酰胺质子转移(amide proton transfer，APT)成像是一种基于细胞和分子水平对蛋白质浓度和酸碱度进行无创检测和评估的磁共振技术。在人体内，APT成像能够基于蛋白质和多肽链上的酰胺质子与游离水之间的质子交换来间接测量组织中的pH值和蛋白质浓度。APT成像在脑发育、脑血管疾病、肿瘤及退行性疾病等方面有广泛的应用。

1　APT成像原理

       APT成像是化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer，CEST)成像的一个重要分支^[1]，CEST成像是一种源自磁化转移(magnetization transfer，MT)的对比MRI技术^[2,3]，其原理为利用特定的偏共振饱和脉冲对内源性或外源性的特定物质进行充分的预饱和，这种饱和通过化学交换将特定物质的信号传递给周围的自由水，引起了自由水信号的变化，通过定量分析自由水饱和前、后信号的变化来反映出组织内信息。MT效应可以使用磁化传递转移率(magnetization transfer rate，MTR)进行量化计算：MTR=1-Ssat/S0，S0与Ssat分别为未施加和施加选择性脉冲的信号强度。

       APT成像技术是利用组织细胞中内源性蛋白质和多肽中的酰胺质子进行成像。APT定量分析的方法是在距离水峰±3.5 ppm处进行磁化传递率非对称性分析(MTRasym)以反映酰胺质子化学交换信息。在水共振频率两侧(±3.5 ppm)的磁化转移率之差即为APT的信号强度，具体计算公式如下：

       MTRasym (3.5 ppm)=Ssat (-3.5 ppm)/S0-Ssat (+3.5 ppm)/S0

       APT信号的变化依赖于酰胺质子与水质子的交换速率，二者的交换速率主要受到体内蛋白质或多肽中酰胺质子的浓度及酸碱度的影响^[4]。在pH保持稳定的情况下，组织内的蛋白质和多肽的浓度升高，APT信号升高；在组织内蛋白质和多肽的浓度在保持稳定的情况下，pH值降低，APT信号下降。

2　APT成像技术在中枢神经系统中的应用

2.1　脑发育

       脑发育是一个复杂的过程。新生儿脑发育过程主要表现为神经胶质细胞增殖和髓鞘形成，Zheng等^[5]对38例新生儿(孕龄27~41周)行APT成像来评价新生儿大脑随孕龄增加的变化情况，结果显示不同部位(额叶、基底节和枕叶)的APT值与新生儿的孕龄呈线性正相关。这可能与大脑在发育和成熟过程中髓鞘形成伴随不断增加的蛋白质含量有关。Zhang等^[6]对82例大脑发育正常的儿童(足月新生儿至18岁)行APT成像，结果显示随着年龄的增长，全脑区域(胼胝体、额、枕白质及半卵圆中心) APT值呈指数降低趋势。这可能与脑髓鞘化过程与移动蛋白含量的减少有关，从而导致APT信号的降低。Zhang等^[7]对106例健康受试者(25~75岁)行APT成像，结果显示老年组的平均APT值高于年轻组，其中4个脑区(颞叶白质、额叶白质、额叶灰质、尾状核)与年龄呈显著正相关，这可能与由于脑组织随着年龄的增长神经元减少、脑部及外周器官神经变性相关蛋白(TAU蛋白、β淀粉样蛋白等)在神经元与胶质细胞内沉积有关。因此，APT成像可以作为一种有潜力的影像学检查方法，在分子水平上评估脑的发育与正常脑老化。

2.2　新生儿缺血缺氧性脑病

       新生儿缺氧缺血性脑病(hypoxic ischemic encephalopathy，HIE)是一种由全脑缺血缺氧后再灌注性脑损伤引起的一系列的病理生理过程，脑组织代谢变化往往早于形态学的改变，观察代谢物的变化有助于早期诊断。郑阳等^[8]对新生猪缺氧缺血脑损伤模型行APT成像研究表明，缺氧缺血后0~2 h，由于细胞内H⁺增多，pH下降，导致APT值出现急剧下降，随后逐渐升高，24 h左右基本恢复至正常水平。郑阳等^[9]亦测量了13名HIE新生儿病灶内及正常对侧APT值，结果显示病灶内APT值低于对侧。原因为当脑内缺氧缺血时,脑组织的pH值降低，同时缺氧也会导致少突胶质细胞损伤，会导致发育障碍，蛋白质合成受到影响，也会导致APT值的降低。陈思瑾^[10]对12名健康新生儿及30名轻度HIE新生儿在出生后2~7 d内行APT成像研究发现，轻度HIE新生儿的APT值要高于对照组，出现此结果的原因可能是多数轻度HIE新生儿在行APT成像之前已经经历了低氧血症和缺血期，有氧代谢已经恢复，且研究发现，当脑组织经历缺氧缺血时，pH值会暂时降低然后增加，从而引起反弹性碱中毒。因此APT成像可以从内环境及分子水平评估新生儿脑损伤，是诊断新生儿HIE的一种可行并且敏感的技术。但目前相关文献较少，需要进一步研究其应用价值。

2.3　脑血管疾病

       缺血性脑卒中时主要表现为局部血液循环障碍造成大脑组织缺血缺氧进而引起pH的变化，这是APT技术检测脑卒中的理论基础。Sun等^[11]利用大脑中动脉闭塞的小鼠模型，发现缺血性损伤前后病变的pH值发生显著变化，pH值每变化0.5个单位，交换速率将变化50%~70%，这一发现支持APT成像应用于缺血性脑卒中的假设。

       临床上脑梗死分期不同，其治疗方法不同，早期诊断并准确分期对缺血性脑卒中的治疗有重要的意义。Huang等^[12]动物研究显示APT技术较常规MRI技术能更早发现脑梗死性病变，甚至可发现超急性期病变(0.5~3.0 h)。张帅等^[13]通过对50例不同时期缺血性脑卒中患者的研究显示，APT成像能发现急性期病灶，较扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)具有一定的优势，而且APT技术能够通过MTRasym区分不同发病时期。

       APT信号可能在评价缺血性脑卒中疗效中具有重要意义。Yu等^[14]对26例早期缺血性脑卒中患者进行了治疗前后的APT成像，在随访中24例患者病变APT信号随时间逐渐增加，其临床症状改善，2例患者病变APT信号进一步降低，其临床症状加重。因此缺血性卒中病灶治疗后APT信号升高预示治疗有效。

       缺血性脑卒中发生后影像学明确缺血半暗带的有无对于治疗方案选择具有重要意义。动物研究表明^[11,15,16]，APT信号强度的改变与缺血区乳酸浓度的变化相关；APT联合DWI和灌注加权成像(perfusion weighted imaging，PWI)能够更准确地判断缺血半暗带。Harston等^[17]对12例急性期(<24 h)脑梗死患者进行了研究，他们将梗死脑组织分为缺血核心区、梗死进展区、良性缺血区、病变扩散伪正常区及影像恢复区5个部分，结果发现每个区域APT信号均不同，其中良性缺血区、梗死进展区和缺血核心区APT信号存在差异且依次减低。谭月发^[18]通过对40例亚急性期缺血性脑卒中患者和40例健康志愿者研究显示，APT可以对CBF-DWI不匹配区进一步细分。CBF低灌注区伴APT值下降而DWI信号正常可能与缺血半暗带相对应；CBF低灌注而APT正常的区域对应良性缺血区；他们还发现亚急性脑梗缺血核心区周围仍然存在缺血半暗带。这些研究在精确划分缺血半暗带方面发挥了重要作用，有助于更好地理解缺血脑组织内病理状态。

2.4　脑肿瘤

       病理学检查是肿瘤诊断的金标准，近年来分子和遗传学亦为肿瘤诊断提供了重要信息。在肿瘤发生时，肿瘤细胞增殖异常，代谢活跃，蛋白质含量增加，导致APT图像上肿瘤病灶呈高信号,如果忽略细胞内外pH值的变化，则APT在脑肿瘤中的成像原理则是识别细胞质中蛋白质和多肽浓度的改变。Zhou等^[1]首次将APT成像技术应用于大鼠胶质肉瘤模型的研究，发现肿瘤组织的APT信号明显高于对照侧的正常脑组织；他们还比较APT图像与常规MRI的差异，发现APT图像上肿瘤的边界显示更加清晰。Yan等^[19]结合蛋白组学对大鼠胶质肉瘤模型进行APT成像分析显示肿瘤细胞内游离蛋白浓度的增加导致APT信号增高且APT成像技术能够区分肿瘤与周围水肿区域。Debnath等^[20]回顾性研究了32例未接受治疗的颅内病变患者，发现APT成像可以更好地区分肿瘤和感染性病变。

       胶质瘤是成人最常见的脑肿瘤，不同级别胶质瘤的治疗及预后有很大差异。Chen等^[21]收集了20例术后病理学证实的弥漫性胶质瘤患者，通过在术前对其进行APT成像发现高级别胶质瘤的MTRasym明显高于低级别胶质瘤，MTRasym与Ki-67值呈正相关。这一研究表明，APT成像有助于胶质瘤分级，并在预测肿瘤细胞增殖有很大的效力。Joo等^[22]对71例病理诊断为高级别胶质瘤的患者进行MRI检查，分析APT信号、临床因素、MGMT甲基化状态和IDH突变状态与总生存期(overall survival，OS)和无进展生存期(progression-free survival，PFS)之间的关系。结果单因素分析显示，高APT信号是较差的OS和PFS的明显预测因素。多因素变量分析显示，当纳入临床因素或联合分子标志物作为协变量时，高APT信号是较差OS和PFS的独立预测因素。与IDH突变型相比，IDH野生型与高APT信号存在显著相关性。因此APT高信号提示高级别胶质瘤患者预后不良，APT信息较临床指标和分子标志物对患者预后有更高的价值，并可协助判断IDH突变状态。

       恶性胶质瘤的治疗是否有效常规MRI通常难以准确判断，APT成像在评估治疗疗效方面有较大应用潜力。Jiang等^[23]对21例放疗及化疗后疑似复发的恶性胶质瘤患者中进行了APT成像研究，得出APT信号强度与组织病理学分级、细胞密度、增殖指数呈显著正相关。临床病理分析显示APT信号对判断复发胶质瘤的敏感性为94.4%，阳性预测值为100%。因此APT成像对恶性胶质瘤治疗后的疗效评估具有重要价值。除此之外，有研究表明APT成像还可以用于颅内肿瘤的鉴别诊断^{[24,25,26,27]}。

2.5　退行性病变

       APT成像的研究主要集中在帕金森病(Parkinson’s disease，PD)和阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)，其成像基础是多数神经退行性疾病都伴有中枢神经系统蛋白异常沉积。

       有研究证实，黑质是PD的第一个受累区域，其次是纹状体。Li等^[28]对PD患者与对照组行基底节和中脑层面APT成像，发现黑质APT值在对照组、PD早期患者及PD晚期患者中依次降低，而PD组苍白球、壳核和尾状核APT值则明显高于正常对照组。这是由于黑质多巴胺能神经元的丢失与APT信号减低有关，而在纹状体异常胞浆蛋白的聚集与APT信号增高有关。因此APT成像可以应用于PD的早期临床诊断和病程监测。

       AD首先累及内侧颞叶，尤其为海马区。王蕊等^[29]对21例AD患者和19例健康者进行常规MR和APT成像检查，发现AD组双侧海马的APT值显著高于正常对照组，双侧海马的APT值均与MMSE评分呈负相关，与CDR评分呈正相关，APT成像能够敏感显示AD患者海马区基于蛋白增加的脑代谢异常。另外，王蕊等^[30]还比较了健康人、遗忘型轻度认知功能障碍患者和AD患者多个脑区的APT值，发现三者双侧海马区的APT值呈依次升高的趋势，两两之间比较均具有统计学差异，所以APT成像不仅有利于AD患者的早期诊断，还可以对认知功能障碍和AD患者的病情进行监测。Wang等^[31]对AD模型组和对照组大鼠行APT成像，结果显示AD模型组中脑APT值显著降低，与对照组相比，海马CA1区和皮层有明显的神经元丢失。综上所述，APT成像可能为AD的非侵入性诊断提供潜在的分子生物标志物。

3　APT成像技术的展望

       APT成像技术能够利用内源性对比剂从细胞分子水平来反映组织内的信息，在中枢神经系统疾病中有较为肯定的应用价值，近年来APT成像已证实在其他部位疾病中也有潜在的应用价值，如宫颈鳞癌的鉴别、前列腺癌分级及乳腺癌治疗后评价等。但是APT成像技术还需要进一步的改进，如主磁场B0及射频磁场B1的不均匀性对MTR非对称性分析的精确度影响较大，需要优化影像扫描序列参数，运动伪影以及脑脊液伪影可影响影像质量，需要调整图像采集模式以缩短扫描时间等。

       综上所述，随着成像技术的不断发展和成熟，APT成像作为一种安全无创的磁共振分子成像新技术，可以在中枢神经系统及其他部位疾病的早期临床诊断、病情监测及评估预后等发面发挥越来越重要的作用，具有广阔的应用前景。