酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像原理及其在動脈閉塞性腦梗死的研究進展

蔣玉涵，苗延巍，常佩佩，車藝瑋

動脈閉塞性腦梗死具有高發(fā)病率、高致殘率及高復發(fā)率，是導致患者死亡或功能障礙的主要病因之一[1]。腦動脈供血區(qū)血流灌注下降會引起一系列病理生理學改變，包括代謝及化學環(huán)境的改變[2]。然而，目前CT或MRI結(jié)構(gòu)像，甚至灌注加權成像(perfusion-weighted imaging，PWI)和擴散加權成像(diffusion-weighted imaging，DWI)都難以顯示腦梗死的酸堿代謝變化。

雖然磁共振波譜(magnetic resonance spectrum，MRS)可以檢測腦代謝物的變化并測量組織pH值，但其空間和時間分辨率較低，應用受限。酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(amide proton transfer，APT)成像技術作為非侵入性成像方法可以檢測腦代謝物的改變[3]，評估梗死后腦組織的代謝變化，明確缺血組織化學環(huán)境演變。本文就APT技術及其對腦梗死病理生理及代謝變化的研究進行綜述。

1 腦梗死的病理生理及代謝變化

腦動脈發(fā)生狹窄或閉塞后，相應血流灌注壓降低，進而會出現(xiàn)一系列病理生理學變化，其演變過程可以以如下流程圖(圖1)顯示[4-5]。腦梗死超急性期，腦血流灌注不足，線粒體能量代謝障礙引起乳酸堆積及CO2排出受阻等一系列變化最終導致pH降低；ATP合成降低，Na+-K+泵衰竭，引發(fā)細胞高滲狀態(tài)，神經(jīng)細胞、膠質(zhì)細胞腫脹。梗死進一步進展，急性期，血腦屏障受損，毛細血管通透性升高，細胞水腫進一步加重，神經(jīng)細胞開始發(fā)生壞死。而亞急性期及慢性期，壞死組織逐漸吸收，膠質(zhì)細胞增生，此外由于緩沖機制的改變，梗死區(qū)域酸中毒開始逐漸向堿中毒轉(zhuǎn)化。

2 MRS在腦梗死的應用

MRS可以無創(chuàng)地獲得許多細胞內(nèi)代謝物濃度變化并進行體內(nèi)測定，并基于這些代謝物的水平分析組織代謝狀態(tài)。腦梗死發(fā)生早期即可出現(xiàn)乳酸聚集等代謝變化，而MRS對這種代謝改變敏感性很高，可以早期檢出梗死區(qū)域代謝物濃度變化。

腦梗死導致細胞密度顯著下降，死亡的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞被巨噬細胞吞噬、清除，梗死區(qū)域被水腫、星形膠質(zhì)細胞和新的神經(jīng)膠質(zhì)細胞填充，導致N-乙酰天門冬氨酸(N-acetylaspartate，NAA)、膽堿(choline，Cho)降低，乳酸(lactate，Lac)增加[6]。

3 APT成像

雖然MRS已被用于評估腦卒中期間腦組織的pH。然而，由于其空間和時間分辨率低，實際適用性受到限制。而溶質(zhì)質(zhì)子和水質(zhì)子之間的化學交換速率也取決于多種物理化學因素，如pH和溫度[7]。因此，需要一種新型的成像技術方法來評估腦梗死期間的pH變化。

由于蛋白質(zhì)中酰胺的化學交換是堿催化的，因此，pH降低導致酰胺質(zhì)子的交換速率降低，進而引發(fā)缺血組織的APT MRI對比度降低[8-9]。與梗死區(qū)周圍的低灌注區(qū)域相比，缺血核心可顯示APTw顯著降低[10]。因此，組織pH可以作為潛在的替代生物學標志物，以反映缺血期間的代謝狀態(tài)和病情進展。因此，APT的內(nèi)在性質(zhì)，即pH敏感性及提供有關蛋白質(zhì)含量的信息可用于同時評估早期缺血期間的pH變化。

3.1 成像原理

3.1.1 化學交換飽和轉(zhuǎn)移成像

化學交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer，CEST)是一種新型的磁共振分子成像方法，衍生于磁化傳遞(magnetization transfer，MT)技術[11]。通過對內(nèi)源性或外源性特定物質(zhì)施加飽和脈沖(radiofrequence，RF)進行選擇性預飽和，飽和氫質(zhì)子與自由水分子中的氫質(zhì)子進行交換，引起自由水信號的衰減[12-13]。該信號衰減程度與具有可交換質(zhì)子的化合物的量成比例，可以間接測量組織代謝物濃度以及影響交換率的組織物理化學特性，提高分子的檢測靈敏度[12，14]。事實上，CEST已被證明能夠檢測大量生物分子，包括谷氨酸、糖原、葡萄糖、糖胺聚糖、酯酶、基因表達以及pH等[1]。

3.1.2 APT成像

APT成像技術是CEST成像技術的一個分支，其主要基于游離細胞蛋白和多肽鏈上的酰胺質(zhì)子產(chǎn)生圖像對比度[12，15]。在APT成像中，多肽鏈和蛋白質(zhì)中的飽和酰胺質(zhì)子與游離水質(zhì)子交換，使得游離水部分飽和。Zhou等[16]通過施加不同頻率RF獲得曲線，即Z-光譜，將大量自由水信號的峰值定義為0，酰胺質(zhì)子峰位于距離水峰約+3.5 ppm處。在+3.5 ppm處施加射頻脈沖，飽和酰胺質(zhì)子與游離水質(zhì)子交換，結(jié)果引起該處水信號的衰減，這即為APT效應。其評估通常以Z-光譜水峰兩側(cè)±3.5 ppm處磁化傳遞轉(zhuǎn)移率(magnetization transfer rate，MTR)的差值來計算，即：

ΔMTRasym(3.5 ppm)=MTRasym(+3.5 ppm)-MTRasym(-3.5 ppm)

考慮到核奧氏效應(nuclear overhauser effect，NOE)[17]等的影響，通常將ΔMTRasym稱作APT加權(APTw)圖像。

既往多針對Zhou等[18]提出的雙池交換模型來計算，而Tee等[19]通過三池交換模型提出新的計算方法，即：

APTR*=[Sw(3.5 ppm)-Sw+a(3.5 ppm)]/MW0

其中S表示使用擬合模型參數(shù)3.5 ppm下的模擬信號，下標w和w+a表示水池以及水和酰胺池，MW0是擬合的不飽和信號。用于數(shù)據(jù)擬合的三池交換模型是水，酰胺和不對稱磁化傳遞。第三個池代表在負頻偏處觀察到的飽和效應與常規(guī)磁化傳遞的組合。

與傳統(tǒng)的APTR不同，APTR*基于酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移Z-光譜的模型分析，控制B0不均勻性、T1和T2的影響，不依賴于水共振相反部位飽和頻率的數(shù)據(jù)作為參考，避免了與pH無關的可能信號變化(例如B0不均勻性)[20]。在健康者和急性卒中患者中，發(fā)現(xiàn)APTR*比APTR更均一，在缺血組織和正常組織之間產(chǎn)生更好的對比噪聲比[19]。

3.2 APT成像對腦梗死的研究

3.2.1 APT成像早期顯示腦缺血及其范圍

腦梗死發(fā)生時，乳酸濃度增加，pH下降，飽和酰胺和水之間的質(zhì)子交換速率降低。相反，如果pH增加，飽和酰胺和水之間的質(zhì)子交換速率將增加。Zhou等[21]一項針對7只大腦中動脈閉塞的大鼠模型的研究首次證實了缺血組織存在APT效應。他們發(fā)現(xiàn)pH降低引起酰胺質(zhì)子與水中氫質(zhì)子交換速率減慢，死亡大鼠腦中MTRasym(3.5 ppm)降低。結(jié)合31P光譜對pH進行評估(活體pH值為7.11，死亡后約為6.66)，他們將全腦缺血模型中APTR的變化校準為：APTR=5.73×10pH-9.4，發(fā)現(xiàn)梗死區(qū)平均pH值約為6.52±0.32，而正常腦組織平均PH值約為7.0～7.4，這與組織學染色最終結(jié)果相吻合。

Sun等[22]對21只永久性大腦中動脈閉塞的大鼠進行MRI。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腦中動脈供血區(qū)血流灌注減低區(qū)在T1WI、T2WI及ADC未見明顯變化時即可出現(xiàn)pH的變化。此外，他們發(fā)現(xiàn)3 h內(nèi)pH發(fā)生變化的區(qū)域于24 h無明顯變化，而PWI及ADC變化明顯，說明APT可以精確預測缺血半暗帶的范圍，其中APT-DWI不匹配區(qū)為缺血半暗帶(ischemic penumbra，IP)，APT-PWI不匹配區(qū)為良性灌注不足區(qū)。

Harston等[8]將梗死區(qū)域劃分為梗死核心區(qū)、梗死進展區(qū)、良性灌注不足區(qū)、彌散假正常區(qū)及影像恢復區(qū)，對12例急性梗死(＜24 h)患者進行APT成像發(fā)現(xiàn)梗死核心區(qū)(0.86±0.11)、梗死進展區(qū)(0.92±0.11)以及良性灌注不足區(qū)(0.97±0.11)較對側(cè)正常腦組織APT信號減低，且其酸中毒程度逐漸減低。由于急性梗死期間的MTR和弛豫變化相對較小，Guo等[23]提出磁化轉(zhuǎn)移和弛豫標準化APT (MRAPT)分析，與常規(guī)MRI相輔相成，精確劃分代謝變化區(qū)域。其研究也表明梗死核心酸中毒最嚴重(-1.05±0.29)%/s，缺血半暗帶存在中度酸中毒(-0.67±0.27)%/s，而良性灌注不足區(qū)的pH變化很小(-0.04±0.14)%/s，與Harston等[8]研究結(jié)果一致。

Tietze等[10]應用APT技術對超急性梗死患者(癥狀發(fā)作后1～4.5 h)進行評估，并在約30 d時進行隨訪，以確定最終梗死體積，結(jié)果表明腦梗死患者梗死區(qū)APT信號較對側(cè)正常白質(zhì)及健康對照組明顯降低，且其范圍與最終梗死范圍一致，表明APT能夠正確預測急性缺血性卒中患者最終梗死體積。

3.2.2 腦梗死APT的演變

既往，APT相關研究很少關注腦梗死各個時期的pH動態(tài)變化。Song等[24]按發(fā)病時間(2 h～7 d)將39例腦梗死分為4組(超急性期、急性期、亞急性早期、亞急性晚期)，并定量測量梗死區(qū)及對側(cè)正常白質(zhì)APT信號值，結(jié)果表明梗死后腦組織可能發(fā)生持續(xù)的酸中毒，隨著發(fā)病時間的增加，酸中毒會逐漸減輕。該研究系統(tǒng)地描述了不同階段腦梗死的APT信號特征，并研究其隨時間的動態(tài)變化，可能有助于了解缺血組織的進展情況。張帥等[25]同樣關注腦梗死各個時期APT信號值的變化，不同的是其增加了慢性期梗死患者，并發(fā)現(xiàn)在亞急性期和慢性期MTRasym值增加，可能是腦組織由酸中毒逐漸向堿中毒轉(zhuǎn)化，有關MRS的研究也證實了這一點[26-27]。

3.2.3 APT成像評估預后

近期，Park等[28]針對大鼠瞬時大腦中動脈閉塞模型與永久性閉塞模型進行缺血后再灌注研究，分別對閉塞時、閉塞后1 h再灌注、閉塞后3 h再灌注與閉塞后4 h再灌注進行APTw、ADC、腦血流量(cerebral blood flow，CBF)和MR光譜的評估，并分析APTw與乳酸濃度之間的關系，結(jié)果顯示閉塞后再灌注時APTw值顯著增加，酸中毒面積明顯減小，APTw值與乳酸濃度呈負相關，表明APT是一種pH加權成像技術，可顯示再灌注治療后組織代謝和缺血的逆轉(zhuǎn)。

有研究表明APT成像可作為評估腦梗死患者嚴重程度和預后的有效技術方法。Lin等[29]根據(jù)90 d改良Rankin量表(mRS)評分將55例急性梗死(24～48 h)患者分為預后良好組(mRS評分＜2)與預后不良組(mRS評分≥2)，發(fā)現(xiàn)APTWmax-min(表明APT異質(zhì)性)在兩組之間顯著不同。因此，梗死區(qū)APT信號的異質(zhì)性可作為預測預后的生物標志物。最近，Yu等[30]對腦梗死患者進行支持治療前后的APT信號值進行評估，發(fā)現(xiàn)所有治療有效的患者APT信號值顯著增加，提示與臨床癥狀改善相關，說明APT可用于評估缺血性卒中的治療療效。

3.2.4 APT成像鑒別出血與缺血性梗死

Wang等[31]應用APT技術對誘導出血與缺血的大鼠模型成像，以對超急性期缺血與出血進行鑒別，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超急性出血始終存在APT高信號，與缺血的低信號形成明顯對比。在超急性出血中，血管破裂后的血腫由一系列紅細胞、白細胞、血小板和富含白蛋白的血清組成。因此超急性出血APT高信號反映了豐富的游離蛋白和多肽的存在。

4 局限與展望

APT成像因為受到一些技術層面的限制并未廣泛應用于臨床，而高場強的APT成像目前僅限于動物和實驗模型。因此，廣泛應用APT成像關鍵是優(yōu)化掃描序列參數(shù)、減少運動及及腦脊液偽影、提高掃描速度以及優(yōu)化成像算法[32-33]。

從技術角度來看，B0不均勻性仍然是APT成像的關鍵問題。APT信號通常通過相對于水峰±3.5 ppm的信號強度之間的MTR不對稱性分析來測量。因此，APT的成像質(zhì)量很大程度上取決于B0的均勻性，因為這會影響水共振位置。目前，已有將3D多層成像應用于APT技術，與既往2D成像相比，SNR明顯提高[34]。

綜上，腦梗死的演變伴隨著腦內(nèi)代謝物的變化，與病理生理變化互相影響。APT成像技術可以在不同程度詮釋腦梗死的代謝變化，更全面、深入了解缺血腦組織的化學環(huán)境及病理生理改變。隨著技術的不斷成熟，APT技術或許會為腦梗死的早期診斷、病情監(jiān)控與治療決策提供更豐富的信息。

利益沖突：無。