化学交换饱和转移在中枢神经系统中的应用进展

陈婧 陈杰*

化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer，CEST）技术是由磁化传递技术发展而来的一种新的MRI技术，由Ward等[1]在2000年首先报道。CEST技术能够间接检测具有可交换质子的分子，其检测能力可达到纳摩尔级甚至微摩尔级[2]。目前CEST已用于蛋白质、葡萄糖、谷氨酸等生物大分子物质的检测。本文旨在阐述CEST的基本原理及其在中枢神经系统中的应用进展，并探讨该技术目前面临的制约因素及发展前景。

1 CEST的基本原理

化学交换是化合物之间进行物质交换的一个动态过程。CEST中的化学交换是指化合物的可交换氢质子与水中的氢质子发生空间位置的交换[3]。经典的CEST两池交换模型中，溶剂池代表自由水池，溶质池代表具有可交换质子的大分子池。溶质池中的氢质子在饱和脉冲作用下达到饱和状态。饱和的可交换氢质子经化学交换转移到自由水池，导致自由水信号降低。通过检测自由水信号的变化，间接获取具有可交换质子的溶质信息。观察低浓度溶质引起的自由水信号变化须满足2个重要的前提条件[4]：①溶剂和溶质之间的固有频率差值（Δω）必须大于化学交换速率 （kex），Δω越大，CEST分辨率越高；②饱和脉冲持续时间足够长。

CEST分析最常用的度量标准是非对称磁化转移率（magnetization transfer asymmetry，MTRasym）。 计算公式：MTRasym（Δω）＝ [Ssat（-Δω）-Ssat（Δω）]/S0[5]；其中，Δω为可交换质子与自由水质子之间的固有频率差值，S0为未饱和的自由水信号，Ssat为饱和后的自由水信号。将标准化的自由水信号（Ssat/S0）与饱和脉冲频率差的函数绘制直观的曲线图，获得Z谱。基于Z谱的谱线特征，可以进一步了解溶质池中生物大分子的交换特性。

机体内代谢物质成分复杂，不仅存在半固态池的磁化传递（magnetization transfer，MT）效应，还存在脂肪族/烯类或芳香族等基团的核奥氏增强（nuclear Overhauser enhancement，NOE）效应[6]。 所谓的NOE效应是指脂肪族/烯类或芳香族等基团的不可交换质子通过偶极耦合效应将饱和能力传递给邻近的自由水质子或可交换质子。据此研究者对MTRasym计算公式进行了调整，即MTRasym（Δω）＝（Δω）＋（Δω）[7]；其 中分别为 CEST、NOE 效应和MT效应引起的非对称磁化转移率。此外，CEST MRI还受其他诸多因素的影响，如场强、振幅、酸碱度和温度等。因此，在进行CEST分析时，必须综合考虑上述因素的影响。

2CEST对比剂

CEST对比剂根据来源不同可分为外源性和内源性对比剂。

2.1 外源性对比剂 分为顺磁性CEST（paramag netic CEST，PARACEST）和反磁性 CEST（diamagnetic CEST，DIACEST）对比剂。PARACEST对比剂通常由镧系元素合成，与体内水质子化学交换产生CEST对比，可用于辅助检测选择性依赖的生物标志物，如监测组织内葡萄糖分布的大环配体葡萄糖化合物。DIACEST对比剂是具有可交换质子但不需要顺磁性金属离子来产生对比度的试剂，包括糖类、氨基酸、阳离子聚合物等，主要用于细胞标记、目标基因追踪等方面[8-9]。外源性CEST对比剂目前多用于动物实验研究，其潜在毒性及安全剂量是临床应用受限的主要原因。

2.2 内源性对比剂 是指含有酰胺（-NH）、胺（-NH2）、羟基（-OH）等基团的一类内源性代谢物，其利用人体内的天然物质成分实现CEST成像[10]。内源性对比剂具有无创性、无毒性等优点。现有的研究越来越多地利用内源性对比剂检测人体内代谢物质变化，例如酰胺质子转移（amide proton transfer，APT）成像[11]、葡萄糖 CEST 成像[12]、谷氨酸CEST 成像[13]等。

3 CEST在中枢神经系统的应用

CEST用在中枢神经系统主要针对脑肿瘤、脑梗死、脑损伤、神经退行性疾病等，通过检测酰胺、葡萄糖、谷氨酸、肌酸（creatine，Cr）等可交换质子，可以无创性了解中枢神经系统疾病早期代谢的变化，达到早期诊断及疗效检测的效果。

3.1 APT成像

3.1.1 脑肿瘤 研究证实酰胺可作为检测脑肿瘤、术前分级、评估疗效和预测预后的可靠生物标志物。APT技术通过检测组织中酰胺质子浓度的变化，间接反映组织内蛋白质含量的变化[11]。脑肿瘤生长时组织代谢水平升高，产生更多的蛋白质。肿瘤恶性程度越高，酰胺质子浓度越高。Togao等[14]分析了36例成人弥漫性胶质瘤的APT成像差异，结果显示弥漫性胶质瘤WHO分级与APT信号呈正相关，高级别胶质瘤的APT信号高于低级别胶质瘤，证实了APT成像在预测胶质瘤组织学分级方面的临床应用价值。

准确区分脑肿瘤复发和治疗后继发改变对脑肿瘤病人至关重要，常规MR技术具有一定的局限性[15]。Park等[16]研究显示APT成像有助于鉴别肿瘤复发与治疗后相关改变。脑肿瘤复发时处于活性增殖状态，组织中酰胺浓度升高，APT信号明显高于治疗后继发改变；APT成像鉴别肿瘤进展与治疗后继发改变的诊断准确度（89%～90%）明显高于磁共振波谱（MRS）（60%）。

APT成像还有助于鉴别原发性中枢神经系统恶性淋巴瘤 （primary central nervous system lymphoma，PCNSL）与高级别胶质瘤。PCNSL有较高的细胞核-细胞质比，较少的细胞质内蛋白。PCNSL的最大APT加权信号显著低于高级别胶质瘤，并且PCNSL最大和最小APT加权信号之间的差异显著低于高级别胶质瘤[17]。

3.1.2 脑血管病 APT能够无创地检测缺血性卒中后脑组织的pH值变化[18]。脑缺血会引起细胞内三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）水解增加，pH值降低，进一步引起酰胺质子交换率降低，在一定程度上导致APT信号降低。Sun等[19]夹闭大鼠大脑中动脉后发现脑缺血区APT信号低于正常脑组织，pH加权成像（pHWI）将PWI-DWI失配区细分为酸中毒和非酸中毒区域。pHWI-DWI失配区（酸中毒区）与缺血半暗带匹配度更高。在脑缺血的过程中，组织细胞温度的降低以及组织水肿的发生都会对组织pH值产生影响。然而，出血性脑梗死区域在APT上呈高信号，与缺血性脑梗死区域的低信号形成明显的对比，这可能是由于新生血肿中存在丰富的红细胞、血浆蛋白和肽[20]。根据APT信号的高低可以准确鉴别出血性和缺血性脑梗死。

3.1.3 中枢神经退行性疾病 Li等[21]发现帕金森病（Parkinson’s disease，PD） 病人黑质 APT 信号随 PD进展呈明显下降趋势，这可能与黑质中多巴胺神经元的缺失有关。与健康志愿者相比，PD病人黑质APT信号显著降低，且晚期PD病人的黑质APT信号明显低于早期PD病人。上述结果表明APT成像有助于早期诊断PD以及评估PD疾病的严重程度，为神经退行性疾病的研究提供了一个全新的思路。

3.2 NOE效应 Ling等[22]最早发现了-3.5ppm（ppm表示10-6）的NOE信号，并推测其可以成为一种新的对比成像技术。Zhou等[11]通过比较大鼠脑肿瘤模型的APT和NOE信号发现，在4.7 T的场强下NOE效应在较低射频饱和功率（例如0.6 μT）下最大，肿瘤组织的NOE信号低于对侧正常脑组织；而APT成像在相对较高的射频饱和功率下（例如2.1 μT）达到最大，肿瘤组织的APT信号高于对侧正常脑组织。

NOE效应的信号来源主要包括可交换的多肽、脂类和其他相关代谢物。Shen等[23]对11例脑肿瘤病人 （6例胶质瘤，5例脑膜瘤）NOE效应的分析结果表明，胶质瘤NOE信号较对侧正常脑白质低，而脑膜瘤NOE信号与对侧正常脑白质无明显差异。两者之间NOE效应的差异可能是由于恶性肿瘤中出现囊变、坏死较多，其含水量较正常脑组织升高，蛋白质浓度降低所致。

最近的研究[24]发现以-1.6ppm为中心的NOE效应也能清楚地区分肿瘤与对侧正常脑组织，为NOE成像研究提供了一种新的分子成像对比度。

3.3 葡萄糖及其衍生物CEST成像 肿瘤组织生长过程中需要摄入更多的葡萄糖，从而为肿瘤细胞的增殖提供足够的能量。D-葡萄糖及其类似物（如3-O-甲基-D-葡萄糖；3-O-methyl-D-glucose，3-OMG）可作为外源性CEST对比剂进行葡萄糖CEST（glucose CEST，glucoCEST）成像，检测肿瘤中葡萄糖摄取及代谢的情况。Xu等[25]对3例脑胶质瘤病人注射天然D-葡萄糖进行动态葡萄糖增强（dynamic glucose enhanced，DGE）成像。DGE成像可以提供肿瘤的灌注特性以及葡萄糖通过血脑屏障和细胞膜的转运和代谢信息。DGE和传统钆增强成像的强化区域存在空间上的差异，DGE成像在肿瘤外侧边缘的信号增加约5%，表明这两种类型的试剂在反映肿瘤特征方面能够互补。Sehgal等[12]对胶质瘤小鼠模型静脉注射3-OMG进行glucoCEST成像，结果显示肿瘤区域的glucoCEST对比强化范围为2.5%～5.0%，约是注射D-葡萄糖（1.5%～3.0%）的2倍。造成这种差异的原因可能是由于3-OMG与小鼠大脑中己糖载体（即葡萄糖转运蛋白）的亲和力比D-葡萄糖更高，并且能与葡萄糖竞争这些载体。葡萄糖及其衍生物的glucoCEST与器官中游离葡萄糖的含量密切相关。细胞内葡萄糖的代谢水平及胰岛素的水平均会降低血液中的游离葡萄糖，从而间接影响glucoCEST信号。

3.4 CrCEST成像 Cr是肌酸激酶的主要产物之一，与磷酸肌酸相互转换的过程中可以调节磷酸基团的储存与释放，参与ATP的生成与释放，因此Cr水平的变化可作为评价组织能量代谢的一个有用指标。CrCEST成像是一种新兴的用于测量组织内Cr含量的分子成像方法，能够弥补常规MRS测量Cr时低空间分辨率和较长采集时间的缺点，其已初步用于癫、脑肿瘤方面的研究。

癫 发作时，大脑组织处于高能量需求状态，磷酸肌酸快速向Cr转换，脑内Cr含量升高，磷酸基团被大量释放，加速了ATP的生成。Lee等[26]通过注射红藻氨酸（kainic acid，KA）诱导大鼠癫发作，并利用CrCEST成像测量大鼠海马信号的变化，结果发现注射KA前后CrCEST信号有显著差异（注射后3 h增加9.8%±0.8%，5 h增加8.5%±1.2%）。CrCEST可以作为诊断和评估癫预后的潜在工具。

Cai等[27]构建了不同侵袭性的胶质瘤动物模型，并比较肿瘤CrCEST信号的差异，结果显示随着肿瘤不断生长，CrCEST信号均存在不同程度的降低，且高侵袭性胶质瘤CrCEST信号降低更显著，这可能是由于Cr激酶的活性随着肿瘤恶性程度的增加而减弱导致Cr含量明显下降所致。肿瘤中Cr浓度的变化是一个复杂的过程，组织细胞类型不同以及细胞组成不同都会影响Cr水平。Cr水平与肿瘤恶性程度之间的关系已成为研究的热点。

3.5 谷氨酸、γ-氨基丁酸CEST成像 谷氨酸、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）是脑内主要的兴奋性和抑制性神经递质，其在脑内的浓度变化与脑损伤、癫等神经疾病密切相关。

为 了 验 证 谷 氨 酸 CEST （glutamate CEST，GluCEST）成像在弥漫性轴索损伤（diffuse axonal injury，DAI）早期诊断中的价值，Chen 等[28]对大鼠 DAI模型的扩散峰度成像和GluCEST成像进行对比研究，结果发现大鼠顶叶、海马和丘脑的平均峰度值显著高于对照组，而GluCEST信号在同样位置也显著高于对照组。GluCEST信号的改变可能与DAI引发的大脑微观结构和神经化学变化密切相关。

当脑内线粒体损伤或代谢异常时，神经胶质元内谷氨酸含量升高，诱发以癫为特征的高兴奋状态。Davis等[13]对4例非病变性癫病人进行GluCEST成像，发现致侧海马的谷氨酸浓度高于对侧海马，并且GluCEST成像反映的异常信号部位与颅内脑电图评估的癫发作部位一致。

目前关于GABA CEST成像的研究较少，相关技术还有待进一步成熟。Yan等[29]研究建立大鼠脑肿瘤模型，并注射不同浓度GABA溶液进行GABA CEST成像，结果显示GABA CEST信号与GABA体外浓度成正比，证明用CEST成像检测GABA变化的可行性和潜力，为今后检测体内GABA浓度奠定了基础。

4 不足与展望

CEST是一种极具发展前景的分子成像技术，不仅可以通过引入外源性CEST对比剂提高成像的敏感性和特异性，还可以利用活体自身代谢产物进行内源性CEST成像，已成为目前无创性活体代谢成像的研究热点。然而，目前CEST成像技术仍然受到很多制约因素的影响。首先，CEST成像对场强要求较高，在高场强的条件下才能获得足够的CEST对比度；其次，CEST成像时间过长，导致扫描范围局限，且极易受周围环境因素的影响；最后，很多活体内代谢物质的饱和频率非常接近，很容易产生相互交叉饱和的影响，影响了CEST的特异性。

随着研究的深入，CEST在中枢神经系统疾病的应用领域将进一步拓展，在疾病诊断、疗效评价，甚至分子机制研究方面发挥重要作用。