唐湘雍，張玉忠，陳彥孜，丁 玲，沈苑玉，吳仁華*

(1.龍華區(qū)人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，廣東 深圳 518109；2.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，廣東 汕頭 515041)

膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的原發(fā)性惡性腫瘤[1]，影像學(xué)檢查為主要診斷方法。傳統(tǒng)MRI雖能準(zhǔn)確顯示腫瘤形態(tài)學(xué)特點(diǎn)及血供情況，但不能從分子層面評估病灶。磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy, MRS)能檢測組織的分子成分，直觀顯示全腦分子變化水平，其缺點(diǎn)是組織分辨率低?；瘜W(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer, CEST)成像是由磁化傳遞技術(shù)發(fā)展而來的MR分子成像新方法，能從分子水平探測組織中特定物質(zhì)濃度的變化并進(jìn)行成像，獲得空間圖譜[2]，已用于腦腫瘤、腦梗死及癲癇等相關(guān)研究[3]。既往研究[4-7]表明，針對多數(shù)MRS能檢出的代謝物可實(shí)現(xiàn)CEST成像，主要包括谷氨酸[4]、肌醇[5]和肌酸(creatine, Cr)[6-7]等。Cr是人體組織能量代謝過程中的重要物質(zhì)[8]，目前已有學(xué)者[6-9]采用Cr-CEST成像研究心臟、肌肉及顱腦相關(guān)疾病。腦膠質(zhì)瘤腫瘤區(qū)域細(xì)胞繁殖迅速，使能量代謝發(fā)生變化，導(dǎo)致Cr濃度改變。本研究觀察Cr-CEST成像評估大鼠膠質(zhì)瘤Cr濃度的價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 體外實(shí)驗(yàn) 于直徑8 mm試管中配置濃度為10 mmol/L的pH 7.0 Cr溶液，以濃度1%瓊脂糖溶液固定，獲得單一Cr試管；另于5支相同試管中分別配置濃度20、40、60、80、100 mmol/L，pH均為7.0的Cr溶液，并以相同方法固定于容器中，獲得混合Cr試管；行MR掃描。

1.2 體內(nèi)實(shí)驗(yàn) 選取8只6周齡雄性SD大鼠(購于廣東省實(shí)驗(yàn)動物中心)，體質(zhì)量200～250 g，中位數(shù)231.5 g。將10 μl對數(shù)生長期C6膠質(zhì)瘤細(xì)胞(濃度為106個(gè)/10 μl)接種于大鼠右側(cè)基底節(jié)區(qū)，制作大鼠膠質(zhì)瘤模型。于造模后第2～3周采集大鼠頭部MRI。本研究經(jīng)汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動物倫理委員會批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號：SUMC2013-039)。

1.3 儀器與方法

1.3.1 體外實(shí)驗(yàn) 采用安捷倫7.0 T動物MR儀(美國安捷倫科技有限公司)，配備雙通道正交體線圈，行T2W、連續(xù)波點(diǎn)分辨波譜序列及連續(xù)波平面回波序列掃描。T2W參數(shù)：TR 2 500 ms，TE 80 ms，層厚2 mm。參考文獻(xiàn)[10-11]方法設(shè)置連續(xù)波點(diǎn)分辨波譜序列及連續(xù)波平面回波成像序列掃描參數(shù)，以連續(xù)波點(diǎn)分辨波譜序列掃描單一Cr試管時(shí)，TR 6 000 ms，TE 26.51 ms，預(yù)飽和能量(B1)為0.5、1.0、3.0、5.0 μT，射頻脈沖持續(xù)時(shí)間為4 s，體素3 mm×3 mm×3 mm，飽和偏移頻率為+5～-5 ppm，間隔0.25 ppm；掃描混合Cr試管時(shí)，B1為1.0 μT，余同上。以連續(xù)波平面回波成像序列掃描混合Cr試管時(shí)，翻轉(zhuǎn)角90°,TR 6 000 ms，TE 26.51 ms，矩陣64×64，層厚2 mm，F(xiàn)OV 40 mm×40 mm，采集次數(shù)2，B1 0.5、1.5、2.5 μT，射頻脈沖持續(xù)時(shí)間為4 s，飽和偏移頻率2.0、-2.0、300 ppm。

1.3.2 體內(nèi)實(shí)驗(yàn) 連續(xù)波點(diǎn)分辨波譜序列參數(shù)：根據(jù)T2WI所見，于腫瘤區(qū)域避開出血及壞死區(qū)設(shè)置ROI，體素3 mm×3 mm×3 mm，B1為0.5 μT，射頻脈沖持續(xù)時(shí)間4 s，F(xiàn)OV 30 mm×30 mm，余參數(shù)同混合Cr試管。連續(xù)波平面回波成像序列參數(shù)：B1 0.5 μT，射頻脈沖持續(xù)時(shí)間4 s，F(xiàn)OV 30 mm×30 mm，余參數(shù)同混合Cr試管。

1.3.3 圖像后處理 采用MATLAB(2013b)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，通過連續(xù)波點(diǎn)分辨波譜序列圖像獲得試管及大鼠腦膠質(zhì)瘤模型的Z譜及相應(yīng)非對稱譜；于連續(xù)波平面回波序列圖像試管/大鼠腦膠質(zhì)瘤中心區(qū)域(盡量與連續(xù)波點(diǎn)分辨波譜序列掃描ROI保持一致)及對側(cè)正常組織放置體素為3×3個(gè)的方形ROI，測量其Cr-CEST效應(yīng)Cr-CESTR值，Cr-CESTR=(M-2 ppm-M+2 ppm)/M0，M-2ppm、M+2ppm、M0分別為頻率-2 ppm、+2 ppm、300 ppm處的信號強(qiáng)度，其中300 ppm處偏離水峰較遠(yuǎn)，相當(dāng)于未施加預(yù)飽和脈沖，取其絕對值的均值為最后結(jié)果，并獲得相應(yīng)的Cr-CEST加權(quán)圖。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料采用中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示，比較采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 體外實(shí)驗(yàn) 于單一Cr試管的Z譜及非對稱曲譜(圖1)頻率2.0 ppm處見明顯波谷及波峰，提示存在Cr-CEST效應(yīng)，且B1值為0.5～3.0 μT時(shí)Cr-CEST效應(yīng)隨其增高而上升，B1值升至5.0 μT后Cr-CESTR效應(yīng)降低。

圖1 不同射頻預(yù)飽和能量下單一Cr試管的Z譜(A)及非對稱曲譜(B)

混合Cr試管Z譜及非對稱曲譜(圖2A、2B)顯示，頻率2.0 ppm處Cr-CEST效應(yīng)隨Cr濃度升高而增強(qiáng)?；旌螩r試管Cr-CEST加權(quán)圖像(圖2C)亦顯示，Cr-CEST效應(yīng)隨Cr濃度升高而增強(qiáng)，試管由藍(lán)色向紅色轉(zhuǎn)變，且隨B1值升高，Cr-CEST效應(yīng)增強(qiáng)。B1值為0.5 μT時(shí)，20、40、60、80及100 mmol/L Cr試管的Cr-CESTR分別為6.31%、9.91%、14.46%、18.07%及21.45%；1.5 μT時(shí)，相應(yīng)Cr-CESTR分別為16.75%、28.49%、37.66%、45.73%及49.87%；2.5 μT時(shí)分別為21.34%、34.84%、42.64%、50.75%及53.28%。

圖2 混合Cr試管的Cr-CESTR效應(yīng)相關(guān)圖譜 A、B.分別為B1為1.0 μT時(shí)的Z譜(A)及非對稱譜(B)；C.B1 為0.5、1.5、2.5 μT時(shí)混合Cr試管的Cr-CEST加權(quán)圖像

2.2 體內(nèi)實(shí)驗(yàn) 成功制備8只大鼠膠質(zhì)瘤模型，腫瘤T2WI呈高信號，邊界不清，占位效應(yīng)明顯(圖3A)。大鼠腦膠質(zhì)瘤Z譜及非對稱曲譜(圖3B、3C)顯示，B1值為0.5 μT時(shí)，于頻率2.0 ppm處見水信號減低，提示存在Cr-CEST效應(yīng)；Cr-CESTR加權(quán)圖(圖4)顯示，腫瘤區(qū)域顏色較對側(cè)正常腦組織為淺，即Cr-CEST效應(yīng)低于對側(cè)，頻率2.0 ppm處腫瘤區(qū)域Cr-CESTR絕對值[0.098(0.012,0.393)%]低于對側(cè)正常腦組織區(qū)域[3.499(3.072，3.656)%，Z=-3.361，P<0.001]。

圖3 大鼠腦膠質(zhì)瘤模型Cr-CESTR效應(yīng)相關(guān)圖譜 A.T2WI，黑框區(qū)域?yàn)閽呙鑂OI；B.Z譜；C.非對稱譜

圖4 大鼠腦膠質(zhì)瘤模型Cr-CEST效應(yīng)圖 A.T2WI；B.Cr-CEST加權(quán)圖(方框?yàn)镽OI)

3 討論

CEST技術(shù)利用特定高斯分布的預(yù)飽和脈沖對溶質(zhì)中的特定物質(zhì)進(jìn)行預(yù)飽和，即射頻標(biāo)記。假設(shè)有兩個(gè)溶質(zhì)池，一個(gè)是自由水池，一個(gè)是可交換質(zhì)子池。由于MR能探測氫質(zhì)子信號，卻無法直接探測特定大分子質(zhì)子池的信號。多種大分子物質(zhì)內(nèi)含有可與自由水進(jìn)行化學(xué)交換的氫質(zhì)子，在適當(dāng)條件下(如適宜的溫度、pH)，交換質(zhì)子池中的氫質(zhì)子能與自由水池的氫質(zhì)子發(fā)生化學(xué)交換，通過磁化傳遞探測水信號變化，間接反映溶質(zhì)中特定的低濃度物質(zhì)變化，從而顯示組織微環(huán)境的變化程度。CEST成像彌補(bǔ)了MRS空間分辨率低、不能獲得圖像的不足，得到探測物質(zhì)的CEST效應(yīng)圖可直觀顯示特定溶質(zhì)分子微觀狀況下的濃度分布及變化。

SCHMIDT等[12]指出，溫度升高使CEST效應(yīng)增強(qiáng)；而pH對CEST效應(yīng)亦存在影響。本研究在恒定室溫、pH 7.0下進(jìn)行觀察，以減少其他因素對Cr-CEST效應(yīng)的影響。SUN等[13]發(fā)現(xiàn)B1與CEST效應(yīng)并非呈無極限正相關(guān)，能量增高到一定程度后，CEST效應(yīng)將發(fā)生溢出，即減低，故優(yōu)化CEST掃描參數(shù)具有重要意義。本研究通過試管實(shí)驗(yàn)優(yōu)化掃描參數(shù)，發(fā)現(xiàn)相同條件下，B1值為0.5～3.0 μT時(shí)，Cr-CEST效應(yīng)隨B1值增高而加強(qiáng)，而B1值增高至5.0 μT時(shí)CEST效應(yīng)發(fā)生溢出[13]而有所下降；提示在一定范圍內(nèi)提高B1值可提升Cr-CEST效應(yīng)，但并非B1值越高則交換速率越快。隨Cr濃度增高，Cr-CEST效應(yīng)增強(qiáng)，與既往研究[12]結(jié)果相符，這是由于濃度增高后，相同條件下質(zhì)子池內(nèi)可交換質(zhì)子增多，導(dǎo)致交換增多，使水信號減低更明顯，而Cr-CEST效應(yīng)增強(qiáng)。

在體實(shí)驗(yàn)中的最佳B1值與Cr試管掃描并非完全相同。SINGH等[6]采用較低B1值(1.45 μT)對健康成人行頭部Cr-CEST成像?？紤]到腦組織Cr濃度較低，其CEST效應(yīng)相對試管而言較為微弱，較大B1值不利于活體成像，且B可能導(dǎo)致腦組織溫度增高而損害腦細(xì)胞，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本研究采用B1值0.5 μT對大鼠腦膠質(zhì)瘤進(jìn)行Cr-CEST掃描，結(jié)果顯示大鼠膠質(zhì)瘤頻率2.0 ppm處Cr-CEST效應(yīng)絕對值較對側(cè)正常腦組織減低，提示其Cr濃度低于正常腦組織，與既往Cr-CEST研究[6,11]結(jié)果基本相符，并與MRS顯示腦膠質(zhì)瘤腫瘤區(qū)域N-乙酰天門冬氨酸、Cr減低和膽堿增高[14]相呼應(yīng)。

由于頻率-2.0～-3.5 ppm處存在核奧式效應(yīng)[15-16]，無法去除-2.0 ppm處及附近部分物質(zhì)交換的影響，計(jì)算Cr-CEST效應(yīng)時(shí)，-2.0 ppm處存在水信號減低，難免影響結(jié)果，故Cr-CEST成像并非是絕對濃度成像，此為本研究不足之處。

綜上，Cr-CEST成像有助于評估大鼠腦膠質(zhì)瘤模型Cr濃度變化，有望為活體檢測腦內(nèi)Cr代謝提供影像學(xué)新方法。