酰胺质子转移成像在早期帕金森病诊断的研究进展

张展1，2，3   马伊萱1，2，3   冯婷婷1，2，3   任芳丽1，2，3   杨新玲1，4，2，3（通讯作者）

1.新疆医科大学第二附属医院，新疆乌鲁木齐830063

2.新疆神经系统疾病临床研究中心，新疆乌鲁木齐830063

3.新疆地区高发疾病研究教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐830063

4.新疆维吾尔自治区神经系统疾病重点实验室，新疆乌鲁木齐831399

摘要：帕金森病（Parkinson'sdisease，PD）作为常见的神经退行性疾病，其诊断主要依靠临床症状及体征，当前可用于辅助早期帕金森病诊断的客观影像学检查较少。酰胺质子转移（amideprotontransfer，APT）成像利用利用H原子的化学位移效应和化学交换效应，可灵敏地检测细胞内游离蛋白、多肽的浓度，间接反应PD特征性ɑ-突触核蛋白(α-synuclein，α-syn）在核团内的浓度。在PD早期临床症状不明显，但APT在此阶段即可检测到患者颅内各个核团与正常人群之间的差异，为PD的早期诊断提供有力的客观指标，在一定程度上提升了PD的诊断率。本文主要阐述APT成像在早期PD诊断中的应用现状及进展。

关键词：帕金森病；早期诊断；核磁共振成像；酰胺质子转移成像

中图分类号：R445

帕金森病（Parkinson'sdisease，PD）是第二常见的神经系统退行性疾病，在65岁以上人群发病率为1.67%[1]，该病的病理变化是黑质多巴胺（dopamine，DA）能神经元的变性坏死及路易小体（Lewybody，LB）的形成，LB主要由沉积的ɑ-突触核蛋白 (α-synuclein，α-syn）构成，其聚集成的α-syn寡聚体对神经细胞具有毒性作用[2]。PD患者的临床症状主要表现为静止性震颤、肌张力增高、行动迟缓和姿势平衡障碍[3]等运动症状（motorsymptom，MS），还会出现认知功能障碍、精神行为异常、语言障碍和自主神经功能障碍等非运动症状（non-motorsymptom，NMS）[4]。部分非运动症状往往比运动症状出现更早[5]， 而PD的诊断主要依靠病史及体格检查，诊断缺乏客观依据，所以漏诊和误诊率普遍存在[6]，而早期PD患者由于运动症状不典型或比较轻微，常常以非运动症状就诊，因而误诊率和漏诊率更高[7]。然而早期应用多巴胺受体激动剂可延缓左旋多巴胺的使用以及减缓症状的发展[8]，很多患者错过早期用药的机会，使得疾病进展没有得到有效控制，因此，近年来前赴后继的研究者们尝试通过各种不同的方法筛选适宜用于PD早期诊断的标记物[9]，希望为PD的早期诊断，病情监测以及疗效评价提供有效帮助。

当前临床上常用的协助诊断PD的影像学手段包括经颅黑质超声（transcranialsonog-raphy，TCS）、正电子发射计算机断层扫描（positronemissiontomography，PET）和单光子发射断层扫描成像（singlephotonemissioncomputedtomo-graphy，SPECT）均被证实可用于在PD的早期诊断。前者虽价格低、操作简单但特异度和准确度有限；后两者准确性和特异度高于前者高，但检查耗时长、费用高、需要用造影剂、辐射较高，存在一定风险。因此临床上急需一种操作相对简单，费用低，准确度和特异度高，风险低的影像学手段协助PD诊断。酰胺质子转移（amideprotontransfer，APT）成像是一种新的分子影像技术，可以通过技术手段间接反映蛋白质和多肽的浓度。本文就APT的成像技术原理、在PD研究应用中的进展、前景及不足进行阐述，为早期PD的诊断研究提供一定的帮助。

1帕金森病的病理特征

PD的临床症状包括MS和NMS[10]，随着对PD研究的进展，病理学家们通过尸检发现PD患者并不止在黑质出现LB的沉积，随着疾病的进展程度不同在其他脑区也观察到LB的沉积，因而按照病理受累的进展提出经典的Braak[11]分期。

收稿日期：2024年12月20日

作者简介：张展（1997—），男，汉族，湖北黄冈人；杨新玲（1967—），通讯作者，女，汉族，新疆乌鲁木齐人。

多种非运动症状（NMS）如便秘、嗅觉功能减退、情绪障碍及快速眼动睡眠行为异常等，其病变区域主要涉及Braak分期的第一、二期。这些区域包括调控自主神经系统的结构、产生5-羟色胺的中缝核神经元、嗅觉相关系统以及与快速眼动期肌肉张力控制有关的脑干核团。

随着疾病进展至第三和第四阶段，黑质区域开始明显受损，此时患者会呈现典型的运动障碍。这些症状包括静止时出现的震颤、肌肉僵硬、动作缓慢以及姿势和平衡能力的下降。同时，基底前脑的Meynert基底核和内侧颞叶的损伤与记忆能力的衰退密切相关。

当病程发展到第五和第六阶段，新皮质区域广泛受累，导致认知功能严重下降、行为和精神异常，甚至出现痴呆的症状等[12]。这一阶段标志着疾病已进入晚期，患者的生活质量将受到显著影响。

然而，帕金森病的诊断往往是在出现运动症状时才开始，处于Braak一、二期的患者很难被诊断出来。

2酰胺质子转移（amideprotontransfer，APT）成像

化学交换饱和转移（chemicalexchangesaturationtransfer，CEST）技术是一种较为新兴的代谢成像方式[13]，具有较高的灵敏度，能够探测极微量的内源性流动性蛋白质、多肽以及与神经元代谢产物[14]。最早由Ward和Balaban在2000年提出，其原理是利用H原子的化学位移效应和化学交换效应[15]，可以实现对mmol/L量级及以上浓度的一些小分子物质的信号放大，从而实现对小分子物质相关信息的快速较高分辨率的成像观测。H原子基本在水中，但水不是重要的指标物质，小含量物质中也有H原子，信号很小难以直接测量，然而它们与水中的H原子之间有自发的化学交换效应和化学位移效应（MT，磁化转移）。由于人体内环境复杂，不同的小含量物质中，H原子所处的化学环境不同，它们的共振频率也不同。但射频脉冲有频率，可以把水的信号压下去（通过H原子的交换），相当于把小含量物质的信号放大，就能间接测mmol/L量级及以上浓度的一些小分子物质，例如酰胺质子[16]。

酰胺质子转移（APT）成像是化学交换饱和转移（CEST）技术的一个重要分支。这种方法专门利用生物组织中内源性流动性蛋白质和多肽分子中的酰胺基

团进行成像。由于其特殊的成像机制，APT技术也被称为酰胺CEST成像。具体来说，活体组织中蛋白质中的酰胺质子（-NH）被水分子所围绕，水分子处于不断地运动之中，当没有施加偏共振饱和射频脉冲时，自由水的磁共振信号不受影响，信号强度很高。此处的频谱曲线以自由水的中心频率为参考频率，实际上自由水的共振频率在+4.75ppm处（TSM为0ppm）。当施加一饱和脉冲，脉冲的中心频率与酰胺质子（-NH）的共振频率一致（+8.25ppm，TSM为0ppm；或＋3.5ppm，

自由水为0ppm），那么酰胺质子（-NH）将被饱和。此时自由水信号仍然很高，因为酰胺质子（-NH）被饱和但自由水质子没有被激励。由于化学交换的存在，蛋白质中的酰胺质子（-NH）将会与邻近的水分子中的氢质子进行交换，那么就将饱和氢质子转移到的邻近的水分子中，进而结合水与自由水处于不断地扩散运动中，互相交换，并且还有偶极相互作用，那么如果蛋白质中的酰胺质子（-NH）被持续饱和的话，将导致被饱和的酖胺质子（-NH）不断地被转移到自由水池中，这将间接地导致自由水池被部分饱和。这样由于氢质子的交换将自由水池信号的下降。在APT中，此种信号改变被用来计算APT图，对蛋白质的浓度十分敏感。

蛋白质含量越高，这种化学交换就越多，自由水信号下降的就越多，我们不能直接测量蛋白质中的酰胺质子（-NH）的信号，我们能测量成像的是自由水的信号因此就利用化学交换效应来间接地对酰胺质子（-NH）的信号进行测量。由此得以间接地反映组织细胞内源性蛋白和多肽的代谢变化。

APT成像技术当前已经在临床多个领域运用，如卒中、神经退行性疾病、肿瘤、创伤等多种疾病的诊断、鉴别诊断、分级、转移、预后分析中发挥着不可替代的作用，尤其在神经系统疾病方面的应用得到了广泛的认可。

3酰胺质子转移成像在神经系统疾病的应用

3.1脑发育

人脑发育的是一个漫长且复杂的过程，新生儿脑发育过程中最突出的表现为胶质细胞增生以及髓鞘的形成，有研究者利用APT成像评估新生儿脑发育与孕龄增加的关系，显示在不同脑区APT值与孕龄呈正相关[17]，这也许是随着脑的逐渐发育成熟蛋白质逐渐增多所致。由此可见，APT成像技术有潜力成为在分子影

像方面评估脑的发育与老化的影像学检查方法。

3.2新生儿缺血缺氧性脑病

新生儿缺氧缺血性脑病（hypoxicischemicencephalopathy，HIE）是一种新生儿在围产期发生窒息，造成缺血缺氧性脑损伤和脑血流减少，进而表现出一系列中枢神经系统功能异常，可使新生儿死亡和远期后遗症。脑组织代谢改变一般要早于形态学上的变化，观测其代谢物的变化可有助于早期诊断。有研究者对构建的新生猪缺氧缺血脑损伤模型进行了APT成像研究，缺氧缺血后0～2h，APT值出现快速大幅度下降，后逐渐上升，24h后基本恢复正常[18]。目前关于利用APT研究HIE脑影像学的相关文献较少，需要后续的研究进一步去发现其机制原理。

3.3脑血管疾病

在脑血管疾病中，APT主要用于研究缺血性脑卒中。其主要表现是血液循环障碍致使部分脑组织缺血缺氧，进而引起组织代谢障碍，PH值下降，神经元坏死等，

这正是APT成像技术用于缺血性脑卒中的理论基础。

有研究者利用构建的大脑中动脉闭塞小鼠模型，发现在缺血性损伤前后相应脑区病变的pH值发生显著变化，pH值每改变0.5，H交换速率相应改变50%～70%[19]，

这一研究发现为APT技术在缺血性脑卒中的临床应用奠定重要基础。

3.4脑肿瘤

组织病理检查是诊断肿瘤的金标准，在肿瘤发生发展的过程中，肿瘤细胞出现增殖异常，代谢极为活跃，蛋白质和多肽含量随之增加，pH值也可能发生一定改变，致使肿瘤病灶在APT成像上显示高信号，若忽视细胞内外pH值的变化，那么在正常组织和肿瘤病灶上APT值的差异主要体现在蛋白和多肽含量的变化上。有研究发现在大鼠胶质肉瘤模型中，肿瘤组织的APT值高于对照侧的正常脑组织；其研究还发现APT图像上肿瘤的边界较常规磁共振影像显示更加清晰。有研究者收集了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APT值明显高于低级别胶质瘤，APT值与Ki-67值呈正相关[20]。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。

4酰胺质子转移成像在帕金森病的研究

神经退行性疾病包括阿尔茨海默病（Alzheimer’sdisease，AD）、帕金森病（Parkinson’sdisease，PD）、多发性硬化（multiplesclerosis，MS）、创伤性脑损伤（traumaticbraininjury，TBI）、轻度认知障碍（mildcognitiveimpairment，MCI）、额颞叶痴呆（frontotemporaldementia，FTD）等。当前对神经退行性疾病的诊断主要依赖于对患者的症状及体征的评估，医生在此过程中存在一定的主观性。本文主要就APT在PD中的临床应用价值进行综述。

截止到目前，关于利用APT对帕金森病的研究较少，对于早期帕金森病则更少。LiC[21]等通过对照研究发现，帕金森患者黑质的CEST/APT信号强度随着疾病的进展，其趋势是显著降低的。不同阶段的PD患者黑质区域的CEST/APT强度较正常对照组均显著降低。晚期PD患者的黑质APT权重图像（APTweight，APTw）和CESTtotal值也显著低于早期PD患者。对于仅累及单侧的PD患病，其患侧黑质区域的APTw和CESTtotal值显著低于健侧。PD的APTw和CESTtotal值与疾病严重程度和病程显著相关。由此可见黑质APT信号强度不仅可用于辅助PD分期划分也可用于早期诊断。

李春媚等[22]通过分别对PD患者与健康人群的中脑、基底节区进行扫描，发现PD患者黑质、红核的APTw值均小于对照者，但仅黑质有统计学意义，可能由于PD患者黑质区域神经元的坏死致使可与自由水进行饱和交换的物质降低，从而导致APT信号减小；同时残余神经元内LB中的由于沉积了大量α-syn又会导致APT信号增加，但前者的效应比后者大，故总体表现为出APTw值下降的结果。同时发现PD患者豆状核和尾状核的APTw值明显升高（P＜0.05），且这结果貌似与理论相悖，结合PD患者脑组织的病理学特征。但这也许是因为PD患者脑内游离蛋白的异常增加，累积在该区域造成，与PD的病理亦吻合。

王蕊等[23]通过3.0T核磁（Philips）利用头颅8-通道线圈完善MRI扫描。首先进行常规序列扫描，以排除颅脑其他器质性病变。再以APT序列进行扫描。帕金森病患者苍白球、壳核和尾状核的APT信号强度高于健康对照者。定量分析也发现帕金森病患者上述核团的不对称磁化转移率MTRasym（3.5ppm）显著高于健康对照者，这可能与帕金森病患者颅内游离蛋白的

异常沉积相关，如α-Syn。其研究结果显示轻度帕金森病患者基底节各脑结构的MTRasym（3.5ppm）明显高于健康对照者。提示APT成像不但可以鉴别帕金森病患者和健康对照者，亦可用于早期帕金森病患者的筛选，说明该技术在帕金森病的早期诊断中具备一定潜在价值。中重度帕金森病患者苍白球、壳核和尾状核的MTRasym（3.5ppm）均低于轻度帕金森病患者，这可能反映了在帕金森病的发展过程中，颅内核团病理改变并非是一个简单的单向进程。由于早期帕金森病患者颅内异常蛋白沉积，而此时脑内神经元丢失不明显，因此MTRasym（3.5ppm）显著增高；随着疾病的进展，虽然颅内异常蛋白沉积增多，该阶段患者颅内神经元大量丧失，由此导致MTRasym（3.5ppm）值的下降抵消了一部分异常蛋白增加所致的APT增高，进而出现中重度帕金森病患者基底节脑结构的MTRasym（3.5ppm）值有所下降。当然，药物的干预作用也许会引起这种改变，其确切的机制尚有待在进一步的研究发现。

5前景与不足

APT的优点得益于磁共振技术的无电离辐射，同时该技术也无需给予对比剂，即可无创且较为准确的检测到细胞内游离蛋白、多肽分子、PH值，从而间接地反映细胞内的代谢状态和病理改变。在肿瘤及卒中领域广泛应用，验证了其良好稳定性，显示出了临床应

用的巨大潜力。临床上应用于黑质检测较多的是经颅黑质超声检查（transcranialsonographyofsubstantianigra，SN-TCS），但TCS诊断早期PD的效能十分有限。在鉴别PD与多系统萎缩（MSA）时，TCS可在较大程度上协助临床识别非震颤为主型PD与多系统萎缩-帕金森型（MSA-P），但其鉴别特异性差，特别是在早期。多项研究用TCS与DATPET比较，结果提示TCS诊断PD的敏感性及特异性较差[24]，因此独立地TCS不能作为早期诊断PD的有效技术手段，APT技术的应用可有效弥补在早期PD诊断上的影像学检查的乏力。

APT技术从最早的2D单层扫描成像发展为3D多层扫描成像，图像信噪比得到显著提高，但是相应地也使扫描时间延长，部分震颤患者可能无法坚持完成全部扫描。同时核团的勾画完全依靠人为操作，存在较大主观性，不同操作人员的精度不同，故而临床可信度有待提升，不过随着人工智能技术以及无监督机器深度学习技术的兴起这一缺陷，也许在不久将来会得到有效解决。

综上所述，APT用于PD诊断尤其是早期PD诊断的价值是不可否认的，同时随着技术的更迭，当前存在的客观不足也会逐步得到改进，最终会在临床广泛应用。

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