0 前言

       神经退行性疾病是神经元细胞慢性和进行性退化并随着时间推移恶化进而引起神经元死亡、突触缺失的一类疾病。随着我国进入老龄化社会，神经退行性疾病、心血管疾病和癌症等老年性疾病将大大增加社会负担^[1]。神经退行性疾病主要包括阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）、帕金森病（Parkinson's disease, PD）、多发性硬化（multiple sclerosis, MS）、亨廷顿病（Huntington's disease, HD）、肌萎缩侧索硬化症、老年性黄斑变性等。目前，对于神经退行性疾病的诊治仍有巨大的挑战，因此需要探索更多更有效的治疗和监测方法^[2]。化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer, CEST）成像具有分辨率高、非侵入性、无辐射等优点，可以无创检测到组织体内的分子，CEST成像已经可以作为监测神经系统的生物标志物，这对神经退行性疾病的早期诊断、治疗和监测具有重要意义^[3]。研究表明，通过CEST技术监测到神经元中的一些生物标志物[如谷氨酸（Glutemate, Glu）、肌酸（Creatine, Cr）、葡萄糖等]^{[4, 5, 6]}，这些生物标志物在神经退行性疾病中发挥着关键作用。因此，对CEST在神经退行性疾病应用研究进行综述非常必要，不仅可以提出CEST技术目前面临的挑战和存在的问题，还能对现有的研究总结经验，探索未来临床应用的研究方向。因此，本文介绍了CEST技术的基本原理，描述目前CEST技术在神经退行性病变中的应用，分析CEST技术在该类型疾病中的优势与不足，并对CEST技术进行探讨与展望，旨在推动CEST在神经退行性疾病中的临床应用研究及发展。

1 CEST的基本原理

       CEST成像是2000年WARD发现的一种新对比成像技术^{[7, 8]}，该技术可以引起自由水信号幅度显著变化，并可以检测到组织内的特定分子，如糖、氨基酸、递质和核苷等，CEST MRI能够提供毫摩尔生理浓度下特定分子组成的图像对比。以两池模型为例，CEST技术中有自由水池氢质子和溶质池氢质子持续交换以及两个质子池之间的饱和转移两个过程。当使用不同于自由水池氢质子的共振频率的射频脉冲选择性饱和溶质池质子，饱和的溶质池氢质子会与未饱和的自由水池氢质子发生交换，这种饱和会转移到大量水中，导致水信号略微减弱，每个没有饱和的自由水池氢质子会被饱和后的溶质池氢质子代替，然后自由水池氢质子再次被饱和。由于自由水池（110摩尔）比溶质池（微摩尔到毫摩尔范围）大很多，单次饱和转移不足以表现出对自由水池的影响。当溶质质子具有足够快的交换速率和足够长的饱和时间，长时间的饱和脉冲会使这种饱和效应显著增强，最终会在自由水池中产生可见信号^{[9, 10]}。随着CEST技术的不断发展，有学者已经提出了三池、四池模型理论来更好地解释CEST技术^{[11, 12]}。三池是两池模型基础上增加了半固态池，四池是三池模型的基础上又增加了核奥氏效应（nuclear overhauser effect, NOE）质子池^{[13, 14]}。

       目前，CEST量化方法分为两大类：一类是无模型的量化方法，主要包括非对称磁化转移率（magnetic transfer ratio asymmetry, MTRasym）、饱和转移差（saturation transfer difference, ∆ST），表观交换依赖弛豫（apparent exchange dependent relaxation, AREX）等^{[15, 16]}。以使用比较广泛的MTRasym为例对其原理进行概述：在CEST成像过程中，通过监测这些自由水信号的变化来间接检测各特定物质的浓度变化。因此，通过自由水池氢质子产生的信号差来产生对比度，其定义如公式（1）所示。

       其中，∆ω为溶质池氢质子与自由水池氢质子之间的固有频率差，S0和Ssat为饱和脉冲前后的自由水信号^[17]。第二类是基于模型的量化技术，主要包括洛伦兹拟合差和多池洛伦兹拟合等方法^{[18, 19, 20]}。洛伦兹拟合是一种基于Z谱的量化方法，其定义如公式（2）所示。

       其中δ1、ω1以及A1分别表示线宽、频偏和幅度^[19]。洛伦兹拟合差方法就是洛伦兹拟合Z谱的差^[21]。

2 CEST在神经退行性病变中的应用

2.1 CEST技术在AD中的应用

       AD俗称为老年痴呆，全球65岁或以上人群中约有7%患有AD，临床特征为记忆障碍、失语症和执行功能障碍等^[22]。AD的生物学特征主要表现为神经元死亡以及大脑中两种主要的蛋白质异常：细胞外积聚的淀粉样蛋白-β（Aβ）斑块和神经元内沉积形成的神经原纤维缠结，因为蛋白质异常的沉积^{[23, 24]}，酰胺质子转移（amide proton transfer, APT）成像对比图会表现出高信号。虽然病理活检已经在临床中广泛应用，但目前仍没有AD的金标准检测方法^{[25, 26]}。OH等^[27]对19名痴呆症患者和22名健康志愿者获取大脑CEST数据，并首次应用六池洛伦兹拟合绘制CEST指数，六池分别是直接水饱和效应（direct water saturation, DS）、NOE、磁化转移效应（magnetization transfer, MT）、羟基、胺和酰胺质子，分析数据发现，痴呆组的胺信号以及3 ppm和3.5 ppm处的MTRasym值均明显高于对照组，这些CEST指数与精神状态检查评分呈负相关，表明胺信号可以作为评估AD认知功能下降的潜在影像学生物标志物，这表明CEST MRI可以无创地对AD患者大脑成像来观察大脑变化，无需注射同位素来监测不同的疾病状态。该试验不足之处是洛伦兹拟合的后处理复杂且处理时间太长，应该开发一种运行时间短的简单处理工具用于常规临床。研究表明，老年人脑组织中含有异常聚集蛋白沉积，而CEST对蛋白质的分子构型十分敏感^[1]。CHEN等^[15]开发出了超短回波时间CEST序列，该序列可以把AD发生的蛋白质聚集作为分子生物标志物进行检测，他们把8 ppm处的控制信号减去±3.6 ppm的Z谱信号作为∆ST，并使用CEST技术对野生型小鼠和APP^swe小鼠的蛋白质聚集变化进行比较，发现APP^swe小鼠的ΔST显著降低，说明AD会受到的蛋白质聚集的影响。但是该序列在低场强下会受到DS的影响，需要校正或降低饱和振幅来避免DS污染。HUANG等^[16]基于深度神经网络的CEST（deep neural network based CEST, DeepCEST）和AREX（deep neural network based apparent exchange dependent relasation, DeepAREX）在3 T MRI上对AD小鼠和野生型小鼠大脑成像并进行数据优化训练，经过优化训练后，DeepCEST/DeepAREX可以快速对AD小鼠未见的CEST数据生成精确的CEST和AREX结果，表明该网络具有较高的准确性和通用性。免疫组化结果也证实了与Aβ斑块沉积相关的酰胺加权（3.5 ppm）信号在AD小鼠的中央和前脑切片中均显著低于野生小鼠，这也与CHEN等^[15]的实验结论基本一致，实验结果还发现AD小鼠的MT信号也明显减少，尤其是前脑区域，这些结果表明，临床3 T MRI建立的DeepeCEST/DeepAREX在AD鉴别诊断中具有巨大的潜力。但是该方法采集时间过长，在临床应用中并不理想，应适当调整频率偏移的间隔以减少扫描时间。WANG等^[28]发现了一种可以穿透血脑屏障并结合Aβ的外源性对比剂，以Angiopep-2作为外源性对比剂，以Aβ为目标的CEST可以作为一种新的成像方式，用于AD的早期诊断。LIU等^[25]发现AD小鼠大脑中Glu含量高于同龄的正常小鼠，在像素维度的分析中，获取小鼠大脑中Glu的分布图，利用机器学习对AD小鼠的Glu分布图进行分类，准确率可达到75.6%。该实验在一定程度上证明了Glu作为AD检测的生物标志物的可能性，但由于样本量较少，单个样本对结果的影响较大。未来，需要继续收集和扩大小鼠样本的数据集，探索更好的分类模型，为Glu作为AD的标志物提供更多信息。

       CrCEST信号不仅取决于代谢物浓度，并且受到pH值的影响，因此可应用于AD患者脑pH值的变化^[29]，CHEN等^[5]利用CrCEST研究了两种AD小鼠模型的RCr值均显著降低。肌醇（Myo-Inositol, MI）CEST（MICEST）反映胶质细胞增殖和活化，研究表明，在晚期AD的APP/PS1小鼠模型中，MICEST对比度是健康大脑的两倍，这相对于用磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy, MRS）评估的Myo-MI/Cr增加约50%，重要的是如胶质纤维酸性蛋白免疫染色所证实，这种MICEST升高发生在星形胶质细胞活性增加的区域^[30]。GluCEST是最近发展起来的Glu成像技术，许多关于动物和人类的研究表明，在AD中，通过突触相关连接的Glu通量高度可变且代谢物浓度降低^{[31, 32]}。葡萄糖CEST（Glucose CEST, GlucoCEST）是一种利用葡萄糖成像的新兴技术^[6]，葡萄糖是大脑能量的主要来源，许多神经病理学疾病包括AD会导致整个神经变性过程中的糖代谢受损^[6,33]，目前GlucoCEST未见应用于AD患者中，但它已经在动物模型中进行了研究，重点是针对Aβ相关病理（APP23、AD-Aβ25-35和APP/PS1）或tau蛋白病（rTg4510或Tau4RΔK）^{[34, 35, 36]}。总之，CEST对AD特定的病理过程敏感，这可以极大地帮助临床开发治疗方法和监测治疗效果^[22]。

2.2 CEST技术在PD的应用

       PD是仅次于AD的第二大常见神经退行性疾病，PD综合征是指包括运动迟缓、齿轮样强直、静止性震颤、缓慢移动步态和失衡的一种临床综合征^[37]。目前在临床上，PD的诊断主要依据临床表现，由于PD早期患者临床表现并不典型，使得PD早期患者的诊治更加艰难。PD的主要病理特征包括黑质色素细胞减少和变性、活性α-突触核蛋白聚集形成胞质包涵体以及神经炎症反应，这些因素导致多巴胺水平下降，黑质功能受损，进而导致PD的症状^{[38, 39]}。PD患者大脑病变处CEST信号显著下降，使得对PD早期的发现及干预成为可能，这可能会大大改善PD患者的预后。GluCEST已在啮齿动物PD模型中进行了临床前的应用^{[40, 41, 42]}，BAGGA等^{[41, 42]}的研究证实PD小鼠模型纹状体GluCEST信号增高，并与通过胶质纤维酸性蛋白免疫组化测定的局部星形胶质增生症呈正相关，进一步探讨了GluCEST可以作为炎症介导的胶质增生成像中有价值的生物标志物。

       临床中有研究通过MT技术证实PD患者黑质中的总CEST信号减少、基底神经节中的基于蛋白质的CEST信号增加，从而CEST可帮助PD患者进行无创分子诊断^[43]。LI等^[43]同时对PD患者进行了CEST成像和扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI），定量分析了黑质、纹状体、苍白球和壳核，发现与正常对照组比较，PD患者的黑质、纹状体均出现了总CEST信号、MTRasym值（3.5 ppm）以及各向异性分数的降低，这四个区域的平均扩散率与正常人对比没有显著差异，而CEST可提供多种图像对比度，在PD的诊断应用中明显优于DTI。受采集方案的限制，该试验只研究了两个切面信号变化，在一定程度上会影响比较结果，未来需要三维成像采集序列来克服。LI等^[43]对61名PD患者和24名健康志愿者进行3.0 T MRI扫描检查，发现早期PD患者和健康对照者的黑质APT信号和CEST信号有显著差异，表明CEST APT具有对PD的早期诊断能力，这将使PD的早期干预成为可能。这项研究还发现，晚期PD患者黑质的APT信号和CEST信号显著低于早期PD患者，单侧PD患者患侧黑质的APT信号和CEST信号也显著低于正常对照组，证明CEST MRI可用于检测PD患者各个疾病阶段，并可检测PD的严重程度。不足的是，APT成像的空间分辨率有待进一步提高，以便更准确地描述黑质区域。该试验证实CEST信号具有评估PD进展的潜在应用价值。MENNECKE等^[44]通过7个技巧优化的7 T CEST成像，对临床PD的早期阶段进行了有效识别，成功检测出黑质脂肪族中继NOE效应减低，该研究表明，通过低B1和高B1数据的组合，CEST对PD的诊断特异性可能会进一步提高。

2.3 CEST技术在MS的应用

       MS是一类中枢神经系统发生炎症性损伤的自身免疫性疾病^[45]，易导致大脑和脊髓中的灰白质产生炎症和斑块以及脱髓鞘等病变^[4]。MRI是评估MS患者主要的诊断和预后工具，假定血管源性白质高信号（white matter hyperintensities of presumed vascular origin, WMH）与MS患者的脱髓鞘性白质病变很难区分^[45]。SARTORETTI等^[46]对27名MS患者、35名脑小血管疾病患者和20名健康青年志愿者进行APT CEST成像并进行统计分析，发现MS患者的酰胺质子转移加权（amide proton transfer weighted, APTw）成像信号强度的平均值显著高于健康者WMH的平均值（P=0.005），MS患者的直方图参数与WMH的直方图参数也有明显差异（P=0.018，P=0.034）。该试验表明，APTw成像在一定程度上可以有助于区分MS患者和WMH，但由于总体差异较小，所分析的直方图参数在区分MS患者和WMH方面只产生了低程度的诊断性能，未来可以将APTw直方图参数与MRI技术、病变的形态学特征以及其他相关指标结合，可能会获得更高的诊断效率。LEE等^[4]使用溶血磷脂酰胆碱诱导大鼠发生MS，使用7.0 T MRI进行GluCEST检查，结果显示实验组胼胝体的GluCEST信号高于对照组，且海马体GluCEST信号明显高于对照组。GluCEST成像可能会成为评估MS中Glu相关代谢有用的工具。THOMAS等^[47]探索了中枢神经系统颈部浅层淋巴结引流CEST成像，这是导致MS免疫细胞激活和敏感的关键部位。利用CEST技术非侵入性监测实验性自身免疫性脑脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE）小鼠模型的疾病变化，再与基质辅助激光解吸/电离（MALDI）成像识别的传统生物标记物和代谢变化进行比较。分析数据发现，在颈部浅层淋巴结（0.4～6.0、1.6、3.2和5.2 ppm）中CEST信号的变化与MS残疾进展相对应，表明CEST MRI可以把与MS相关的淋巴结作为补充成像生物标志物来监测MS活动。由于在成像过程中基于MTRasym的CEST值存在大量的NOE效应，还需要通过进一步优化饱和参数（如B1）来缓解。LIU等^[48]对早期MS模型小鼠（使用EAE小鼠模型）进行CEST MRI检查，使用直方图引导的方法分析收集到的CEST Z谱信号。结果显示，在饱和偏移量为1 ppm和2 ppm时，EAE小鼠的后脑峰值比对照组小鼠的分布更不均匀，峰值更低。在这两个偏移点上，EAE小鼠和对照组小鼠小脑和脑干的CEST Z谱信号平均值和MTRasym平均值均有显著差异（P＜0.05）。实验证实了1 ppm和2 ppm的CEST MRI信号对EAE小鼠早期的细微病理变化敏感，说明CEST MRI技术能够提供相对敏感和特异的影像生物标志物，用于检测组织的生理和功能状态。但该实验小鼠大脑中的小胶质细胞不仅增加了MI和Cr的释放，还创造了酸性微环境，未来应该采用更具体的序列和分析来进一步确定信号的变化来自pH值还是来自浓度的变化。

2.4 CEST技术在HD的应用

       HD在西方国家中的患病率达到10.6～13.7/10万人，由于人口老龄化和预期寿命的延长，患病率也在不断增加。HD病理特征主要表现为大脑皮层和纹状体的神经元变性和丧失，以及神经胶质细胞的异常反应和神经纤维缺损^[49]。HD的临床表现主要是认知功能障碍、注意力下降和精神障碍。识别相关的生物标志物是了解神经退行性疾病的生物学过程和评价治疗效果的基础。纹状体萎缩虽然被认为是评估HD进展的最佳生物标志物，但它提供的与疾病相关的生化信息很少。PÉPIN等^[50]发现，敲入Ki140CAG基因的小鼠GluCEST图显示整个大脑的GluCEST对比度降低，表明Glu浓度降低。杂合小鼠中GluCEST对比度的降低程度小于纯合小鼠，这与这些小鼠中疾病进展较慢一致。这项研究还发现两组HD中都在胼胝体区测到最大的GluCEST对比度变化，说明胼胝体可能是HD小鼠模型中受影响最严重的大脑结构。因此，GluCEST成像具备检测特定脑区异常代谢的可能性，这对HD患者的临床诊治有重要意义。该研究者还把氢质子磁共振波谱（¹H agnetic resonance spectroscopy, ¹H-MRS）提供的生物特异性和GluCEST成像提供的高空间分辨率结合来识别早期相关的生物标记物^[51]。他们使用两种不同的HD遗传小鼠模型，包括疾病进展缓慢的Ki140CAG模型以及模仿了HD幼年型的R6/1模型，并在11.7 T下采用氢质子¹H-MRS和GluCEST成像相结合的方案进行扫描。结果发现，HD动物的N-乙酰-天冬氨酸水平显著下降，而且这种下降似乎与疾病的严重程度有关。该研究还发现¹H-MRS可以提供有关体内发生的关键生物信息，但会受到空间分辨率的限制；GluCEST可以准确地指出大脑发生变化的区域，但如果Glu水平保持不变，它也可能对疾病过程视而不见。因此在研究神经退行性疾病动物模型和识别相关生物标志物方面时，将上述的两种方法互补运用可以更好发挥其作用。该实验突出了两种确定相关生物标志物方法的互补性，未来还可以用以监测疾病进展或治疗效果。

3 小结与展望

       目前，CEST在神经退行性病变中的应用大多在AD、PD、MS以及HD，针对肌萎缩侧索硬化症和老年性黄斑变性领域的研究还不够深入，仍有大量工作需要开展。成像过程中水信号的降低除了来自CEST信号外，还受到NOE、MT以及DS等信号的干扰，后续需要继续优化CEST后处理技术及算法来最大程度恢复CEST信号。CEST技术在检测低浓度分子和小区域等方面还存在一定的限制，未来需要进一步提高其检测敏感度和空间分辨率，以更加精准的技术来探测神经退行性病变。现在CEST技术的发展还不够成熟，不同设备公司对CEST成像采集协议各不相同，可能会使数据结果在医院之间的可重复性和比较变得更加复杂，因此，需要进一步推动成像协议标准化，统一数据格式和共享数据，更大可能地促进CEST技术在临床应用中的发展^[52]。CEST作为一种新兴的功能成像技术，已在神经退行性疾病中初步得到应用，未来还需要开发更多、效果更好的对比剂，更全面地评估神经退行性病变的生理病理机制；还要发展多模态成像技术，与DTI、MRS以及正电子发射断层扫描成像结合更全面地分析神经退行性病变的发展过程。相信在不久的将来，随着人工智能在CEST中的应用以及CEST技术在临床中进一步试验与推广，CEST MRI会成为可靠的成像技术并在临床中广泛应用。