椎間盤化學交換飽和轉移成像研究

李亦彤， 吳剛， 李小明

椎間盤(the intervertebral discs,IVDs)是人體中最大的無血管結構，它位于兩椎體之間，由髓核(nucleus pulposus,NP)、纖維環(annulus fibrosus,AF)和軟骨終板(cartilaginous endplate)組成[1]，對維持脊柱正常功能發揮著重要作用。

椎間盤退變是一種“由細胞介導的針對漸進性結構改變的異常反應”[2]，是導致腰痛和頸肩痛的重要原因之一。腰痛與頸肩痛是當今社會困擾很多人的癥狀，影響患者生活質量，甚至造成殘疾，因此臨床上早期、準確的診斷和處理至關重要。目前對椎間盤退變的診斷主要依賴影像學檢查，其中MRI因其良好組織對比度、無電離輻射、可多參數多平面成像等優勢，在臨床廣泛應用。但是目前常規成像序列多依賴形態學改變和信號改變定性或半定量評價椎間盤的改變，例如應用廣泛的Pfirrmann分級[3]、Miyazaki等[4]提出評估頸椎間盤退變半定量分級方法等。這些方法依賴于對髓核信號、髓核纖維環分界情況、椎間盤高度等主觀評價，盡管這些評價體系操作簡便且被驗證了臨床可行性、很好可重復性及觀察者間一致性[3-5]，但不能提供早期客觀的定量測量指標[6,7]。

化學交換飽和轉移成像(chemical exchange saturation transfer,CEST)技術是一種新興的MR成像技術，可以對椎間盤生化成分行定量測量和評估[6,8-10]，為我們發現椎間盤早期改變、研究椎間盤退變影響因素以及監測干預措施療效提供方法支持。

CEST技術應用于椎間盤原理

1.椎間盤生化成分改變在退變中的作用

椎間盤的主要成分包括膠原以及蛋白多糖(proteoglycan,PG)，其中，一個PG基本單元由核心蛋白和一個或多個共價連接的糖胺聚糖(glycosaminoglycan,GAG)鏈組成[8]，GAG是由重復二糖單元組成的無分叉長鏈多糖。椎間盤生化成分對于維持其正常機械性能至關重要，并且不同部位成分含量有所不同。纖維環(annulus fibrosus,AF)由大約70%膠原和10%～20%蛋白多糖組成，而髓核(nucleus pulposus,NP)由約20%～30%膠原和50%的蛋白多糖組成[9,11,12]。膠原在AF中作用是抵抗NP的膨脹壓力，提供剪切和抗拉強度，作為蛋白多糖重要組成成分GAG由于其攜帶負電荷特性可吸附大量Na+，Na+的高度集中產生滲透壓對周圍水具有強大吸引力，進而可以起到保證椎間盤彈性、減震等重要作用[13]。椎間盤早期退變主要發生的是生化改變，包括PGs丟失、脫水和膠原變性，其中PGs丟失是最早、最顯著改變[2]，因此，測定椎間盤GAG含量可發現椎間盤早期生化改變，有助于椎間盤退變早期診斷、探究椎間盤退變影響因素以及監測治療反應等。

2.CEST成像原理

CEST成像技術的發生發展基于磁化傳遞(magnetization transfer,MT)技術，通過預先施加特定頻率預飽和脈沖，該脈沖頻率與待測分子頻率相同，此時待測分子中氫質子得到飽和，進而可以與周圍自由水中的氫質子發生化學交換，使得部分周圍自由水中的氫質子飽和，這樣當接下來射頻脈沖發射時已經飽和的水分子中的氫質子無法產生共振，可導致水分子信號降低，通過對水分子信號改變探測就可間接反映待測分子濃度等信息[13,14]。每個GAG單位包括1個-NH和3個-OH，可作為CEST內源性對比劑，Ling等[8]首次提出可利用CEST技術在活體中測量GAG含量，為接下來CEST技術在椎間盤中的應用提供研究思路。選擇GAG中-OH的頻率來作為預飽和脈沖的頻率，根據上述原理可反映出椎間盤中GAG含量，但由于人體環境復雜性，水分子信號改變不僅受CEST效應影響，還受直接水飽和(directwater saturation)、常規的磁化轉移過程(conventional MT processes)、核奧氏效應(nuclear overhauser enhancement,NOE)影響，同時，溫度和酸堿度等條件也會影響化學交換速率[14]。為了更直觀了解及應用CEST，常常會繪制由不同頻率預飽和脈沖得到Z譜圖，即Ssat/S0關于飽和脈沖頻率曲線，其中Ssat為施加預飽和脈沖之后水信號強度，S0為施加預飽和脈沖前水信號強度，若只有直接水飽和效應以及常規磁化轉移效應影響，Z譜表現為以水峰(0ppm處)為中心左右對稱圖像，但是由于CEST效應存在，Z譜表現為左右非對稱分布，對這種非對稱表現行定量計算得到非對稱性磁化轉移率(magnetization transfer asymmetry,MTRasym)這一參數，可反映出CEST效應大小[13]。由于酸堿度對化學交換速率影響，可利用二者關系對椎間盤PH行在體成像研究，進一步加深我們對椎間盤退變的理解，為臨床早期發現椎間盤變性提供有效評價工具[15-18]。

CEST技術成像優勢

CEST成像技術優勢在于能夠提供椎間盤生化成分定量評估，減少主觀因素對椎間盤退變診斷干擾。除了CEST技術之外，還有一些其他可對椎間盤進行定量成像技術，例如對比劑延遲增強磁共振成像(delayed gadolinium-enhanced MRIcontrast,dGEMRIC)、T2-mapping成像、T1ρ成像、鈉成像以及擴散成像等。dGEMRIC技術是一種利用固定電荷密度間接測量GAG含量的方法，在軟骨GAG定量方面已有諸多研究[19,20]，也有研究利用動物模型驗證了其在椎間盤上的應用[21]。但是該技術有諸多局限性，由于對比劑擴散速度非常緩慢，不僅明顯增加了掃描時間，而且為了保證足夠顯像濃度需要的對比及劑量較大[22]，研究[23]顯示dGEMRIC技術因過慢擴散速度而在椎間盤應用中受限。此外對比劑潛在腎毒性也限制了其在腎功能不全患者中應用。T2-mapping成像可對椎間盤的T2值進行定量評估，T2值大小可反映椎間盤內水分、膠原等綜合情況，特別是水含量差異[24]，研究發現不同退變等級椎間盤T2值具有差異，T2值大小可反映退變情況[7,25,26]，并且該技術成像相對簡便易行。但T2值大小受很多因素綜合影響，不利于進一步研究[22]，且T2無法反映椎間盤PGs丟失這一最早最顯著變化[27]。T1ρ成像能反映大分子物質與水質子之間相互作用，進而可反映出相關大分子物質含量，可用來探測PGs丟失[28-30]。但其過長的掃描時間和由多重長自旋鎖定脈沖所帶來的高特異性吸收率(specific absorption rate,SAR)限制了其臨床應用[27,31]。鈉成像利用GAG攜帶負電荷可吸附Na+的特性，當椎間盤GAG丟失時可釋放出Na+，通過檢測Na+含量來間接反映GAG濃度變化，但是鈉成像信噪比低，并且需要特殊硬件設備，使其臨床應用受到限制[8]。擴散成像包括擴散加權成像(DWI)、擴散張量成像(DTI)等，反映組織內水分子運動特性，已有研究證實了他們在評估椎間盤退變方面的潛力[32-35]，但是由于受磁場強度、擴散方向數目等限制，擴散成像定量指標與椎間盤退變相關性結論還未統一[36]，部分研究結果支持相關指標能檢測、評價退變[34,35]，部分則認為其無法辨別正常與退變椎間盤[37]，使擴散成像臨床價值存疑。CEST成像技術可利用GAG這一內源性對比劑無創性評價椎間盤生化成分，無需注射外源性對比劑，不需要特殊硬件設備，能對椎間盤GAG含量以及PH值進行定量測定，研究對CEST與其他定量方式進行了比較，發現CEST所得定量參數與椎間盤退變評分相關性最高[38]。雖然該技術易受磁場不均勻性影響，掃描時間較長，但目前學者們也致力于技術改進[39-41]，使得該技術成為椎間盤成像技術中非常具有潛力的定量成像技術。

CEST技術在椎間盤中研究進展

1.CEST技術應用于椎間盤可行性驗證

椎間盤中GAG丟失是椎間盤退變的早期表現，隨后才是滲透壓改變、椎間盤高度變化等。因此在體、無創地探測GAG含量變化十分必要[6]。為此，學者[6,9,10,42]利用志愿者、人造模體以及動物模型等對gagCEST技術在椎間盤應用中可行性進行了驗證。Kim等[6]首次提出在人體中行椎間盤gagCEST成像成功評價了3.0T磁共振儀測量無癥狀健康志愿者腰椎間盤CEST效應可行性，同時利用不同GAG含量模體驗證了CEST效應與椎間盤GAG含量高度相關性(R2=0.95)。該研究表明NP與AF的GAG含量有顯著性差異，同時發現NP的CEST信號分布不均勻，其結果與其他研究的組織學結果相一致[43]。隨后Saar等[9]通過對人為處理的不同GAG含量的牛以及豬椎間盤樣本在11.7T場強下的gagCEST成像進一步驗證了該技術對GAG濃度評估，更加支持了該技術評價椎間盤生化成分改變的可行性。Schleich等[42]利用了與Kim等類似方法證明了該技術在頸椎椎間盤評價中同樣具有可行性，并且對退變(Miyazaki評分3～5)和非退變組(Miyazaki評分1～2)MTRasym值進行統計學分析發現兩組差異有顯著性。但是Schleich等研究發現頸椎椎間盤的MTRasym值隨著所在節段降低而增大，這與Kim等[6]針對腰椎椎間盤研究結果相反，可能與脊柱不同節段機械負荷需求以及實際負荷強度相關。Liu等[10]在Kim的研究基礎之上通過小視野TSE技術(reduced field-of-viewturbo-spin-echo technique)減少腸道運動干擾，提高了成像質量和成像可靠性，進一步驗證GAG濃度與CEST信號間良好的線性關系，為該技術可行性的驗證提供了更加可靠的研究依據。

2.CEST技術對椎間盤退變早期診斷及其影響因素探究

對椎間盤GAG含量的測量有助于發現椎間盤退變早期改變，并且還可利用CEST技術實現對退變影響因素的探究。Haneder等[12]首次利用gagCEST在3.0T場強下評價下腰背痛患者椎間盤GAG含量及分布，并探究其與Pfirrmann分級和椎間盤T2值的相關性，此后有多位學者[1,27,38,44,45]對CEST效應與腰椎間盤Pfirrmann分級關系進行了研究。Haneder等[12]研究結果顯示退變組NP(Pfirrmann分級3～5)MTRasym值小于非退變組NP(Pfirrmann分級1～2)，但是單純Pfirrmann分級與CEST效應之間沒有直接相關性，NP的MTRasym值與T2值之間只有較弱線性相關關系，這與其他研究結果存在差異。多數學者[1,27,38,44,45]均發現椎間盤NP的MTRasym值與Pfirrmann分級呈顯著負相關，原因可能在于這些研究實驗對象納入標準有所不同，掃描參數以及圖像后處理技術有差異等。Schleich等[45]還發現了CTF(CombinedTask Force)分類顯示為疝出椎間盤NP MTRasym值低于正常組(1.55±1.61% <2.83±1.52%，P<0.0001)，Deng等[44]研究還表明AF的MTRasym值隨退變等級增加而增加。

在與其他成像方法對比研究中，Togao等[27]發現MTRasym值與T1ρ值呈顯著正相關(P<0.0001)，并且能更敏感地檢測椎間盤退變早期GAG丟失，Xiong等[38]則通過多參數磁共振成像評價椎間盤退變，例如T2*、T1ρ、ADC(apparent diffusion coefficient)以及MTRasym，結果發現NP和AF的MTRasym值與Pfirrmann分級相關性高于其他參數，說明gagCEST在評價椎間盤退變中具有優勢。對椎間盤退變影響因素的研究Muller-Lutz等[46]發現CEST效應與年齡的相關性，其研究表明NP和AF隨年齡增長而減小的CEST效應可能與隨著老化而減少的GAG含量相對應，這提示在今后研究中行年齡匹配的gagCEST成像分析可能是必要的。隨后，Muller-Lutz等[47]又對性別和BMI(body mass index)對椎間盤CEST效應的影響做了研究，發現NP的MTRasym值與BMI負相關(ρ=-0.16,P=0.03)，女MTRasym值大于男，但納入研究對象中男椎間盤突出比例(15%)高于女(7%)，這可能會造成結果的偏倚。Schleich等[48]以及Latz等[49]分別探究了椎小關節角度、椎小關節雙側不對稱性以及雙側下肢不等長對椎間盤退變的影響，發現椎小關節雙側不對稱、矢狀位角度>45°的志愿者椎間盤NP的GAG含量更低，雙側下肢不等長者L5/S1椎間盤NP的MTRasym值明顯降低，說明這些因素都有可能是早期腰椎間盤退變的易感因素。Schleich等[50]還發現形態學評價為未退變椎間盤(Pfirrmann分級1～2)的MTRasym值在脊柱關節炎患者與健康志愿者間存在顯著差異，提示脊柱關節炎患者可能會出現椎間盤GAG丟失早期改變。

3.CEST技術在椎間盤PH成像中應用

作為人體中最大的無血管結構，椎間盤細胞依靠無氧糖酵解產生能量，乳酸的產生率很高，當椎間盤變性，新陳代謝紊亂會造成乳酸的堆積，致使局部PH值降低，已有研究表明這也與疼痛癥狀相關[51]。Melkus等[15]首次利用CEST研究椎間盤PH值，通過對離體豬椎間盤模型在7.0T場強下的CEST成像，表明該技術對PH改變敏感，并且發現注射外源性對比劑碘普羅胺方法具有測定椎間盤PH潛力。為了探究出一種更適合于臨床應用的在體PH檢測方法(3.0T場強，盡量不使用外源對比劑)，Liu等[16]分別對豬椎間盤模型以及下腰背痛患者進行CEST成像和自旋鎖定成像，得到RROC(theratioof R1ρdispersion and -OH CEST)，發現RROC能反映PH水平且不受GAG濃度影響，模型研究結果表明較高的RROC值與較低PH水平相關，針對患者的研究表明通過椎間盤造影確診為疼痛椎間盤者的RROC值明顯高于陰性椎間盤(P<0.05)。Zhou等[17]以及Bez等[18]均對定量CEST技術進行了研究，發現測得的Ksw(化學交換速率)與PH值高度相關，Zhou等[17]研究提出二者關系可描述為Ksw=9.2×106×10-PH+196.9(R2=0.7883)，Bez等[18]還進行了相關基因分析，發現疼痛標志物表達與定量CEST信號增加呈正相關。

CEST技術的不足

雖然CEST技術相比其他椎間盤成像技術有著獨特優勢，但也存在不足。如目前多數研究CEST成像僅限于單層面掃描，因為多層掃描會增加射頻激發脈沖的部分能量在人體中的沉積且延長了掃描時間[6]，雖然對此在技術上也有人提出了改進的方案，但目前還未出現一個標準統一的參數優化掃描方案。其次，CEST技術易受磁場不均勻性影響，目前也有不同技術來校正B0場不均勻性，如基于WASSR(water saturation shift referencing)技術、基于線性擬合算法、基于飽和脈沖調制以及基于時域分析等方法[52]，但是在椎間盤領域研究應用中還未出現公認標準校正方法，并且大多數相關研究并未對B1場進行有效校正，Muller-Lutz等[41]將一種可同時校正B0場和B1場不均勻性的方法(watersaturation and B1 correction,WASABI)引入了椎間盤CEST成像中并與僅校正B0場不均勻性方法進行了比較，結果發現成像質量得到了提高，所以對B0場和B1場不均勻性共同校正方法是需要進一步研究的。最后，椎間盤的CEST成像影響因素較多，圖像信噪比、對比度、分辨率等相對較低，還需對掃描參數繼續優化，以達到最優的成像效果[1,44]。

展 望

CEST技術作為新興的極具潛力的椎間盤定量成像技術，在對椎間盤退變的早期診斷、椎間盤退變生化成分和微環境變化的探究以及相關影響因素等方面已經有了不少研究，但是目前尚未發現對椎間盤退變的治療反應進行研究的相關文獻，有學者[12,45,48]提出了這一研究方向，可以作為未來研究的一個新思路。此外，該技術目前還處于研究階段，尚未在臨床推廣使用，需要更多更大樣本量的研究支持，同時需要針對目前一些技術上的不足對掃描方案優化。