng)更敏感，但由于其潛在毒性，目前除D-葡萄糖[41-42]外，大多數(shù)研究仍處于臨床前狀態(tài)。外源性CEST 對比劑可運用的領(lǐng)域包括：檢測[43]、標記膠質(zhì)瘤細胞[44]；評估膠質(zhì)瘤腫瘤組織的血容量及血腦屏障通透性的變化[41]；鑒別膠質(zhì)瘤與真菌性腦損傷[45]；與化療藥物相結(jié)合檢測化療藥的局部遞送、分布及藥量，達到局部化療的效果[40,46]。

4 CEST技術(shù)臨床應(yīng)用挑戰(zhàn)及優(yōu)化

盡管CEST成像提供了一種分子層面無創(chuàng)性地早期診斷膠質(zhì)瘤和療效監(jiān)測的新技術(shù)，但目前不同研究采用的設(shè)備、場強、飽和功率、飽和時間、采樣頻率、數(shù)據(jù)讀出及分析方法等不同，結(jié)果通常很難進行比較，且目前研究大部分為小樣本回顧性研究。CEST技術(shù)要進一步在臨床中全面應(yīng)用，還存在一些挑戰(zhàn)，包括對場強及B0場的均勻性要求較高、掃描時間長、僅能進行2D圖像采集及對CEST信號的解釋等。針對上述問題，各種新技術(shù)從掃描方案、圖像采集及讀出方式、后處理等各個方面進行了相應(yīng)的改進。通過調(diào)整射頻功率、脈沖持續(xù)時間等，多項研究在3 T 及1.5 T MRI 上獲得了較好的CEST 對比度[47]。也有研究探索結(jié)合并行采集及壓縮感知等MR加速技術(shù)實現(xiàn)了快速CEST成像[48]。Goerke等[49]通過選擇性減少采集的Z譜數(shù)據(jù)，結(jié)合3D圖像讀出和預(yù)飽和參數(shù)，進一步優(yōu)化采集協(xié)議，將掃描所需時間縮短至7 min以下，提出了一種臨床適用的常規(guī)采集協(xié)議。Schure等[50]通過應(yīng)用預(yù)飽和模塊提出一種快速多層成像方法，完成了在8 s內(nèi)采集一個偏移頻率點的16層圖像，最終可實現(xiàn)對膠質(zhì)瘤的3D 成像，能更全方位多角度地分析膠質(zhì)瘤內(nèi)部的異質(zhì)性。應(yīng)用不對稱分析得到的APT信號會受到MT效應(yīng)等其他效應(yīng)的影響，因此也有一些更先進的后處理方法，例如表觀交換依賴弛豫(apparent exchange-dependent relaxation，AREX)、多池洛倫茲擬合等技術(shù)通過消除來自DSW和MT效應(yīng)的背景信號，研究剩余的CEST效應(yīng)[40]。

總之，CEST技術(shù)可以通過探測體內(nèi)蛋白質(zhì)/多肽的含量從分子水平反映組織內(nèi)蛋白質(zhì)或多肽中可移動質(zhì)子含量及pH值的變化。隨著研究的不斷深入，大樣本前瞻性研究的逐步開展，CEST成像技術(shù)將不斷發(fā)展成熟，實現(xiàn)高信噪比、全腦覆蓋和短采集時間。再加上基于深度學(xué)習(xí)的分析，有望為實現(xiàn)快速準確的CEST開辟新途徑，與PWI、MRS等技術(shù)共同為膠質(zhì)瘤及其他疾病的診斷、治療療效監(jiān)測及預(yù)后評估等方面提供更多、更全面的信息。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。