王俊龍 任彥 王衛(wèi)衛(wèi) 李克 劉含秋

腦膠質(zhì)瘤的高復(fù)發(fā)性使得膠質(zhì)瘤治療極為復(fù)雜，預(yù)后極差，而及時(shí)診斷和治療方案修正是復(fù)發(fā)膠質(zhì)瘤治療和患者預(yù)后改善的重要保證。神經(jīng)影像學(xué)在膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)患者的治療中起著至關(guān)重要的作用，但傳統(tǒng)形態(tài)和功能影像經(jīng)常不能提供足夠的診斷信息，導(dǎo)致臨床治療決策失誤。尋找特異性腫瘤識(shí)別標(biāo)志物，對(duì)于膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)的治療意義重大［1］。腦膠質(zhì)瘤存在氨基酸合成/分解代謝紊亂［2］，檢測(cè)其代謝過(guò)程對(duì)于判斷腫瘤增殖尤為重要。根據(jù)膠質(zhì)瘤中氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)膠質(zhì)瘤特異性氨基酸進(jìn)行在體的定性及定量測(cè)定，并對(duì)膠質(zhì)瘤診療前后的氨基酸代謝變化進(jìn)行區(qū)分，將極有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)膠質(zhì)瘤早期復(fù)發(fā)的及時(shí)檢測(cè)［3］。

本文將對(duì)近年來(lái)有關(guān)腦膠質(zhì)瘤氨基酸檢測(cè)技術(shù)以及膠質(zhì)瘤診療中的氨基酸代謝變化進(jìn)行總結(jié)分析，以谷氨酰胺/谷氨酸、蛋氨酸和酪氨酸為例，對(duì)其在膠質(zhì)瘤生長(zhǎng)中的作用以及膠質(zhì)瘤治療前后的代謝變化進(jìn)行綜述。

膠質(zhì)瘤與氨基酸代謝

1. 谷氨酰胺/谷氨酸在腦組織和膠質(zhì)瘤中的代謝

谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中蘊(yùn)含最豐富、應(yīng)用最廣泛的氨基酸。谷氨酸是一種酸性氨基酸，其不僅能以代謝樞紐的身份參與細(xì)胞代謝，還可以參與神經(jīng)遞質(zhì)的信息傳遞，作為一種興奮性氨基酸，于神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)中進(jìn)行代謝并不斷被消耗［4］。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞可將神經(jīng)元細(xì)胞分泌的谷氨酸轉(zhuǎn)化成谷氨酰胺，而后谷氨酰胺被傳遞到神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)，并在此處參與合成神經(jīng)遞質(zhì)，從而完成谷氨酸的再生過(guò)程［5］。正常腦組織中谷氨酸的含量相對(duì)穩(wěn)定，谷氨酸在神經(jīng)元細(xì)胞中的平均濃度約為5～10 mmol/L，而在細(xì)胞外液中，谷氨酸濃度卻下降至0.5～4 μmol/L［6］。神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)谷氨酸的主要來(lái)源是通過(guò)由星形膠質(zhì)細(xì)胞所釋放的谷氨酰胺轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生。無(wú)論是對(duì)于細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外的谷氨酸穩(wěn)態(tài)，其維持都取決于上述轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的共同作用［7］。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的膠質(zhì)細(xì)胞主要包括星形膠質(zhì)細(xì)胞以及少突膠質(zhì)細(xì)胞等，起著分配營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、參與修復(fù)和吞噬的作用。

在正常腦組織中，谷氨酸主要在神經(jīng)元中釋放，并被星形膠質(zhì)細(xì)胞吸收。因此，正常的谷氨酰胺/谷氨酸代謝偶合存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中。然而，在膠質(zhì)瘤中，由于膠質(zhì)瘤細(xì)胞不是神經(jīng)元并可以釋放大量谷氨酸，這極大地超過(guò)了星形膠質(zhì)細(xì)胞所能吸收谷氨酸的能力，因此在膠質(zhì)瘤中，細(xì)胞外谷氨酸濃度常顯著增加。Yao等［9］通過(guò)膠質(zhì)瘤細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的共培養(yǎng)模型證實(shí)，細(xì)胞外谷氨酸的濃度主要取決于膠質(zhì)瘤細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的比例。隨著該比值的增高，細(xì)胞外谷氨酸濃度也就會(huì)越高。還有研究證實(shí)，腦膠質(zhì)瘤患者腦脊液中谷氨酸的濃度可高達(dá)400 μmol/L，該濃度遠(yuǎn)大于正常人腦內(nèi)1 μmol/L的谷氨酸濃度［10］。膠質(zhì)瘤細(xì)胞會(huì)釋放大量的谷氨酸來(lái)殺死周圍的正常神經(jīng)元，高濃度的谷氨酸亦可造成可逆的星形膠質(zhì)細(xì)胞膨脹［11］。此外，隨著腫瘤的進(jìn)展，膠質(zhì)瘤患者大腦中正常星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量會(huì)減少，導(dǎo)致它們攝取谷氨酸的能力也會(huì)隨之下降。那么，這就會(huì)導(dǎo)致正常細(xì)胞外液中谷氨酸的濃度不斷增加，最終內(nèi)環(huán)境中原有的谷氨酸穩(wěn)態(tài)被破壞［12］。這一過(guò)程是膠質(zhì)瘤生長(zhǎng)、發(fā)展和侵襲的重要環(huán)節(jié)。

2. 酪氨酸在腦組織和膠質(zhì)瘤中的代謝

酪氨酸是一種芳香族氨基酸，其有兩種主要來(lái)源，即從食物和苯丙氨酸的羥基化中獲得［13］。酪氨酸磷酸化被認(rèn)為是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和酶活性調(diào)控中的關(guān)鍵步驟之一。酪氨酸的磷酸化是一種動(dòng)態(tài)并且可逆的翻譯后修飾過(guò)程，此過(guò)程由蛋白酪氨酸磷酸酶（PTP）和蛋白酪氨酸激酶（PTK）協(xié)同調(diào)控，對(duì)許多生命活動(dòng)諸如細(xì)胞的增殖、分化與遷移等都十分重要［14］。有研究表明，由PTK與PTP之間的活性失衡所致異常酪氨酸磷酸化與多種疾病與包括膠質(zhì)瘤在內(nèi)的許多疾病的發(fā)展密切相關(guān)。

研究者利用18F-乙基酪氨酸（18F-FET）示蹤劑對(duì)腦膠質(zhì)瘤患者進(jìn)行了檢測(cè)，證實(shí)了其在腫瘤組織中攝取量較高而在正常腦組織中攝取量相對(duì)較低［15］。因此，相對(duì)于正常的腦組織，膠質(zhì)瘤組織中含有更多酪氨酸成分。

3. 蛋氨酸在腦組織和膠質(zhì)瘤中的代謝

蛋氨酸是哺乳動(dòng)物必需的氨基酸，除了作為蛋白質(zhì)組分的作用外，蛋氨酸還與許多重要的代謝途徑有關(guān)［16］。腦組織中的蛋氨酸一般先轉(zhuǎn)化為甲基供體S-腺苷蛋氨酸（SAM），失去一個(gè)甲基繼而水解后轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，或借助四氫葉酸提供的甲基重新轉(zhuǎn)化為蛋氨酸［17］。研究證實(shí)，癌細(xì)胞通過(guò)蛋氨酸代謝過(guò)程中的轉(zhuǎn)甲基化發(fā)生癌變。在此過(guò)程中，當(dāng)?shù)鞍彼岜煌桶腚装彼崛〈鷷r(shí)，癌細(xì)胞的增殖會(huì)受到抑制。最近的研究表明，癌細(xì)胞有一個(gè)“甲基池”，可以保證癌細(xì)胞的甲基供應(yīng)［18］。腦膠質(zhì)瘤患者的腦組織中，腫瘤細(xì)胞增殖迅速，蛋白質(zhì)合成較快，對(duì)蛋氨酸的需求較多，呈現(xiàn)高攝取狀態(tài)。因此，以L-甲基-11C-蛋氨酸（11C-MET）為示蹤劑的PET可為腫瘤的氨基酸代謝提供重要信息，已應(yīng)用于腦膠質(zhì)瘤的臨床實(shí)踐［19］。

膠質(zhì)瘤氨基酸代謝檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展

目前用于診斷膠質(zhì)瘤早期復(fù)發(fā)和治療相關(guān)性改變的氨基酸代謝檢測(cè)技術(shù)主要有代謝組學(xué)（metabonomics）、正電子發(fā)射體層顯像（positron emission tomography， PET）、以及磁共振波譜成像（magnetic resonance spectroscopy， MRS）。其中代謝組學(xué)檢測(cè)為離體檢測(cè)，后兩者為在體檢測(cè)。

1. PET在膠質(zhì)瘤中的應(yīng)用研究進(jìn)展

PET不僅能在CT或MRI的基礎(chǔ)上提供基本的解剖與形態(tài)學(xué)信息，還可以在分子水平上提供腫瘤的氨基酸代謝等信息，還是膠質(zhì)瘤的診斷、分級(jí)、復(fù)發(fā)監(jiān)測(cè)、制定治療方案及評(píng)估治療效果的重要成像手段［19］。代謝顯像的原理是利用由放射性核素標(biāo)記的相關(guān)代謝底物如葡萄糖和氨基酸等作為顯像劑，這些底物可以選擇性地聚集在特定的組織、器官或病變所在的部位，并通過(guò)其在器官或病變中的攝取和分布來(lái)反映細(xì)胞的存活以及增殖等生物代謝信息，從而最終對(duì)疾病的診斷和療效進(jìn)行評(píng)估。由于膠質(zhì)瘤具有較強(qiáng)的細(xì)胞代謝活性，因此，利用PET能夠觀察到膠質(zhì)瘤中的不同氨基酸分子在病灶內(nèi)代謝濃聚的過(guò)程［20］。11C-蛋氨酸（11C-MET）可用于評(píng)估膠質(zhì)瘤中的蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞增殖。通過(guò)比較異檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenase， IDH）野生型、IDH突變型膠質(zhì)瘤與其他不同惡性程度腫瘤的11C-MET攝取值，有研究發(fā)現(xiàn)IDH野生型膠質(zhì)瘤對(duì)于11C-MET的攝取明顯高于IDH突變型，這表明11C-MET PET可在術(shù)前用于評(píng)估IDH的突變狀態(tài)［21］。

另一種PET顯像劑18F-酪氨酸（18F-FET）在近年來(lái)逐漸應(yīng)用于膠質(zhì)瘤的臨床診斷，相比臨床常用的18F-FDG，可以更清晰地顯示腫瘤范圍，比11CMET有更長(zhǎng)的半衰期，在膠質(zhì)瘤的術(shù)前診斷、分級(jí)、療效評(píng)估及預(yù)后的預(yù)測(cè)方面具有優(yōu)勢(shì)［22］。

2. 代謝組學(xué)在膠質(zhì)瘤中的應(yīng)用研究進(jìn)展

代謝組學(xué)技術(shù)是對(duì)內(nèi)源性和外源性小分子的非靶向性和靶向性分析，通過(guò)高通量檢測(cè)手段，鑒定生物樣本的代謝差異并結(jié)合生物信息學(xué)分析，闡明腫瘤在發(fā)生和進(jìn)展過(guò)程中某些關(guān)鍵生化途徑的改變［23］。代謝改變被認(rèn)為是監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展、治療和揭示有效治療干預(yù)的新分子靶點(diǎn)的關(guān)鍵標(biāo)志之一。高通量分析技術(shù)包括核磁共振波譜和質(zhì)譜，以及高效液相色譜/氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用，是代謝組學(xué)常采用的檢測(cè)技術(shù)。質(zhì)譜代謝分析技術(shù)提供所檢代謝物的相對(duì)分子質(zhì)量等信息，檢測(cè)范圍寬泛，靈敏度和特異度都很高［23］。Wang等［24］納入163例腦腫瘤患者，利用基于腦脊液的代謝組學(xué)方法，篩選出了27個(gè)代謝物作為區(qū)分不同腦腫瘤類型的診斷標(biāo)志物，證實(shí)了腦脊液代謝組學(xué)可以識(shí)別不同腦腫瘤之間的代謝差異，在腦膠腫瘤的診斷中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。同樣地，其他一些腦脊液的代謝組學(xué)分析的研究也證實(shí)了許多代謝產(chǎn)物與膠質(zhì)瘤的發(fā)生和發(fā)展相關(guān)，而這些代謝產(chǎn)物中的一些在不同級(jí)別的膠質(zhì)瘤中也有所不同。

代謝組學(xué)目前仍然有很多技術(shù)難題，會(huì)受到檢測(cè)條件以及其他許多體內(nèi)和體外因素的影響，例如樣本處理方式和體內(nèi)代謝情況等［25］。另外，膠質(zhì)瘤細(xì)胞的離體培養(yǎng)條件無(wú)法完全模擬膠質(zhì)瘤在大腦內(nèi)所處的生理生化環(huán)境，因此，代謝組學(xué)所獲得的分子信息對(duì)膠質(zhì)瘤的診治方面提供的幫助較為有限。

3. MRS在膠質(zhì)瘤氨基酸檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

MRS是一種能夠檢測(cè)和量化體內(nèi)代謝物的水平的技術(shù)，可對(duì)體內(nèi)化合物的濃度進(jìn)行分析［26］，能夠以波譜的形式反映腫瘤的生化狀態(tài)、周圍水腫等信息，不僅在腫瘤的診斷及鑒別診斷等方面，而且在確定腫瘤的代謝邊界及預(yù)后判斷有廣泛的應(yīng)用［27］。

Elavarasan等［28］利用1H MRS結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)鑒定了患者來(lái)源的突變IDH1模型細(xì)胞經(jīng)替莫唑胺（TMZ）處理后的代謝變化，發(fā)現(xiàn)了谷氨酸水平的顯著增加，并進(jìn)行在體實(shí)驗(yàn)證實(shí)谷氨酸/谷氨酰胺的增加發(fā)生在腫瘤縮小之前。Tiwari等［29］使用長(zhǎng)TE PRESS序列進(jìn)行了1H MRS對(duì)甘氨酸的檢測(cè)，并建議將其作為神經(jīng)膠質(zhì)瘤侵襲性的標(biāo)志；研究結(jié)果表明甘氨酸和2-羥基戊二酸（2-HG）可以同時(shí)在體內(nèi)被檢測(cè)到，并且具有高水平甘氨酸的腫瘤增殖和進(jìn)展更快。Selin等［30］利用1H MRS對(duì)離體神經(jīng)膠質(zhì)瘤組織進(jìn)行成像并獲得譜圖以量化代謝物濃度，發(fā)現(xiàn)與Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)膠質(zhì)瘤相比，Ⅳ級(jí)膠質(zhì)瘤樣本中谷氨酸鹽、谷胱甘肽、乳酸鹽和丙氨酸以及白細(xì)胞介素-1β和白細(xì)胞介素-8顯著升高。

盡管氨基酸磁共振波譜檢測(cè)取得了一定的進(jìn)展，目前在膠質(zhì)瘤的診治中N-乙酰天冬氨酸、蛋氨酸、酪氨酸及谷氨酰胺/谷氨酸等的檢測(cè)應(yīng)用比較常見［31］。但是，膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)的早期診斷與鑒別仍然是一個(gè)巨大的難題。近年來(lái)，MRS被認(rèn)為是識(shí)別膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)則準(zhǔn)確率較高的檢查技術(shù)，現(xiàn)被廣泛用于評(píng)估腫瘤的復(fù)發(fā)和假性進(jìn)展的判斷。近年來(lái)有不少研究證實(shí)了氨基酸MRS檢測(cè)在膠質(zhì)瘤診療中的價(jià)值。Nearl等［32］結(jié)合了谷氨酸化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（glutamate chemical exchange saturation transfer，GluCEST）和 單 體 素MRS序列，應(yīng)用7 T磁共振設(shè)備對(duì)腦膠質(zhì)瘤患者進(jìn)行檢查，量化了腫瘤區(qū)域和瘤周邊緣的GluCEST對(duì)比和MRS代謝物濃度，發(fā)現(xiàn)瘤周谷氨酸升高與癲癇的發(fā)生有關(guān)。

但是，MRS所獲信號(hào)混雜，后處理時(shí)難以對(duì)全部代謝物中的目標(biāo)分子進(jìn)行識(shí)別和定量。有人提出，克服這一困難的一種解決方案是測(cè)量和估計(jì)短T2信號(hào)的分量，并將其從總譜線中除去，從而只留下代謝物信號(hào)。Michael等［33］利用這種方法證實(shí)了短TE1HMRS在膠質(zhì)瘤診斷中的潛力，并指出在膠質(zhì)瘤MRS中，對(duì)谷氨酸和谷氨酰胺信號(hào)的分開估計(jì)是可行的。另外，Mamone等［34］利用一種基于磁共振核自旋單態(tài)的方法來(lái)嘗試特異性地過(guò)濾MRS中的代謝信號(hào)，其原理是利用兩個(gè)核自旋之間的電子之間介導(dǎo)的耦合以及它們?cè)诠舱耦l率上的差異。他們的研究發(fā)現(xiàn)，在活體小鼠的海馬體中可以清楚地觀察到經(jīng)過(guò)核自旋單態(tài)過(guò)濾出來(lái)的谷氨酸信號(hào)。同樣地，Stephen等［35］也開展了類似的研究，他們通過(guò)在目標(biāo)分子（天冬氨酸、蘇氨酸和谷氨酰胺）中創(chuàng)建核自旋單態(tài)分子，施加連續(xù)的射頻脈沖場(chǎng)使目標(biāo)分子保持單態(tài)同時(shí)又使不感興趣的分子磁化飽和，然后將目標(biāo)分子單態(tài)映射回MR的可觀測(cè)態(tài)，從而明確地顯示了其譜線。

檢測(cè)設(shè)備上，膠質(zhì)瘤的氨基酸代謝MRS檢測(cè)，大多數(shù)都是在7 T高場(chǎng)下的應(yīng)用，對(duì)于實(shí)體腫瘤的在體檢測(cè)應(yīng)用很少，尤其是單態(tài)氨基酸在3.0 T磁共振上的應(yīng)用文獻(xiàn)報(bào)道極少，如果這種單態(tài)技術(shù)能在3.0 T上應(yīng)用，將帶來(lái)極大的社會(huì)效益，減少膠質(zhì)瘤患者在診療中過(guò)對(duì)于高昂價(jià)格的PET檢查的依賴。

盡管MRS在在近年來(lái)針對(duì)膠質(zhì)瘤的應(yīng)用方面取得很多進(jìn)展，但一些局限性依然存在：①磁場(chǎng)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致波峰重疊和代謝物難以定量，若能特異性地選取某個(gè)化合物并對(duì)其進(jìn)行定量分析可能會(huì)避免這種情況；②利用MRS評(píng)估膠質(zhì)瘤代謝的原理是測(cè)定腦組織內(nèi)的特定代謝物濃度，但是尚未有統(tǒng)一的代謝物選擇標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)膠質(zhì)瘤的代謝機(jī)制來(lái)選取相對(duì)特異性氨基酸。

總結(jié)與展望

膠質(zhì)瘤是大腦內(nèi)最常見的惡性腫瘤，具有高侵襲性，不僅如此，其浸潤(rùn)性生長(zhǎng)的特點(diǎn)及極高的復(fù)發(fā)率使得臨床上對(duì)其的診斷與治療十分困難。膠質(zhì)瘤的復(fù)發(fā)與假性進(jìn)展在常規(guī)影像學(xué)上表現(xiàn)非常相似，往往難以鑒別。目前尚無(wú)有效的影像學(xué)診斷手段來(lái)區(qū)分膠質(zhì)瘤患者的復(fù)發(fā)和假性進(jìn)展，臨床上需要結(jié)合不同的MR成像方法來(lái)提高對(duì)二者的鑒別診斷能力。代謝組學(xué)檢測(cè)雖然準(zhǔn)確高效，但是主要是離體檢測(cè)。氨基酸PET在膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)的診斷和鑒別診斷中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，但是造影劑生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，輻射性及檢查費(fèi)用昂貴均限制了其推廣應(yīng)用。

MRS技術(shù)應(yīng)用于膠質(zhì)瘤診治和研究已經(jīng)很多年，隨著高場(chǎng)MR技術(shù)的進(jìn)步，更高的信噪比將使其在膠質(zhì)瘤研究中的應(yīng)用潛力巨大。隨著相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件的應(yīng)用以及先進(jìn)序列的研發(fā)，將會(huì)使MRS在腦膠質(zhì)瘤中的應(yīng)用價(jià)值得到迅速提升。單態(tài)氨基酸MRS技術(shù)在3.0 T磁共振設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用將有助于提高M(jìn)RS在膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)診斷中的應(yīng)用價(jià)值。