0 前言

       酰胺质子转移（amide proton transfer, APT）成像是一种基于化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer, CEST）技术的MRI分子成像方法。APT技术最先用于脑部胶质细胞瘤的鉴别诊断、术前分级、复发鉴别及疗效评估，其原理为恶性肿瘤细胞增殖活跃，游离蛋白质和多肽明显增加，APT信号升高^[1]。随着该技术的发展，APT成像逐步应用于颈部肿瘤、肺部肿瘤、乳腺癌、前列腺癌、膀胱癌、子宫内膜癌及宫颈癌诊断^{[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}。由于APT信号与组织细胞内酸碱度及蛋白质含量相关，pH值及蛋白含量减低均可导致APT信号降低，利用此原理可以评估缺血性脑卒中进展阶段^[10]，评估儿童脑髓鞘发育情况^[11]。目前我国结直肠癌发病率逐年升高，已跃居城市恶性肿瘤第2位，农村恶性肿瘤第5位。我国结直肠癌早期诊断率较发达国家偏低，多数患者确诊时已是中晚期，死亡率较高^[12]。如能将APT技术应用于直肠癌的早期诊断，并评价其恶性程度及侵袭性，采用合适的临床治疗方案，将明显降低直肠癌病死率^[13]。由于直肠属于空腔脏器，肠腔内含空气、水、食物残渣等混合物，容易导致磁场场强不均匀，而且肠道蠕动影响MRI质量，所以，目前国内外APT成像诊断直肠癌还处于科学研究及小范围试验层面，未能将其广泛应用于临床工作。故本文汇总APT成像诊断直肠癌的国内外相关文献，了解其在恶性程度分级、治疗疗效评估方面的价值。掌握人为均匀磁场的相关方法，提高成像质量，为临床广泛应用提供理论依据。

1 APT成像基本原理

       CEST技术利用人体内物质作为天然对比剂，通过人体内物质与水分子之间质子交换所产生的代谢率和浓度差，形成MRI对比度，间接反映代谢物的改变^{[14, 15]}。CEST技术根据人体内葡萄糖、内源性活性氧簇、谷氨酸、脂肪、蛋白质及多肽、肌酸及肌醇等不同种类生物大分子衍生出多种分支技术，如APT技术、葡萄糖CEST技术、内源性活性氧簇技术、谷氨酸CEST技术、肌酸CEST技术、肌醇CEST技术、γ-氨基丁酸CEST技术^[16]。

       目前APT技术属于CEST技术中临床应用较成熟的一种。APT成像由约翰•霍普金斯大学的周进元教授在2003年提出，是一种基于CEST的无创性MRI分子成像方法^{[17, 18]}。利用内源性可移动蛋白及多肽内的酰胺质子与自由水中的氢质子交换以产生MRI对比度，反映活体组织内部蛋白质代谢变化。酰胺质子的共振位置在距离水峰约+3.5 ppm处^[19]，在此处发射特定频率的偏振射频脉冲，酰胺质子中的氢质子被饱和，饱和的氢质子与自由水中未饱和的氢质子产生交换传递。虽然人体内酰胺质子浓度极低，但持续交换和饱和可以使其灵敏度提高100～1000倍，最终通过检测自由水信号的衰减来反映组织中酰胺质子的浓度及其组织环境^{[20, 21]}。我们把水共振频率+3.5 ppm的非对称性磁化转移速率之差当做APT信号强度。APT信号来源于以下两方面：其一，肿瘤细胞增殖活跃，细胞内源性移动蛋白和多肽明显表达，能够促进酰胺质子交换转移过程，导致APT信号增高，此为最主要原因；其二，恶性肿瘤血供丰富，血管生成明显增多，血管内血红蛋白和血浆蛋白浓度明显增高也可导致APT信号增高^[22]。

2 APT成像在直肠癌中的应用

2.1 APT成像评估直肠癌组织学分级

       NISHIE等^[23]的前瞻性研究发现中分化腺癌的APT信号明显高于高分化腺癌，而表观扩散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）值无差异，提示APT成像可以分辨恶性肿瘤分化程度，进一步提示病理组织学分级。原因主要为肿瘤的组织病理学分级越高，细胞增殖越迅速，肿瘤细胞越密集，内源性移动蛋白和多肽明显增加，导致APT信号增高。另一个重要原因可能为高级别肿瘤细胞异型核的数目明显增加，而异型核可以诱导大分子和疏水性细胞膜之间分子交换，促进蛋白质和多肽释放^[24]。目前临床良恶性病变判断及恶性程度评价主要依靠扩散加权成像（diffusion-weighted imaging, DWI），DWI反映水分子的扩散，APT反映蛋白质代谢，DWI和APT相结合可以深入了解水和蛋白质两种不同物质的代谢情况^[25]，进一步评估肿瘤组织病理学分级。

       LI等^[26]回顾性研究结果同样表明APT有助于区分直肠常见腺癌的组织学分级，其曲线下面积（area under the curve, AUC）为0.737，高于体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion, IVIM）检查。同时该研究表明APT成像可区分直肠黏液腺癌和直肠其他常见腺癌，原因为黏液腺癌肿瘤实质中黏液蛋白含量明显高于其他类型腺癌，黏液蛋白导致APT信号明显增高。

       广西中医药大学李玲团队回顾性研究表明T3高级别直肠腺癌的平均APT信号、平均峰度较T2低级别肿瘤显著升高（P＜0.05）。该研究指出APT成像区分高、低级别直肠腺癌的敏感度为92.31%，特异度为79.17%，诊断能力强于扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging, DKI）及DWI^[27]。

       APT成像可以评价直肠肿瘤分化程度，提示直肠癌恶性程度，同时APT成像具有区分直肠癌组织学类型的潜能。APT成像和DWI临床联合使用可以评估肿瘤分子生物学改变，精准评价肿瘤组织分级。但APT成像对局部场强的均匀性要求很高，易受肠腔内气体干扰，图像质量不稳定，该问题有待我们解决。

2.2 APT成像在预测直肠癌化疗疗效方面的应用

       NISHIE团队^[28]统计了17例接受APT成像检查并进行新辅助化疗的晚期直肠癌患者，根据其对新辅助化疗的反应分为高反应性组和低反应性组。结果发现低反应性组的平均APT信号明显高于高反应性组（P＜0.05）。APT成像预测晚期直肠癌化疗反应性的AUC值为0.87，敏感度为75%，特异度为100%。由此判断APT成像能在治疗前有效评估直肠癌化疗预后。原因可能为化疗低反应性组的直肠腺癌肿瘤内含有更丰富黏蛋白^[29]，所以APT信号增高。大连医科大学团队及广州中医药大学团队^{[30, 31]}提出，化疗后肿瘤细胞增殖减慢或停止，蛋白质合成明显减少，APT信号减低，所以APT成像可以定量区分直肠癌化疗和未化疗的病灶。以上研究表明，APT成像作为非侵入性影像学手段可以定量评价直肠癌化疗疗效，敏感度和特异度高，临床可以广泛应用。

2.3 APT成像在预测直肠癌KRAS基因突变方面的应用

       美国国家综合癌症网络（National Comprehensive Cancer Network, NCCN）结直肠癌指南建议，抗表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）靶向治疗前应接受大鼠肉瘤病毒癌（Kirsten rat sarcoma, KRAS）基因检测，若KRAS基因存在突变则不建议接收靶向治疗^[32]。因此，明确KRAS是否突变对于治疗方案选择极其重要。丘清^[33]发现KRAS基因突变型直肠癌患者APT信号高于KRAS基因未突变型（P＜0.01），APT成像预测直肠癌KRAS基因突变的效能为中等水平（AUC＝0.80）。分析其原因主要为：（1）KRAS基因突变导致多条信号通路异常激活，如Ras－Raf－MAPK信号通路^[34]、Ral^[35]信号通路。通路激活将促进细胞分裂增生，进而导致APT信号增高。此外，突变的KRAS基因通过分泌多种趋化因子从而对肿瘤微环境产生影响，营造出更适宜肿瘤细胞增殖的环境，使得细胞增殖加快，肿瘤细胞增多，胞浆蛋白增多，APT信号增高。这些趋化因子常见的有白细胞介素^[36]、粒细胞－巨噬细胞集落刺激因子^[37]。（2）较多研究表明，KRAS基因突变与血管生长因子的调节相关，可以促进新血管生成，大量新生血管中的血红蛋白、血浆蛋白和白蛋白使得APT信号明显增高^[38]。以上研究表明APT成像具有无创性预测直肠癌KRAS基因突变的潜能，可以影像判断靶向治疗有无意义，精准选择临床治疗方案。

2.4 APT成像预测直肠癌侵袭性方面的应用

       直肠腺癌的预后与肿瘤TNM分期、P53蛋白表达、Ki-67增殖指数等因素密切相关^[39]。广州中医药大学李玲团队^[40]研究表明APT信号与直肠腺癌p53蛋白和Ki-67的表达呈正相关。DWI指标ADC值与p53指数无相关性。说明APT成像可以预测直肠腺癌Ki-67高、低表达及p53阴、阳性表达。这是因为Ki-67指数越高，肿瘤增殖越快，APT信号越高^{[41, 42]}，这与日本九州大学TOGAO等学者研究一致^[43]，该研究表明APT信号与脑部胶质瘤Ki-67指数呈正相关，认为原因同样为肿瘤细胞增殖导致内源性活性蛋白与多肽增加。p53基因突变使得血管内皮生长因子过度表达，产生更多微小血管，新生血管中丰富的血浆、血红蛋白^[44]导致APT信号增高。这说明APT信号的高低在一定程度上反映直肠腺癌的增殖活性，这与北京协和医院金征宇团队研究一致^[45]。

       李玲团队发表在European Radiology的回顾性研究表明^[27]，具有淋巴结转移和壁外静脉浸润的直肠癌灶具有更高的APT信号，这是因为淋巴结转移和壁外静脉浸润提示肿瘤侵袭度高^[46]，蛋白质和多肽增殖速度快，肿瘤新生血管多，血红蛋白和血浆蛋白丰富，APT信号明显升高。

       以上研究表明，APT信号与直肠腺癌侵袭性相关免疫指标呈正相关，可以评价直肠癌恶性程度及周围淋巴结和血管侵犯情况，临床重复性良好，为临床治疗方案选择及手术指导、预后评价提供影像价值。

3 APT成像在直肠诊断方面图像质量的改进

       APT成像检查对MR场强要求较高，只适用于场强3.0 T的MRI设备^[47]。直肠肠腔内成分混杂，并不是一个均质的成像环境，且肠道蠕动容易产生磁场不均匀性，故而采取以下措施来人为均匀磁场，提高APT成像参数的稳定性。（1）检查前10 min给患者肌注10 mg山莨菪碱，抑制肠道蠕动，保证图像质量；（2）检查前灌肠，排除食物残渣，减少图像伪影；（3）检查前10 min经肛门注入适量超声耦合剂（约10～40 mL），对肠道进行填充，避免因气体导致磁敏感伪影^[48]；（4）APT成像采集时间较长，约11 min，在增强扫描打药前扫描APT序列，避免长时间扫描造成患者烦躁而产生运动伪影^[49]。

4 小结与展望

       APT成像通过检测细胞内游离蛋白质及多肽酰胺质子浓度，判断直肠癌病理组织学分级，对直肠癌化疗疗效评估有指导意义。APT成像可以无创性预测肿瘤细胞侵袭性，反映细胞增殖情况，并且重复性良好，将其与DWI联合使用可以克服传统形态学成像的不足，进一步观察分子生物学改变，做到早期精准诊断直肠癌，将来可能替代侵入性活检作为早期治疗疗效评估的手段。但APT成像仅适用于高场强MR，临床应用时必须做好扫描前准备，人为均匀磁场，提高图像质量。期待APT技术早日广泛应用于临床，早期精准诊断并评估直肠癌，降低我国直肠癌病死率。