糖胺聚糖化学交换饱和转移成像对软骨成分的定量研究进展

杨佳伟 邵泓达 诸静其 汤光宇*

骨关节炎（osteoarthritis,OA）是以关节软骨进行性退变、软骨下骨硬化、骨赘形成和滑膜炎症为主要特点的常见慢性致残性疾病[1－2]。OA始于软骨退变，早期为软骨细胞外基质 （extracellular matrix，ECM）成分改变，包括蛋白聚糖（proteogl ycan，P G）分子 （主要成分为糖胺聚糖，glycosaminoglycan，GAG）丢失，纤维蛋白网被破坏，病情发展到晚期因疼痛、关节活动障碍严重影响病人生活质量。传统的OA影像诊断方法（X线、CT、形态学MRI）仅能显示其形态学改变，缺乏对OA超早期软骨生化成分的评估，所以传统影像检查发现软骨损伤时OA病情已较严重且不可逆。目前，对终末期OA除关节置换手术外尚无有效治疗手段，其早期治疗多为改善软骨生化成分的新型干预措施，例如新型OA药物、软骨细胞移植等。为监测这些治疗措施疗效，亟需特异且可定量的活体成像生物标记技术。糖胺聚糖化学交换饱和转移成像 （glycosaminoglycan chemical exchange saturation transfer,gagCEST）技术是目前最新的MR软骨成分定量技术，能实现对软骨ECM中PG/GAG成分无创、准确定量，在OA早期诊断和治疗监测方面具有良好应用前景。

1 GAG代谢与OA的发生

ECM是影响软骨生物力学特性的主要因素。ECM最主要成分为胶原纤维和PG。PG的组成包括1个核心蛋白质，以及与其相连的数个带负电荷的GAG和透明质酸。GAG吸附有大量Na+，Na+的高度集中产生的渗透压对周围水具有强大的吸引力，以此保证了软骨的黏弹性和抗压能力。研究[3]表明软骨基质中PG/GAG合成和降解的稳态平衡对维持软骨正常功能至关重要。软骨损伤的超早期阶段主要表现为胶原蛋白网络的松弛，表面和上半部分软骨基质中PG/GAG的丢失，而软骨PG/GAG成分损失后缺乏弹性胶原的网络更易受损，进而导致关节软骨进行性恶化。当PG/GAG的过度降解和丢失后将引发一系列链式反应，包括软骨胶原大量降解以及各种炎性因子（IL－1β及 TNFα）释放增加，相关PG降解酶（多聚蛋白聚糖酶、基质金属蛋白酶）活性增高，最终使得整个关节软骨结构稳态彻底被打破，导致关节软骨损伤和OA发生[3－4]。因此，对软骨基质PG/GAG成分的定量分析有助于OA早期诊断和疗效评估。

2 MR gagCEST成像技术原理及优势

2.1 技术原理 MR gagCEST技术是一种新型的GAG分子定量技术，主要是基于化学交换饱和转移原理，即在一定条件下人体组织中含氢大分子可与周围水分子中氢质子发生化学交换[5]，通过施加一个与待测分子频率相同的预饱和脉冲可使特定大分子中氢质子得到饱和，而饱和的高能氢质子会与周围水中的低能氢质子进行化学交换，使得一部分水中的氢质子饱和；再次常规扫描时由于饱和的水质子无法产生共振，因而无法采集到信号，通过测定预饱和脉冲前后水分子MR信号的变化，可以反映特定分子在人体内的含量。MRgagCEST成像即将特定的预饱和脉冲频率选择为GAG中－OH（偏移自由水氢质子 0.9ppm～1.9ppm，ppm 表示 10－6）频率，通过选择性饱和对应GAG羟基中氢质子，使其与周围低能水质子发生磁化交换转移，但由于直接测定的值含有其他影响因素，如直接水饱和效应及半固体常规磁化转移（ma gnetization tran sfer，MT）效应等，需用非对称分析公式计算出相应的非对称性磁化转移率（magnetization transfer asymmetry，MTRasym），其原理是假设不存在MRgagCEST效应，通过不同频率预饱和脉冲得到的z谱（Ssat/S0为关于饱和频率的函数，Ssat为预饱和后信号，S0为未饱和信号）应该在0ppm点左右对称 （即只由直接水饱和效应和半固体常规MT效应引起），但实际上由于CEST效应，z谱左右两边是非对称的，所以通过z谱中0点左右对称点的Ssat/S0差值即可反映MR gagCEST效应，相应公式为 MTRasym（Δω）=[Ssat（－Δω）－Ssat（Δω）/S0（Δω为与自由水氢质子饱和频率偏移值）。测量MTRasym值能准确反映软骨GAG含量，软骨GAG含量不同可形成高和低区域对比图像，即MR gagCEST 图像[5－6]。

2.2 优势 除MR gagCEST成像外，目前常用的软骨成分MRI定量技术还包括对比剂延迟增强软骨MR 成像（delayed gadolinium－enhanced MRIcartilage dGEMRIC）、 钠成像 （23Na－MRI）、MRIT1ρ成像（T1ρ）等。dGEMRIC是现在较为常用的GAG定量技术，其原理是利用软骨固定电荷密度间接测量软骨GAG含量[7－8]。注射对比剂后，软骨中GAG减少的区域对比剂富集，使对应部位的T1值缩短，依据T1值变化可间接测定软骨成分GAG含量。虽然dGEMRIC在软骨GAG测定上具有一定优势，但缺点也十分明显：①注射对比剂对肝脏、脑、肾等具有潜在毒性作用，故不适合肾功能不全病人[9]；②为保证对比剂在软骨表面均匀分布，扫描前需要较长的等待时间[10]。T1ρ成像也可用于GAG检测，其利用水分子与组织内大分子的相互作用进行T1ρ成像，可直接测定GAG含量，但特异性较低。有研究[11]显示T1ρ与GAG含量的相关性较弱，而且自旋锁预备脉冲的射频能量会有潜在灼伤组织的可能[12]。23Na－MRI在用于软骨GAG测定中，由于软骨中的钠离子紧紧吸附于带负电荷的GAG上且与其分布一致[13]，所以当软骨中PG（GAG）丢失时会释放出带正电荷的钠离子，因此23Na－MRI可间接评价GAG/PG的分布，但由于人体内钠浓度较低，很难产生充足的信号，同时它还需要较高的场强和特殊的线圈，限制了其临床应用[14]。相比之下，MRgagCEST技术能实现对软骨基质中GAG成分直接且准确定量，在关节软骨成分评价中存在先天优势，与dGEMRIC相比，其具有无创性、无需对比剂，且也不需要较长的等待时间，因此它的适用对象更为广泛。 与 MRIT1ρ、23Na－MRI相比，其特异性更好，图像质量也更适用于临床，目前已用于研究早期OA诊断和病情监测。

3 MR gagCEST在OA的临床应用

3.1 OA的超早期诊断 研究表明OA早期发病机制与软骨基质成分改变有关（如GAG减少），其远早于软骨形态结构改变，是超早期OA的特点[15]，因此有效检测关节软骨中GAG的含量有助于OA的超早期诊断。研究[16－19]证实MRgagCEST测量软骨GAG的含量具有高敏感性。Wei等[18]的研究显示dGEMRIC与MR gagCEST定量GAG呈中度相关（r=0.55），其与 Rehnitz等[20]的报道几乎相似。 Lee等[17]也报道了MR gagCEST成像MTRasym值与软骨GAG浓度具有高度相关性（r=0.963），证实了MR gagCEST对GAG含量定量的可靠性。同时，MR gagCEST可用于鉴别健康和受损软骨也得到了研究证实，如Brinkhof等[19]对8名健康志愿者和5例软骨受损病人的对比研究显示，软骨受损病人较健康志愿者平均MTRasym值低，MR gagCEST鉴别患病软骨的能力不逊于T2mapping、dGEMRIC，充分说明MR gagCEST可作为膝关节软骨生化成分的有效成像手段，可在超早期为膝关节OA诊断提供有用信息。研究[20]显示，随着年龄增加，正常关节软骨MR gagCESTMTRasym值也会降低，反映了关节软骨正常衰老过程伴随着的蛋白质聚糖丢失。Lee等[17]通过对22例膝关节疼痛病人的研究指出，MTRasym值与OA髌骨和股骨滑车区软骨损伤等级呈负相关（分别为r=-0.460和r=-0.543），与VAS疼痛得分也呈显著负相关（分别为r=-0.435和r=-0.671），且研究发现对于低级别软骨损伤和疼痛，gagCEST图像较传统MRI更加敏感。

3.2 软骨（软骨细胞）移植术后评估 目前，临床对OA疗效缺乏有效评估手段。传统形态学MRI并不能准确显示软骨损伤范围，而MRgagCEST通过对软骨生化成分的监测，为软骨修复后疗效评估提供了一种无创的检查手段。通过软骨GAG含量检测可对手术前、后软骨生物力学状态进行评估及监测（软骨损伤位置和范围），同时为软骨切除程度的手术决策或手术后手术疗效提供参考。Schmitt等[6]首次采用7.0 TMRI比较了12例膝关节软骨修复术病人手术前后变化，发现从膝关节正常软骨到修复后软骨MTRasym值和23Na-MRI信号值的变化呈高度一致性 （r=0.701），术后随访2年发现正常软骨MR gagCEST MTRasym值和23Na-MRI信号值均高于修复软骨，或将为临床软骨修复术后长期动态监测软骨质量提供一种新思路。Koller等[21]研究显示MRgagCESTMTRasym值有望作为一种有效的潜在生物标记用于监测膝关节软骨移植术后改变，特别是对毗邻病灶周围的软骨组织，其对于移植软骨成功植入至关重要。MR gagCEST上可见病灶周围的软骨组织与正常软骨有着显著区别，而它们在传统形态学MRI上的差异并不明显[22]，通过MRgagCEST测定毗邻病灶周围的软骨组织的MTRasym值可作为移植术成功与否的参数[23]。正常关节不同软骨区域的MTRasym值也不同，其可为软骨移植后不同软骨区域质量评估提供重要的参考，但不同场强下不同软骨区域的MTRasym值有待进一步验证。Schleich等[23]在 3.0 T场强采用MR gagCEST对 12名健康志愿者的测定发现髌骨区及滑车区软骨MTRasym值高于股骨内侧和胫骨平台侧软骨；而Schreiner等[24]在7.0 T场强下对10名健康志愿者的研究显示胫软骨、髌骨软骨及滑车软骨MTRasym值低于股骨软骨非负重区。髌骨区及滑车区软骨MTRasym值高于股骨内侧和胫骨平台侧软骨[23]，非负重软骨区 （胫软骨和髌骨软骨及滑车软骨）MTRasym值明显低于负重软骨（股骨软骨）[24]。

4 MR gagCEST目前存在的问题和挑战

4.1 较复杂的后处理 由于人体成分复杂，直接MRgagCEST测定值受干扰因素较多，如直接核奥氏效应、直接水饱和效应及半固体常规MT效应、组织代谢等，使得计算过程较为复杂[25]。年龄、性别、体质量指数、被检测物体的温度、酸碱度等可能是影响MRgagCEST检测的潜在因素[26-27]，今后可行进一步研究分析。

4.2 对磁场的不均匀性敏感 由于人体膝关节解剖复杂，其软骨结构薄而弯曲，故膝关节软骨中的静磁场是不均匀的。当主磁场不均匀性增大时，相对于水的0点频率的z谱会发生漂移，由于MTRasym值是基于与氢质子饱和频率（Ssat/S0）的差值，任何由局部主磁场不均引起的z谱微小变化都会影响MTRasym值测定[5，28]。所以，实际测定时常常需对B0进行校正，确保自由水中氢质子频率相较于z谱0点不出现偏移。常用的验证及校正磁场均匀性的方法有3种：①传统z谱法，即前期通过一系列固定间隔的预饱和脉冲频率偏移量获得整个z谱所需水质子的饱和率。然后，用高阶多项式拟合法评估并判断光谱中最低信号是否为自由水频率，评估主磁场均匀情况。但是，这种方法缺点较多，一是由于需要测定的预饱和脉冲频率较多，所用时间相对较长；另外，由于所绘制的z谱较宽，共振脉冲频率间隔较大，导致测得的自由水共振频率常不准确，对测定MR gagCEST效应影响较大。②水饱和移位（water saturation shift referencing，WASSR）校正法[29-30]，该方法被国际主流研究团队所推崇，2009年Kim等[29]首次提出，由于MRgagCEST技术的固有直接水饱和效应，特别是在低场强领域，直接水饱和效应会明显增加，从而影响GAG浓度量化的测定准确性，因此当常规z谱法显示主磁场不均时，用WASSR校正更为准确。其原理是通过先激发一个能量较低的预饱和射频脉冲，只引起直接水饱和效应，再根据常规固体MT效应和直接水饱和效应关于水频率的对称性，校正主磁场的不均匀性，由于只选取参考频率范围（+1ppm～－1ppm）进行部分z谱采样，大大增加了准确性，同时缩短总扫描时间。③改变采集多回波的脉冲序列进行校正，根据其相位差校正B0场强非均匀性[31－32]。通过调节饱和脉冲长度等参数的改进亦能减少磁场不均的影响[24]。

4.3 扫描时间长 由于在低场强中化学转移率较慢及前期需要对主磁场均匀性的校正，使扫描时间增加，长时间的扫描也增加了运动伪影产生的可能。但也有研究[33]证实合理调节MR gagCEST扫描参数（如适当增加分区数目和延长TR），可以有效减少扫描时间，提高信噪比，增加MTRasym值准确性，其为MRgagCEST技术未来在低场强中运用于临床诊断提供了新的方向。

4.4 3 T场强下CEST值易受到高T2值影响 有研究[20]表明，在3.0 TMRI中，如果T2值很高或生化成分改变明显将严重影响其结果，甚至会与7 T场强测量结果相反。当已知T1或T2值时，使用现有CEST校正算法进行修改，以最小化T2效应[34]，即有可能对T2效应进行校正。

5 小结

MRgagCEST技术是一种评估关节软骨质量的有效且无创的新方法，其不仅可用来检测由于退化损伤导致的软骨质量的纵向变化，而且可以客观测定软骨和软骨修复组织的生物化学成分，评价软骨修复术的疗效。由于3.0 T的MR gagCEST测量的MTRasym值较低且化学转移率较慢，影像信噪比差，受磁场不均影响较大，因此准确的MR gagCEST成像大多依靠7.0 TMR设备实现，但目前主要用于科研，尚未广泛用于临床。随着未来技术的进步，3.0 TMRgagCEST可能会真正广泛地服务于临床。