氢质子磁共振波谱在脑肿瘤中的临床应用.docx

1、氢质子磁共振波谱在脑肿瘤中的临床应用 氢质子磁共振波谱在脑肿瘤中的临床应用 随着磁共振(MR)成像技术的发展，不仅能显示脑肿瘤精细的病理结构，而且还能够显示其某些代谢特征。氢质子磁共振波谱(1H MRS)自应用于临床以来，因其可以在人体无创地分析病变内代谢产物的浓度，从分子水平对病变进行评估，开拓并丰富了脑肿瘤诊断、鉴别诊断、肿瘤分级、评估肿瘤治疗、肿瘤复发和放射治疗损伤的思维，弥补了常规MRI的不足。磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）可以测定含1H、31P、13C、19F、23Na等代谢物的浓度，由于氢质子较其他原子核在有机物结

2、构中具有高自然丰度和核磁感性，故氢质子最多应用于磁共振波谱研究中。另外，用临床检测设备和常规表面线圈就可施行1H MRS，可用来检测体内多种微量代谢物，如肌酸（Cr）、胆碱（Cho）、脂质（Lipids）、肌醇（Inosine）、-氨基丁酸（GABA）、谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）、牛磺酸（Taurine）、乳酸（Lac）和N-乙酰天门冬氨酸（NAA）。MRS是目前唯一无创伤性地研究人体器官、组织代谢、生化改变及化合物定量分析的方法。本文重点阐述1H MRS在脑肿瘤中的临床应用。        通常情况下，MRS的定位技术可分

3、为单体素MRS、多体素MRS和化学位移成像定位方法（chemical-shift imaging，CSI）或磁共振波谱成像术（MRSI）。1H MRS通常用的定位方法包括：深部分辨表面线圈法（depth-resolved surface coil spectroscopy，DRESS）、点分辨表面线圈法（pointed- resolved surface coil spectroscopy，PRESS）、空间分辨法（spatially resolved spectroscopy，SPARS）、激励回波法（the stimulated-echo acquisition method，STEAM）

4、、在体成像选择波谱分析法(image selected in vivo spectroscopy，ISIS)、快速旋转梯度波谱（fast-rotating spectroscopy，FROGS）、点分辨旋转梯度表面线圈波谱（point-resolved rotating-gradient surface-coil spectroscopy，PROGRESS）和提高选择体激励法（volume-selective excitation，VSE）。其中，ISIS是采用选择性脉冲及梯度磁场的MRS定位方法，它测量出的波谱可直接在常规MR图像上定位（位置、形状、大小都可变），且可定义一维、二维及三维敏感

5、体。STEAM缩短了回波时间，提高了代谢物的分析，然而它对于运动更加敏感；而PRESS技术对运动不太敏感。为了更充分地观察到其他代谢物的波谱峰，需要抑制水的信号，最常应用的抑制水信号的方法是化学位移选择性激励法（chemical shift selective excitation，CHESS）。VSE、SPARS、FROGS、PROGRESS等技术有的仅处于实验室阶段，有的已用于临床，但大多未广泛应用。        1  代谢物的测定及意义        1.1

6、  NAA  人脑中含有大量的N-乙酰氨基酸，其中含量最多的为NAA。NAA的存在主要基于N-乙酰甲基团，其化学位移在2.02ppm。NAA主要存在于神经元内，被公认是神经元的内标志物（endogenous marker），其含量多少可反映神经元的功能状况及脑神经元细胞的完整性，许多对脑有损害的疾病均引起其浓度的下降。Canavan病是唯一NAA浓度增高的疾病1。在正常脑波谱中，NAA是最大的峰。现在已经证实，肿瘤内NAA浓度降低是由于神经元的缺失或正常神经元功能下降所致，常提示肿瘤侵犯神经元导致神经元减少或功能受损。对于起源于脑外的肿瘤，因肿瘤不含神经元结构，因此肿瘤内不

7、会检测到NAA浓度。        1.2  Cho  Cho主要存在于脑胶质中，是细胞膜磷脂生物合成的主要成分，它包括磷酸甘油胆碱、磷酸胆碱和磷脂酰胆碱，反映了脑内总的胆碱量（TCho）。Cho的化学位移在3 22ppm。胆碱是细胞膜磷脂代谢的中间产物，是髓鞘形成、细胞代谢和胶质增生的指标，反映了细胞膜的转运。它还可预测乙酰胆碱和磷脂酰胆碱，后者是细胞膜的组成成分，而前者是有关记忆、识别和情绪行为的关键性神经递质。正常情况下脑白质的Cho含量比脑灰质高，在病理状态下，神经细胞膜、髓鞘和神经脂类崩解以及胶质细胞增生

8、、神经细胞膜修复等因素导致Cho浓度升高2，3。Cho浓度升高反映肿瘤细胞膜的转换增强4。但研究发现，Cho浓度升高与肿瘤细胞表面弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）呈负相关；换言之，Cho浓度升高提示肿瘤细胞密度增加5。那么Cho浓度升高是不是意味着肿瘤的增殖活跃呢？有研究发现，Cho浓度升高肿瘤细胞确实增殖活跃6；但也有实验显示，Cho浓度和肿瘤细胞增殖无关5。因此，肿瘤内的Cho浓度升高的原因目前仍是一个推测，需要做更深入的研究，以便更确切地了解脑肿瘤Cho浓度升高的临床意义。      &nb

9、sp; 1.3  Cr  Cr反映的是能量代谢，化学位移在3.03ppm，包括肌酸、磷酸肌酸及较低水平的-氨基丁酸、赖氨酸、谷胱甘肽。在3.94ppm位置上可以看到Cr的附加波峰。Cr的作用可能是在脑细胞中通过贮存高能磷酸键三磷酸腺苷和二磷酸腺苷充当缓冲剂来维持能量依赖系统，Cr/PCr是一个能量代谢提示物7，Cr在能量代谢减退情况下增加，而在能量代谢增加时降低。在正常脑1H MRS中，Cr紧连Cho右侧，是第三高的波峰，Cr波峰值总是非常稳定，常用来作对照值。        1.4  Lac 

10、 乳酸峰具有一种非常独特的波形，它包含两个明显的共振峰，称为双尖波；Lac双峰的位置是1.32ppm，第2个Lac峰发生在4.1ppm，因为后一个峰非常靠近水，所以常被抑制下去。正常情况下细胞能量代谢以有氧氧化为主，脑内Lac水平很低，Lac在正常人脑波谱中往往测不到，而在病理状态下，它常常是糖酵解的最终产物而积聚。在脑缺氧、癫痫、肿瘤等情况下会出现Lac峰；Lac峰的1出现常提示正常细胞的有氧呼吸过程不能有效进行，Lac通过改变局部神经元的兴奋性来行使神经调节者的职能。可以肯定1.32ppm的关于Lac的波峰可通过改变回波时间（TE）来得到。恶性胶质瘤的有氧代谢能力虽减低，但是乏氧代谢不是恶

11、性肿瘤的特有表现，良性肿瘤的MRS中也会出现Lac波或Lac峰增高。良性肿瘤内出现Lac信号，说明良性肿瘤的代谢活动增强，特别是以无氧酵解为主要途径提供能量时，葡萄糖的吸收增多。良性肿瘤的Lac浓度增高并不一定就是肿瘤坏死所致，可能和肿瘤的线粒体减少、功能异常、肿瘤携氧能力和携氧比例下降有关。        1.5  Lip  正常脑组织中的Lip结合于细胞膜和髓鞘上，MRS检测不到。当这些结构遭到破坏时，Lip转运加快，产生更多的游离Lip，而在波谱的0.9ppm、1.3ppm出现波峰。在高级别胶质瘤和脑膜瘤中L

12、ip的增加反映了组织坏死的进展状况。肿瘤内的Lip信号，以往认为来自于Lip膜，而最新研究解释为肿瘤细胞内的Lip小体8。这个观点有助于了解和评估成活细胞和调亡细胞内的Lip生化过程。一般认为，Lip是肿瘤细胞分解、坏死所致。肿瘤内出现Lip信号提示为恶性肿瘤。虽然在长TE(TE=135ms)MRS中，良性肿瘤如脑膜瘤、听神经鞘瘤、垂体瘤、纤维细胞型胶质瘤、低分化级星形细胞瘤以及少数胶质瘤中没有测到Lip信号9，其实并不是肿瘤中不存在Lip，只是在1 3ppm处肿瘤的Lip信号和Lac峰重叠，利用反转Lac信号技术，就可以发现肿瘤内的Lip成分10，用短TE的MRS能较容易获得Lip信号，还能

13、定量分析与Cho的比率。现已知道良性肿瘤中的Lip类型和恶性胶质瘤不同，如多形性胶质母细胞瘤在短TE MRS序列中在1.3ppm处可测得明显的Lip信号，而用同样的序列就不能发现纤维型星形细胞瘤的中性Lip信号11，这就提示结合长TE和短TE的MRS评估Lip/大分子的代谢比率，有助于鉴别良、恶性胶质瘤。        1.6  Inosine  Inosine是激素敏感性神经受体的代谢产物，是一种星形细胞标志物和渗质，调节渗透压，营养细胞，抗老化作用12。肌醇峰的位置在3.56ppm。肌醇是短T2物质，需要在ST

14、EAM序列才能检测出。在新生儿时，肌醇的水平较高，后迅速下降。肌醇升高见于阿尔茨海默病、肾功能衰竭、糖尿病、可复性低氧、高渗状态等；肌醇降低见于慢性肝性脑病、乏氧脑病、休克、弓形虫病、淋巴瘤和某些低级别的恶性肿瘤。此外，三磷酸化派生出的肌醇，肌醇-1，4，5-三磷酸，被确信是细胞内钙调激素的第二神经递质13。肌醇峰在中枢神经系统以外的组织中出现具有临床意义，例如头颈部癌。        1.7  Glu和Gln  Glu和Gln的共振峰相邻很近，它们的总峰常在2.12.4ppm。Glu是一种兴奋性神经递质，在线粒体

15、代谢中具有重要功能，参与脑内氨的解毒，-氨基丁酸是Glu的重要代谢产物。Gln参与解毒和常规的神经递质活动；同时，它是星形细胞标志物之一14。Glu和Gln在脑组织内含量低，MRS信号弱，需在高场强（1.5T）、短TE（1020ms）下才能获得好的谱线。        1.8  Ala  Ala是一种不太重要的氨基酸，它的功能还不十分确定，它的波峰在1.31.44ppm之间，因此可被Lac峰的出现所掩盖，可能测不到。Ala峰与Lac峰相似，当TE从136272ms变化时也会发生翻转。  &nbs

16、p;     正常人脑中代谢物浓度随年龄的增长而变化，在3岁前这种变化最明显，可持续至16岁。其中最明显的改变为NAA/Cr比值的提高和Cho/Cr比值的下降，这可作为脑成熟的标志。这些变化可能反映出新生儿脑成熟的程度和轴索、树突及突触在数量上的增加，目前还不清楚随年龄增长而产生的任何有意义的变化是否都会在MR波谱上反映出来。此外，正常人脑中不同区域其化合物浓度也不同。        如何对人脑内代谢物进行绝对定量分析一直以来是个难题。有学者通过应用外置标准溶液或内置标准溶液的方法来定量地测量代谢物浓度，虽所取得了一定的进展15，但是由于受许多MR设备和生物体本身有关因素的影响，准确绝对定量分析是很困难的。因此，在临床工作中许多研究者仍习惯于采用半定量和(或)相对定量的方法。半定量是通过测算某代谢物波峰下面积