酰胺質子轉移成像原理及其在腦膠質瘤中的研究進展

劉曉燕，王寶劍，張娟，倪琳，馬千里，謝元忠，李秀娟*

作者單位：1.山東第一醫科大學(山東省醫學科學院)，泰安 217000；2.泰安市中心醫院醫學影像中心，泰安 217000；3.山東第一醫科大學第二附屬醫院醫學影像科，泰安 217000

腦膠質瘤(glioma)又叫神經膠質瘤(neuroglioma)，是顱內最常見的原發性腫瘤，呈浸潤性生長，死亡率及復發率較高，嚴重影響患者的生存質量，因此明確患者的術前診斷尤為重要，目前MRI 檢查在腦膠質瘤的術前診斷中發揮了至關重要的作用。磁共振化學交換飽和轉移(chemical exchange saturation transfer，CEST)這一概念最早是由Forsen 和Hoffman 提出的，而酰胺質子轉移(amide proton transfer，APT)成像作為一種磁共振功能成像新技術，是基于磁化傳遞(magnetizatiotransfer，MT)衍生的CEST 的一個分支，可以檢測組織中游離蛋白質和多肽。本文主要對APT 成像的基本原理及其在腦膠質瘤中的具體應用、局限性及前景進行闡述。

1 腦膠質瘤的病理生理

腦膠質瘤呈浸潤生長，侵襲性強，而生物系統的功能基本依賴于蛋白質[1]，與正常組織相比，腫瘤細胞因致癌突變的存在代謝活躍，因此蛋白質合成速率快，蛋白質含量增多[2]。一般而言，高級別膠質瘤的細胞增殖速度比低級別膠質瘤快，并且蛋白表達相對較多。Li等[3]通過蛋白質組學分析結合選擇性組織顯微解剖和選定蛋白靶點的測序，發現人腦膠質瘤的蛋白質特征不同于正常腦組織，蛋白質的表達較正常腦組織明顯增多。

2 APT成像的基本原理

APT 成像是基于CEST 成像的一種分子水平的功能成像技術，是由Zhou 等[4]提出的檢測體內蛋白質及多肽和酸堿度的一種新的成像方式，通過施加一定的射頻脈沖預飽和體內游離蛋白質和多肽中的酰胺質子(-NH)，然后，被飽和的酰胺質子不斷地再與自由水中的氫質子進行化學交換，從而使自由水不斷地被飽和，信號減低，通過水分子信號的變化來間接反映體內游離蛋白質的含量及多肽鏈上的酰胺質子與水中氫質子的轉移速率。

酰胺質子和水的共振頻率分別為3.5 ppm、0 ppm (ppm表示10-6m)。根據自由水隨著飽和頻率脈沖的變化可以得出Z譜圖像，通過Z譜計算出在±3.5 ppm處的非對稱磁化轉移率(asymmetric magnetization transfer ratio，MTRasym)來反映APT的信號強度。公式如下：

其 中Ssat( + 3.5ppm)、Ssat( - 3.5ppm) 分 別 表 示 在+3.5ppm和-3.5ppm施加飽和脈沖的信號強度，S0為未施加飽和脈沖的信號強度。

根據目前的理論，APT信號強度受組織含水量、溫度、組織酸堿度、水質子T1 值、磁化傳遞效應等多種因素的影響，組織中的APT 成像信號主要與兩個因素有關：游離酰胺質子含量和酰胺質子交換率[4-5]，但是，APT 成像的信號強度主要取決于組織內酰胺質子與自由水質子的交換速率，這種交換速率與蛋白質濃度及pH 有關，在一定條件下，組織內游離的蛋白質濃度越高，交換速率越快，APT 的信號強度越高[6-7]。APT 信號作為一種成像生物標志物，反映腫瘤細胞增殖過程中細胞增殖為異常的蛋白質合成和多種蛋白或肽的過表達[4]。此外，酰胺質子交換速率在生理酸堿度范圍內是堿催化的[8]，酸性環境不利于酰胺質子的轉移，因此pH 值越低，酰胺質子轉移速率越慢，APT的信號強度越低。

3 APT成像技術在腦膠質瘤中的應用

3.1 APT 成像對高低級別膠質瘤的區分及腫瘤增殖能力的預測

膠質瘤的準確分級對臨床治療方案的制定以及改善患者預后尤為重要，T1 加權成像(T1 weighted imaging，T1WI)增強掃描只能反映血腦屏障的破壞，不能反映腦腫瘤的分級以及區分腫瘤實質和瘤周水腫，在有些情況下，低級別膠質瘤也可以產生類似高級別膠質瘤的強化方式。膠質瘤的分級錯誤會導致高級別膠質瘤治療不足，低級別膠質瘤過度治療[9]。近年來，關于APT 成像是否可以進行對膠質瘤進行準確分級得到廣泛關注。由于腫瘤分子水平的變化早于形態學改變，因此通過APT 成像可以觀察內源性分子的變化，為腫瘤治療提供更有價值的信息[10]。Choi等[11]通過對46例彌漫型膠質瘤患者進行APT 成像，發現膠質瘤分級越高，APT 信號越高[Ⅱ級為(0.84±0.60)%，Ⅲ級為(1.55±0.87)%，Ⅳ級為(2.53±0.70)%；P＜0.001]，APT 信號在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級之間的差異具有統計學意義。這一結果與Su 等[12]和Song 等[9]的研究發現基本一致，這可能是由于高級別膠質瘤細胞增殖較快，細胞排列密集，細胞代謝所產生內源性游離的蛋白質及多肽的含量較多，而APT對內源性游離蛋白比較敏感，所以APT 信號強度增加；然而，隨著腫瘤增殖加快，其體積的增大一定程度上會引起腫瘤組織內部缺血缺氧壞死，形成局部的酸性環境，理論上講APT 信號強度是減低的，然而有研究發現腫瘤細胞內pH 值的變化比細胞外的變化不明顯，腦膠質瘤細胞內的pH 僅有輕微升高[13-15]，因此理論結果與實際結果相矛盾，Togao 等[16]發現，與無壞死的腦膠質瘤相比，有壞死的腫瘤組織的APT 值仍然很高，他們認為這可能與腫瘤組織發生液化壞死過程中分泌較多的游離蛋白質和多肽有關，因此我們推測pH 對腫瘤的影響微乎其微。綜上可推測APT 能用于腦膠質瘤病理分級的初步定量診斷，為腫瘤術前分級及腫瘤生物學行為提供有價值的預測。另外，由于APT 對于蛋白質的敏感性較高，富含蛋白的囊腫、空腔病變、腫瘤內出血、單純性血腫等均會影響APT 信號，因此在APT 信號的測量中需要結合常規平掃，避開病變的囊變壞死及出血等區域。

Ki-67抗原是一種位于增殖細胞核中的非組蛋白，能反映腫瘤細胞的增殖速度和侵襲能力，對膠質瘤的預后有重要意義[17]。一般來說，Ki-67 的表達水平越高，膠質瘤的分級就越高。Chen等[18]通過對20例膠質瘤患者進行APT成像發現，高級別膠質瘤的APT 值[(4.5±2.3)%]明顯高于低級別膠質瘤[(2.9±1.1)%]，高級別膠質瘤Ki-67 的表達[(38.9±21.0)%]也明顯高于低級別膠質瘤[(4.3±2.8)%]。APT信號與Ki-67值呈正相關，該研究結果也為上述APT可用于腦膠質瘤高低級別的診斷提供支持，同時表明APT 信號可以預測腫瘤的增殖情況。還有研究發現，APT成像能顯示病灶高增殖細胞的分布，為腫瘤立位定向穿刺活檢及局部治療提供更準確的靶點[19-20]。由于APT成像屬于無創檢查，無需注射外源性對比劑，其可重復性從長遠角度來看，降低了重復活檢帶來一系列并發癥的風險。

3.2 APT成像在腦膠質瘤治療后的評估

由于腦膠質瘤具有浸潤性生長的生物學特性，即使手術切除病灶，也不能完全保證沒有腫瘤殘留，這成為膠質瘤復發的重要原因之一。一般腦膠質瘤術后需要輔助放射治療，因為放射治療能殺滅腫瘤細胞或抑制腫瘤細胞生長，從而降低腫瘤的復發率。在治療后的高級別膠質瘤患者中，APT成像在區分腫瘤進展和治療相關變化方面的診斷發揮優勢，可以幫助降低不當治療決策的風險[21]。Zhou 等[5]通過對大鼠放射性壞死模型及異種移植人膠質瘤模型研究發現，兩種病灶表現出相似的T2WI 高信號和釓增強磁共振成像特征，但在APT 圖像上信號不同，放射性壞死呈低信號，而腦膠質瘤呈高信號，研究人員認為，壞死病灶APT 呈低信號可能與細胞質丟失導致細胞溶質蛋白的缺乏有關。前期在動物模型中，APT成像在區分有活性的腫瘤和放射性壞死發揮優勢，那么在人腦膠質瘤的應用如何，對此，Jiang 等[22]在對放化療后疑似復發的腦膠質瘤研究時發現，其APT 的信號強度與組織病理形態、細胞數量、增殖指數呈顯著正相關，區分活性腫瘤和非活性腫瘤的APT 信號強度臨界值為1.79%，敏感性及陽性預測值較高，表明APT 成像可以評估膠質瘤術后的治療反應。此外，Park等[23]也做了類似研究，發現APT 成像聯合T1WI 增強可顯著提高鑒別腫瘤進展和治療相關效應的診斷效能。我們可以推測APT成像可作為評估腫瘤治療后相關反應的一個早期、靈敏的成像生物標志物，對腦膠質瘤術后放射治療靶區范圍的精確劃分、腫瘤復發與假性進展的判別具有重要指導意義。值得注意的是，化療藥物是否對APT 信號有影響目前尚不清楚；與此同時，由于APT 成像的空間分辨率較低，對于病灶的局部進展的鑒別能力較弱，所以，需要和T1WI 增強檢查聯合才能更好地評估腫瘤治療效果。

3.3 APT成像在腫瘤基因突變方面的預測

異檸檬酸脫氫酶基因(isocitrate dehydrogenase，IDH)和染色體1p/19q 是膠質瘤分子分型的核心依據。IDH 突變以胞質內IDH1最常見，IDH1突變時其生物學行為與高級別膠質瘤的腫瘤性質相似[24]。IDH1突變與具有高度預后重要性的基因變化(如1p/19q共缺失)之間存在很強的聯系[25]，由于IDH野生型膠質瘤的預后較差[26]，因此術前預測腦膠質瘤IDH的突變狀態尤為重要。Jiang等[27]對27例經病理證實為低級別膠質瘤的患者進行統計分析，并比較IDH野生型和IDH突變型Ⅱ級膠質瘤術前的APT圖像特征發現，與IDH突變型膠質瘤相比，IDH野生型膠質瘤的APT信號增加，表明通過APT成像可以在術前無創地預測膠質瘤的基因型。Han等[28]通過研究已知IDH1突變狀態的Ⅱ/Ⅲ級膠質瘤患者的APT圖像發現，基于APT圖像特征的放射組學策略可能有助于術前評估腦膠質瘤IDH1突變狀態。對浸潤性膠質瘤的治療反應及結果預測是具有挑戰性的，APT成像在提供更精確的膠質瘤基因型診斷方面具有潛在的應用價值，為膠質瘤術前和預后提供更多有價值的信息。

3.4 APT成像在鑒別腦膠質瘤與顱內其他占位中的應用研究

對于沒有結核接觸病史或顱外結核典型表現的腦結核瘤，若其增強掃描呈環形強化，其與高級別腦膠質瘤進行準確鑒別診斷有一定的困難。最近一項研究發現[29]，與高級別腦膠質瘤相比，腦結核瘤的APT值相對較低(1.34%～3.11%)，這反映了結核瘤微環境中游離酰胺質子相對較少，該研究還發現，結核瘤病灶周圍水腫區APT值較對側腦白質明顯增高。另外，還有學者研究了腫瘤性和感染性腫塊病變中的APT圖像對比，但其側重點是標準化方法和ROI優化選擇[30]。相關研究[31]發現高級別膠質瘤瘤周區的APT 值明顯高于原發性中樞神經系統淋巴瘤(primary central nervous system lymphomas，PCNSLs)的瘤周區信號強度，這可能是由于腫瘤細胞向周圍浸潤所致。APTmax-min(APT最大值與最小值之差)鑒別PCNSLs和高級別膠質瘤的受試者操作特性(receiver operator characteristic，ROC)曲線下面積最大，準確率最高為94.1%，表明APT成像或許可以鑒別PCNSLs和高級別膠質瘤。另外，Yu等[32]發現APT信號強度在腦轉移瘤和高級別膠質瘤之間沒有顯著的統計學差異，這可能由于兩者均為含有較多游離蛋白的惡性腫瘤所致。但是，腦轉移瘤的瘤周區APT信號強度顯著低于高級別膠質瘤的瘤周區信號強度，這可能是由高級別膠質瘤的腫瘤細胞對瘤周區的浸潤造成的。目前，APT在顱內其他占位中的應用研究相對較少，仍需要大量的臨床試驗數據來證實上述結論。

4 總結與展望

APT成像作為一種全新的功能成像技術，目前在腦膠質瘤疾病中應用日益廣泛，如高低級別膠質瘤的鑒別及膠質瘤增殖活性的預測、膠質瘤術后治療的評估以及膠質瘤基因突變方面的預測等。隨著APT技術的不斷成熟和發展，APT成像技術已在缺血性腦卒中、腦功能疾病等疾病中得到初步應用，但在顱內其他占位中的應用報道較少，由于其存在掃描時間較長、空間分辨率較低及容易受主磁場強度的局限性，APT應用于頸部腫瘤、前列腺癌及乳腺癌等疾病的報道目前也相對較少。總之，APT可以通過探測體內游離蛋白質及多肽鏈的含量從而在分子水平反映細胞中蛋白質含量及酸堿度變化，希望在未來的發展中，隨著APT成像技術的不斷優化和發展，APT技術可以在腦膠質瘤及其他疾病的診斷、治療及預后方面發揮更大作用。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。