吳亞琳 尹建忠*

組織內(nèi)pH值是評價細胞代謝環(huán)境的重要指標，不同的病理生理狀態(tài)所導致的pH值改變會影響組織功能，甚至疾病的預后。很多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病會導致組織內(nèi)酸堿度的變化，如缺血性腦血管病、腦腫瘤以及腦創(chuàng)傷等，pH成像能夠反映組織局部環(huán)境的酸堿度變化，對組織代謝和功能狀態(tài)評價有重要意義。多種成像方法可以進行pH成像，如磁共振波譜成像、熒光顯像、核醫(yī)學分子成像等，但這些方法在分辨力、成像范圍及輻射劑量等方面都存在局限[1-3]，因而限制了其臨床應用。磁共振pH成像是基于化學交換飽和轉(zhuǎn)移 （chemical exchange saturation transfer,CEST）原理的技術(shù)，能夠更為直觀地顯示組織代謝酸堿狀態(tài)，具有安全、無創(chuàng)可定量分析的優(yōu)點。本文綜述磁共振pH成像方法、影響因素的優(yōu)化及在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應用進展。

1 磁共振pH成像方法

磁共振pH成像的原理可以用“雙池”模型來解釋：對外源性或內(nèi)源性大分子的可交換基團（溶質(zhì)池）的質(zhì)子施加特定飽和脈沖后，飽和的質(zhì)子與水分子（溶劑池）中的氫質(zhì)子進行交換。交換的速率受局部酸堿度的影響，最終造成水分子不同程度的信號變化來反映環(huán)境的酸堿度[4]。這種信號的改變具有pH敏感性，當細胞內(nèi)pH值減低時，質(zhì)子之間的交換速率下降，進而水分子信號強度會下降[5]。當評價pH改變時，通常不同池中質(zhì)子的交換速率與組織pH呈對數(shù)關(guān)系，要對組織內(nèi)pH環(huán)境進行評價，必須確定質(zhì)子之間的交換速率[6]。磁共振pH成像無法直接獲得可交換質(zhì)子之間的交換速率，常采用比率法和酰胺質(zhì)子交換速率法來獲取信號強度與交換速率之間的關(guān)系。

1.1 比率法 比率法是將發(fā)生CEST作用的質(zhì)子交換速率之比轉(zhuǎn)換為信號強度之比的方法，進而利用信號強度反映pH情況；但比率法對成像物質(zhì)的要求較高，操作并不簡便。

1.1.1 外源性比率法 外源性比率法是指對外源性對比劑施加飽和脈沖時，在不同飽和脈沖條件下水分子產(chǎn)生信號強度之比不同，由此獲得質(zhì)子交換速率之比，進而量化pH值。外源性比率法最初是基于不同共振頻率的比率法，成像需要分子內(nèi)存在2個pH敏感性基團，因此成像分子的種類有限[7]。隨后衍生出基于不同飽和強度射頻脈沖的比率法，以及基于不同共振頻率和不同飽和強度射頻脈沖的比率法。改進后的成像方法使得更多分子能夠進行pH成像，同時可顯示更寬的pH值范圍，也提高了準確度[8]；但這類成像方法常要求進行體外標定，成像時間長，同時需使用不良反應較小的對比劑，因而限制了外源性比率法的臨床應用[8]。

1.1.2 內(nèi)源性比率法 內(nèi)源性比率法即胺和酰胺濃度-獨立檢測 （amine and amide concentrationindependent detection,AACID）技術(shù)，其本質(zhì)與外源性比率法相似，但利用的是內(nèi)源性的酰胺基團和氨基團的CEST效應，此交換過程中速率隨pH的增加呈線性下降。該方法要求成像分子同時具有酰胺基團和氨基團，且兩種基團之間的比例是固定的。病理條件下，活體組織內(nèi)兩種基團的比例可能發(fā)生變化，因此也限制了AACID方法的應用[9]。

1.2 酰胺質(zhì)子交換速率法 而酰胺質(zhì)子交換速率法利用的是人體內(nèi)源性的大分子，通過不同的算法來進行成像，操作簡便易行。主要包括非對稱性磁化轉(zhuǎn)移率法和酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移率*（amide proton transfer,APTR*）法。

1.2.1 非對稱性磁化轉(zhuǎn)移率法 0～5ppm（ppm表示10-6）的共振頻率范圍是脂肪族化合物的質(zhì)子發(fā)生CEST作用的范圍，在這個范圍內(nèi)施加不同的飽和脈沖，描繪出信號強度曲線稱為Z譜。研究者[6]發(fā)現(xiàn)在＋3.5ppm的共振頻率處施加飽和脈沖，酰胺基團與水分子之間可以發(fā)生CEST作用，稱為酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移（amide proton transfer,APT）效應。脂肪族化合物的水分子同時可以發(fā)生磁化轉(zhuǎn)移（magnetization transfer,MT）效應、直接水飽和（direct saturation,DS）效應以及核奧式效應 （nuclear overhauser effect,NOE），一般認為這些效應引起的水分子信號強度變化相對于Z譜的水峰（0ppm）是對稱的。MTRasym是目前常用的pH成像方法，通過將±3.5ppm處的信號強度做差值來抵消MT、DS及NOE對CEST作用的影響，可根據(jù)公式 M計算獲得。其中Msat指在±3.5ppm處施加飽和脈沖后測得的水分子信號強度，而M0是未施加飽和脈沖時水分子信號強度[6]。

然而MT、DS及NOE相對于水峰并不是絕對對稱的。因此，MTRasym是由兩部分組成的，包括固有磁化轉(zhuǎn)移率（solid phase magnetization transfer effect,MTR’asym）和質(zhì)子轉(zhuǎn)移率（proton transfer ratio,PTR）。MTR’asym指在施加飽和脈沖時，由于MT、DS和NOE產(chǎn)生的水分子固有的磁化轉(zhuǎn)移率。PTR是指在＋3.5ppm處發(fā)生CEST作用酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移率，即化學交換飽和轉(zhuǎn)移率 （chemical exchange saturation transfer ratio,CESTR），它與交換速率之間的關(guān)系

其中α是標記系數(shù)，δ是溢出因子，ksw是從酰胺質(zhì)子到水質(zhì)子的化學飽和交換速率，f是酰胺質(zhì)子與水質(zhì)子的比率，而R1w是水的縱向弛豫率。

pKw是水的電離常數(shù)，k0和kb分別是自發(fā)的和堿催化的化學交換速率[6,10]。

MTRasym參數(shù)的計算不可忽視MT效應、DS效應及NOE效應，因此需要優(yōu)化的成像方法來減少這些效應的影響。

1.2.2 APTR*法 APTR*法是一種基于Bayesian模型擬合所得到的方法。該方法將成像影響因素作為一個單獨的質(zhì)子池，生成“三池”模型——水質(zhì)子池、酰胺質(zhì)子池和不對稱磁化傳遞池，通過一定計算獲得更純凈的酰胺質(zhì)子效應信息。APTR*可以由公 式計 算 獲 得 ， 其 中MW（3.5ppm）和 MW+α（3.5ppm）代表施加飽和脈沖后的水池以及水和酰胺質(zhì)子池在3.5ppm處的水分子信號強度，M0為未施加飽和脈沖時的信號強度。進而可以得到與pH之間的換算關(guān)系：

pH=1.951×（APTR*）0.2444+4.807。 APTR* 減少了成像干擾因素的影響，更加純化了信號強度，便于計算交換速率，利于反映真實的pH[11]。但APTR*方法處理數(shù)據(jù)時間較長，并且連續(xù)飽和脈沖會增加計算的難度[12]。

1.2.3 其他 為更好評價酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移，Jin等[13]研究了9.4 T場強下APT、NOE與pH的關(guān)系，提出分別放置3個脈沖在酰胺質(zhì)子峰（3．5ppm）和該峰的兩界，當兩界的間隔足夠小時，酰胺質(zhì)子峰與兩界平均值之間的差值接近真實的APT效應，稱為表觀APT（APT*）。該方法對組織酸中毒有很高的敏感性，但是APT*要求有較高的場強和較窄的帶寬。目前不斷有新的手段輔助快速獲得磁共振pH成像的影像，如CEST磁共振指紋識別 （CEST-magnetic resonance finger printing,CEST-MRF）方法[14]，這提高了成像的速度。

2 pH成像影響因素及優(yōu)化

磁共振pH成像主要受CEST速率的影響，交換速率是通過信號強度來間接獲得，因此凡是影響到信號強度的因素都會影響pH成像的準確性。pH成像的影響因素主要包括MT效應、DS效應、NOE效應以及縱向弛豫時間（T1）等[4]。為了減少這些因素的影響，除了改進成像方法外，還可以針對影響因素采取一系列優(yōu)化措施。

MT相對于水峰 （0ppm）的頻率不是絕對對稱的，這與場強的不均勻性相關(guān)。為了克服場強（B0）不均勻?qū)π盘柕挠绊?，最初采用對Z譜進行校正的方法，目前最新的方法是一種基于高分辨率場圖的校正算法。這些方法可以補償場的非均勻性[4,15]。

選擇合適的射頻（radio frequency,RF）不僅可以減少DS的影響，還會減少T1的影響。有研究[16]發(fā)現(xiàn)在4.7 T場強下0.75 μT的RF可呈現(xiàn)出最好的影像對比，而高于或低于0.75 μT的影像均不及前者。此外，還有研究者[17]采用不均勻分段RF的方法，這種方法能夠在快速獲得多層影像的同時提高pH成像的敏感性。

將NOE效應與CEST效應分離能夠消除NOE效應對pH成像的影響。Jin等[13]在9.4 T場強下利用三偏移脈沖方法分離了CEST信號與NOE信號，發(fā)現(xiàn)NOE并不具有pH依賴性，但具有濃度依賴性；而另有研究者[18]反駁了該觀點，認為上述結(jié)論歸因于采用的計算方法，同時發(fā)現(xiàn)在低功率RF的情況下，NOE效應的pH依賴性在-3.5ppm和-5ppm之間。這提示應探索新方法來將NOE與CEST信號分離，同時應進一步研究NOE效應與pH的關(guān)系。

研究者[19]發(fā)現(xiàn)在高場強、功率較小的RF、穩(wěn)態(tài)采集以及無明顯DS效應的條件下進行APT成像時，有必要對T1進行標準化。而在臨床MRI設備上（通常是低場或非穩(wěn)態(tài)采集），當選擇適當?shù)男蛄袇?shù)時，可能不需要進行T1標準化。

3 磁共振pH成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應用

3.1 缺血性卒中 缺血性卒中與腦細胞的pH環(huán)境有著緊密關(guān)系。Sun等[21]發(fā)現(xiàn)磁共振pH成像與乳酸濃度有明顯相關(guān)性，即與組織酸化程度相關(guān)。腦組織代謝活動主要依賴于有氧條件下的糖酵解。而缺血時，腦組織無氧呼吸增加，乳酸堆積引起酸中毒，使腦細胞死亡。

磁共振pH成像可用于識別缺血性卒中不同區(qū)域的pH情況。有研究[22]利用APTR*方法分析12例病人的酸中毒情況發(fā)現(xiàn)，酸中毒從重到輕依次為梗死核心、最終進展為梗死的低灌注區(qū)、最終存活的低灌注區(qū)。對于缺血半暗帶，既往影像學常用的識別方法是觀察擴散加權(quán)成像（DWI）與灌注加權(quán)成像（PWI）之間的錯配區(qū)域，但這種方法無法區(qū)分真實缺血半暗帶與良性缺血區(qū)。有研究者[23]采用MTRasym法在缺血性卒中動物模型中發(fā)現(xiàn)，pH圖像的信號異常區(qū)總是大于或等于DWI信號異常區(qū)，而小于或等于PWI信號異常區(qū)，提示DWI范圍外存在缺血酸中毒區(qū)域，證明了酸中毒的范圍更能反映缺血半暗帶。同時，也有研究者[24]利用弛豫校正的MTRasym法將DWI-PWI錯配區(qū)域劃分成pH-DWI錯配區(qū)和PWI-pH錯配區(qū)，并發(fā)現(xiàn)這兩部分的pH存在差異，pH-DWI錯配區(qū)的pH值更低。

磁共振pH成像也可用于觀察缺血性卒中的動態(tài)轉(zhuǎn)歸過程。不同時間點的腦細胞缺血狀態(tài)不同，酸化程度就不同。有研究[25]利用MTRasym法發(fā)現(xiàn)隨著缺血性卒中進展到亞急性晚期，病灶的信號也隨之增高，提出缺血性卒中后組織酸化持續(xù)存在，但會隨時間增加而減輕。采用MTRasym法研究卒中后再灌注動物模型顯示，梗死病灶的信號隨著恢復灌注而增高，顯示局部組織酸化逆轉(zhuǎn)[26]。

隨著磁共振pH成像方法的不斷進展，它能夠為缺血性卒中不同區(qū)域的代謝狀態(tài)和轉(zhuǎn)歸判斷提供更多有價值的輔助信息。

3.2 腦腫瘤 有研究[27]發(fā)現(xiàn)腦腫瘤細胞在有氧與無氧條件下皆會不斷產(chǎn)生乳酸，并轉(zhuǎn)運到細胞外，細胞外乳酸不斷累積，pH值下降。因此，腫瘤細胞內(nèi)外存在與正常組織細胞相反的pH梯度，這種細胞微環(huán)境的酸化有助于其逃避凋亡、耐藥及增殖，并增加侵襲性及轉(zhuǎn)移潛能[28]。一些文獻[29-30]就CEST在腦膠質(zhì)瘤（多為高級別）和轉(zhuǎn)移瘤方面的應用做了總結(jié)分析。關(guān)于磁共振pH成像可輔助腦腫瘤的診斷和治療的研究也在不斷報道。Wang等[31]利用MTRasym法對90例膠質(zhì)瘤病人分析發(fā)現(xiàn)，在高級別膠質(zhì)瘤的T2WI高信號且無強化的區(qū)域，腦血容量（CBV）與酸度呈正相關(guān)，而在低級別的膠質(zhì)瘤中則無這種關(guān)系，這對鑒別高級別及低級別膠質(zhì)瘤有提示作用，同時反映了高級別膠質(zhì)瘤的不均質(zhì)性。Ferrauto等[32]利用外源性比率法發(fā)現(xiàn)細胞外低pH值的膠質(zhì)瘤具有更高表達的控制增殖免疫表型，說明磁共振pH成像可預測膠質(zhì)瘤的增殖潛能。另外，磁共振pH成像還可以輔助腦腫瘤治療。Yao等[33]采用MTRasym法發(fā)現(xiàn)化療后殘存的和新發(fā)的酸化區(qū)域可以早期預測腫瘤的復發(fā)，便于調(diào)整治療方案。Lim等[34]利用AACID法發(fā)現(xiàn)腦腫瘤細胞模型的pH梯度隨時間而不斷增加，放化療藥物具有弱酸性和弱堿性，對pH梯度的了解有助于指導選擇治療藥物。因此，磁共振pH成像優(yōu)勢不僅在于輔助腦腫瘤pH環(huán)境評價，更可以依據(jù)pH環(huán)境輔助治療。

3.3 其他 磁共振pH成像目前在其他領域也有嘗試。已有研究[35]采用MTRasym方法發(fā)現(xiàn)了磁共振pH成像在顱腦創(chuàng)傷方面的潛在價值，它可以識別創(chuàng)傷后酸中毒造成的最易長期損害的組織，并且發(fā)現(xiàn)創(chuàng)傷后腦組織pH值降低會影響腦功能及6個月后的預后。另外，有研究者[36]提出磁共振pH成像對反映新生兒缺血缺氧性腦病的受累情況具有潛在應用價值，這有待于進一步研究。目前，CEST技術(shù)已用于阿爾茨海默病、帕金森病、多發(fā)性硬化以及兒童腦發(fā)育過程，但大部分研究用于監(jiān)測腦組織蛋白含量變化，磁共振pH成像目前未見用于這些疾病[37-38]。

4 小結(jié)

磁共振pH成像技術(shù)可以反映組織的代謝信息，賦予MR技術(shù)新的診斷意義，但是該技術(shù)尚未廣泛應用于臨床。雖然有很多減少成像干擾因素的方法，但仍不具備臨床應用的條件?；铙w內(nèi)“多池”比體外更復雜，以及不同研究中心技術(shù)應用的差異也會造成所得結(jié)論在互相驗證上存在著干擾。今后應進一步優(yōu)化磁共振pH成像技術(shù)，通過探索通用的后處理方法來保證成像的質(zhì)量及加強應用的穩(wěn)定性和準確性，以利于不同中心共同研究。同時，磁共振pH成像需要不斷加強臨床實驗，才能發(fā)揮其對人體疾病的不可替代的診斷價值。