霍天龍,楊碩,陳雷,康鈺,陳塵
北京大學人民醫院 放射科,北京100044
蘇木素作為外源性波譜標志物進行腫瘤MRS分子成像的初步研究
霍天龍,楊碩,陳雷,康鈺,陳塵
北京大學人民醫院 放射科,北京100044
目的探討蘇木素作為外源性波譜標志物進行腫瘤MRS分子成像的相關 基礎問題。方法用高場MR檢測不同濃度蘇木素溶液,分別用點解析波普法(Point Resolved Spectroscopy,PRESS)和激勵回波獲取法(Stimulated Echo Acquisition Mode,STEAM)法進行MRS成像,分析不同掃描方法和濃度蘇木素MRS信號特點。結果無論PRESS和STEAM,蘇木素均可檢出特征性波譜譜線,峰位固定,但峰高和峰面積和濃度相關,濃度越高,譜線越清晰。結論蘇木素有特征性MRS 信號,有可能為腫瘤分子成像提供合適的外源性靶標物質。
分子成像;核磁共振波譜成像;外源性波譜標志物;蘇木素;點解析波譜成像;激勵回波采集模式
MR波譜(MR Spectroscopy,MRS)是目前唯一能夠無創性檢測活體組織物質代謝、生化改變及化合物定量分析的一種方法。在疾病的發生和發展過程中,代謝改變往往早于形態學改變,因此 MRS 提供的代謝信息有助于疾病的早期診斷。MRS從分子水平了解人體生理和病理變化,從而有助于對疾病進行早期診斷、鑒別定性、療效觀察及預后評估。由于氫核在人體最豐富,因此1HMRS波譜成像穩定可靠,因此不僅臨床應用最廣泛,而且基礎研究方面也非常熱門和前沿。但目前研究局限在內源性波譜標志物,最常見如膽堿類化合物,但內源性物質受臟器和疾病所限,不是每個臟器和疾病都有合適的內源性標志物來進行代謝或分子成像,因此本研究嘗試引入能與腫瘤結合的外源性物質作為波譜標志物進行腫瘤代謝或分子成像。鑒于蘇木素是一種常見的親核性染料,因此本研究嘗試對蘇木素進行MRS成像,進行信號采集和峰位解讀,探討蘇木素作為外源性波譜標志物成像的可能性。
1.1 材料
臨床用蘇木素溶液,濃度2%(g/100 mL),摩爾濃度67 mmol/L,含有醋酸和高碘酸及無機金屬離子,分別取混合原液和10倍(6.7 mmol/L)及100倍稀釋液(0.67 mmol/L)進行MRS信號檢測;再取單純蘇木素原液(濃度 2%)按照同樣方法稀釋后進行MRS測量;再分別測量醋酸及高碘酸MRS信號;最后再將醋酸和高碘酸同純蘇木素溶液混合后進行測量,觀察信號特點,著重觀察峰位和峰高,對比分析資料。
1.2 掃描設備和序列
掃描設備為MR750w(GE 公司),采用點解析波譜成像(Point Resolved Spectroscopy,PRESS)和激勵回波采集模式(Stimulated Echo Acquisition Mode,STEAM)序列進行MRS檢測,PRESS序列TE采用35 ms和144 ms,STEAM序列只用35 ms,每個樣本各掃描3次,取效果最好者進行分析。
2.1 蘇木素混合液1HMRS波譜成像結果
不同序列和TE時間均可以看到蘇木素混合液(含醋酸)原液(2%)有明顯的3組波譜峰,盡管峰型和峰高略有不同,但峰位是一致的,分別大約位于1.0、1.9和3.5 ppm處,說明有這種物質或這組物質有3組共振峰,見圖1。

圖1 不同序列和 TE 時間蘇木素混合液(含醋酸)原液(2%)1HMRS 波譜圖像
2.2 不同濃度蘇木素混合液溶液1HMRS結果
不同濃度的蘇木素混合液(含醋酸)用PRESS序列(TE=35 ms)采集信號,得到結果,見圖2。可以看到,原液和1:10稀釋液信號差別不大,都可以看到固定峰位的共振信號,但是隨診濃度繼續下降,基線噪音增大,峰高減低,但峰位維持不變,說明特定的物質具有特定的波譜峰位,而峰高和峰下面積則隨物質濃度下降而下降。

圖2 不同濃度蘇木素混合液(含醋酸)溶液1HMRS圖(PRESS35TE)
2.3 純醋酸(CH3COO-)溶液1HMRS結果
通過對純醋酸的掃描結果,見圖3。可以看出,不論何種序列、TE時間長短,盡管峰高有差別,但總是在固定的峰位(約1.9 ppm)出現強的共振峰,即醋酸甲基3個氫原子的共振峰。

圖3 純醋酸(CH3COO-)溶液1HMRS圖

圖4 純高碘酸-溶液1HMRS圖
2.5 純蘇木素溶液1HMRS結果
純蘇木素溶液的1HMRS結果,見圖5。從圖5可以看出,純蘇木素(2%,67 mmol/L)(無醋酸)不論哪個序列和TE長短,均在特定位置出現共振峰(大約在1.0 ppm和3.5 ppm)。與混合液相比,少了醋酸峰。

圖5 純蘇木素(無醋酸)溶液(2%,67 mmol/L)1HMRS圖
2.6 蘇木素混合液和純蘇木素溶液IHMRS對比結果
重新將醋酸和高碘酸與純蘇木素溶液混合(2%)后再檢測波譜,結果發現,得到了和一開始蘇木素混合液一樣的波譜圖像。下圖是混合3種物質的蘇木素混合液(上列)和純蘇木素溶液(下列)對比圖,見圖6。可以看到,就像是3種物質的混合,圖像也相應地混合。這再次說明,波譜成像具有相當大的優勢,即各種物質互相影響很少,物質混合后波譜圖像也相應地成為各種獨立物質的波譜疊加。換句話說,溶液中,各種物質的波譜信號保持自己的特征,這就是蘇木素可能成為外源性波譜標志物的先決條件。。

圖6 蘇木素混合液(混合醋酸和高碘酸)和純蘇木素溶液1HMRS對比圖
MRS主要通過化學位移現象進行成像。不同化學環境中的相同原子核在外磁場作用下表現出稍有不同的共振頻率的現象,稱為化學位移。由于不同化合物中原子核的化學位移不同,可根據MR波譜中其共振峰的位置不同而加以鑒別。化學位移的大小以磁共振頻率的百萬分之一表示(ppm),MR波譜中以橫坐標來表示,縱坐標代表代謝產物的信號強度。共振頻率即共振峰的位置,峰高及波峰積分面積與共振原子核的數目成正比,代表化合物的濃度,可進一步進行定量分析;共振峰的形狀反映了化合物的分子結構。
對于特定代謝物而言,不論是組織提取液,還是離體完整組織,譜線形狀均與活體組織波譜相似,而峰位相同,不同的是活體波譜峰較寬、較鈍,分辨率稍差,能分辨的化合物較少[1];不同種屬之間,如人和狗的腦組織波譜圖譜中,只有譜線形態有很小的差別[2]。這表明,每一種化合物都有自己特有的特征峰的頻率位置,并且這種特征峰主要取決于分子內部結構,這就方便了在體外配制標準濃度的已知物質,進行MRS檢測,從而簡化了研究設計[3],使得體外研究部分可以替代體內研究[4]。
目前用于生物體檢測的原子核有1H、31P、13C、19F、23Na、39K等,其中人體內1H、31P兩種原子核的豐度最高,并存在于一些具有重要臨床意義的化合物中,故最常用于MR波譜分析。盡管31P波譜早于1H譜(1HMRS)進入臨床,但1H譜磁敏感性較31P波譜高,信號更強,有更高的空間分辨率,故目前臨床應用最廣泛。
1HMRS在中樞神經系統應用最多,對多種疾病如腫瘤、癡呆、多發性硬化、感染、外傷、發育、中風、圍產期局部缺血、和先天性缺陷等的診斷和鑒別診斷中發揮重要作用[5]。1HMRS可用來觀察細胞増殖、神經元損傷、能量代謝和腦組織或腫瘤組織的壞死改變[6],并指導活檢[7],可作為腫瘤預后的指標[8],預測腫瘤的生物學行為[9-10],評價腫瘤的侵襲性[11]。根據瘤周組織MRS代謝的不同,來鑒別大腦膠質瘤病和低分級膠質瘤[12]。根據代謝物的不同來區別不同類型腫瘤[13],根據瘤周膽堿/肌酸比值的高低可以區分浸潤性膠質瘤和單發轉移瘤[14]。MRS還可以區別腦轉移瘤、放射性壞死和腦膿腫[15-16],尤其在腦膿腫的鑒別診斷中,1HMRS非常特異[17]。還可以預測腫瘤對化療的反應[18-19]。除在中樞系統方面有比較成熟的應用外[20],1HMRS還在其他多種器官和部位的腫瘤診斷和鑒別診 斷中提供有意義信息,如乳腺[21-22]、前列腺[23-26]、膽管[27]、婦科腫瘤[28]、直腸腫瘤[29]、甲狀腺腫瘤[30],甚至可以鑒別慢性局灶性胰腺炎和胰腺癌[31],并能對轉移淋巴結和 正常淋巴結進行鑒別[32-34]。
甚至已有研究者用1HMRS檢測膽堿含量來評價組織工程中存活細胞的數目[35]。Lindskog等[36]用游離脂肪脂/膽堿比率來評價移植瘤在血管生成抑制化療藥作用下存活情況。Larson-Meyer等[37]用MRS活體人評價骨骼肌內脂質含量,并探討與胰島素抵抗的關系。Murphy等[38]用MRS來評價腦腫瘤對化療藥的反應,主要檢測膽堿,內生水等內源性物質。
盡管上述研究中,主要通過檢測膽堿,1HMRS在其他組織和器官的病診斷中發揮了作用,然而迄今為止,在肝臟腫瘤的診斷和鑒別診斷中,1HMRS所起的作用有限。一些研究證明,肝臟惡性腫瘤和正常肝臟的膽堿化合物含量沒有顯示出有統計學差異[39]。這說明在內源性膽堿化合物等標志代謝物產生不足或不明確的情況下,用MRS來對肝臟腫瘤進行診斷和鑒別診斷是行不通的。為此,國內外學者開始了將外源性物質膽堿引入體內,再用1HMRS檢測的研究。
早在1995年,Stoll等[40]在動物實驗的基礎上,對正常志愿者嘗試用口服外源性膽堿來觀察正常腦組織膽堿峰共振變化,發現口服后,膽堿共振信號增強,并可被活體MRS檢出;其后Babb等[41]研究支持了這一結論。PET成像表明,腫瘤組織吸收膽堿明顯增多[42],在此基礎上,Chernov等[43]推測,口服膽堿后,腫瘤組織應比正常組織具有更為明顯的膽堿峰改變,然而結果證明,口服膽堿沒有對膠質瘤和瘤周白質膽堿峰代謝特征產生明顯影響。因此,依靠體內正常存在的膽堿等物質通過外源性給藥的方式突出腫瘤組織代謝異常,從而利用1HMRS完成腫瘤診斷和鑒別診斷是不易實現的。尋找能突出腫瘤組織和正常組織差別的1HMRS標志物是解決諸如肝臟腫瘤此類無明顯內源性標記物(如膽堿化合物)病變診斷和鑒別診斷的方向。經典的腫瘤理論表明,腫瘤細胞的核酸含量明顯高于正常組織,然而核酸分子量大,共振基團眾多,共振峰位復雜,譜線不易判讀,沒有特征性峰位,因而1HMRS無法直接通過檢測核酸含量來完成診斷和鑒別診斷。這種情況下,尋找能和核酸結合的,并且具有特征性峰位的、1HMRS圖譜上易識別的小分子物質成了解決問題的關鍵。蘇木素(Hematoxylin)是一種常用的親核酸染料,以此為基礎的HE染色是廣泛應用于組織、細胞染色的技術,用于研究組織細胞的生理、病理和化學結構。其基本原理是去氧核糖核酸(DNA)兩條鏈上的磷酸基向外,帶負電荷,呈酸性,很容易與帶正電荷的蘇木精堿性染料以離子鍵結合而被染色。
蘇木素分子量302.2,分子結構中有14個1H參與共振,有特定的共振圖譜。在前期預實驗的基礎上,課題組用臨床1.5T MR機完成純蘇木素的1HMRS檢測,發現在約1.0、1.9和3.5 ppm處各有3組峰,隨采集序列(STEAM或PRESS)不同和TE時間不同,峰向和峰值有不同,但峰位完全相同。而且最低濃度在0.67 mmol/L就可以很好顯示,與作為內標的肌酸的濃度相近(血液中肌酸濃度0.23~0.56 mmol/L)。預實驗還發現,如果用75%乙醇作為背景,可檢濃度要遠遠低于生理鹽水,并且1.9 ppm處峰高變低、變平(機理有待探討),1.0 ppm和3.5 ppm處峰形基本不受影響。
MRS是目前唯一能在活體狀態下檢測體內物質代謝的成像技術,MRS有能力和潛力為腫瘤早期診斷和鑒別診斷發揮更大的作用。國內外以往研究針對機體自身的內源性物質進行成像,本研究希望開辟外源性物質作為MRS成像目標的初步研究,這樣就會極大拓展MRS的應用。本研究針對病理常用的蘇木素進行MRS研究,希望能在活體影像病理學方面進行一些探索,為臨床利用外源性波譜標記物檢測腫瘤病變提供新方法。
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Hematoxylin as an Exogenous MR Spectroscopic Biomarker in Tumor Molecular Imaging: A Pilot Study
HUO Tian-long, YANG Shuo, CHEN Lei, KANG Yu, CHEN Chen
Department of Radiology, Peking University People’s Hospital, Beijing 100044, China
ObjectiveTo discuss the basic problems of hematoxylin as an exogenous MR spectroscopic biomarker in tumor molecular imaging.MethodsDifferent concentrations of hematoxylin solutions were performed high field MR spectroscopy with the methods of Point Resolved Spectroscopy (PRESS) and Stimulated Echo Acquisition Mode (STEAM) respectively. Then the MR spectroscopy signal features of different concentrations of hematoxylin which was performed with different scanning methods were analyzed.ResultsThe results showed that the specific MR spectroscopy signal profile of hematoxylin could be detected with both methods of PRESS and STEAM. The peak position was stable, while the peak height and peak area were related with the concentration of hematoxylin solution, the higher the concentration was, the more salient the specific MR spectroscopy signal profile was.ConclusionIt was found that the hematoxylin has specific MR spectroscopic signal, which might make it a potential exogenous MR spectroscopic biomarker in tumor molecular imaging.
molecular imaging; MR spectroscopic imaging; exogenous MR spectroscopic biomarker; hematoxylin; point resolved spectroscopy; stimulated echo acquisition mode
R445.2
A
10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.001
1674-1633(2017)03-0001-05
2017-01-13
北京大學人民醫院研究與發展基金(RDB2011-32);國家自然科學基金面上項目(81372363)。
霍天龍,副主任醫師,主要研究方向為分子影像學。
通訊作者郵箱:iamhuotianlong@163.com