脑胶质瘤氨基酸代谢磁共振波谱研究进展

王俊龙 任彦 王卫卫 李克 刘含秋

脑胶质瘤的高复发性使得胶质瘤治疗极为复杂，预后极差，而及时诊断和治疗方案修正是复发胶质瘤治疗和患者预后改善的重要保证。神经影像学在胶质瘤复发患者的治疗中起着至关重要的作用，但传统形态和功能影像经常不能提供足够的诊断信息，导致临床治疗决策失误。寻找特异性肿瘤识别标志物，对于胶质瘤复发的治疗意义重大［1］。脑胶质瘤存在氨基酸合成/分解代谢紊乱［2］，检测其代谢过程对于判断肿瘤增殖尤为重要。根据胶质瘤中氨基酸的转运特点，如果能够实现针对胶质瘤特异性氨基酸进行在体的定性及定量测定，并对胶质瘤诊疗前后的氨基酸代谢变化进行区分，将极有可能实现对胶质瘤早期复发的及时检测［3］。

本文将对近年来有关脑胶质瘤氨基酸检测技术以及胶质瘤诊疗中的氨基酸代谢变化进行总结分析，以谷氨酰胺/谷氨酸、蛋氨酸和酪氨酸为例，对其在胶质瘤生长中的作用以及胶质瘤治疗前后的代谢变化进行综述。

1. 谷氨酰胺/谷氨酸在脑组织和胶质瘤中的代谢

谷氨酸是中枢神经系统中蕴含最丰富、应用最广泛的氨基酸。谷氨酸是一种酸性氨基酸，其不仅能以代谢枢纽的身份参与细胞代谢，还可以参与神经递质的信息传递，作为一种兴奋性氨基酸，于神经元和神经胶质中进行代谢并不断被消耗［4］。神经胶质细胞可将神经元细胞分泌的谷氨酸转化成谷氨酰胺，而后谷氨酰胺被传递到神经元细胞内，并在此处参与合成神经递质，从而完成谷氨酸的再生过程［5］。正常脑组织中谷氨酸的含量相对稳定，谷氨酸在神经元细胞中的平均浓度约为5～10 mmol/L，而在细胞外液中，谷氨酸浓度却下降至0.5～4 μmol/L［6］。神经元细胞内谷氨酸的主要来源是通过由星形胶质细胞所释放的谷氨酰胺转化后产生。无论是对于细胞内或细胞外的谷氨酸稳态，其维持都取决于上述转运机制的共同作用［7］。中枢神经系统中的胶质细胞主要包括星形胶质细胞以及少突胶质细胞等，起着分配营养物质、参与修复和吞噬的作用。

在正常脑组织中，谷氨酸主要在神经元中释放，并被星形胶质细胞吸收。因此，正常的谷氨酰胺/谷氨酸代谢偶合存在于星形胶质细胞和神经元中。然而，在胶质瘤中，由于胶质瘤细胞不是神经元并可以释放大量谷氨酸，这极大地超过了星形胶质细胞所能吸收谷氨酸的能力，因此在胶质瘤中，细胞外谷氨酸浓度常显著增加。Yao等［9］通过胶质瘤细胞和星形胶质细胞的共培养模型证实，细胞外谷氨酸的浓度主要取决于胶质瘤细胞与星形胶质细胞之间的比例。随着该比值的增高，细胞外谷氨酸浓度也就会越高。还有研究证实，脑胶质瘤患者脑脊液中谷氨酸的浓度可高达400 μmol/L，该浓度远大于正常人脑内1 μmol/L的谷氨酸浓度［10］。胶质瘤细胞会释放大量的谷氨酸来杀死周围的正常神经元，高浓度的谷氨酸亦可造成可逆的星形胶质细胞膨胀［11］。此外，随着肿瘤的进展，胶质瘤患者大脑中正常星形胶质细胞的数量会减少，导致它们摄取谷氨酸的能力也会随之下降。那么，这就会导致正常细胞外液中谷氨酸的浓度不断增加，最终内环境中原有的谷氨酸稳态被破坏［12］。这一过程是胶质瘤生长、发展和侵袭的重要环节。

2. 酪氨酸在脑组织和胶质瘤中的代谢

酪氨酸是一种芳香族氨基酸，其有两种主要来源，即从食物和苯丙氨酸的羟基化中获得［13］。酪氨酸磷酸化被认为是信号转导和酶活性调控中的关键步骤之一。酪氨酸的磷酸化是一种动态并且可逆的翻译后修饰过程，此过程由蛋白酪氨酸磷酸酶（PTP）和蛋白酪氨酸激酶（PTK）协同调控，对许多生命活动诸如细胞的增殖、分化与迁移等都十分重要［14］。有研究表明，由PTK与PTP之间的活性失衡所致异常酪氨酸磷酸化与多种疾病与包括胶质瘤在内的许多疾病的发展密切相关。

研究者利用18F-乙基酪氨酸（18F-FET）示踪剂对脑胶质瘤患者进行了检测，证实了其在肿瘤组织中摄取量较高而在正常脑组织中摄取量相对较低［15］。因此，相对于正常的脑组织，胶质瘤组织中含有更多酪氨酸成分。

3. 蛋氨酸在脑组织和胶质瘤中的代谢

蛋氨酸是哺乳动物必需的氨基酸，除了作为蛋白质组分的作用外，蛋氨酸还与许多重要的代谢途径有关［16］。脑组织中的蛋氨酸一般先转化为甲基供体S-腺苷蛋氨酸（SAM），失去一个甲基继而水解后转化为半胱氨酸，或借助四氢叶酸提供的甲基重新转化为蛋氨酸［17］。研究证实，癌细胞通过蛋氨酸代谢过程中的转甲基化发生癌变。在此过程中，当蛋氨酸被同型半胱氨酸取代时，癌细胞的增殖会受到抑制。最近的研究表明，癌细胞有一个“甲基池”，可以保证癌细胞的甲基供应［18］。脑胶质瘤患者的脑组织中，肿瘤细胞增殖迅速，蛋白质合成较快，对蛋氨酸的需求较多，呈现高摄取状态。因此，以L-甲基-11C-蛋氨酸（11C-MET）为示踪剂的PET可为肿瘤的氨基酸代谢提供重要信息，已应用于脑胶质瘤的临床实践［19］。

目前用于诊断胶质瘤早期复发和治疗相关性改变的氨基酸代谢检测技术主要有代谢组学（metabonomics）、正电子发射体层显像（positron emission tomography， PET）、以及磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy， MRS）。其中代谢组学检测为离体检测，后两者为在体检测。

1. PET在胶质瘤中的应用研究进展

PET不仅能在CT或MRI的基础上提供基本的解剖与形态学信息，还可以在分子水平上提供肿瘤的氨基酸代谢等信息，还是胶质瘤的诊断、分级、复发监测、制定治疗方案及评估治疗效果的重要成像手段［19］。代谢显像的原理是利用由放射性核素标记的相关代谢底物如葡萄糖和氨基酸等作为显像剂，这些底物可以选择性地聚集在特定的组织、器官或病变所在的部位，并通过其在器官或病变中的摄取和分布来反映细胞的存活以及增殖等生物代谢信息，从而最终对疾病的诊断和疗效进行评估。由于胶质瘤具有较强的细胞代谢活性，因此，利用PET能够观察到胶质瘤中的不同氨基酸分子在病灶内代谢浓聚的过程［20］。11C-蛋氨酸（11C-MET）可用于评估胶质瘤中的蛋白质合成和细胞增殖。通过比较异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase， IDH）野生型、IDH突变型胶质瘤与其他不同恶性程度肿瘤的11C-MET摄取值，有研究发现IDH野生型胶质瘤对于11C-MET的摄取明显高于IDH突变型，这表明11C-MET PET可在术前用于评估IDH的突变状态［21］。

另一种PET显像剂18F-酪氨酸（18F-FET）在近年来逐渐应用于胶质瘤的临床诊断，相比临床常用的18F-FDG，可以更清晰地显示肿瘤范围，比11CMET有更长的半衰期，在胶质瘤的术前诊断、分级、疗效评估及预后的预测方面具有优势［22］。

2. 代谢组学在胶质瘤中的应用研究进展

代谢组学技术是对内源性和外源性小分子的非靶向性和靶向性分析，通过高通量检测手段，鉴定生物样本的代谢差异并结合生物信息学分析，阐明肿瘤在发生和进展过程中某些关键生化途径的改变［23］。代谢改变被认为是监测疾病进展、治疗和揭示有效治疗干预的新分子靶点的关键标志之一。高通量分析技术包括核磁共振波谱和质谱，以及高效液相色谱/气相色谱-质谱联用，是代谢组学常采用的检测技术。质谱代谢分析技术提供所检代谢物的相对分子质量等信息，检测范围宽泛，灵敏度和特异度都很高［23］。Wang等［24］纳入163例脑肿瘤患者，利用基于脑脊液的代谢组学方法，筛选出了27个代谢物作为区分不同脑肿瘤类型的诊断标志物，证实了脑脊液代谢组学可以识别不同脑肿瘤之间的代谢差异，在脑胶肿瘤的诊断中具有潜在应用价值。同样地，其他一些脑脊液的代谢组学分析的研究也证实了许多代谢产物与胶质瘤的发生和发展相关，而这些代谢产物中的一些在不同级别的胶质瘤中也有所不同。

代谢组学目前仍然有很多技术难题，会受到检测条件以及其他许多体内和体外因素的影响，例如样本处理方式和体内代谢情况等［25］。另外，胶质瘤细胞的离体培养条件无法完全模拟胶质瘤在大脑内所处的生理生化环境，因此，代谢组学所获得的分子信息对胶质瘤的诊治方面提供的帮助较为有限。

3. MRS在胶质瘤氨基酸检测中的应用研究进展

MRS是一种能够检测和量化体内代谢物的水平的技术，可对体内化合物的浓度进行分析［26］，能够以波谱的形式反映肿瘤的生化状态、周围水肿等信息，不仅在肿瘤的诊断及鉴别诊断等方面，而且在确定肿瘤的代谢边界及预后判断有广泛的应用［27］。

Elavarasan等［28］利用1H MRS结合化学计量学鉴定了患者来源的突变IDH1模型细胞经替莫唑胺（TMZ）处理后的代谢变化，发现了谷氨酸水平的显著增加，并进行在体实验证实谷氨酸/谷氨酰胺的增加发生在肿瘤缩小之前。Tiwari等［29］使用长TE PRESS序列进行了1H MRS对甘氨酸的检测，并建议将其作为神经胶质瘤侵袭性的标志；
研究结果表明甘氨酸和2-羟基戊二酸（2-HG）可以同时在体内被检测到，并且具有高水平甘氨酸的肿瘤增殖和进展更快。Selin等［30］利用1H MRS对离体神经胶质瘤组织进行成像并获得谱图以量化代谢物浓度，发现与Ⅱ级和Ⅲ级胶质瘤相比，Ⅳ级胶质瘤样本中谷氨酸盐、谷胱甘肽、乳酸盐和丙氨酸以及白细胞介素-1β和白细胞介素-8显著升高。

尽管氨基酸磁共振波谱检测取得了一定的进展，目前在胶质瘤的诊治中N-乙酰天冬氨酸、蛋氨酸、酪氨酸及谷氨酰胺/谷氨酸等的检测应用比较常见［31］。但是，胶质瘤复发的早期诊断与鉴别仍然是一个巨大的难题。近年来，MRS被认为是识别胶质瘤复发则准确率较高的检查技术，现被广泛用于评估肿瘤的复发和假性进展的判断。近年来有不少研究证实了氨基酸MRS检测在胶质瘤诊疗中的价值。Nearl等［32］结合了谷氨酸化学交换饱和转移（glutamate chemical exchange saturation transfer，GluCEST）和 单 体 素MRS序列，应用7 T磁共振设备对脑胶质瘤患者进行检查，量化了肿瘤区域和瘤周边缘的GluCEST对比和MRS代谢物浓度，发现瘤周谷氨酸升高与癫痫的发生有关。

但是，MRS所获信号混杂，后处理时难以对全部代谢物中的目标分子进行识别和定量。有人提出，克服这一困难的一种解决方案是测量和估计短T2信号的分量，并将其从总谱线中除去，从而只留下代谢物信号。Michael等［33］利用这种方法证实了短TE1HMRS在胶质瘤诊断中的潜力，并指出在胶质瘤MRS中，对谷氨酸和谷氨酰胺信号的分开估计是可行的。另外，Mamone等［34］利用一种基于磁共振核自旋单态的方法来尝试特异性地过滤MRS中的代谢信号，其原理是利用两个核自旋之间的电子之间介导的耦合以及它们在共振频率上的差异。他们的研究发现，在活体小鼠的海马体中可以清楚地观察到经过核自旋单态过滤出来的谷氨酸信号。同样地，Stephen等［35］也开展了类似的研究，他们通过在目标分子（天冬氨酸、苏氨酸和谷氨酰胺）中创建核自旋单态分子，施加连续的射频脉冲场使目标分子保持单态同时又使不感兴趣的分子磁化饱和，然后将目标分子单态映射回MR的可观测态，从而明确地显示了其谱线。

检测设备上，胶质瘤的氨基酸代谢MRS检测，大多数都是在7 T高场下的应用，对于实体肿瘤的在体检测应用很少，尤其是单态氨基酸在3.0 T磁共振上的应用文献报道极少，如果这种单态技术能在3.0 T上应用，将带来极大的社会效益，减少胶质瘤患者在诊疗中过对于高昂价格的PET检查的依赖。

尽管MRS在在近年来针对胶质瘤的应用方面取得很多进展，但一些局限性依然存在：①磁场的不均匀性会导致波峰重叠和代谢物难以定量，若能特异性地选取某个化合物并对其进行定量分析可能会避免这种情况；
②利用MRS评估胶质瘤代谢的原理是测定脑组织内的特定代谢物浓度，但是尚未有统一的代谢物选择标准，需要根据胶质瘤的代谢机制来选取相对特异性氨基酸。

胶质瘤是大脑内最常见的恶性肿瘤，具有高侵袭性，不仅如此，其浸润性生长的特点及极高的复发率使得临床上对其的诊断与治疗十分困难。胶质瘤的复发与假性进展在常规影像学上表现非常相似，往往难以鉴别。目前尚无有效的影像学诊断手段来区分胶质瘤患者的复发和假性进展，临床上需要结合不同的MR成像方法来提高对二者的鉴别诊断能力。代谢组学检测虽然准确高效，但是主要是离体检测。氨基酸PET在胶质瘤复发的诊断和鉴别诊断中发挥着越来越重要的作用，但是造影剂生产过程复杂，辐射性及检查费用昂贵均限制了其推广应用。

MRS技术应用于胶质瘤诊治和研究已经很多年，随着高场MR技术的进步，更高的信噪比将使其在胶质瘤研究中的应用潜力巨大。随着相关数据处理软件的应用以及先进序列的研发，将会使MRS在脑胶质瘤中的应用价值得到迅速提升。单态氨基酸MRS技术在3.0 T磁共振设备的开发和应用将有助于提高MRS在胶质瘤复发诊断中的应用价值。

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