0 前言

       神经退行性疾病是以神经元结构或功能进行性丧失为主要特点的一类异质性疾病，包括阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）、帕金森病（Parkinson's disease, PD）、亨廷顿病、肌萎缩性侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis, ASL）及多发性硬化（multiple sclerosis, MS）等。化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer, CEST）成像是一种新兴的MRI技术，可以对内源性代谢物进行无创性在体检测，从而实现对疾病内部代谢及病理生理机制的探索，并在肿瘤/癌症评估领域显示出巨大的潜力。近年来，随着CEST扫描序列及交换模型的不断改进，神经退行性疾病领域中的CEST研究不断增多并取得了较大的进展。基于此，本文将对CEST技术的原理及其在神经退行性疾病中的应用及研究进展进行系统综述。

1 CEST技术成像原理

       CEST成像技术是一种基于化学交换及磁化转移原理发展出的一种新型MRI技术，由WARD等^[1]于2000年首次提出。成像原理是利用特定的偏共振饱和脉冲对可移动溶质中的可交换质子进行选择性预饱和，经过预饱和的溶质质子可以与水中的质子进行交换，使水的信号发生衰减。在体内，水的含量较高而可移动溶质的浓度往往非常低。因此只要饱和时间足够长且交换速率足够快，交换就可以源源不断地发生，从而对溶质的信号产生放大效应，因此可以通过水信号的衰减间接实现对低浓度可移动溶质的成像。通过对水的信号强度及偏共振饱和脉冲频率进行标化，并定义为0，可以绘制出Z谱图，从而直观反映溶质的交换特性及CEST效应。CEST效应的大小通常通过非对称性磁化转移率（magnetization transfer asymmetry, MTRasym）这一常用指标来反映。除了对组织中可移动的小分子溶质信号进行检测，CEST还可以通过偶极耦合效应实现对组织中不可移动的大分子物质信号进行检测，称为奥弗豪塞尔核效应（nuclear Overhauser effect, NOE）^[2]。根据是否需要交换中介物，NOE相应可以分为直接NOE效应和中继NOE效应（relayed NOE, rNOE）。

       理想情况下，溶质质子应该被快速且不间断地交换给水质子，从而获取良好的图像对比度；但在实际中，质子间同时存在着正交换和反交换。因此想要获取良好的CEST图像，需要满足交换率要快于溶质质子的纵向弛豫率，以达到有效饱和，又需要小于水质子与溶质质子共振频率之差，以保证分辨率^{[3, 4]}。一些质子交换基团，如酰胺基（—CONH2）、氨基（—NH2）和羟基（—OH），可以在满足上述条件的同时表现出明显的CEST效应，因此在临床研究中被广泛使用。接下来我们将具体介绍这些CEST对比技术在神经退行性疾病中的应用及进展。

2 CEST成像技术在神经退行性疾病中的应用

2.1 酰胺基CEST成像在神经退行性疾病中的应用

       酰胺基CEST成像也称为酰胺质子转移（amide proton transfer, APT）成像，通过检测距离水共振频率3.5 ppm处的酰胺基中可移动质子与水之间的交换速率，来反映相应组织中酰胺基的浓度。这一技术于2003年由ZHOU等首次提出，最初应用于早期缺血及肿瘤的检测中。由于酰胺基在内源性蛋白质及多肽内大量富集，APT被认为可以间接反映组织中可移动蛋白质及多肽的含量^[5]；此外，由于降低的pH能够减慢酰胺质子和水之间的交换速率，APT可以通过间接反映相应组织中的pH环境实现对缺血的检测^[6]，这些都在动物实验中得以证实。

       脑组织内异常蛋白的聚集是神经退行性疾病的常见病理机制之一。APT可以无创探测组织中的小分子蛋白和多肽，因此可作为神经退行性疾病的潜在影像标志物。AD是最常见的神经退行性疾病，其主要病理改变是脑内淀粉样蛋白Aβ和Tau蛋白的异常聚集。研究显示，在最小化其他基团影响的情况下，相较于正常小鼠，AD小鼠脑内APT信号出现显著下降^[7]，提示APT成像可作为AD的诊断标志物。此外，APT与AD的Aβ病理及Tau病理相关^{[8, 9]}。在Aβ蛋白AD模型小鼠中，AD组左侧丘脑的APT信号较正常对照组显著下降，而在右侧丘脑、双侧皮质及双侧海马中不存在显著性差异^[8]。在Tau蛋白AD模型小鼠，AD组皮质和海马中的APT信号较正常对照组显著降低，且与Tau蛋白密度呈负相关^[9]。在人群中的初步研究结果表明，与对照组相比，AD 患者的双侧海马区APT信号增高，且与临床疾病严重程度直接相关^[10]。此外，遗忘性轻度认知障碍（mild cognitive impairment, MCI）患者存在双侧海马和杏仁核APT信号的增高^[11]，这提示APT可能有助于AD临床前期的检测。

       PD是第二常见的神经退行性疾病，其病理特征是黑质多巴胺能神经元丢失，α-突触核蛋白以路易小体的形式聚集。PD患者大脑中的APT信号发生了显著变化^{[12, 13]}。LI等^[12]首先将APT技术应用于PD的诊断中，发现PD患者黑质中APT信号显著降低，但在苍白球、壳核和尾状核中显著增高；此外，他们将PD患者按照发病时间及病情严重程度分为早期组及晚期组，发现晚期组黑质APT的信号明显低于早期组，提示黑质APT信号的丢失与PD病情严重程度及疾病病程相关^[13]。除去在PD诊断及病情评估中的应用，APT也可以用于帕金森综合征的诊断。LI等^[14]发现，多系统萎缩（multiple system atrophy, MSA）患者红核、黑质、丘脑和壳核的MTRasym显著降低，其中壳核MTRasym与量表的运动评分呈负相关，而红核MTRasym与运动症状进展率呈正相关。此外，研究显示无论是相较于正常对照者还是相较于脑内其他区域，ASL患者运动皮质和皮质脊髓束的APT信号显著减少^[15]。另一项研究则发现，在MS患者表现正常的颈髓白质中APT信号存在显著增高^[16]，提示APT可以成为检测MS脊髓损伤的较为敏感的影像标志物。

       尽管APT可以检测神经退行性疾病脑内蛋白的异常聚集，但其对神经退行性疾病诊断的敏感性及特异性还存在争议。一项使用涵盖了APT序列的多参数MRI进行的Tau蛋白AD模型小鼠研究显示，在脑萎缩发生之前，相较于APT序列，动脉自旋标记技术和扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）技术对低神经纤维缠结区域的Tau病理更为敏感^[9]。LI等^[17]比较了APT成像和DTI对于PD的诊断效能，发现基于黑质、苍白球、壳核和尾状核的APT成像在诊断PD方面优于DTI，尤其是在壳核和尾状核区域。DAI等^[15]的研究显示，运动皮层中APT信号对ASL患者诊断的敏感性及特异性明显高于常规MRI序列以及DTI序列。此外，蛋白聚集状态、直接水饱和效应、磁化转移效应甚至细胞凋亡导致的pH变化都会对APT信号产生影响^[7,9,18]。一项针对淀粉样蛋白Aβ、亨廷顿蛋白及蛋白混合物的体外实验证明，相对于APT信号，酰胺基的rNOE信号对蛋白聚集状态的检测更为敏感，尤其是在对蛋白混合物的检测中^[18]。在淀粉样蛋白Aβ及亨廷顿蛋白展开及聚集两种状态下，APT信号和rNOE信号均出现减低，其中rNOE信号降低更明显；而对于聚集状态下的多种蛋白混合物进行进一步研究，发现只有rNOE信号发生改变，提示rNOE对聚集蛋白的检测能力强于APT。

2.2 胺基CEST成像在神经退行性疾病中的应用

       来自内源性移动蛋白质、肽或氨基酸中氨基的可移动质子能够与水进行大量交换，从而在距离水共振频率1.8～3 ppm处产生CEST效应^[19]。与酰胺质子一样，氨基中可移动质子的交换速率同样取决于浓度和pH值，但其与水的交换速率更快，且当pH值高于7.0的时候，产生的CEST效应进一步加快，从而无法产生有效的CEST对比，而酸性环境能通过减慢质子交换率增加CEST对比，因此在酸性微环境中胺基CEST效应更为显著。同时，由于氨基中移动质子的共振频率距离水很近（＜5 ppm），导致胺基CEST对场强具有较高的要求，一般需要7 T或更高的场强；此外，高场强也带来了更大的磁场不均匀性，这些都是胺基CEST成像所面临的挑战^[20]。谷氨酸（glutamate, Glu）和肌酸（creatine, Cr）是用于CEST成像的两种具有氨基的主要代谢物，分别被称为GluCEST和CrCEST。

       Glu是中枢神经系统中一种主要的兴奋性神经递质，这种代谢物的浓度水平与多种神经和精神疾病直接相关^{[21, 22, 23, 24]}。在健康的大脑中，Glu信号对于海马、内侧颞叶及其邻近结构的功能尤为重要^{[22, 23]}。关于Glu的慢性兴奋毒性假说则是近年来神经退行性变研究的一个重点^[24]。GluCEST是非侵入性观察人脑中Glu相对浓度和空间分布的几种方法之一，由CAI等^[25]于2012年首次提出，其利用动物模型对GluCEST成像进行了研究及验证，并获得了来自健康人脑的GluCEST图，图像上显示的Glu在人脑灰白质中的分布与已经公开发布的代谢型Glu受体亚型5的正电子发射型计算机断层显像（positron emission computed tomography, PET）结果分布较为一致^[25]。在神经退行性疾病中，GluCEST已被用来对AD、PD、亨廷顿病、MS等进行探究，主要表现为脑内不同区域GluCEST信号的改变^{[26, 27, 28, 29]}。在AD小鼠模型中表现为大脑所有区域的GluCEST信号显著降低，其中以海马最为显著，并随着年龄的增长而急剧下降^[26]；在亨廷顿病小鼠模型中，同样存在大脑所有区域GluCEST信号显著降低,尤其是在胼胝体区域^[27]；在多巴胺缺乏的PD小鼠模型中则表现为后纹状体GluCEST信号显著增高，且与胶质纤维酸性蛋白存在共定位关系，提示GluCEST信号的增高反映了星形胶质细胞的增殖或反应性^[28]；在复发缓解型MS患者中则表现为前额叶皮层GluCEST信号显著增高，并且与患者认知处理速度显著相关^[29]。

       Cr是肌肉系统中能量代谢的重要生物标志物。通过肌酸激酶反应，Cr可以在运动过程中迅速可逆地转化为磷酸肌酸，然后随着磷酸肌酸的消耗产生三磷酸腺苷，并为肌肉收缩提供所需的能量。CrCEST可以对肌肉中Cr浓度进行检测，因而在肌肉疾病中得到了大量应用^{[30, 31, 32, 33]}，近期的一些研究也开始使用CrCEST对心肌能量代谢机制进行初步探究^[34]，而在神经系统中的应用相对不足。CHEN等^[35]对Aβ蛋白及Tau蛋白AD模型小鼠进行CrCEST成像，发现两种小鼠皮质和胼胝体中 CrCEST信号在早期阶段即出现显著性下降，并推测该变化与神经炎症导致的脑pH变化相关，提示CrCEST可能成为AD早期检测的新的影像标志物。

2.3 羟基CEST成像在神经退行性疾病中的应用

       羟基中的移动质子也能够与大量水进行交换，从而在距离水共振频率0.5～1.5 ppm处产生合成的 CEST效应。和胺基CEST一样，由于羟基中移动质子的共振频率距离水很近（＜5 ppm），羟基CEST同样对场强具有较高的要求，一般需要在7 T或更高的场强进行成像。糖胺聚糖（glycosaminoglycan, Gag）、糖原（glycogen, Glyco）、葡萄糖（glucose, Gluco）和肌醇（myoinositol, MI）是体内用于CEST成像的具有羟基的主要代谢物，分别被称为GagCEST、GlycoCEST、GlucoCEST和MICEST，并且已在临床前研究及部分临床研究中得到了相关应用。其中Gag是软骨组织的重要组成成分，因此GagCEST在关节或椎间盘软骨的研究中得到了大量的应用^{[36, 37]}，但尚未应用于神经系统中。Glyco是哺乳动物组织中葡萄糖的主要储存形式，主要存在于骨骼肌和肝脏中，而在脑组织中含量相对较少，因而很少有研究将GlycoCEST应用于神经系统。Gluco是脑能量代谢的主要来源；MI与细胞能量代谢相关，在脑组织中主要位于胶质细胞中，在细胞渗透压平衡的维持、细胞膜及髓鞘的形成中起到重要作用；以Gluco和MI为成像基础的CEST成像在神经系统及神经退行性疾病中有着不同程度的应用，但相关研究数量较少，尚处于起步阶段。

       Gluco是脑能量代谢的主要来源，正常Gluco代谢的破坏及其与细胞死亡途径的相互依赖性构成了许多脑部疾病的病理生理学基础，也是氟代脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（¹⁸F-fluorodeoxyglucose-positron emission tomography, ¹⁸F-FDG PET）成像的基础。多项研究显示，在AD、AD临床前期以及MCI中存在脑区域性Gluco代谢障碍^[38]，后扣带回和颞顶叶区域Gluco摄取的减少是¹⁸F-FDG PET成像最常描述的AD诊断标准^[39],并且被认为与健康者的认知衰退相关^[40]。此外，研究显示，在伴有认知障碍的PD以及不典型帕金森综合征患者中同样存在脑区域性Gluco代谢障碍，通过对这些区域进行检测可以区分特发性PD与部分不典型帕金森综合征^[41]。然而¹⁸F-FDG PET成像需要使用放射性示踪剂，难免给人体造成损伤。GlucoCEST可以解决这一问题。尽管由于羟基和水峰之间的光谱色散限制以及体内Gluco的低浓度，在临床场强下进行GlucoCEST成像非常困难，但通过使用外源性糖基试剂，可以获得良好的CEST对比^[42]。此外，通过减去Gluco给药前后的差异GlucoCEST图像可以实现GlucoCEST增强成像，从而更好地实现对体内Gluco代谢机制的探究。通过GlucoCEST成像，研究者观察到AD大鼠模型全脑GlucoCEST信号的显著升高，同时伴有Gluco摄取的减低^[43]。

       神经炎症与多种神经退行性疾病的发病机制及病情进展相关^{[44, 45]}。MI主要存在于脑内胶质细胞中，当存在神经炎症时，胶质细胞的免疫激活会导致局部MI含量的增高^[46]。基于磁共振波谱（magnetic resonance spectrum, MRS）的研究显示，AD和MCI中存在MI含量的升高，且在海马水平最为明显^[47]。但MRS对MI的检测仍然存在敏感度低、分辨率低、谱线易重叠等缺点，且无法描述MI在体内的分布模式。MICEST成像则可以在获取体内MI浓度信息的同时保留MI分布的空间信息，但成像要求较高，对模型的解释也较为复杂。YANEZ等^[48]的研究发现，具有炎症激活的早期AD模型小鼠脑组织中MICEST信号增高，但相应区域的MRS测量的MI水平并没有显著性升高。HARIS等^[49]进行的另一项研究则显示，AD小鼠模型脑内MICEST的信号增高，且与增高的MI浓度相对应。

3 小结

       CEST技术因其可以实现体内多种低浓度内源性代谢物的无创检测，在近几年得到广泛应用。与 PET相比，CEST可以提供更高的空间分辨率、更低的成本和风险（无需放射性示踪剂），因而被视为PET的潜在替代物。与传统的MRI相比，CEST实现了分子水平及代谢水平的成像，并具有较好的敏感度。与MRS相比，CEST对磁场及环境的要求相对较低，后处理相对简单，可以一次性对全脑各个区域进行分析且具有良好的信噪比。针对CEST采集方案的调试和优化可以强化被检测物质的CEST效应，提高检测的敏感度。但CEST在神经退行性疾病中的应用仍面临着研究异质性强、诊断敏感性特异性不足等缺点，且CEST成像对成像条件要求较高，因而距应用于临床常规诊断序列还有一段距离。临床医师及磁共振物理学家仍然需要做出更多的努力，对CEST序列进行不断的改进，使其可以更好地服务于临床工作。