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(1HMRS)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1HMRS，可用来检测体内多种微量代谢物，如肌酸、胆碱、脂质、肌醇、γ-氨基丁酸、谷氨酸和谷氨酰胺、牛磺酸、乳酸和N-乙酰天门冬氨酸。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1HMRS在脑肿瘤中的临床应用。

通常情况下，MRS的定位技术可分为单体素MRS、多体素MRS和化学位移成像定位方法或磁共振波谱成像术。1HMRS通常用的定位方法包括：深部分辨表面线圈法、点分辨表面线圈法、空间分辨法、激励回波法、在体成像选择波谱分析法(imageselectedinvivospectroscopy，ISIS)、快速旋转梯度波谱、点分辨旋转梯度表面线圈波谱和提高选择体激励法。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，且可定义一维、二维及三维敏感体。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。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

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。NAA主要存在于神经元内，被公认是神经元的内标志物，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，因此肿瘤内不会检测到NAA浓度。

ChoCho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。Cho的化学位移在322ppm。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、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。

CrCr反映的是能量代谢，化学位移在，包括肌酸、磷酸肌酸及较低水平的γ-氨基丁酸、赖氨酸、谷胱甘肽。在位置上可以看到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1HMRS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。

Lac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，第2个Lac峰发生在，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。可以肯定的关于Lac的波峰可通过改变回波时间来得到。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。

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InosineInosine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。肌醇是短T2物质，需要在STEAM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。

Glu和GlnGlu和Gln的共振峰相邻很近，它们的总峰常在～。Glu是一种兴奋性神经递质，在线粒体代谢中具有重要功能，参与脑内氨的解毒，γ-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、短TE下才能获得好的谱线。

AlaAla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～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136～272ms变化时也会发生翻转。

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来比拟代谢物浓度，而相对定量是利用某代谢物波峰下面积与某内参照物波峰下面积进行测量。

2在脑肿瘤中的临床应用

胶质瘤［11，13，16］胶质瘤分级研究发现：肿瘤组织和对侧正常组织及低级和Ⅳ级肿瘤组织间的NAA/Cr和Cho/Cr比值差异存在显着性。低级与Ⅳ级的Lac/Cr比值差异也存在显着性。Cr一般较稳定，可随肿瘤恶性度的增高而轻度下降，NAA呈显着下降，Cho则显着增高。在肿瘤坏死组织内，NAA、Cho和Cr浓度达到最低点，STEAM序列Lip峰常见。胶质瘤可在NAA/Cho、Cho/Cr、NAA/Cr和Lac/Cr基础上分级，其中NAA/Cho和Cho/Cr比值反映肿瘤级别较稳定。另外，Lip信号可有助于辨别低级别和高级别胶质瘤，Negendank等［17］报道在41％的高级别胶质瘤中可见Lip峰，而低级别胶质瘤中出现的比率仅为16％，且Lip峰值差异有显着性。星形细胞瘤典型的1HMRS特点包括NAA峰的显着下降，Cr峰的中等下降和Cho的升高。Lac峰出现于各级别组胶质瘤中，且峰值差异无显着性。因此，Lac峰的存在不能反映肿瘤的良、恶性，但其浓度的增加可反映肿瘤的缺氧程度。NAA的减少可能提示正常神经元由于被破坏和(或)被恶性肿瘤细胞所代替而减少。在星形细胞瘤，NAA减少到正常组织的40％～70％，低Cr浓度常与坏死或水肿有关，而Cho的升高可反映细胞膜合成和细胞增殖。1HMRS可以指导星形细胞瘤的治疗，在某些情况下，于MR成像出现异常之前发现肿瘤的复发。Tarnawski等［18］研究51例Ⅲ～Ⅳ级胶质瘤的预后与MRS的关系，发现Lac/NAA值＞2时，1年生存率为20％，而Lac/NAA值＜2时，1年生存率为85％，二者的显着差异提示MRS可评价胶质瘤的预后。

脑膜瘤Castillo等［1］发现，脑膜瘤典型的MRS表现为Cho显着升高，NAA和Cr显着下降或消失，Cho/Cr显着升高，而NAA/Cho和NAA/Cr比值为零。这与肿瘤细胞增殖活性增加致细胞膜代谢异常增加、细胞能量耗竭和缺氧有关。脑膜瘤生长于中枢神经系统轴以外，理论上无神经元，故无NAA峰，但有时会出现较低的NAA峰，部分原因可能与感兴趣体素中包括邻近脑组织所致的部分容积效应有关；亦可能由于肿瘤侵犯了正常的脑组织。某些脑膜瘤患者可见到Ala峰、Lac峰增高。在147ppm出现增强的信号峰为Ala峰，被认为是脑膜瘤的特征峰，可区别于神经鞘瘤，后者显示Cho升高和变化的Lip和(或)Lac。此外，脑膜瘤细胞的Ala/Cr比值较星形细胞瘤、少突神经胶质瘤高3～4倍［7］。

转移瘤颅脑转移瘤的MRS表现为Cho显着升高，Cr下降或消失，Cho/Cr比值升高，无NAA峰，可出现Lac峰和Lip峰，这与肿瘤细胞增殖旺盛和有丝分裂增加，导致细胞膜代谢异常增高、能量耗竭、无氧糖酵解增加有关［2，19］。Sijens等［2］通过与MRI对比研究发现，尽管MRS不能识别脑转移瘤的来源，却能区分常规影像不能鉴别的孤立转移灶，并可对转移瘤分期：早期转移瘤仅含有Cho峰，中期转移瘤含有Lip峰和稍高Cho峰，晚期转移瘤含有Lac峰和低Cho峰。进一步对比研究高级别胶质瘤和转移瘤，在胶质瘤中均显示Cr峰，而排除正常脑组织的干扰后，转移瘤均无明确的Cr峰显示。在转移瘤和胶质母细胞瘤中均显示有Lip峰，而间变性胶质瘤中很少显示Lip峰。提示可通过Cr峰和Lip峰来区别转移瘤和不同级别的胶质瘤。Kimura等［19］比较了在MRI中出现环形强化的各种病变，发现Cho/Cr比值可以用于鉴别，Cho/Cr＞时诊断转移瘤和胶质母细胞瘤的正确率分别为％和％，Cho/Cr＜时诊断放射性坏死和脑梗死的正确率分别为％和100％。而对于转移瘤和胶质母细胞瘤的进一步鉴别，％的转移瘤存在Lip峰，NAA峰缺失，而在胶质母细胞瘤中仅％表现如此。

囊性肿物Chang等［20］发现，所有的囊性肿物与感染性囊肿和一些非肿瘤样囊肿都存在Lac峰，囊性肿瘤中无Cho峰。在脑脓肿中，发现波谱显示乙酸盐、丁二酸盐和一些氨基酸，主要是颉氨酸、亮氨酸和Ala［7］，包括Lac峰和Lip峰均有所增高。这些可区别于脑肿瘤的囊变和坏死，反映糖酵解和发酵机制的活跃，氨基酸是脓液内中性粒细胞释放的酶蛋白分解的产物，可作为脑脓肿的标志物。在活体1HMRS研究中表皮样囊肿显示全面的信号减低，伴有Lac峰和小波峰出现，不强化的非肿瘤样囊肿无此现象。因此，1HMRS可鉴别囊肿、感染性囊肿与囊性脑肿瘤。

其他结核瘤显示大的Lip峰，而无其他代谢物峰，这主要是由于其干酪样物质，此特点可与转移瘤、高级别胶质瘤相鉴别，后者Lip峰与其他波峰并存。颅咽管瘤显示只有Lac峰［7］。在室管膜瘤和亚室管膜瘤中发现大量的肌醇Inosine，两者可被不同的Cho/Cr和不同的Ala值而显着地区别。小儿脑肿瘤具有较高的TCho值或Cho/NAA，在小儿恶性脑肿瘤TCho/NAA尤其高［21］。TCho值在肿瘤的边缘地带较中心高，在实体肿瘤较囊性肿瘤高。肿瘤周围的水肿显示NAA、TCr、TCho均普遍降低。在神经外胚层肿瘤TCr、甘氨酸较胶质瘤高。成神经节细胞瘤、垂体腺瘤中牛磺酸含量较高。

3MRS在脑肿瘤治疗决策和评价疗效中的价值

MRS可以了解脑肿瘤代谢特性，反映肿瘤生长潜能，从而评价不同治疗方法的疗效，对选择正确的治疗方案提供帮助。Lin等［3］对15例MRI和临床可疑的脑肿瘤患者行MRS检查，并以此指导临床决策，预计手术效果及预后，结果发现，MRS对病理特征及临床预后的判断准确率达96％，从而准确地指导了临床决策和手术方案的制订。Lazareff等［22］对10例脑肿瘤患儿治疗前后行连续代谢物成像技术检查，发现6例肿瘤体积减少者肿瘤/正常脑组织

的Cho比值下降并保持稳定，4例肿瘤进展者Cho比值明显升高，证实MRSI可以评估治疗效果和判断预后。Tamiya等［23］采用增生性抗原Ki-67的表达来评价MRS组织分级和组织增生的能力，结果显示，Cho/Cr的增加和NAA/Cho的减少与Ki-67符合，提示Cho反映瘤细胞增生能力。Floeth等［24］观察2例胶质母细胞术后行放疗、化疗和IL-4免疫综合治疗的患者，MRI高度怀疑为广泛的肿瘤复发增强表现，而MRS在这些区域中未显示增加的Cho信号，提示并不是复发的肿瘤。在继续化疗后，追踪其MRI显示的增强均消失，提示MRS有助于鉴别肿瘤和非肿瘤组织，从而帮助治疗决策的制订。

4MRS鉴别肿瘤复发与放射性损伤

放射性坏死与原发或复发肿瘤常难鉴别，1HMRS在此方面似有明显优势。放射性损伤以血管内皮损害为病理特征，从而导致缺血和坏死，1HMRS显示脑部接受40Gy或更大剂量照射患者的Lac峰抬高［25］，这些损害MRI可表现正常。Schlemmer等［25］研究发现，在肿瘤复发患者中，Cho/NAA和Cho/Cr比值升高，Lac峰出现，而具有放射性坏死的患者则显示NAA、Cho和Cr的大幅度降低和0～之间宽而厚的波峰，这些波峰是由坏死组织产生的，这个细胞坏死峰可能是由自由脂肪酸、Lac和氨基酸组成，Lac峰升高，反映组织严重缺血和线粒体受损。Rock等［26］采用MRSI来鉴别放射性坏死和肿瘤复发，并在MRS检查后48h内行立体定向活检证实，Cho/Cr和Lip-Lac/Cho可以用于鉴别肿瘤和坏死组织。Schlemmer等［27］报道1例低级别胶质瘤术后放疗患者，MRI发现Gd-DTPA的显着增强，FDG-PET亦显示肿瘤的恶性进展，而MRS则提示为放射性坏死波谱表现，术后病理及19个月的随访显示了MRS的正确性。

MRS虽在脑肿瘤的临床应用中已得到了一些可喜的经验，但还只是初步的探索，还有许多问题需要更深入的研究才能逐渐明了。MRS技术仍在迅速发展中，如主要代谢物相对浓度到绝对浓度的测定、MRSI、人工神经网络等。许多学者将脑肿瘤MRI及1HMRS资料建立数据库，引入ANN，研究脑肿瘤的自动分类及脑肿瘤的鉴别诊断。Poptani等［7］利用MRS和ANN研究98例各种脑内病变，ANN可完全区分肿瘤与正常组织及炎性病变。在病理组织学分级诊断中，ANN对肿瘤良恶性鉴别的准确率达到82％，相当准确地估计脑肿瘤类型，从而提供一种脑肿瘤自动分类的非侵袭性方法。我们相信随着软硬件的不断进步和MRS技术的广泛应用，必将为脑肿瘤的诊断及治疗研究提供

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