陳婧 陳杰*

化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（chemical exchange saturation transfer，CEST）技術(shù)是由磁化傳遞技術(shù)發(fā)展而來的一種新的MRI技術(shù)，由Ward等[1]在2000年首先報(bào)道。CEST技術(shù)能夠間接檢測(cè)具有可交換質(zhì)子的分子，其檢測(cè)能力可達(dá)到納摩爾級(jí)甚至微摩爾級(jí)[2]。目前CEST已用于蛋白質(zhì)、葡萄糖、谷氨酸等生物大分子物質(zhì)的檢測(cè)。本文旨在闡述CEST的基本原理及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)展，并探討該技術(shù)目前面臨的制約因素及發(fā)展前景。

1 CEST的基本原理

化學(xué)交換是化合物之間進(jìn)行物質(zhì)交換的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。CEST中的化學(xué)交換是指化合物的可交換氫質(zhì)子與水中的氫質(zhì)子發(fā)生空間位置的交換[3]。經(jīng)典的CEST兩池交換模型中，溶劑池代表自由水池，溶質(zhì)池代表具有可交換質(zhì)子的大分子池。溶質(zhì)池中的氫質(zhì)子在飽和脈沖作用下達(dá)到飽和狀態(tài)。飽和的可交換氫質(zhì)子經(jīng)化學(xué)交換轉(zhuǎn)移到自由水池，導(dǎo)致自由水信號(hào)降低。通過檢測(cè)自由水信號(hào)的變化，間接獲取具有可交換質(zhì)子的溶質(zhì)信息。觀察低濃度溶質(zhì)引起的自由水信號(hào)變化須滿足2個(gè)重要的前提條件[4]：①溶劑和溶質(zhì)之間的固有頻率差值（Δω）必須大于化學(xué)交換速率 （kex），Δω越大，CEST分辨率越高；②飽和脈沖持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)。

CEST分析最常用的度量標(biāo)準(zhǔn)是非對(duì)稱磁化轉(zhuǎn)移率（magnetization transfer asymmetry，MTRasym）。 計(jì)算公式：MTRasym（Δω）＝ [Ssat（-Δω）-Ssat（Δω）]/S0[5]；其中，Δω為可交換質(zhì)子與自由水質(zhì)子之間的固有頻率差值，S0為未飽和的自由水信號(hào)，Ssat為飽和后的自由水信號(hào)。將標(biāo)準(zhǔn)化的自由水信號(hào)（Ssat/S0）與飽和脈沖頻率差的函數(shù)繪制直觀的曲線圖，獲得Z譜。基于Z譜的譜線特征，可以進(jìn)一步了解溶質(zhì)池中生物大分子的交換特性。

機(jī)體內(nèi)代謝物質(zhì)成分復(fù)雜，不僅存在半固態(tài)池的磁化傳遞（magnetization transfer，MT）效應(yīng)，還存在脂肪族/烯類或芳香族等基團(tuán)的核奧氏增強(qiáng)（nuclear Overhauser enhancement，NOE）效應(yīng)[6]。 所謂的NOE效應(yīng)是指脂肪族/烯類或芳香族等基團(tuán)的不可交換質(zhì)子通過偶極耦合效應(yīng)將飽和能力傳遞給鄰近的自由水質(zhì)子或可交換質(zhì)子。據(jù)此研究者對(duì)MTRasym計(jì)算公式進(jìn)行了調(diào)整，即MTRasym（Δω）＝（Δω）＋（Δω）[7]；其 中分別為 CEST、NOE 效應(yīng)和MT效應(yīng)引起的非對(duì)稱磁化轉(zhuǎn)移率。此外，CEST MRI還受其他諸多因素的影響，如場(chǎng)強(qiáng)、振幅、酸堿度和溫度等。因此，在進(jìn)行CEST分析時(shí)，必須綜合考慮上述因素的影響。

2CEST對(duì)比劑

CEST對(duì)比劑根據(jù)來源不同可分為外源性和內(nèi)源性對(duì)比劑。

2.1 外源性對(duì)比劑 分為順磁性CEST（paramag netic CEST，PARACEST）和反磁性 CEST（diamagnetic CEST，DIACEST）對(duì)比劑。PARACEST對(duì)比劑通常由鑭系元素合成，與體內(nèi)水質(zhì)子化學(xué)交換產(chǎn)生CEST對(duì)比，可用于輔助檢測(cè)選擇性依賴的生物標(biāo)志物，如監(jiān)測(cè)組織內(nèi)葡萄糖分布的大環(huán)配體葡萄糖化合物。DIACEST對(duì)比劑是具有可交換質(zhì)子但不需要順磁性金屬離子來產(chǎn)生對(duì)比度的試劑，包括糖類、氨基酸、陽離子聚合物等，主要用于細(xì)胞標(biāo)記、目標(biāo)基因追蹤等方面[8-9]。外源性CEST對(duì)比劑目前多用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，其潛在毒性及安全劑量是臨床應(yīng)用受限的主要原因。

2.2 內(nèi)源性對(duì)比劑 是指含有酰胺（-NH）、胺（-NH2）、羥基（-OH）等基團(tuán)的一類內(nèi)源性代謝物，其利用人體內(nèi)的天然物質(zhì)成分實(shí)現(xiàn)CEST成像[10]。內(nèi)源性對(duì)比劑具有無創(chuàng)性、無毒性等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的研究越來越多地利用內(nèi)源性對(duì)比劑檢測(cè)人體內(nèi)代謝物質(zhì)變化，例如酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)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在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用

CEST用在中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要針對(duì)腦腫瘤、腦梗死、腦損傷、神經(jīng)退行性疾病等，通過檢測(cè)酰胺、葡萄糖、谷氨酸、肌酸（creatine，Cr）等可交換質(zhì)子，可以無創(chuàng)性了解中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病早期代謝的變化，達(dá)到早期診斷及療效檢測(cè)的效果。

3.1 APT成像

3.1.1 腦腫瘤 研究證實(shí)酰胺可作為檢測(cè)腦腫瘤、術(shù)前分級(jí)、評(píng)估療效和預(yù)測(cè)預(yù)后的可靠生物標(biāo)志物。APT技術(shù)通過檢測(cè)組織中酰胺質(zhì)子濃度的變化，間接反映組織內(nèi)蛋白質(zhì)含量的變化[11]。腦腫瘤生長(zhǎng)時(shí)組織代謝水平升高，產(chǎn)生更多的蛋白質(zhì)。腫瘤惡性程度越高，酰胺質(zhì)子濃度越高。Togao等[14]分析了36例成人彌漫性膠質(zhì)瘤的APT成像差異，結(jié)果顯示彌漫性膠質(zhì)瘤WHO分級(jí)與APT信號(hào)呈正相關(guān)，高級(jí)別膠質(zhì)瘤的APT信號(hào)高于低級(jí)別膠質(zhì)瘤，證實(shí)了APT成像在預(yù)測(cè)膠質(zhì)瘤組織學(xué)分級(jí)方面的臨床應(yīng)用價(jià)值。

準(zhǔn)確區(qū)分腦腫瘤復(fù)發(fā)和治療后繼發(fā)改變對(duì)腦腫瘤病人至關(guān)重要，常規(guī)MR技術(shù)具有一定的局限性[15]。Park等[16]研究顯示APT成像有助于鑒別腫瘤復(fù)發(fā)與治療后相關(guān)改變。腦腫瘤復(fù)發(fā)時(shí)處于活性增殖狀態(tài)，組織中酰胺濃度升高，APT信號(hào)明顯高于治療后繼發(fā)改變；APT成像鑒別腫瘤進(jìn)展與治療后繼發(fā)改變的診斷準(zhǔn)確度（89%～90%）明顯高于磁共振波譜（MRS）（60%）。

APT成像還有助于鑒別原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性淋巴瘤 （primary central nervous system lymphoma，PCNSL）與高級(jí)別膠質(zhì)瘤。PCNSL有較高的細(xì)胞核-細(xì)胞質(zhì)比，較少的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)蛋白。PCNSL的最大APT加權(quán)信號(hào)顯著低于高級(jí)別膠質(zhì)瘤，并且PCNSL最大和最小APT加權(quán)信號(hào)之間的差異顯著低于高級(jí)別膠質(zhì)瘤[17]。

3.1.2 腦血管病 APT能夠無創(chuàng)地檢測(cè)缺血性卒中后腦組織的pH值變化[18]。腦缺血會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）水解增加，pH值降低，進(jìn)一步引起酰胺質(zhì)子交換率降低，在一定程度上導(dǎo)致APT信號(hào)降低。Sun等[19]夾閉大鼠大腦中動(dòng)脈后發(fā)現(xiàn)腦缺血區(qū)APT信號(hào)低于正常腦組織，pH加權(quán)成像（pHWI）將PWI-DWI失配區(qū)細(xì)分為酸中毒和非酸中毒區(qū)域。pHWI-DWI失配區(qū)（酸中毒區(qū)）與缺血半暗帶匹配度更高。在腦缺血的過程中，組織細(xì)胞溫度的降低以及組織水腫的發(fā)生都會(huì)對(duì)組織pH值產(chǎn)生影響。然而，出血性腦梗死區(qū)域在APT上呈高信號(hào)，與缺血性腦梗死區(qū)域的低信號(hào)形成明顯的對(duì)比，這可能是由于新生血腫中存在豐富的紅細(xì)胞、血漿蛋白和肽[20]。根據(jù)APT信號(hào)的高低可以準(zhǔn)確鑒別出血性和缺血性腦梗死。

3.1.3 中樞神經(jīng)退行性疾病 Li等[21]發(fā)現(xiàn)帕金森?。≒arkinson’s disease，PD） 病人黑質(zhì) APT 信號(hào)隨 PD進(jìn)展呈明顯下降趨勢(shì)，這可能與黑質(zhì)中多巴胺神經(jīng)元的缺失有關(guān)。與健康志愿者相比，PD病人黑質(zhì)APT信號(hào)顯著降低，且晚期PD病人的黑質(zhì)APT信號(hào)明顯低于早期PD病人。上述結(jié)果表明APT成像有助于早期診斷PD以及評(píng)估PD疾病的嚴(yán)重程度，為神經(jīng)退行性疾病的研究提供了一個(gè)全新的思路。

3.2 NOE效應(yīng) Ling等[22]最早發(fā)現(xiàn)了-3.5ppm（ppm表示10-6）的NOE信號(hào)，并推測(cè)其可以成為一種新的對(duì)比成像技術(shù)。Zhou等[11]通過比較大鼠腦腫瘤模型的APT和NOE信號(hào)發(fā)現(xiàn)，在4.7 T的場(chǎng)強(qiáng)下NOE效應(yīng)在較低射頻飽和功率（例如0.6 μT）下最大，腫瘤組織的NOE信號(hào)低于對(duì)側(cè)正常腦組織；而APT成像在相對(duì)較高的射頻飽和功率下（例如2.1 μT）達(dá)到最大，腫瘤組織的APT信號(hào)高于對(duì)側(cè)正常腦組織。

NOE效應(yīng)的信號(hào)來源主要包括可交換的多肽、脂類和其他相關(guān)代謝物。Shen等[23]對(duì)11例腦腫瘤病人 （6例膠質(zhì)瘤，5例腦膜瘤）NOE效應(yīng)的分析結(jié)果表明，膠質(zhì)瘤NOE信號(hào)較對(duì)側(cè)正常腦白質(zhì)低，而腦膜瘤NOE信號(hào)與對(duì)側(cè)正常腦白質(zhì)無明顯差異。兩者之間NOE效應(yīng)的差異可能是由于惡性腫瘤中出現(xiàn)囊變、壞死較多，其含水量較正常腦組織升高，蛋白質(zhì)濃度降低所致。

最近的研究[24]發(fā)現(xiàn)以-1.6ppm為中心的NOE效應(yīng)也能清楚地區(qū)分腫瘤與對(duì)側(cè)正常腦組織，為NOE成像研究提供了一種新的分子成像對(duì)比度。

3.3 葡萄糖及其衍生物CEST成像 腫瘤組織生長(zhǎng)過程中需要攝入更多的葡萄糖，從而為腫瘤細(xì)胞的增殖提供足夠的能量。D-葡萄糖及其類似物（如3-O-甲基-D-葡萄糖；3-O-methyl-D-glucose，3-OMG）可作為外源性CEST對(duì)比劑進(jìn)行葡萄糖CEST（glucose CEST，glucoCEST）成像，檢測(cè)腫瘤中葡萄糖攝取及代謝的情況。Xu等[25]對(duì)3例腦膠質(zhì)瘤病人注射天然D-葡萄糖進(jìn)行動(dòng)態(tài)葡萄糖增強(qiáng)（dynamic glucose enhanced，DGE）成像。DGE成像可以提供腫瘤的灌注特性以及葡萄糖通過血腦屏障和細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝信息。DGE和傳統(tǒng)釓增強(qiáng)成像的強(qiáng)化區(qū)域存在空間上的差異，DGE成像在腫瘤外側(cè)邊緣的信號(hào)增加約5%，表明這兩種類型的試劑在反映腫瘤特征方面能夠互補(bǔ)。Sehgal等[12]對(duì)膠質(zhì)瘤小鼠模型靜脈注射3-OMG進(jìn)行g(shù)lucoCEST成像，結(jié)果顯示腫瘤區(qū)域的glucoCEST對(duì)比強(qiáng)化范圍為2.5%～5.0%，約是注射D-葡萄糖（1.5%～3.0%）的2倍。造成這種差異的原因可能是由于3-OMG與小鼠大腦中己糖載體（即葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）的親和力比D-葡萄糖更高，并且能與葡萄糖競(jìng)爭(zhēng)這些載體。葡萄糖及其衍生物的glucoCEST與器官中游離葡萄糖的含量密切相關(guān)。細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的代謝水平及胰島素的水平均會(huì)降低血液中的游離葡萄糖，從而間接影響glucoCEST信號(hào)。

3.4 CrCEST成像 Cr是肌酸激酶的主要產(chǎn)物之一，與磷酸肌酸相互轉(zhuǎn)換的過程中可以調(diào)節(jié)磷酸基團(tuán)的儲(chǔ)存與釋放，參與ATP的生成與釋放，因此Cr水平的變化可作為評(píng)價(jià)組織能量代謝的一個(gè)有用指標(biāo)。CrCEST成像是一種新興的用于測(cè)量組織內(nèi)Cr含量的分子成像方法，能夠彌補(bǔ)常規(guī)MRS測(cè)量Cr時(shí)低空間分辨率和較長(zhǎng)采集時(shí)間的缺點(diǎn)，其已初步用于癲、腦腫瘤方面的研究。

癲 發(fā)作時(shí)，大腦組織處于高能量需求狀態(tài)，磷酸肌酸快速向Cr轉(zhuǎn)換，腦內(nèi)Cr含量升高，磷酸基團(tuán)被大量釋放，加速了ATP的生成。Lee等[26]通過注射紅藻氨酸（kainic acid，KA）誘導(dǎo)大鼠癲發(fā)作，并利用CrCEST成像測(cè)量大鼠海馬信號(hào)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)注射KA前后CrCEST信號(hào)有顯著差異（注射后3 h增加9.8%±0.8%，5 h增加8.5%±1.2%）。CrCEST可以作為診斷和評(píng)估癲預(yù)后的潛在工具。

Cai等[27]構(gòu)建了不同侵襲性的膠質(zhì)瘤動(dòng)物模型，并比較腫瘤CrCEST信號(hào)的差異，結(jié)果顯示隨著腫瘤不斷生長(zhǎng)，CrCEST信號(hào)均存在不同程度的降低，且高侵襲性膠質(zhì)瘤CrCEST信號(hào)降低更顯著，這可能是由于Cr激酶的活性隨著腫瘤惡性程度的增加而減弱導(dǎo)致Cr含量明顯下降所致。腫瘤中Cr濃度的變化是一個(gè)復(fù)雜的過程，組織細(xì)胞類型不同以及細(xì)胞組成不同都會(huì)影響Cr水平。Cr水平與腫瘤惡性程度之間的關(guān)系已成為研究的熱點(diǎn)。

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）是腦內(nèi)主要的興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，其在腦內(nèi)的濃度變化與腦損傷、癲等神經(jīng)疾病密切相關(guān)。

為 了 驗(yàn) 證 谷 氨 酸 CEST （glutamate CEST，GluCEST）成像在彌漫性軸索損傷（diffuse axonal injury，DAI）早期診斷中的價(jià)值，Chen 等[28]對(duì)大鼠 DAI模型的擴(kuò)散峰度成像和GluCEST成像進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大鼠頂葉、海馬和丘腦的平均峰度值顯著高于對(duì)照組，而GluCEST信號(hào)在同樣位置也顯著高于對(duì)照組。GluCEST信號(hào)的改變可能與DAI引發(fā)的大腦微觀結(jié)構(gòu)和神經(jīng)化學(xué)變化密切相關(guān)。

當(dāng)腦內(nèi)線粒體損傷或代謝異常時(shí)，神經(jīng)膠質(zhì)元內(nèi)谷氨酸含量升高，誘發(fā)以癲為特征的高興奮狀態(tài)。Davis等[13]對(duì)4例非病變性癲病人進(jìn)行GluCEST成像，發(fā)現(xiàn)致側(cè)海馬的谷氨酸濃度高于對(duì)側(cè)海馬，并且GluCEST成像反映的異常信號(hào)部位與顱內(nèi)腦電圖評(píng)估的癲發(fā)作部位一致。

目前關(guān)于GABA CEST成像的研究較少，相關(guān)技術(shù)還有待進(jìn)一步成熟。Yan等[29]研究建立大鼠腦腫瘤模型，并注射不同濃度GABA溶液進(jìn)行GABA CEST成像，結(jié)果顯示GABA CEST信號(hào)與GABA體外濃度成正比，證明用CEST成像檢測(cè)GABA變化的可行性和潛力，為今后檢測(cè)體內(nèi)GABA濃度奠定了基礎(chǔ)。

4 不足與展望

CEST是一種極具發(fā)展前景的分子成像技術(shù)，不僅可以通過引入外源性CEST對(duì)比劑提高成像的敏感性和特異性，還可以利用活體自身代謝產(chǎn)物進(jìn)行內(nèi)源性CEST成像，已成為目前無創(chuàng)性活體代謝成像的研究熱點(diǎn)。然而，目前CEST成像技術(shù)仍然受到很多制約因素的影響。首先，CEST成像對(duì)場(chǎng)強(qiáng)要求較高，在高場(chǎng)強(qiáng)的條件下才能獲得足夠的CEST對(duì)比度；其次，CEST成像時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致掃描范圍局限，且極易受周圍環(huán)境因素的影響；最后，很多活體內(nèi)代謝物質(zhì)的飽和頻率非常接近，很容易產(chǎn)生相互交叉飽和的影響，影響了CEST的特異性。

隨著研究的深入，CEST在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展，在疾病診斷、療效評(píng)價(jià)，甚至分子機(jī)制研究方面發(fā)揮重要作用。