磁共振波谱成像在脑胶质瘤评估中的应用

金雷

复旦大学附属华山医院神经外科，上海 200040

脑胶质瘤是中枢神经系统中常见肿瘤， 近年的文献报道，在恶性脑肿瘤中，胶质瘤的比例达到了77%。 世界卫生组织（WHO）根据每个类型胶质瘤的病理特征所代表的恶性程度将其分为I～IV 级。 病理结果是脑肿瘤诊断的金标准，需要通过手术穿刺，得到病理结果后才能完成诊断。 然而，手术往往存在风险，尤其是开颅手术，由于肿瘤的等级及其位置的不同，偶尔会出现一些并发症[1]。 而今，磁共振影像技术的日渐成熟， 给胶质瘤的分级带来了影像学上的突破， 胶质细胞所伴随的一些活体组织代谢物为其分级的影像诊断带来重要的帮助， 因此磁共振波普成像（MRS）在临床上已被广泛运用[2]。

1.磁共振波普成像（MRS）

“健康”的活体组织代谢物是相对稳定的。磁共振波普成像（MRS）所提供是不同频率下的可见信号强度影像（图1）。不同代谢物的质子信号可以通过MR 频谱下出现不同的频率从而产生峰值。质子所受到的屏蔽作用在各种有机分子中的程度不同，从而导致的磁共振谱上所产生的吸收峰位置不同的现象，被称为化学位移。 各个代谢物信号的分子位移数值都有其独有的特征。 另外，每个代谢物的浓度与其相应的信号幅度有着密不可分的关系。

人脑是一个极度复杂的结构， 它包含了大量不同的代谢物， 而其中能通过影像技术表现出来的仅有一小部分。标准的脑质子磁共振波普成像（MRS）可以表达的代谢物包括N-乙酰天门冬氨酸 （NAA）、 伽马氨基丁酸（GABA）、胆碱（Cho）、肌酸（Cr）、甘氨酸（Gly）、肌醇（mIns）、磷酸肌酸（PCr）、组氨酸（His）、乳酸盐（Lac）以及脂类（Lip）等。 然而，通常只有其中极少数的一些在临床磁共振波普成像（MRS）用于诊断胶质瘤上具有代表性，它们是NAA,Cho，Cr，mIns，Lac 和Lip，见表1。

表1 在MRS 用于诊断胶质瘤上具有代表性的代谢物

结果显示， 常见的具有代表性的代谢物浓度以及比值相较健康脑组织在不同等级的胶质瘤中的变化（0 表示没有明显改变；+/++/+++表示小幅升高、升高、大幅升高；-/--/---表示小幅降低、 降低、 大幅降低；* 表示存在坏死）。

2 胶质瘤的分级

脑作为一个由不同成分构成的器官， 它的每一个部位都有着不同结构与功能。 因此，在普通的“健康”人群中，由于年龄的不同、地域的不同也能够导致大脑中代谢物浓度的不同。 所以，在大部分病例中，磁共振波普成像（MRS） 所用来比较的敏感性及特殊性并不是代谢物的绝对浓度，而是它们的相比值（例如Cho/Cr 或NAA/Cr 的比值）[3]。

2.1 WHO I 级胶质瘤

I 级胶质瘤的神经胶质病变增殖能力低且受限（例如毛细胞星形细胞瘤），通常可以通过手术完全治愈。 之前文献所报道的毛细星形细胞瘤在磁共振波普成像（MRS）上的表现为Cho/NAA 以及Cho/Cr 比值的升高[4]，而在提取肿瘤的试管内同样发现了Cho/NAA 的升高[4]。 然而，毛细星形细胞瘤的tCho 的高数值并不能反映其恶性程度。实验证明，无论在活体还是试管内，GPCho 都是毛细星形细胞瘤Cho 代谢物的主要成分， 而能够证明肿瘤恶性程度的生物指标：PCho 相对都是较低的[5]。 文献指出生长在不同脑区的毛细星形细胞瘤的Cr 浓度并没有明显区别。由于Cr 数值的相对稳定性，不少研究[6]都将其他的代谢物数值与Cr 的比值作为判断胶质瘤诊断的重要因素。 Hattingen 等[6]指出在低级别胶质瘤中，Cr 数值的上升与胶质细胞对浸润生长的肿瘤细胞的反应成正相关。 由于毛细星形细胞瘤是浸润性差的、生长受限的肿瘤，所以磁共振波普成像（MRS）所测的Cr 数值相较于II 级胶质瘤较低。就其他代谢物指标来说， I 级胶质瘤伴随着高数值的mIns。 从组织病理学的角度来说，I 级胶质瘤很少出现坏死，所以也只有少数研究侦测到了Lac 信号[4]。

2.2 WHO II 级胶质瘤

普遍来说II 级胶质瘤拥有浸润性的生长。 因为新生血管的原因， 可以通过比较平扫与增强磁共振探查到肿瘤的存在[7]。 尽管II 级胶质瘤的增生不明显，但由于周围细胞弥漫浸润的生长， 通常即便实施肿瘤切除术后依然会复发， 高剂量的放射治疗对肿瘤的控制与改善也并不明显[8]。 虽然II 级胶质瘤被认为是低级别胶质瘤，但它们往往有向更恶性的高级别胶质瘤的趋势，这是与I 级胶质瘤区别开的最重要的原因，据统计，有70%的II 级胶质瘤会在诊断后的5～10 年内变为III 级或IV 级[8]。

正由于II 级胶质瘤具有侵犯脑实质的能力， 导致神经元被移位或破坏[9]。NAA 是反应神经系统中组织完整性的代谢物，因此，在II 级胶质瘤中我们可以通过磁共振波普成像（MRS）看到NAA 峰值的下降。 相较I 级胶质瘤，II级胶质瘤NAA 浓度有明显的下降。 通常情况下， 由于浸润性的生长， 肿瘤细胞密度更高胶质瘤的Cho 化合物在磁共振波普成像（MRS）中有更高的数值，然而，因为胶质物的质量效应是可变的，并且在MR 图像上无法做明确的对比， 所以II 级胶质瘤的Cho 峰值以及Cho/Cr 比值相较正常脑组织并没有升高。 在一些胶质瘤中，这样不寻常的表现会伴随着mIns 的升高[9]。肿瘤的增殖指标Ki-67 以及Cho 和NAA 数值的相关性是磁共振波普成像（MRS）在用于发现II 级胶质瘤生长更为合适的活体指标[10]。 代谢物Cr 在II 级胶质瘤中具有较好的预后意义，Cr 浓度是预测肿瘤生长以及恶性程度变化的重要指标。 当Cr 数值降低的时候，肿瘤的生长是缓慢的，恶性程度是较低的，相反Cr 升高时则必须引起重视。 总之，胶质瘤早期的生长在磁共振波普成像（MRS）中反映为含Cr 的化合物的浓度高于正常数值0.93[10]。

2.3 WHO III 级胶质瘤

WHO III 级的间变星形细胞瘤是较为常见的高级别胶质瘤，伴随着增生以及明显可见的细胞核异形[11]。 相较于低级别胶质瘤，细胞密度有着明显的升高，而III 级胶质瘤最显著的特征就是出现了核分裂。 从磁共振波普成像（MRS）上来看，相较于II 级胶质瘤而言，III 级胶质瘤的高细胞密度反映在了Cho 浓度的升高上。 间变性胶质瘤的组织病理学特点同样体现在了NAA 数值从肿瘤周边向中心区域的持续降低， 这与肿瘤组织造成的神经结构的退化与减少有着密不可分的关系[12]。与II 级胶质瘤相似的是，在III 级胶质瘤中总Cr 浓度同样是正常的，Cr 作为一个独立的数值似乎与肿瘤的进展没有关联[11]。间变星形细胞瘤相比低级别星形细胞瘤来说，mIns 则出现了下降的趋势。 Lip 和Lac 被认为是肿瘤恶性程度的指标， 虽然Lip 与组织病理中IV 级胶质瘤所伴随的细胞坏死有相关性，但是在III 级胶质瘤中已经可以观察到在坏死前的肿瘤细胞因低氧应激所而出现的非固定的脂质[11-12]。 供血量不足导致了低氧应激，因而造成了细胞的快速分裂，随之而来的便是恶性病变。 因此， 可以将磁共振波普成像（MRS） 中Lip 的升高当做恶性病变所引起坏死前的早起信号。

图1 胶质母细胞瘤以及正常脑组织在磁共振波普成像（MRS）中得出的不同波谱图Figure 1 Different spectrograms of glioblastoma and normal brain tissue obtained from magnetic resonance wave imaging (MRS)

2.4 WHO IV 级胶质瘤

胶质瘤中最恶性的属胶质母细胞瘤IV 级，肿瘤细胞增殖以及弥散与浸润都是无法被控制的。 尽管有大量的血管内皮增生，由于肿瘤提及的增大以及血栓的存在，导致了血供非常有限。IV 级胶质瘤相较III 级胶质瘤最重要的区别在于其高密度细胞区域内同时出现大面积的坏死[13]。

肿瘤细胞在低氧应激情况下会出现无氧糖酵解和血管新生的适应性反应，如若不然，细胞便会凋亡及坏死[13]。在磁共振波普成像（MRS）中，可以看到代表细胞分解和坏死的Lip 以及低氧代谢下无氧糖酵解所带来的Lac 信号。因此，如图1 所示，胶母在磁共振波普成像（MRS）中体现为Lac 和Lip 的高数值。由于胶母体积中坏死的部分往往能达到80%以上，Cho 以及其他代谢物的水平都要取决于依然存活的细胞[13]，这就导致了磁共振波普成像（MRS）中所观察到的Cho/NAA 和Cho/Cr 比值相较于III 级胶质瘤是降低的。Cho/NAA 指标大于2 并且Lac 和Lip 数值一并升高，代表其预后是很差的，因此，有着无氧糖酵解的高细胞密度区域是预测胶母病人生存能力的最好的参数[14]。胶质瘤等级的上升伴随着mIns 数值的下降， 所以胶母的mIns 是最低的。

3 局限性

虽然磁共振波普成像（MRS）是一种诊断胶质瘤及其等级的无创方法，但它也有一些局限性。 不同等级的肿瘤存在异质性，磁共振波普成像（MRS）所检测到的代谢物浓度可能会被其影响。 在技术上，MR 仪器运用的不同也会导致最终结果的差异。 代谢物的峰值也可能被不同磁场强度（1.5T-3.0T）的磁共振波普成像（MRS）机器所影响，尤其是含Cho 的化合物[15]。 我们知道磁共振波普成像（MRS）对不正常的代谢物浓度变化是十分敏感的，但特异性就相对较低。由于研究磁共振波普成像（MRS）诊断的准确率的文章并不多， 因此相较于其他诊断技术的优势并不是绝对的。

4 小结

磁共振波谱成像（MRS）可以为胶质瘤的分级诊断提供帮助。高浓度的NAA、低数值的Cho 会出现在低级别胶质瘤中， 且不会出现Lac 和Lip。 低级别胶质瘤的生长与恶性变化则伴随Cr 浓度的升高。 胶质瘤等级的提升会伴随着逐渐下降的NAA 和mIns， 而在上升到III 级的过程中，Cho 数值也会上升。 Lac 和Lip 通常会出现在IV 级胶质瘤中，偶尔出现在III 级，因此它们代表了肿瘤恶性程度的提升。 综上所述，磁共振波普成像（MRS）能够探测正常脑组织以及胶质瘤区域的代谢物， 对于胶质瘤等级的诊断提供了十分有效的帮助。