酰胺质子转移成像原理及其在动脉闭塞性脑梗死的研究进展

蒋玉涵，苗延巍，常佩佩，车艺玮

动脉闭塞性脑梗死具有高发病率、高致残率及高复发率，是导致患者死亡或功能障碍的主要病因之一[1]。脑动脉供血区血流灌注下降会引起一系列病理生理学改变，包括代谢及化学环境的改变[2]。然而，目前CT或MRI结构像，甚至灌注加权成像(perfusion-weighted imaging，PWI)和扩散加权成像(diffusion-weighted imaging，DWI)都难以显示脑梗死的酸碱代谢变化。

虽然磁共振波谱(magnetic resonance spectrum，MRS)可以检测脑代谢物的变化并测量组织pH值，但其空间和时间分辨率较低，应用受限。酰胺质子转移(amide proton transfer，APT)成像技术作为非侵入性成像方法可以检测脑代谢物的改变[3]，评估梗死后脑组织的代谢变化，明确缺血组织化学环境演变。本文就APT技术及其对脑梗死病理生理及代谢变化的研究进行综述。

1 脑梗死的病理生理及代谢变化

脑动脉发生狭窄或闭塞后，相应血流灌注压降低，进而会出现一系列病理生理学变化，其演变过程可以以如下流程图(图1)显示[4-5]。脑梗死超急性期，脑血流灌注不足，线粒体能量代谢障碍引起乳酸堆积及CO2排出受阻等一系列变化最终导致pH降低；ATP合成降低，Na+-K+泵衰竭，引发细胞高渗状态，神经细胞、胶质细胞肿胀。梗死进一步进展，急性期，血脑屏障受损，毛细血管通透性升高，细胞水肿进一步加重，神经细胞开始发生坏死。而亚急性期及慢性期，坏死组织逐渐吸收，胶质细胞增生，此外由于缓冲机制的改变，梗死区域酸中毒开始逐渐向碱中毒转化。

2 MRS在脑梗死的应用

MRS可以无创地获得许多细胞内代谢物浓度变化并进行体内测定，并基于这些代谢物的水平分析组织代谢状态。脑梗死发生早期即可出现乳酸聚集等代谢变化，而MRS对这种代谢改变敏感性很高，可以早期检出梗死区域代谢物浓度变化。

脑梗死导致细胞密度显著下降，死亡的神经元和神经胶质细胞被巨噬细胞吞噬、清除，梗死区域被水肿、星形胶质细胞和新的神经胶质细胞填充，导致N-乙酰天门冬氨酸(N-acetylaspartate，NAA)、胆碱(choline，Cho)降低，乳酸(lactate，Lac)增加[6]。

3 APT成像

虽然MRS已被用于评估脑卒中期间脑组织的pH。然而，由于其空间和时间分辨率低，实际适用性受到限制。而溶质质子和水质子之间的化学交换速率也取决于多种物理化学因素，如pH和温度[7]。因此，需要一种新型的成像技术方法来评估脑梗死期间的pH变化。

由于蛋白质中酰胺的化学交换是碱催化的，因此，pH降低导致酰胺质子的交换速率降低，进而引发缺血组织的APT MRI对比度降低[8-9]。与梗死区周围的低灌注区域相比，缺血核心可显示APTw显著降低[10]。因此，组织pH可以作为潜在的替代生物学标志物，以反映缺血期间的代谢状态和病情进展。因此，APT的内在性质，即pH敏感性及提供有关蛋白质含量的信息可用于同时评估早期缺血期间的pH变化。

3.1 成像原理

3.1.1 化学交换饱和转移成像

化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer，CEST)是一种新型的磁共振分子成像方法，衍生于磁化传递(magnetization transfer，MT)技术[11]。通过对内源性或外源性特定物质施加饱和脉冲(radiofrequence，RF)进行选择性预饱和，饱和氢质子与自由水分子中的氢质子进行交换，引起自由水信号的衰减[12-13]。该信号衰减程度与具有可交换质子的化合物的量成比例，可以间接测量组织代谢物浓度以及影响交换率的组织物理化学特性，提高分子的检测灵敏度[12，14]。事实上，CEST已被证明能够检测大量生物分子，包括谷氨酸、糖原、葡萄糖、糖胺聚糖、酯酶、基因表达以及pH等[1]。

3.1.2 APT成像

APT成像技术是CEST成像技术的一个分支，其主要基于游离细胞蛋白和多肽链上的酰胺质子产生图像对比度[12，15]。在APT成像中，多肽链和蛋白质中的饱和酰胺质子与游离水质子交换，使得游离水部分饱和。Zhou等[16]通过施加不同频率RF获得曲线，即Z-光谱，将大量自由水信号的峰值定义为0，酰胺质子峰位于距离水峰约+3.5 ppm处。在+3.5 ppm处施加射频脉冲，饱和酰胺质子与游离水质子交换，结果引起该处水信号的衰减，这即为APT效应。其评估通常以Z-光谱水峰两侧±3.5 ppm处磁化传递转移率(magnetization transfer rate，MTR)的差值来计算，即：

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

考虑到核奥氏效应(nuclear overhauser effect，NOE)[17]等的影响，通常将ΔMTRasym称作APT加权(APTw)图像。

既往多针对Zhou等[18]提出的双池交换模型来计算，而Tee等[19]通过三池交换模型提出新的计算方法，即：

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

其中S表示使用拟合模型参数3.5 ppm下的模拟信号，下标w和w+a表示水池以及水和酰胺池，MW0是拟合的不饱和信号。用于数据拟合的三池交换模型是水，酰胺和不对称磁化传递。第三个池代表在负频偏处观察到的饱和效应与常规磁化传递的组合。

与传统的APTR不同，APTR*基于酰胺质子转移Z-光谱的模型分析，控制B0不均匀性、T1和T2的影响，不依赖于水共振相反部位饱和频率的数据作为参考，避免了与pH无关的可能信号变化(例如B0不均匀性)[20]。在健康者和急性卒中患者中，发现APTR*比APTR更均一，在缺血组织和正常组织之间产生更好的对比噪声比[19]。

3.2 APT成像对脑梗死的研究

3.2.1 APT成像早期显示脑缺血及其范围

脑梗死发生时，乳酸浓度增加，pH下降，饱和酰胺和水之间的质子交换速率降低。相反，如果pH增加，饱和酰胺和水之间的质子交换速率将增加。Zhou等[21]一项针对7只大脑中动脉闭塞的大鼠模型的研究首次证实了缺血组织存在APT效应。他们发现pH降低引起酰胺质子与水中氢质子交换速率减慢，死亡大鼠脑中MTRasym(3.5 ppm)降低。结合31P光谱对pH进行评估(活体pH值为7.11，死亡后约为6.66)，他们将全脑缺血模型中APTR的变化校准为：APTR=5.73×10pH-9.4，发现梗死区平均pH值约为6.52±0.32，而正常脑组织平均PH值约为7.0～7.4，这与组织学染色最终结果相吻合。

Sun等[22]对21只永久性大脑中动脉闭塞的大鼠进行MRI。结果发现大脑中动脉供血区血流灌注减低区在T1WI、T2WI及ADC未见明显变化时即可出现pH的变化。此外，他们发现3 h内pH发生变化的区域于24 h无明显变化，而PWI及ADC变化明显，说明APT可以精确预测缺血半暗带的范围，其中APT-DWI不匹配区为缺血半暗带(ischemic penumbra，IP)，APT-PWI不匹配区为良性灌注不足区。

Harston等[8]将梗死区域划分为梗死核心区、梗死进展区、良性灌注不足区、弥散假正常区及影像恢复区，对12例急性梗死(＜24 h)患者进行APT成像发现梗死核心区(0.86±0.11)、梗死进展区(0.92±0.11)以及良性灌注不足区(0.97±0.11)较对侧正常脑组织APT信号减低，且其酸中毒程度逐渐减低。由于急性梗死期间的MTR和弛豫变化相对较小，Guo等[23]提出磁化转移和弛豫标准化APT (MRAPT)分析，与常规MRI相辅相成，精确划分代谢变化区域。其研究也表明梗死核心酸中毒最严重(-1.05±0.29)%/s，缺血半暗带存在中度酸中毒(-0.67±0.27)%/s，而良性灌注不足区的pH变化很小(-0.04±0.14)%/s，与Harston等[8]研究结果一致。

Tietze等[10]应用APT技术对超急性梗死患者(症状发作后1～4.5 h)进行评估，并在约30 d时进行随访，以确定最终梗死体积，结果表明脑梗死患者梗死区APT信号较对侧正常白质及健康对照组明显降低，且其范围与最终梗死范围一致，表明APT能够正确预测急性缺血性卒中患者最终梗死体积。

3.2.2 脑梗死APT的演变

既往，APT相关研究很少关注脑梗死各个时期的pH动态变化。Song等[24]按发病时间(2 h～7 d)将39例脑梗死分为4组(超急性期、急性期、亚急性早期、亚急性晚期)，并定量测量梗死区及对侧正常白质APT信号值，结果表明梗死后脑组织可能发生持续的酸中毒，随着发病时间的增加，酸中毒会逐渐减轻。该研究系统地描述了不同阶段脑梗死的APT信号特征，并研究其随时间的动态变化，可能有助于了解缺血组织的进展情况。张帅等[25]同样关注脑梗死各个时期APT信号值的变化，不同的是其增加了慢性期梗死患者，并发现在亚急性期和慢性期MTRasym值增加，可能是脑组织由酸中毒逐渐向碱中毒转化，有关MRS的研究也证实了这一点[26-27]。

3.2.3 APT成像评估预后

近期，Park等[28]针对大鼠瞬时大脑中动脉闭塞模型与永久性闭塞模型进行缺血后再灌注研究，分别对闭塞时、闭塞后1 h再灌注、闭塞后3 h再灌注与闭塞后4 h再灌注进行APTw、ADC、脑血流量(cerebral blood flow，CBF)和MR光谱的评估，并分析APTw与乳酸浓度之间的关系，结果显示闭塞后再灌注时APTw值显著增加，酸中毒面积明显减小，APTw值与乳酸浓度呈负相关，表明APT是一种pH加权成像技术，可显示再灌注治疗后组织代谢和缺血的逆转。

有研究表明APT成像可作为评估脑梗死患者严重程度和预后的有效技术方法。Lin等[29]根据90 d改良Rankin量表(mRS)评分将55例急性梗死(24～48 h)患者分为预后良好组(mRS评分＜2)与预后不良组(mRS评分≥2)，发现APTWmax-min(表明APT异质性)在两组之间显著不同。因此，梗死区APT信号的异质性可作为预测预后的生物标志物。最近，Yu等[30]对脑梗死患者进行支持治疗前后的APT信号值进行评估，发现所有治疗有效的患者APT信号值显著增加，提示与临床症状改善相关，说明APT可用于评估缺血性卒中的治疗疗效。

3.2.4 APT成像鉴别出血与缺血性梗死

Wang等[31]应用APT技术对诱导出血与缺血的大鼠模型成像，以对超急性期缺血与出血进行鉴别，结果发现超急性出血始终存在APT高信号，与缺血的低信号形成明显对比。在超急性出血中，血管破裂后的血肿由一系列红细胞、白细胞、血小板和富含白蛋白的血清组成。因此超急性出血APT高信号反映了丰富的游离蛋白和多肽的存在。

4 局限与展望

APT成像因为受到一些技术层面的限制并未广泛应用于临床，而高场强的APT成像目前仅限于动物和实验模型。因此，广泛应用APT成像关键是优化扫描序列参数、减少运动及及脑脊液伪影、提高扫描速度以及优化成像算法[32-33]。

从技术角度来看，B0不均匀性仍然是APT成像的关键问题。APT信号通常通过相对于水峰±3.5 ppm的信号强度之间的MTR不对称性分析来测量。因此，APT的成像质量很大程度上取决于B0的均匀性，因为这会影响水共振位置。目前，已有将3D多层成像应用于APT技术，与既往2D成像相比，SNR明显提高[34]。

综上，脑梗死的演变伴随着脑内代谢物的变化，与病理生理变化互相影响。APT成像技术可以在不同程度诠释脑梗死的代谢变化，更全面、深入了解缺血脑组织的化学环境及病理生理改变。随着技术的不断成熟，APT技术或许会为脑梗死的早期诊断、病情监控与治疗决策提供更丰富的信息。

利益冲突：无。