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综述
酰胺质子转移成像原理及其在脑胶质瘤中的研究进展
刘晓燕 王宝剑 张娟 倪琳 马千里 谢元忠 李秀娟

Cite this article as: Liu XY, Wang BJ, Zhang J, et al. Principle of amide proton transfer imaging and its research progress in glioma[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(2): 127-129.本文引用格式:刘晓燕, 王宝剑, 张娟, 等. 酰胺质子转移成像原理及其在脑胶质瘤中的研究进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 127-129. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.031.


[摘要] 脑胶质瘤是中枢神经系统最常见的原发性肿瘤,死亡率及术后复发率较高,目前常规磁共振成像技术已无法满足其临床诊断及治疗决策的需要。酰胺质子转移(amide proton transfer,APT)成像通过探测体内游离蛋白质及多肽链中酰胺质子与水中氢质子交换速率从而在分子水平反映细胞中蛋白质含量及酸碱度变化,可弥补常规磁共振成像技术的不足。近年来APT成像技术在中枢神经系统疾病中得到逐步应用,特别是在脑胶质瘤的早期诊断、术前分级以及疗效评估等方面具有潜在的应用价值。本文主要阐述APT成像技术的基本原理及在脑胶质瘤中的研究进展。
[Abstract] Glioma is the most common primary tumor of the central nervous system, high mortality and postoperative recurrence rate. At present, conventional magnetic resonance imaging technology can not meet the needs of clinical diagnosis and treatment decision-making. Amide proton transfer (APT) imaging can reflect the protein content and pH changes in cells at the molecular level by detecting the exchange rate of amide protons in free proteins and polypeptide chains in vivo with hydrogen protons in water, which can make up for the shortcomings of conventional magnetic resonance imaging technology. In recent years, APT imaging technology has been gradually applied in central nervous system diseases, especially in the early diagnosis, preoperative grading and curative effect evaluation of glioma. This paper mainly expounds the basic principle of APT imaging technology and its research progress in glioma.
[关键词] 胶质瘤;酰胺质子转移;化学交换饱和转移;磁共振成像
[Keywords] glioma;amide proton transfer;chemical exchange saturation transfer;magnetic resonance imaging

刘晓燕 1, 2   王宝剑 1   张娟 3   倪琳 2   马千里 2   谢元忠 2   李秀娟 2*  

1 山东第一医科大学(山东省医学科学院),泰安 217000

2 泰安市中心医院医学影像中心,泰安 217000

3 山东第一医科大学第二附属医院医学影像科,泰安 217000

李秀娟,E-mail:myfly2006@126.com

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


收稿日期:2021-11-26
接受日期:2022-01-24
中图分类号:R445.2  R730.264 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.02.031
本文引用格式:刘晓燕, 王宝剑, 张娟, 等. 酰胺质子转移成像原理及其在脑胶质瘤中的研究进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 127-129. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.031

       脑胶质瘤(glioma)又叫神经胶质瘤(neuroglioma),是颅内最常见的原发性肿瘤,呈浸润性生长,死亡率及复发率较高,严重影响患者的生存质量,因此明确患者的术前诊断尤为重要,目前MRI检查在脑胶质瘤的术前诊断中发挥了至关重要的作用。磁共振化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer,CEST)这一概念最早是由Forsen和Hoffman提出的,而酰胺质子转移(amide proton transfer,APT)成像作为一种磁共振功能成像新技术,是基于磁化传递(magnetizatiotransfer,MT)衍生的CEST的一个分支,可以检测组织中游离蛋白质和多肽。本文主要对APT成像的基本原理及其在脑胶质瘤中的具体应用、局限性及前景进行阐述。

1 脑胶质瘤的病理生理

       脑胶质瘤呈浸润生长,侵袭性强,而生物系统的功能基本依赖于蛋白质[1],与正常组织相比,肿瘤细胞因致癌突变的存在代谢活跃,因此蛋白质合成速率快,蛋白质含量增多[2]。一般而言,高级别胶质瘤的细胞增殖速度比低级别胶质瘤快,并且蛋白表达相对较多。Li等[3]通过蛋白质组学分析结合选择性组织显微解剖和选定蛋白靶点的测序,发现人脑胶质瘤的蛋白质特征不同于正常脑组织,蛋白质的表达较正常脑组织明显增多。

2 APT成像的基本原理

       APT成像是基于CEST成像的一种分子水平的功能成像技术,是由Zhou等[4]提出的检测体内蛋白质及多肽和酸碱度的一种新的成像方式,通过施加一定的射频脉冲预饱和体内游离蛋白质和多肽中的酰胺质子(-NH),然后,被饱和的酰胺质子不断地再与自由水中的氢质子进行化学交换,从而使自由水不断地被饱和,信号减低,通过水分子信号的变化来间接反映体内游离蛋白质的含量及多肽链上的酰胺质子与水中氢质子的转移速率。

       酰胺质子和水的共振频率分别为3.5 ppm、0 ppm (ppm表示10-6 m)。根据自由水随着饱和频率脉冲的变化可以得出Z谱图像,通过Z谱计算出在±3.5 ppm处的非对称磁化转移率(asymmetric magnetization transfer ratio,MTRasym)来反映APT的信号强度。公式如下:

       其中Ssat+3.5 ppm、Ssat-3.5 ppm分别表示在+3.5 ppm和-3.5 ppm 施加饱和脉冲的信号强度,S0为未施加饱和脉冲的信号强度。

       根据目前的理论,APT信号强度受组织含水量、温度、组织酸碱度、水质子T1值、磁化传递效应等多种因素的影响,组织中的APT成像信号主要与两个因素有关:游离酰胺质子含量和酰胺质子交换率[4, 5],但是,APT成像的信号强度主要取决于组织内酰胺质子与自由水质子的交换速率,这种交换速率与蛋白质浓度及pH有关,在一定条件下,组织内游离的蛋白质浓度越高,交换速率越快,APT的信号强度越高[6, 7]。APT信号作为一种成像生物标志物,反映肿瘤细胞增殖过程中细胞增殖为异常的蛋白质合成和多种蛋白或肽的过表达[4]。此外,酰胺质子交换速率在生理酸碱度范围内是碱催化的[8],酸性环境不利于酰胺质子的转移,因此pH值越低,酰胺质子转移速率越慢,APT的信号强度越低。

3 APT成像技术在脑胶质瘤中的应用

3.1 APT成像对高低级别胶质瘤的区分及肿瘤增殖能力的预测

       胶质瘤的准确分级对临床治疗方案的制定以及改善患者预后尤为重要,T1加权成像(T1 weighted imaging,T1WI)增强扫描只能反映血脑屏障的破坏,不能反映脑肿瘤的分级以及区分肿瘤实质和瘤周水肿,在有些情况下,低级别胶质瘤也可以产生类似高级别胶质瘤的强化方式。胶质瘤的分级错误会导致高级别胶质瘤治疗不足,低级别胶质瘤过度治疗[9]。近年来,关于APT成像是否可以进行对胶质瘤进行准确分级得到广泛关注。由于肿瘤分子水平的变化早于形态学改变,因此通过APT成像可以观察内源性分子的变化,为肿瘤治疗提供更有价值的信息[10]。Choi等[11]通过对46例弥漫型胶质瘤患者进行APT成像,发现胶质瘤分级越高,APT信号越高[Ⅱ级为(0.84±0.60)%,Ⅲ级为(1.55±0.87)%,Ⅳ级为(2.53±0.70)%;P<0.001],APT信号在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级之间的差异具有统计学意义。这一结果与Su等[12]和Song等[9]的研究发现基本一致,这可能是由于高级别胶质瘤细胞增殖较快,细胞排列密集,细胞代谢所产生内源性游离的蛋白质及多肽的含量较多,而APT对内源性游离蛋白比较敏感,所以APT信号强度增加;然而,随着肿瘤增殖加快,其体积的增大一定程度上会引起肿瘤组织内部缺血缺氧坏死,形成局部的酸性环境,理论上讲APT信号强度是减低的,然而有研究发现肿瘤细胞内pH值的变化比细胞外的变化不明显,脑胶质瘤细胞内的pH仅有轻微升高[13, 14, 15],因此理论结果与实际结果相矛盾,Togao等[16]发现,与无坏死的脑胶质瘤相比,有坏死的肿瘤组织的APT值仍然很高,他们认为这可能与肿瘤组织发生液化坏死过程中分泌较多的游离蛋白质和多肽有关,因此我们推测pH对肿瘤的影响微乎其微。综上可推测APT能用于脑胶质瘤病理分级的初步定量诊断,为肿瘤术前分级及肿瘤生物学行为提供有价值的预测。另外,由于APT对于蛋白质的敏感性较高,富含蛋白的囊肿、空腔病变、肿瘤内出血、单纯性血肿等均会影响APT信号,因此在APT信号的测量中需要结合常规平扫,避开病变的囊变坏死及出血等区域。

       Ki-67抗原是一种位于增殖细胞核中的非组蛋白,能反映肿瘤细胞的增殖速度和侵袭能力,对胶质瘤的预后有重要意义[17]。一般来说,Ki-67的表达水平越高,胶质瘤的分级就越高。Chen等[18]通过对20例胶质瘤患者进行APT成像发现,高级别胶质瘤的APT值[(4.5±2.3)%]明显高于低级别胶质瘤[(2.9±1.1)%],高级别胶质瘤Ki-67的表达[(38.9±21.0)%]也明显高于低级别胶质瘤[(4.3±2.8)%]。APT信号与Ki-67值呈正相关,该研究结果也为上述APT可用于脑胶质瘤高低级别的诊断提供支持,同时表明APT信号可以预测肿瘤的增殖情况。还有研究发现,APT成像能显示病灶高增殖细胞的分布,为肿瘤立位定向穿刺活检及局部治疗提供更准确的靶点[19, 20]。由于APT成像属于无创检查,无需注射外源性对比剂,其可重复性从长远角度来看,降低了重复活检带来一系列并发症的风险。

3.2 APT成像在脑胶质瘤治疗后的评估

       由于脑胶质瘤具有浸润性生长的生物学特性,即使手术切除病灶,也不能完全保证没有肿瘤残留,这成为胶质瘤复发的重要原因之一。一般脑胶质瘤术后需要辅助放射治疗,因为放射治疗能杀灭肿瘤细胞或抑制肿瘤细胞生长,从而降低肿瘤的复发率。在治疗后的高级别胶质瘤患者中,APT成像在区分肿瘤进展和治疗相关变化方面的诊断发挥优势,可以帮助降低不当治疗决策的风险[21]。Zhou等[5]通过对大鼠放射性坏死模型及异种移植人胶质瘤模型研究发现,两种病灶表现出相似的T2WI高信号和钆增强磁共振成像特征,但在APT图像上信号不同,放射性坏死呈低信号,而脑胶质瘤呈高信号,研究人员认为,坏死病灶APT呈低信号可能与细胞质丢失导致细胞溶质蛋白的缺乏有关。前期在动物模型中,APT成像在区分有活性的肿瘤和放射性坏死发挥优势,那么在人脑胶质瘤的应用如何,对此,Jiang等[22]在对放化疗后疑似复发的脑胶质瘤研究时发现,其APT的信号强度与组织病理形态、细胞数量、增殖指数呈显著正相关,区分活性肿瘤和非活性肿瘤的APT信号强度临界值为1.79%,敏感性及阳性预测值较高,表明APT成像可以评估胶质瘤术后的治疗反应。此外,Park等[23]也做了类似研究,发现APT成像联合T1WI增强可显著提高鉴别肿瘤进展和治疗相关效应的诊断效能。我们可以推测APT成像可作为评估肿瘤治疗后相关反应的一个早期、灵敏的成像生物标志物,对脑胶质瘤术后放射治疗靶区范围的精确划分、肿瘤复发与假性进展的判别具有重要指导意义。值得注意的是,化疗药物是否对APT信号有影响目前尚不清楚;与此同时,由于APT成像的空间分辨率较低,对于病灶的局部进展的鉴别能力较弱,所以,需要和T1WI增强检查联合才能更好地评估肿瘤治疗效果。

3.3 APT成像在肿瘤基因突变方面的预测

       异柠檬酸脱氢酶基因(isocitrate dehydrogenase,IDH)和染色体1p/19q是胶质瘤分子分型的核心依据。IDH突变以胞质内IDH1最常见,IDH1突变时其生物学行为与高级别胶质瘤的肿瘤性质相似[24]。IDH1突变与具有高度预后重要性的基因变化(如1p/19q共缺失)之间存在很强的联系[25],由于IDH野生型胶质瘤的预后较差[26],因此术前预测脑胶质瘤IDH的突变状态尤为重要。Jiang等[27]对27例经病理证实为低级别胶质瘤的患者进行统计分析,并比较IDH野生型和IDH突变型Ⅱ级胶质瘤术前的APT图像特征发现,与IDH突变型胶质瘤相比,IDH野生型胶质瘤的APT信号增加,表明通过APT成像可以在术前无创地预测胶质瘤的基因型。Han等[28]通过研究已知IDH1突变状态的Ⅱ/Ⅲ级胶质瘤患者的APT图像发现,基于APT图像特征的放射组学策略可能有助于术前评估脑胶质瘤IDH1突变状态。对浸润性胶质瘤的治疗反应及结果预测是具有挑战性的,APT成像在提供更精确的胶质瘤基因型诊断方面具有潜在的应用价值,为胶质瘤术前和预后提供更多有价值的信息。

3.4 APT成像在鉴别脑胶质瘤与颅内其他占位中的应用研究

       对于没有结核接触病史或颅外结核典型表现的脑结核瘤,若其增强扫描呈环形强化,其与高级别脑胶质瘤进行准确鉴别诊断有一定的困难。最近一项研究发现[29],与高级别脑胶质瘤相比,脑结核瘤的APT值相对较低(1.34%~3.11%),这反映了结核瘤微环境中游离酰胺质子相对较少,该研究还发现,结核瘤病灶周围水肿区APT值较对侧脑白质明显增高。另外,还有学者研究了肿瘤性和感染性肿块病变中的APT图像对比,但其侧重点是标准化方法和ROI优化选择[30]。相关研究[31]发现高级别胶质瘤瘤周区的APT值明显高于原发性中枢神经系统淋巴瘤(primary central nervous system lymphomas,PCNSLs)的瘤周区信号强度,这可能是由于肿瘤细胞向周围浸润所致。APTmax-min (APT最大值与最小值之差)鉴别PCNSLs和高级别胶质瘤的受试者操作特性(receiver operator characteristic,ROC)曲线下面积最大,准确率最高为94.1%,表明APT成像或许可以鉴别PCNSLs和高级别胶质瘤。另外,Yu等[32]发现APT信号强度在脑转移瘤和高级别胶质瘤之间没有显著的统计学差异,这可能由于两者均为含有较多游离蛋白的恶性肿瘤所致。但是,脑转移瘤的瘤周区APT信号强度显著低于高级别胶质瘤的瘤周区信号强度,这可能是由高级别胶质瘤的肿瘤细胞对瘤周区的浸润造成的。目前,APT在颅内其他占位中的应用研究相对较少,仍需要大量的临床试验数据来证实上述结论。

4 总结与展望

       APT成像作为一种全新的功能成像技术,目前在脑胶质瘤疾病中应用日益广泛,如高低级别胶质瘤的鉴别及胶质瘤增殖活性的预测、胶质瘤术后治疗的评估以及胶质瘤基因突变方面的预测等。随着APT技术的不断成熟和发展,APT成像技术已在缺血性脑卒中、脑功能疾病等疾病中得到初步应用,但在颅内其他占位中的应用报道较少,由于其存在扫描时间较长、空间分辨率较低及容易受主磁场强度的局限性,APT应用于颈部肿瘤、前列腺癌及乳腺癌等疾病的报道目前也相对较少。总之,APT可以通过探测体内游离蛋白质及多肽链的含量从而在分子水平反映细胞中蛋白质含量及酸碱度变化,希望在未来的发展中,随着APT成像技术的不断优化和发展,APT技术可以在脑胶质瘤及其他疾病的诊断、治疗及预后方面发挥更大作用。

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