脑胶质瘤微血管通透性灌注MRI研究进展
胶质瘤是成人颅内最常见的脑肿瘤，根据病理组织学特征分为WHOⅠ-Ⅳ级。其中恶性胶质瘤约占3/4，进展迅速、侵袭性高、预后差且治疗效果不佳。肿瘤新生微血管内皮细胞不成熟，紧密连接开放，微血管高通透性是脑胶质瘤的典型病理特征，与肿瘤恶性程度、分子分型及病人预后密切相关。
灌注MRI是临床常用的评估微血管通透性方法，但采用外源性钆对比剂灌注MRI可导致部分病人出现严重过敏反应和体内钆沉积，其安全性受到质疑。非对比剂灌注MRI作为全新的评估方法，不仅能够无创、定量、动态地评价肿瘤微血管血流动力学特征，而且安全性高，病人接受度好，现已逐渐应用于科研及临床工作中。本文着重于非对比剂MRI技术，综述灌注MRI评价胶质瘤微血管通透性的应用及研究进展。
1.胶质瘤微血管病理与分子基础
正常血脑屏障（BBB）微血管壁完整致密，仅允许部分小分子选择性通过。胶质瘤通过多种血管形成方式导致BBB逐渐转化为血肿瘤屏障（blood tumor barrier,BTB），形成的肿瘤微血管形态扭曲、畸形，管壁多由大量不成熟形态异常的内皮细胞组成。由于肿瘤微血管内皮细胞间连接疏松，基膜不连续且周细胞覆盖减少等结构异常特征，导致血管通透性增高，正常功能受到破坏。
多种细胞因子表达上调共同导致胶质瘤微血管的形成，包括低氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1,HIF-1α）、血管生成素-2（angiogenin-2,Ang-2）、血管内皮生长因子（VEGF）和基质金属蛋白酶等。缺氧肿瘤微环境导致HIF-1α表达上调，大量分泌，进而促进肿瘤微血管形成。然而，肿瘤血管由于结构和功能异常，缺氧状态反而加重，如此恶性循环启动VEGFRNA稳定性转录。VEGF是调控肿瘤血管生长最关键的细胞因子，其直接作用于内皮细胞膜表面的两种受体，即VEGFR1和VEGFR2。VEGFR2与血管生成密切相关，配体受体结合后，促进肿瘤血管形成，同时致使微血管通透性增高。
Ang-2表达上调可导致血管周细胞募集减少，血管结构疏松，微血管壁完整性下降，从而导致肿瘤血管稳定性降低和成熟障碍。此外，基质金属蛋白酶通过降解新生血管细胞外基质，进一步加剧肿瘤血管壁高通透性的形成。胶质瘤血管的高通透性与肿瘤分子亚型有关，2016版WHO中枢神经系统肿瘤分类首次将分子特征纳入标准，根据肿瘤基因型的不同对胶质瘤（如扩散性胶质瘤）进行分子分型。
胶质瘤主要的分子特征包括：①柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）基因突变；②MGMT启动子甲基化；③EGFR基因的扩增和EGFRvIII重排；④1p/19q联合缺失等，研究证明，IDH基因突变和1p/19q联合缺失与肿瘤微血管通透性改变有关。IDH突变可上调HIF基因表达，进而激活下游分子VEGF和Ang-2功能，改变微血管结构，致使通透性增高。部分少突胶质细胞瘤伴有染色体联合缺失，其微血管结构畸形，形似鸡爪，此肿瘤亚型血管通透性显著增高。
2.MR灌注成像原理及评价参数
2.1基于外源性钆对比剂的灌注MRI
目前，临床上定量评价胶质瘤微血管通透性主要采用动态增强MRI（DCE-MRI）和动态磁敏感对比MRI（dynamic susceptibility contrast MRI,DSC-MRI）。DCE-MRI基于T1信号改变评价微血管通透性。通过团注外源性钆对比剂，如Gd-DTPA，动态分析对比剂从血管内渗透进入血管外细胞外间隙（extravascular extracellular space,EES）的分布状况，利用时间-信号曲线动态分析对比剂从血管内渗透进入EES的信号改变，并拟合药代动力学模型进而获得血管通透性的定量参数，如容积转移常数（Ktrans）、血管外细胞外容积分数（ve）、血浆容积分数（vp）等。
DSC-MRI是通过动态分析对比剂在颅内血管首次循环时对组织T2/T2*信号的影响（降低组织的T2/T2*信号）获得脑血容量（CBV）和脑血流量（CBF）等灌注参数，但由于存在对比剂外渗进入EES现象，常常导致CBV低于真实值。Boxerman等为解决此现象，通过线性拟合，预测对比剂外泄造成的T1信号改变，随后在数据处理中，根据预测结果消除T1效应干扰，并且引入了反映对比剂外渗程度的新参数K2。K2和Ktrans均基于对比剂外渗进入EES计算获得，两者可直接反映肿瘤微血管的通透性程度。但K2计算是基于正常组织和肿瘤组织平均通过时间（mean transit time,MTT）相等的简单假设，与实际不符，Bjornerud等采用一种MTT不敏感，可同时纠正对比剂外渗造成的T1和T2/T2*干扰效应的MRI序列，纠正K2存在问题，并引入参数Kα评估微血管通透性。
2.2非对比剂灌注MRI
与外源性对比剂灌注MRI的灌注不同，非对比剂灌注MR成像是利用磁场改变血液中水分子的磁化矢量，使其成为“内源性对比剂”。通过监测血流中带有磁化标签的水分子在微血管内外的迁移过程评估微血管通透性。由于非对比剂灌注MRI不向体内引入外源性对比剂，安全性高、病人接受度好，并可以反复多次操作，逐渐成为近年来的研究热点。常用非对比剂灌注MRI包括动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）、体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）和化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer,CEST）成像技术。
2.2.1ASL
神经系统生理情况下BBB只允许水分子通过扩散的方式通过，缺少内皮细胞间隙的通透方式，水分子透过速度受限。从这一特点出发，利用ASL结合扩散加权成像，根据扩散的速度不同，区分不同空间内的水分子（即血管内的扩散速度更快，而组织内的扩散速度受限于BBB则较慢），计算慢扩散时血管内标记水分子和组织内水分子的交换率，即可反映微血管的通透性。1997年，Sliva等发现扩散敏感的ASL可提高大鼠脑组织灌注成像结果的准确性。而扩散加权ASL这一概念由StLawrence等提出，并应用于微血管通透性的测量。传统ASL将水分子在血管和组织中的弛豫率视为相等，但这与实际不符，而扩散加权ASL则基于两者不同且通过弛豫快慢区分，很好地解决了该问题。
2.2.2IVIM
IVIM成像于1986年由LeBihan提出，IVIM主要包括生物体内微血管水分子自由扩散和微循环灌注两种运动，因此可分别测量微血管中的扩散运动和血液灌注。参数包括纯扩散系数（D），代表水分子的扩散运动，即慢扩散运动；假扩散系数（D*），代表体内微循环引起的扩散运动，即快扩散运动；灌注分数（f），代表快速扩散占总体扩散的百分比。IVIM是一种本身具有扩散和灌注加权两种优势且无需使用对比剂的MRI技术。BBB独特的水分子穿透方式，即只允许扩散通过，表明了IVIM用于胶质瘤微血管评估的巨大潜力。与扩散加权ASL相比，IVIM不仅可区分快慢扩散成分的水分子，并且可以避免扩散加权ASL中扩散加权序列产生的额外的实验误差，简化操作步骤。
2.2.3CEST
区别于ASL和IVIM直接改变水分子的磁化矢量，CEST是通过氢质子饱和转移间接影响水分子的磁化矢量。CEST现象是指在特定的环境中，通过化学交换可使2种不同物质间的质子发生转移，即质子从一种饱和状态的物质向另一种未饱和物质转移。借助MRI偏共振饱和脉冲，对特定的CEST对比剂进行预饱和，通过化学交换将氢质子传递给周围水分子，进而改变水分子的磁化矢量。
CEST对比剂可分为内源性对比剂和外源性对比剂两种，但目前用于微血管通透性评估的主要是内源性对比剂。其中，利用葡萄糖进行CEST成像又称为动态葡萄糖增强MR成像（dynamic glucose enhanced MRI，DGE-MRI）。
3.灌注MRI评价胶质瘤微血管通透性的临床应用
3.1外源性钆对比剂灌注MRI
尽管目前临床仍把相对脑血容量（relative CBV,rCBV）作为胶质瘤分级的重要依据，但微血管通透性Ktrans等参数作为重要的评价指标体现在越来越多的临床应用中。研究表明，DCE-MRI参数Ktrans和rCBV有相同的评估效能，两者都可用于胶质瘤的分级诊断。低级别胶质瘤Ktrans和ve显著低于高级别胶质瘤。DSC-MRI拥有更快的成像速度，并且采用K2校正后的影像能提高胶质瘤评级的准确性，因此K2、Kα评估微血管通透性成为了新的研究方向。但在最初的实验中，Skinner等利用K2、Kα对高级别胶质瘤病人的微血管通透性评估时发现，K2、Kα评估效果并不理想，两种参数与Ktrans并不存在明显的相关性；随后，Taoka等改进数据处理方式，分析K2 20%ile（K2直方图中第20个百分位数值）和Ktrans的关系，发现K2 20%ile却和Ktrans20%ile存在明确的线性关系，并且得到了另外一项实验结果的支持。
尽管如此，K2和Kα用于胶质瘤血管通透性的研究尚少，仍需大量实验验证。随着双回波、多回波平面成像（EPI）以及EPI和梯度回波、自旋回波结合等方法的使用，可以通过DSC-MRI计算出K2、Kα以及Ktrans，因此利用DSC-MRI评估肿瘤血管通透性展示了巨大的潜力，其可更加准确全面评估胶质瘤的微血管通透性。
3.2非对比剂灌注MRI
3.2.1扩散加权ASL
利用DCE-MRI得到的Ktrans、ve、vp等定量参数评估脑胶质瘤微血管通透性是临床和科研中常用的评估手段，但基于外源性对比剂的MRI方法，必须借助对比剂通过较大的血管间隙外渗才可成像，因此疾病早期或血管间隙改变不明显时，外源性MRI方法无法评估微血管通透性。内源性对比剂分子质量小，无需考虑其生物相容性和安全性问题，并且水分子任何阶段都可通过血脑屏障，并只通过扩散这一种方式。因此，扩散加权ASL通过标记血液中的水分子，很好地解决了对比剂的分子大小及来源问题，并通过ASL与扩散加权结合，使得ASL能够区分水分子来自于血管还是组织。
Wang等引入扩散权重的b值、毛细血管容积（Vc）、毛细血管表面通透性（permeability surfact，PS）等多个参数评估血管通透性，研究发现b=0s/mm2时，影像中主要显示扩散速度快的水分子信号，即血管中的水分子，由于其扩散运动不受限于血脑屏障，与血管通透性相关性不强；而在b=50s/mm2时，影像则显示的是扩散速度慢的水分子信号，其扩散速度受限于BBB，即与血管通透性有关，因此通过计算b=50s/mm2状态下BBB的定量参数PS/Vc，即可反映血管的通透性。
为了提高测量的准确性，StLawrence等又提出了两阶段的测量方法，不仅改用假连续脉冲动脉自旋标记（pseudo-CASL,PCASL）来提高信噪比，并且为更加直观地反映血管通透性，在实验中又采用新的通透性参数Kw替代PS/Vc，并在随后的实验中验证两者评估微血管通透性效果相同。而在最近缺血性脑卒中模型的研究中，利用Kw来观察BBB在缺血后不同时刻的改变并与Ktrans、伊文思蓝（EB）染色结果进行对比，发现Kw对于缺血引起的BBB改变敏感。但目前Kw用于胶质瘤微血管通透性的研究却未见报道，且Kw评估方法的特异性和准确性仍待验证。
3.2.2IVIM
IVIM评估微血管通透性的原理与DWASL类似，即通过扩散参数对不同成分的水分子进行区分，目前较多研究多集中于分析IVIM参数和其他成像方法（如DCE-MRI）的参数之间的相关性。一项临床实验对20例胶质瘤病人的IVIM参数和DSC-MRI、DCE-MRI参数对比分析，结果显示f和PS存在明显的负相关趋势，而根据扩散加权ASL中较慢扩散速度的成分与血管通透性相关，1－f则可能和PS呈正相关。
另一项射频消融治疗兔腿部皮下种植VX2肿瘤的研究显示，通过IVIM得到的参数D、D*、f和DCE-MRI得到的Ktrans和ve无关。Siauve等在一项关于利用不同的MRI方法评价胎盘功能的研究中，也未发现IVIM参数和胎盘血管通透性等生理参数之间的相关性。其原因可能是在于模型的选择上，后两项研究并没有采用脑部疾病模型。而在神经系统以外，血管通透性大多涉及水分子的扩散以及血管内皮间隙的渗透两种方式，所以基于水分子扩散的IVIM很难发挥其对微血管通透性评估的能力，故难以发现两者之间的相关性。
IVIM目前多用于腹部的功能研究，对颅脑研究虽少但却蕴藏着巨大的潜力，未来的研究不仅可以更多地选择脑部疾病模型，并且可以建立IVIM参数和微血管通透性改变等病理特征的直接联系。
3.2.3CEST
肿瘤发生后微血管通透性增高，内源性对比剂更易进入组织和EES，通过CEST来改变水的MR信号，进而改变肿瘤组织影像的信号强度。将未经饱和转移的影像强度定义为S，发生饱和转移后的影像强度改变定义为ΔS，则两者比例ΔS/S，以此可反映通过微血管外渗的对比剂引起的信号改变，ΔS/S增高代表血管通透性的增高。天然未标记的右旋葡萄糖是机体糖代谢的基础，而且葡萄糖富含羟基（-OH）易与周围水分子发生氢质子饱和交换。动态葡萄糖对比成像以右旋葡萄糖为基础，通过饱和交换后改变水分子的磁化矢量，引起影像T1信号改变，故又称之为T1ρ加权DGE-MRI，其广泛用于定量评估神经系统疾病引起的代谢及灌注改变。
Xu等利用人EGFRvIII重排恶性胶质瘤细胞植入免疫缺陷小鼠，通过尾缘静脉注入0.5g/mL医用葡萄糖150μL，分别采集注射前、后DGE影像，通过计算ΔS/S反映胶质瘤微血管通透性改变，发现其最大值（1.5%~3%）明显高于对侧大脑。并在后续与DCE-MRI影像对比的实验中发现两者存在很好的相关性，因此ΔS/S可用于评估微血管通透性。
在随后的研究中，对胶质瘤病人中开展DGE-MRI临床试验，发现肿瘤不同区域强化的时间各不相同，时间-强度曲线中蕴含微血管通透性的信息，证明了DGE-MRI用于临床的可能性。但是直接采用偏共振饱和脉冲可产生磁化转移对比（magnetization transfer contrast,MTC）和直接水饱和（direct saturation,DS）等效应会干扰CEST信号。为消除这种干扰，在最新的一项研究中，通过采用不对称磁化转移率（magnetization transfer ratio,MTRasym）代替ΔS/S以消除MTC和DS产生的影响，并采用含有更多羟基的右旋糖酐，通过对比DGEMRI的MTRasym图和DCE-MRI获得的Ktrans图，证实了将其应用于微血管通透性研究的巨大潜力。但是目前采用右旋糖酐的临床试验尚未进一步开展。
4.小结与展望
病理活检虽作为肿瘤评估的金标准，但属有创性，需要点状取样，并且无法反映微血管血流动力学特征；基于外源性钆对比剂的灌注MRI虽然可无创、动态反映脑组织功能改变，但却带来了过敏反应和体内钆沉积等安全性问题；非对比剂MRI灌注成像作为全新的血管评估方法，不仅可以监测微血管通透性等功能改变，并且安全无害、应用范围广泛，可作为孕妇、儿童等常规检查方式。除此之外，水分子质量远小于Gd-DTPA等常规对比剂，反映微血管通透性更加敏感，可发现肿瘤等疾病早期改变，但其存在以下不足：①成像序列固有缺陷，ASL信噪比较低，IVIM评估微血管通透性时应用模型受限，CEST易受MTC、DS等其他效应干扰；②成像技术不够成熟，目前开展的研究较少，科研体系不完善。
相比于微血管密度改变，肿瘤发生或进展早期，微环境改变，肿瘤微血管密度累积缓慢但血管通透性却明显改变。并且，微血管通透性的改变，往往会造成BBB的破坏，导致脑内免疫平衡失调，进一步加剧肿瘤进展。基于水分子等非对比剂MRI灌注成像，不仅具有更高的敏感性且能更及时地发现微血管的早期改变，有利于对胶质瘤的进一步研究。
今后的研究方向应集中于：①利用其可重复性高且安全无害的优点，开展大样本量多中心的临床研究，更好地验证其应用临床的潜在价值。②成像序列和成像技术的标准化和规范化，统一操作流程，提高不同实验结果的可比性；统一微血管通透性评估参数，建立公认的判断标准。③拓宽应用领域，通过非对比剂MRI灌注成像探究微血管通透性与肿瘤分子机制、基因特征、信号传导通路之间的相关性。相信在MRI技术不断的进步中，不依赖外源性对比剂的MRI灌注成像能够取代传统MRI方法并得到更加广泛的应用。
