復(fù)旦大學附屬華山醫(yī)院放射醫(yī)學與核醫(yī)學科 (上海 200040)

段 斐 張 華 吳 越姚振威

磷譜在磁共振中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進展

復(fù)旦大學附屬華山醫(yī)院放射醫(yī)學與核醫(yī)學科 (上海 200040)

段 斐 張 華 吳 越姚振威

磷譜；磁共振；研究現(xiàn)狀；進展

磁共振(MR)，來源于原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的進動，只有自旋量子數(shù)等于1/2的原子核的磁共振信號才能夠被利用，包括：1H、11B、13C、17O、19F、29Si、31P。由于磷的自旋量子數(shù)等于1/2，是一個具有磁矩的核，所以在含磷有機化合物中H質(zhì)子會與P發(fā)生偶合作用[1-3]。由于31PMR的檢測方法由于其分辨率高、精確、高效等優(yōu)點，能夠快速檢測樣品中含磷化合物的有無及種類[4]。而31PMR檢測方法需要含磷化合物的磁共振譜圖數(shù)據(jù)作為依據(jù)與指導。本文研究的就是磷譜在磁共振中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進展。

1 磁共振波譜基本原理

磁共振波譜是利用磁共振現(xiàn)象磁共振(MR)指的是自旋磁共振現(xiàn)象，是磁共振成像和磁共振波譜技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，意義上較廣，包含核磁共振(NMR)、電子順磁共振(EPR)或稱電子自旋共振(ESR)。磁共振波譜(MRS)是唯一的無損傷的能夠測定活體內(nèi)某一特定組織區(qū)域化學成分的技術(shù)。臨床上也借助磁共振成像的基礎(chǔ)作為診斷的依據(jù)和方法。在生物體內(nèi)大多數(shù)分子都含有磷原子(31P)，含磷化合物(如磷酸肌酸PCr、三磷酸腺苷ATP及無機磷Pi)參與細胞能量代謝及與生物膜有關(guān)的磷脂代謝，31P-MR的原理是通過磁共振現(xiàn)象及化學位移作用區(qū)分化合物中的不同分子，在不同的位置形成不同的峰值[5]。由于峰下面積與特定頻率原子核的共振數(shù)目成正比，反映代謝物的濃度，所以可用來定量分析。

2 31P MR的組成和意義

31P-MRS特征參數(shù)包括MR頻譜、峰值、半高寬、峰面積等；31P-MRS的圖譜橫坐標為共振峰位置，縱坐標表示代謝產(chǎn)物信號強度。31P-MRS圖譜主要顯示7種磷代謝物，包括PME、PDE、PCr、α-ATP、β-ATP、γ-ATP；PME是磷酸單酯，其峰面積變化反映細胞膜的代謝；PDE是磷酸二酯，是磷脂的最終分解產(chǎn)物；PCr作為高能磷酸鹽的儲存形式，含量多少反映組織的能量狀態(tài)；ATP包括α、β、γ3個共振峰，其中β峰作為ATP水平主要指標。

3 31P MRS的應(yīng)用

3.1 核磁共振磷譜的實時監(jiān)控 化工原料中含磷化合物是重要的成分，在工業(yè)生產(chǎn)上含磷化合物廣泛應(yīng)用在農(nóng)藥、醫(yī)藥、水處理、洗滌劑等行業(yè)，由于核磁共振磷譜的準確度、靈敏度、時效性較高， 通過31P MR實時監(jiān)控分析在化學化工產(chǎn)業(yè)應(yīng)用廣泛。由于核磁共振磷譜可以準確檢測化學化工反應(yīng)中含磷化合物的變化情況，所以核磁共振磷譜成為化學化工生產(chǎn)和合成研發(fā)監(jiān)控的一種新方法[5]。杜成堂等研究磁共振磷譜在羥基亞乙基二磷酸合成中的應(yīng)用，通過磁共振磷譜(31P MR)方法，實現(xiàn)了對合成反應(yīng)過程的監(jiān)控。畢韻梅等[6-7]應(yīng)用磁共振磷譜在混合取代聚磷腈合成過程進行實時監(jiān)控，通過建立兩個監(jiān)控點，對合成反應(yīng)進行監(jiān)控，為進一步優(yōu)化合成條件、了解反應(yīng)機理、 提高合成收率提供了依據(jù)。

3.2 核磁共振磷譜在生物醫(yī)學的應(yīng)用31P-MRS在生物醫(yī)學方面的應(yīng)用受到特別重視，原因不僅因為31P的天然豐度高以及在細胞中的含量高，而且由于生物體內(nèi)31P的化學位移范圍寬[8-9]，便于MR檢測。31P-MR可以檢測活體內(nèi)細胞磷酸鹽化合物的相對濃度，在組織代謝研究中扮演重要作用[10]?？梢蕴峁┤姿岷塑?NTP)、磷酸肌酸(PCr)和無機磷酸鹽Pi)等生物能量代謝信息。此外，磁共振磷譜還可以評價磷酸單酯(PME)和磷酸二酯(PDE)，由于PME、PDE涉及到生物膜的脂類合成過程，所以磁共振磷譜在生物醫(yī)學的應(yīng)用非常廣泛。在生物活體中31P-MR的功能主要是測定能量物質(zhì)(ATP、磷酸肌酸PCr和無機磷Pi)和磷脂的代謝。ATP被稱為“生命的能量貨幣”[11]。正常人體不同組織磷代謝產(chǎn)物分布也不盡相同，例如肌組織的磷酸單酯、磷酸二酯含量相對低于其他組織，但高能磷酸鹽明顯高于腦組織，以及肝及腎組織內(nèi)不含高能磷酸鹽。31P-MR被越來越多的應(yīng)用于各種疾病的研究。在31P-MR中，一般以85%的H3PO4作為基準物質(zhì)[12]。磷譜主要反映人體組織細胞的能量代謝改變，通過測定磷代謝產(chǎn)物的濃度和分布從而確定人體內(nèi)組織細胞的能量狀態(tài)及分布[13]。因此31P-MR被廣泛地應(yīng)用于研究組織代謝和生化改變，優(yōu)其勢在于無損傷、易重復(fù)，并且在短時間內(nèi)能連續(xù)記錄譜線，動態(tài)觀察能量代謝變化。

3.2.1 動態(tài)磷譜研究骨骼肌線粒體相關(guān)疾?。壕€粒體病是一類能量代謝障礙的復(fù)雜系統(tǒng)疾病，常見于線粒體結(jié)構(gòu)或功能異常，主要導致腦和骨骼肌受累。31P-MRS能夠有效地評價骨骼肌做功時的能量轉(zhuǎn)換效率，動態(tài)磷譜在研究線粒體功能發(fā)揮巨大作用，能夠探測細胞內(nèi)糖原分解代謝異常，以及氧化磷酸化的異常行為。Wu FY等[14-15]研究表明肌肉內(nèi)未與大分子結(jié)合的代謝物質(zhì)能夠直接被31P-MRS探測，雖然游離的ADP較少不能夠被直接探測，但通過平衡反應(yīng)可計算出其含量。賴鴻等[16]研究線粒體(腦)肌病患者骨骼肌的改變，認為31P-MRS可無創(chuàng)性檢測線粒體(腦)肌病患者骨骼肌的能量代謝變化。陳超等[17]研究認為31P-MRS能夠有效評價運動誘導的骨骼肌損傷，Pi及Pi/PCr比值可作為檢測骨骼肌損傷的觀察指標。Pi及Pi/Pcr與血清生化學指標CK具有相關(guān)性，因此31P-MRS與血清學指標可以對運動后骨骼肌損傷進行綜合評價，科學地從理論上理論指導運動員訓練。曾輝等骨骼肌急性損傷分級的研究中表示PME/Pi、PDE/Pi能夠準確的反映組織破壞程度和糖酵解狀況，能在細胞和分子水平反映肌肉損傷的程度、能量代謝水平[18]，從新的角度研究肌肉損傷的不同程度。

3.2.231P-MRS在腦組織研究中的應(yīng)用：ATP和PCr作為體內(nèi)能量儲存的重要方式，反映生物體內(nèi)的能量代謝變化，由偏頭痛引發(fā)患者腦皮質(zhì)能量代謝，有先兆猝死的患者PCr/Pi減低，其他類型腦梗死患者的PME/PCr、PDE/PCr、ATP/Pi的比值都有所降低[19-20]。由于磷脂的前體磷酸乙醇胺與磷酸膽堿一起構(gòu)成了PME峰，所以PME與細胞膜的穩(wěn)定性有關(guān)，又因為ATP是細胞儲存能量的最主要形式，所以PME/ATP的比值表示細胞能夠保持其完整性的能力，可以作為觀察腦部腫瘤治療效果的指標。有研究[21]發(fā)現(xiàn)大腦正常的嬰兒聚合酶鏈反應(yīng)與聚異氰酸酯的PCr/Pi為1.7左右，而生產(chǎn)時嚴重窒息的嬰兒的比值僅在0.2-1.0范圍內(nèi)，隨著臨床情況的改善其比率會相應(yīng)增大。31P-MRS在精神治療方面也有所進展，可以為精神病的診斷治療提供相應(yīng)的影像依據(jù)，提供腦部病理狀態(tài)的信息，為臨床提供一種治療的手段。

3.2.331P-MRS在心臟研究中的應(yīng)用：心肌的PCr/ATP反應(yīng)心臟能量狀態(tài)，與冠心病、心衰、2型糖尿病的磷化合物代謝息息相關(guān)。近年來31P-MRS已用于評價試驗性藥物的治療效果，因其無創(chuàng)性可用來反復(fù)評價藥物治療效果及觀察疾病的進展狀況，大多數(shù)研究顯示治療后磷酸代謝狀態(tài)升高，表現(xiàn)為在治療后PCr/Pi或β-NTP/Pi比值升高[22]。由于31PMRS能夠精確測定人體心肌磷代謝產(chǎn)物的濃度從而定量反應(yīng)人體能量代謝含量及變化，可為臨床疾病的診斷提供依據(jù)。

3.2.431P-MRS在肝臟組織研究中的應(yīng)用：由于PME是細胞膜的組成部分，與細胞膜合成降解有關(guān)，反映細胞膜的代謝狀況；PDE也是細胞膜的組成部分，兩者的比值反映了肝臟的動態(tài)變化，可以提示肝臟腫瘤的存在。袁正等研究表明[23-24]，31P-MRS中PME/NPT和PDE/NPT的比值變化可以指導早期肝癌化療的化療效果。在吳沁等慢性病毒性肝炎研究中利用31PMRS從肝臟獲得7個清晰的波峰，經(jīng)過治療后，肝組織的PME/PDE降低。

3.2.531P-MRS在腫瘤研究中的應(yīng)用：通過31P-MRS對腫瘤的研究，獲得了活體肌肉瘤的磷譜，其中具有明顯代表性的是共振峰PME和PDE，惡性腫瘤改變最顯著的指標是PME、PDE及其相關(guān)代謝物的比值[25]。PME的相對值PME/ β-ATP，和PME/NTP可作為區(qū)別良、惡性腫瘤的潛在指標。齊滋華等研究中，Pcr/PME、PME/NTP比值的變化與腫瘤細胞膜的修復(fù)和合成腫瘤、細胞生長速度有關(guān)。另有研究顯示[26]，因腫瘤組織細胞經(jīng)化療后大多其PME峰均有所降低，所以PME可作為檢測化療效果的依據(jù)。

3.3 磁共振磷譜在地質(zhì)學的應(yīng)用 磁共振磷譜在地質(zhì)學中的應(yīng)用則主要體現(xiàn)在油氣田的勘探、地下水資源的找尋、原油的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析等方面，但由于磁共振磷譜能夠在不破壞物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下迅速、準確地分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)，在地質(zhì)勘探、結(jié)構(gòu)分析中作用顯著，包括分子的結(jié)構(gòu)測定、元素的定量分析、無機化合物的結(jié)構(gòu)解析、大分子化學結(jié)構(gòu)的分析等。

綜上所述，磁共振磷譜在化學化工、生物醫(yī)學、地質(zhì)等方面應(yīng)用十分廣泛，更多的研究傾向結(jié)構(gòu)的分析及疾病的評估，使31PMR在分子水平、細胞水平評估分析工業(yè)生產(chǎn)和診斷疾病，在工業(yè)生產(chǎn)和疾病的診斷預(yù)防方面效果顯著。MR技術(shù)的迅速發(fā)展，已經(jīng)從單純的實驗室研究轉(zhuǎn)入工業(yè)生產(chǎn)以及臨床應(yīng)用，雖然現(xiàn)在其敏感度較低，但相信MRS將會在生物醫(yī)學的疾病診斷分析、預(yù)后療效中越來越重要，同時在工業(yè)生產(chǎn)和地質(zhì)應(yīng)用中也會越來越廣泛。

[1]Mazaev VV，Stukalova OV，T e m o v o l S K，e t a 1.3 1 P magneticresonance spectroscopy in cardiac diseases[J].Kardiologiia，2012，52(3):67-73.

[2]劉漢橋,馮飛,聶偉霞,等.腦梗塞治療前后磁共振波譜分析與臨床評分的相關(guān)性分析[J].中國CT和MRI雜志,2012,10(5)：5-7,11.

[3]劉宏偉,楊貞振,李傳亭,等.常規(guī)MRI與31P MR波譜在骨及軟組織腫塊中的鑒別診斷價值[J].中華放射學雜志，2006，40(2)：198-203.

[4]H a r p e r D G，J e n s e n J E，Ravichandran C，et a1.Tissue-specific differences in brain phosphodiesters i n l a t e-l i f e m a j o r depression[J].Am J Geriatr Psychiatry,2014,22(5):499-509.

[5]杜成堂,莊東青,施波.磁共振磷譜在羥基亞乙基二磷酸合成中的應(yīng)用[J].波譜學雜志,2015,32(1):345-350.

[6]秦斌,徐化風,陳婷等.3.0T磁共振磷譜對短跑運動員骨骼肌能量代謝的研究[J].南京醫(yī)科大學學報，2011，31（1）：213-215.

[7]左敏靜.31P-MRS技術(shù)原理及在活體肌骨系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用[J].臨床放射學雜志.2007,26 (7)：732-734.

[8]曾輝.骨骼肌代謝的P-MRS研究及臨床應(yīng)用進展[J].國外醫(yī)學臨床放射學分冊,2006，8(4)：12-15.

[9]Sikoglu EM，Jensen JE，Vitaliano G，e t a 1.B i o e n e r g e t i c measurements in children with bipolar disorder：a pilot 31P magnetic resonance spectroscopy study[J],PLoS One,2013,8(1): e54536.

[10]秦斌,徐化風,陳婷等.3.0T磁共振磷譜對短跑運動員骨骼肌能量代謝的研究[J].南京醫(yī)科大學學報.2011，31 (1)：37-42.

[11]Khushu S，Rana P，Sekhri T，et a1.Bio·energetic impairment in human calf muscle in thyroid disorders：a 31P MRS study[J]. Magn Reson Imaging，2010，28(5)：683-689.

[12]齊靜,王德杭,朱曉梅.磁共振磷譜(P-MRS)探測不同年齡正常人骨骼肌能量代謝的特點[J].實用放射學雜志,2007,23(10)：1355-1358.

[13]朱佳媚,劉維民,褚睿智,等.咪唑取代環(huán)三磷嗪衍生物的制備及其摩擦學性能[J].潤滑與密封,2008,33(5)：5-9.

[14]Wu FY，Tu HJ，Qin B，et a1.Value of dynamic”P magnetic r e s o n a n c e s p e c t r o s c o p y technique in in vivo assessment of the skeletal muscle mitochondrial function in type 2 diabetes[J].Chin Med J(En91)，2012，125(2)：281-286.

[15]汪紅志,楊培強,張英力,等.低場磁共振分析測試技術(shù)原理及應(yīng)用［C］//上海:中國儀器儀表學會醫(yī)療儀器分會2010兩岸四地生物醫(yī)學工程學術(shù)年會論文集,2010.

[16]畢韻梅,畢旭濱,趙黔榕,等.核磁共振磷譜在混合取代聚磷腈合成中的應(yīng)用研究[J].波譜學雜志,2004,21(4)：413-418.

[17]杜飛舟,丁仕義,王健等.正常人骨及軟組織活體31P.MRS掃描技術(shù)及后處理應(yīng)用研究[J].醫(yī)械臨床,2007；28(12)：68-70.

[18]鄧鍛煉.比較MRI與CT診斷顱內(nèi)腫瘤的臨床價值[J].中國CT和MRI雜志，2015，13(7)：982-989.

[19]喬鵬飛,謝生輝,牛廣明.高場磁共振彌散加權(quán)成像對肝臟良惡性病變的鑒別診斷價值[J].中國CT和MRI雜志，2012，10(6)：376-380.

[20]康素敏,周金池.磁共振波普在木素結(jié)構(gòu)研究中的最新應(yīng)用[J].China Pulp&Paper,2012,10(58):34-37.

[21]Ljungberg M，Westberg G，Vikhoff-Baaz B，et a1.31 P MR spectroscopy to evaluate the efficacy of hepatic artery embolization in the treatment of neuroendocrine liver metastases[J].Acta Radial.2012，53(10)：1118-1126.

[22]趙黎黎,王敏,鐘江春,林吉柏.磁共振磷譜在有機化合物草甘膦合成過程中的監(jiān)控[J].農(nóng)藥科學與管理,2012，33(12):890-896.

[23]Nenadic I，Dietzek M，Langbein K，et a1.Effects of olanzapiue on 31 P MRS metabolic markers in schizophrenia[J].Hum Psychopharmaeol，2013，28(1)：91-93.

[24]王娜,鄭涌泉,許翠翠,等.糖尿病大鼠腦能量代謝改變的磁共振磷譜研究[J].分析化學研究簡報,2014,8(42)：985-989.

[25]曾和強,夏平,宋吉銳.有氧運動對成年男子股四頭肌能量代謝影響的磁共振磷譜研究[J].2014,6(29):1029-1031.

[2 6]朱凱,由長城.M R磷譜臨床應(yīng)用進展[J].中華放射學雜志,2013,47(8)：493-500.

[27]由長城,朱凱,關(guān)國發(fā),等.惡性纖維組織細胞瘤及轉(zhuǎn)移瘤3.0T 31P共振磷譜研究[J].中華實用診斷與治療雜志,2011,25(10)：970-972.

R445.2

A

DOI:10.3969/j.issn.1672-5131.2016.05.042

姚振威

(本文編輯: 汪兵)

2016-03-28