含釓對比劑在腦部沉積研究

陳明月，周佳偉，崔永征，陸佳瑩，李菁菁

小分子順磁性含釓對比劑(gadolinium-based contrast agents,GBCAs)是一種靜脈內注射藥品，臨床上被廣泛用于增強各種內臟器官、血管和組織的圖像質量，在放射學實踐中起著重要的作用[1]。特別是一些氧化物納米粒子，如極小尺寸的氧化鐵納米顆粒[2]和氧化錳納米顆粒[3]以及基于聚合物的氧化釓納米顆粒[4]，展現出了優異的MRI對比效果。

GBCAs自1987年被發現以來已使用超過3億次，現階段每年全世界使用量達三千多萬[5]。研究表明在靜脈給藥后GBCAs大多以原型形式通過腎臟排出體外，小部分的釓貝葡胺可由正常肝細胞代謝并分泌到膽道系統。盡管絕大部分GBCAs在注射后可以從體內有效清除，但是隨著GBCAs的大量應用，人們發現磁共振(magnetic resonance, MR)增強掃描后GBCAs可能會造成釓在皮膚、骨骼、肝臟和腦等組織器官中的沉積。

2014年，Kanda等[6]發現在經歷多次GBCAs 增強MR檢查的腎功能正常患者腦部T1WI上，尤其是齒狀核(dentate nucleus,DN)和蒼白球(globus pallidus,GP)處出現異常高信號。當GBCAs注射量超過某一閾值時，腦中某些區域的信號強度增加，迄今為止，已有研究證明暴露于超過6次MR增強檢查患者的這種相關性[7]。GBCAs給藥后的生物安全性問題已經引起了國內學者的廣泛關注[8-10]。

含釓對比劑的分類及其化學性質

釓是一種鑭系金屬元素，因Gd3+具有高順磁性，在成像過程中會改變水質子的弛豫特性，從而產生組織對比度的變化。GBCAs由Gd3+和其他分子螯合而成，釓與配體分子緊密結合形成穩定的絡合物，從而降低游離釓本身的毒性，同時改變體內分布以確保圖像對比度[11]。根據螯合配體化學結構的不同，GBCAs分為線性和大環類，每組根據電荷又可細分為離子型和非離子型(表1)。其中，臨床常用含釓對比劑Gd-DTPA為線性離子型。

GBCAs作為臨床廣泛使用的MRI對比劑，具有以下特征：高弛豫率、高穩定性、快速清除能力、低滲透壓(高于血漿但遠低于碘對比劑)、低粘度以及低毒性。釓螯合物的穩定性通過熱力學穩定性和動力學穩定性兩個主要參數描述。熱力學穩定性描述了破壞Gd3+與螯合配體之間的鍵并釋放Gd3+所需的能量，反映了釓對配體的親和力，而動力學穩定性描述了當滿足熱力學條件時Gd3+從螯合物中解離的速率，即多快達到解離平衡。釓螯合物的熱力學和動力學穩定性是GBCAs的固有性質并且取決于它們的分子結構，除此之外，解離速率還與暴露環境有關，例如溫度和pH[12]。

基于過去的研究發現大環GBCAs比線性GBCAs更能在體內穩定存在，同時表現出較低的體外釋放釓的傾向，而離子型又優于非離子型[13]。一項臨床前實驗顯示[14]重復高劑量給藥后，僅在一些線性劑釓雙胺處理的動物中觀察到皮膚宏觀和組織病理學損傷，這一結果也充分證明了線性和大環類GBCAs在螯合物穩定性上的差異。

表1 臨床常用含釓對比劑的名稱及分類

釓在腦部沉積現象

近年來，研究者們多次報道了腦MRI異常T1WI高信號與GBCAs接觸史之間的關聯[15-16]，線性和大環GBCAs由于自身結構和穩定性的不同而在人體和動物模型中表現出一定的沉積差異。使用電感耦合等離子體質譜(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)，從重復施用GBCAs的患者腦中檢測到釓，進一步證實了上述現象與釓在腦部的沉積有關。

1.臨床試驗

Zhang等[17]發表了一項研究，在接受超過35次線性GBCAs給藥患者的其他大腦區域(如黑質、紅核、上小腦腳、尾狀核、丘腦和殼核)中發現了T1WI高信號，與此同時，Khant等[18]發現在至少86次給藥后(大多數為線性)，中央前回和中央后回的皮質以及距狀溝周圍出現T1WI高信號。上述研究結果表明盡管DN和GP是腦內釓沉積最常發現的部位，但釓在腦內的沉積并不局限于DN和GP。

根據Kanda[19]和Radbruch等[20]一系列的研究結果，我們發現DN中出現的T1WI高信號與線性GBCAs重復給藥有關，而與大環類無關，這一現象在兒科患者身上也得到了證實[21-22]。然而，Stojanov等[23]報道了在大環類GBCAs注射后檢測到DN信號強度增加，Bjornerud等[24]在接受大環劑釓布醇注射的腦膠質瘤患者中也觀察到了類似現象。目前，R1(1/T1)弛豫率測量[25]和定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping，QSM)的應用實現了更加準確的腦部釓沉積評估。QSM研究結果顯示在給予線性GBCAs后，DN易感性增加[26]，而接受大劑量大環GBCAs(主要是釓布醇)的患者沒有發現信號改變[27]。關于穩定性較高的大環GBCAs是否導致腦部釓沉積存在著矛盾的研究，大量作者表明僅在使用線性GBCAs后觀察到DN和GP中出現T1WI高信號[28-30]。

先前的研究將暴露于GBCAs作為釓沉積后T1WI信號強度變化的唯一作用因素，然而最近一些研究顯示腦照射、化療以及原發性腦腫瘤組織病理類型對于GBCAs后兒童DN和GP信號強度變化的測量可能存在影響[31-32]。此外，Ramalho等[33]的研究表明T1加權自旋回波和MPRAGE序列互換會影響DN中信號強度的定性或定量分析，在患者給藥前后應使用相同的序列進行檢查。這提示人們在進行腦內釓沉積實驗研究以及解讀相關研究報告時，應將這些潛在的混雜因素考慮在內。

總之，在未增強的T1WI上，DN和較小程度上GP的信號強度增加顯示與先前重復暴露于GBCAs相關。此外，所用GBCAs的類別和累積劑量，均可能會造成上述區域的影像學差異。釓沉積發生在人腦中并且可能長時間保留，大量腎功能正常患者的研究報道表明腎功能健全與否不是釓可能在腦內沉積的先決條件。

組織學分析:大量MRI結果已經描述了DN和基底神經節中信號強度增加與先前接觸GBCAs之間的相關性，隨后的研究則直接證實了神經元組織中釓的存在[34]。ICP-MS結合透射電子顯微鏡和光學顯微鏡的使用，提供了釓沉積的客觀證據，隨后，掃描電子顯微鏡/能量色散X射線光譜儀和激光燒蝕ICP-MS(laser ablation ICP-MS,LA-ICP-MS)的更高空間分辨率提供了進一步的信息，以量化、定位和評估釓沉積的影響。McDonald等[35]利用透射電子顯微鏡/能量色散X射線光譜儀檢測到釓沉積物主要積聚在內皮壁內，少數散布在神經間質中，但光學顯微鏡下未發現神經損害。最初認為這種沉積是由于血腦屏障遭到破壞而發生的，但腦病理正?；颊叩氖瑱z報告表明[36]，在血腦屏障完整的情況下也可以定量觀察到這種現象。在腦腫瘤的活檢標本中，Xia等[37]發現含釓的沉積物主要存在于高度血管區域，通常位于血管壁內，并與鈣化有關。盡管在MRI上DN缺乏T1WI高信號，但尸檢標本相應的LA-ICP-MS顯示釓在DN及小腦皮質內的沉積[38]。

多數腦T1WI的體內研究表明大環GBCAs無沉積或沉積程度較小因而未表現出T1WI異常高信號。然而Murata等[39]發表的尸檢報告中大環試劑在DN和GP處均有沉積。造成這種差異的原因可能在于ICP-MS等組織分析技術較MRI更為靈敏，能捕捉到顱內更細微的釓沉積。此外，從螯合物中釋放的Gd3+可能與體內陰離子形成不溶性釓鹽(如磷酸釓)，其對質子的T1WI和T2WI弛豫影響很小，因此通過T1WI信號強度來評估腦中釓含量時可能會造成對釓的估計不足。

尸檢和活檢標本的組織學分析與影像學檢查形成了病理相關性，有助于闡明釓和T1WI高信號之間的關系并詳細描述釓在顱內的生物分布。盡管尸檢報告表明神經元組織中存在釓沉積的直接證據，但組織病理學未顯示釓的神經損害，因此顱內釓沉積的臨床后果尚不清楚。

2.動物模型

臨床前動物研究表明在給予不同類型的GBCAs后，腦組織中釓沉積存在顯著差異。Robert等[40]在健康大鼠線性或大環GBCAs給藥后，對深部小腦核(deep cerebellar nucleus,DCN)進行評估，T1WI高信號在第8次注射線性劑釓雙胺的動物模型中得到了定性觀察，而大環劑釓特酸葡甲胺組未觀察到該現象。隨后，多項研究顯示重復給予GBCAs主要是線性藥物后，大鼠DCN出現T1WI高信號[41-43]。這與先前的研究結果一致，這些研究表明大環GBCAs處理的大鼠腦內釓保留濃度遠低于線性GBCAs。然而不容忽視的是在注射大環試劑的實驗動物中，檢測到的顱內釓水平均高于生理鹽水注射組。

目前，已有LA-ICP-MS結果表明在施用線性GBCAs后的嚙齒動物DCN和腦顆粒層內釓的局部積累，但組織學分析未在腦中發現相關病理學改變[14]。

釓在腦中的沉積和清除

1.釓在腦中沉積的潛在機制

顱內腫瘤等疾病導致血腦屏障完整性局部破壞時，GBCAs可通過缺損處進入腦內，然而無血腦屏障異常情況下的腦內釓沉積難以解釋。健康大鼠[44]和人體成像研究[45-46]表明藥物可能是通過脈絡叢在腦脊液(cerebrospinal fluid,CSF)中積聚，然后分布到大腦。研究表明CSF和間質液存在著對流交換，Iliff等[47]據此提出假設，GBCAs從CSF轉移到大腦是通過“glymphatic”途徑。盡管轉移到CSF的GBCAs濃度非常低，但其在CSF中清除較慢，腦組織以相對更長的時間暴露在含有GBCAs的CSF中，因而更大可能發生釓沉積。

由于目前的組織檢測方法對螯合物配體有破壞性，因此ICP-MS僅能夠檢測元素釓的量，而不知其具體存在形態。最近一項大鼠研究顯示[48]重復給予GBCAs后大鼠腦中的殘留釓至少存在于3種形式：可溶性小分子(包括完整的GBCAs)、可溶性大分子和不溶性形式。其中來自大環試劑的釓僅存在于可溶性小分子中(最有可能是完整GBCAs)，而線性GBCAs解螯合的釓大部分與其他分子形成不溶性釓復合物，較小程度上也與可溶性大分子結合。Gianolio等[49]在同年發表的一篇文章中也報道了相似的結果。

在生理條件下，內源性陽離子如Fe3+、Zn2+、Cu2+等可與Gd3+競爭配體，誘導釓螯合物的解離，這個過程稱為金屬轉移。金屬轉移的概率取決于內源金屬離子對配體的親和力，即與金屬離子螯合物的熱力學穩定性有關。由于Fe配體螯合物的熱力學穩定性比已知GBCAs高出幾個數量級[50]，因此鐵金屬轉移假設是高度可信的。據報道多次暴露于GBCAs的患者MRI T1WI高信號區域與生理性鐵沉積有關[18]。Fretellier等[51]在大鼠血清中加入線性GBCAs后觀察到Fe配體螯合物，表明在pH4.0下Fe3+與Gd3+發生了金屬轉移。在一項專門研究該假設的大鼠實驗中，作者提出釓和Fe還可能通過相同的途徑進入腦區域[52]。

2.腦部釓沉積的潛在清除

研究顯示在重復給予線性劑釓雙胺后，大腦中低水平的釓從第1周到20周減少了約43%，表明存在腦內釓清除的可能性[53]。Behzadi等[54]對13名先前使用超過6次線性劑釓噴酸葡胺后轉用大環劑釓布醇的患者進行了回顧性研究。在最后一次釓噴酸葡胺給藥后至少12個月的多次隨訪中發現DN-腦橋和DN-小腦腳信號強度比率下降。

大多數靜脈注射的GBCAs通過體循環經腎臟排泄，腦血管中的濃度也隨之迅速降低。然而， hT2W-3D-FLAIR(heavily T2-weighted 3D-FLAIR)觀察顯示一定量的GBCAs可以從血液中漏到眼球前部或顱神經周圍區域等腔室[55-56]。這暗示著GBCAs在腦中可能存在其他清除途徑，包括房水通道或CSF-淋巴連接通道，且此時GBCAs的動力學與全身循環不同[57]。釓從腦組織中清除的具體機制和過程尚不清楚，但釓的潛在清除將是各類型GBCAs使用時的重要考量因素。

釓在大腦以外部位的沉積

2006年的一項研究首先將嚴重腎功能不全患者腎源性系統性纖維化(nephrogenic systemic fibrosis,NSF)的發生與GBCAs的給藥聯系起來[58]。NSF是終末期腎病患者接受GBCAs增強掃描后的一種嚴重晚期不良反應，以皮膚增厚、硬結和皮下水腫為特征。最近，一項報道[59]顯示在腎功能正常的患者中，以極高累積劑量接觸GBCAs可導致皮膚中顯著的釓沉積，這對NSF的發生機制和發展過程提出了新的挑戰。

尸檢研究發現[39]暴露于GBCAs的患者骨皮質存在顯著的釓沉積。Lord等[60]開發的無創測量裝置的檢測結果表明釓可以在骨中保留多年。除了皮膚和骨骼，釓還可殘留在肝臟等其他器官，在施用GBCAs的動物模型中也有發現[61]。暴露于GBCAs后延遲發作NSF的報告表明[62]骨可能作為釓的長期儲存庫，隨后緩慢釋放釓至其他組織。然而，在沒有嚴重腎損害的情況下，這種儲庫效應的臨床意義尚不明確。

關于含釓對比劑腦部沉積危害的評估

由于DN和GP在調節和控制自主運動中起著重要作用，因此釓在這些區域的沉積可能導致功能缺陷或出現其他臨床癥狀。Barbieri等[63]在研究3名腎功能損傷和血管鈣化的患者腦內釓沉積的高信號時，發現他們均出現了原因不明的神經系統疾病的短暫癥狀。但這些癥狀與釓沉積的關聯并不清楚，因此無法證明釓的潛在神經毒性。

目前，美國、歐盟等國外藥監部門已相繼發布了關于GBCAs的安全性信息，提醒在進行多次增強MR掃描后，可能會造成釓在腦部的沉積。美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration,FDA)于2015年7月發布安全聲明[64]表示正在調查重復使用GBCAs進行MR檢查后腦沉積的風險。2017年5月，FDA發表最新說明[65]評估顯示尚未發現GBCAs腦部沉積后對健康存在不良影響或有相關的病理改變，因此目前并未限制GBCAs的使用，但會進一步研究可能的安全風險。隨后，歐洲藥品管理局(European Medicines Agency,EMA)發布了關于GBCAs的決定，基于GBCAs給藥后腦內釓沉積的證據，EMA建議限制MR掃描中使用的某些線性釓劑，同時規定線性劑釓貝葡胺僅限于肝臟掃描[66]。鑒于目前腦沉積的研究情況和未知風險，國際醫學磁共振協會(International Society for Magnetic Resonance in Medicine，ISMRM)推薦將腦內釓沉積作為知情同意書的一部分[67]。

現有證據支持GBCAs可能造成腦內釓沉積，但目前沒有發現任何有關腦沉積實質性健康損害的確切證據。盡管尚未收到與腦部釓沉積相關的不良反應事件報告，國家藥品不良反應監測中心仍建議相關醫務人員應謹慎使用 GBCAs。在必須使用的情況下，應使用最低批準劑量，并在重復給藥前仔細進行獲益風險評估[68]。

近年來發表的臨床和非臨床研究數據表明，多次暴露于GBCAs與腦和其他組織中可能出現的釓積累相關，且對于某些結構(例如DN和GP)具有趨向性。線性GBCAs由于較低的熱力學和動力學穩定性，往往表現出顯著高于大環試劑的組織沉積。目前雖然有較多關于腦內釓沉積的報道，但存在一定的偏倚：①臨床研究都是單中心回顧性研究；②研究中存在可能影響實驗分析的其他混雜因素，如先前GBCAs的使用情況，GBCAs注射間隔，放化療、腦腫瘤和已有疾病的活動進展以及磁場強度、MRI序列和檢查間隔等。