作者：山东第一医科大学附属中心医院医学影像科（王增坤、左太阳、宋培记）；曲阜市中医院医学影像科（侯明远）；山东第一医科大学研究生部（王泽锐、褚　楚）；山东第一医科大学附属省立医院医学影像科（王锡明）；

功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)是一种多功能的无创成像模式，在组织分辨率、空间特异性方面发挥优势，提供高通量的形态信息、定量评估灌注、氧合、扩散、细胞密度、细胞活力和代谢功能以及动态监测肾脏微结构、微环境和微循环生理参数的变化，已广泛应用于各种肾脏疾病的诊断和研究。

化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer，CEST)尤其是酰胺质子转移加权(amide proton transfer-weighted，APTw)成像，作为新型fMRI 无创分子成像技术，允许检测特定的可交换质子，对组织中的移动蛋白质和肽敏感，可同时检测肾脏的代谢、灌注和酸碱平衡变化，具有广阔的临床应用前景。笔者现对CEST 包括APTw 成像的技术特点与挑战应对及其应用于定量肾脏酸碱度(potential of hydrogen，pH)值变化、鉴别肾脏良恶性肿瘤、肾功能不全及相关疾病等方面的研究进展进行综述。

1. 技术特点与挑战应对

1. 1 CEST

溶质质子的共振频率与水的共振频率不同，但由于溶质浓度非常低(通常在mmol 量级)，因此在常规MRI 成像中是不可见的。CEST 是一种无创、非电离的fMRI 分子成像新技术，对具有合适质子的内、外源性分子的浓度、交换速率、组织pH、温度、细胞代谢物水平和细胞微环境敏感，在慢速至中速的共振频率下，对目标溶质分子中选择性可交换质子偏移频率处施加连续饱和射频脉冲来标记磁矩，并与周围大量水质子(110 mol)之间的化学交换所引起的磁共振水信号的变化，放大几百到几千倍，导致水信号明显减弱，从而使目标分子产生对比度， 允许间接检测低浓度可交换质子。

内源性CEST 对比剂包括羟基质子(对葡萄糖和糖原)、胺(对谷氨酸和肌酸)和酰胺(对蛋白质)，其中尿素有4 个相同的胺质子，相对于水在+1ppm 处共振，具有肾脏尿素浓度成像的潜在用途。外源性CEST 可使用pH响应的临床批准的碘化对比剂检测急性肾损伤、缺血再灌注和单侧输尿管阻塞中的pH 变化。CEST 成像的数据采集速度较慢，其测量的影响因素包括生理因素(组织松弛率、pH 值和温度)、设备因素(磁场强度、主磁场不均匀性、化学交换过程的完整性、饱和期长和多重偏置采样)、解剖因素(肾脏内部和周围存在脂肪)以及生理运动( 如腹主动脉搏动、肠管蠕动或呼吸运动)等。

随着更有效的磁场不均匀性校正技术和后处理算法的发展，使用Z 谱的片段代替完整的Z 谱、压缩感知、指纹识别、联合k 空间和图像空间并行成像的自动校准技术等可以显著减少总扫描时间。通过开发MRI 采集协议、MRI 序列的优化和后处理流程，也可在一定程度上解决上述挑战，如呼吸门控/ 触发、呼吸运动校正技术和后处理配准等，将0 ppm 重新校准到内插Z 谱的最小值，使用单独获得的主磁场图进行校正，进行水饱和位移参考(water saturation shift referencing，WASSR)扫描校正主磁场不均匀性，通过多池洛伦兹拟合、3D 技术、全体积覆盖序列、快速多层序列、辅助参数量化、深度学习、神经网络算法、降噪算法等可提高空间分辨率，提升CEST 对比度的量化效率和精度。

基于图像分割和配准等人工智能算法，实现病变或感兴趣区的自动绘制，以增加结果的客观性；感兴趣区通常放置在皮质和髓质中，肾脏结构存在一定的异质性，空间分辨率有限，且在病情进展后期肾实质变得更薄，难以区分内、外髓，这可能影响感兴趣区的放置及CEST 和APTw 测量的准确性。

1. 2 APTw

APTw 成像是目前应用最广泛的CEST 成像类型，基于内源性多肽和蛋白质的酰胺质子与水质子之间的快速化学交换，使用特定的射频脉冲(3. 5 ppm)选择性饱和，水的不对称信号下降可间接反映低浓度内源性移动蛋白质或肽的浓度和pH 值依赖性，反映组织的病理生理状态，可重复性强。APTw 信号强度与内源性游离蛋白质和肽的水平呈正相关。

APTw 成像无需注射外源性对比剂，对肾损伤和肿瘤的诊断效能优于常规定量MRI 技术且具有临床潜力。APTw 成像中的脉冲序列包括饱和脉冲和随后的图像采集部分[。APTw 成像对各种成像条件高度敏感，例如磁化率效应引起的磁场不均匀性伪影，由肾脏附近的含气结构(如肠、肺)可能对图像质量产生不利影响。APTw 效应取决于可交换酰胺质子的分数浓度、水的T1 WI 和饱和脉冲长度等因素。

APTw 可能受到磁体中的磁场不均匀性的阻碍，产生Z 谱的偏移。水共振场3. 5 ppm 处的强脂质信号可能导致错误的APTw 对比。APTw 值的影响因素包括年龄、性别及体重指数(body mass index，BMI)因素，在田士峰等的研究中，我国正常人右肾APTw 值与年龄和BMI存在一定的正相关性，男性APTw 值低于女性。有学者通过改变主磁场以解决磁场的不均匀性问题，通过预饱和带以屏蔽肠道并减少肠道气体对APTw 成像的影响。由于自由呼吸期间的肾脏运动范围为2. 5 ~ 20. 5 mm，采用呼吸补偿技术、间歇屏气等可减少运动伪影并提高图像质量和准确度。双肾APTw 成像采集时间过长，右肾受心脏搏动、胃肠气体磁敏感伪影影响较小，因此右肾APTw 结果更稳定，但无法与双肾获得的实验室检测结果完全匹配。也有学者选择同侧腰肌APTw 来标准化肾脏APTw 值，以校正个体内和个体间射频磁场的不均匀性。

2. 定量肾脏pH 值变化

肾脏在pH 稳态中起重要作用，取决于肾小管回收滤过的碳酸氢盐和排泄净胺质子。酸碱平衡紊乱常见于中毒、缺血、肾功能不全和肿瘤等。虽测量血和尿pH 可进行全身评估，但无法精确定位病变或定量评估偏离正常pH 的幅度。由于质子化学交换对酸碱平衡敏感，CEST 是测量pH值的首选成像方法之一和肾脏疾病的生物标志物，多采用碘帕醇检测到肾损伤后显著的pH 变化，评估患者是否存在肾单位的功能下降、定量肾功能损伤及是否可逆等情况。

碘帕醇是一种碘对比剂，具有2 个不同的MRI 化学可交换基团和pH 依赖性交换速率，其pH 检测范围在7 T 时为5. 5 ~7. 4，在14 T 时为6. 0 ~7. 6。其他CEST药物也被用于pH 成像研究，包括碘普罗胺、咪唑和顺磁性CEST 药物。此外，由于尿石症与pH 值是相关的，CEST成像在上尿路梗阻的评价中具有重要意义。由于酰胺质子的化学交换速率对pH 值的强依赖性，APTw 已成功用于检测细胞pH 值。

Bo 等在单侧尿路阻塞小鼠模型上观察到阻塞肾脏的CEST 对比剂摄取量低于未阻塞肾脏，并且未阻塞肾脏的pH 值约为6. 86 ± 0. 01，而阻塞肾脏的pH值升高(6. 97 ± 0. 01)且范围增加。在Tao 等的研究中，使用两种具有非等效酰胺质子的碘化剂的比率型CEST 方法可用于在单一低饱和功率下对肾脏进行体内pH 映射。

3. 鉴别肾脏良恶性肿瘤

肾透明细胞癌是成人最常见的肾脏恶性肿瘤，预后相对较差。肿瘤通常对葡萄糖消耗的依赖性异常高，葡萄糖CEST 用于葡萄糖成像。由于高有氧糖酵解和肿瘤细胞灌注不良导致乳酸产生增加，肿瘤微环境的pH 值(6. 5 ~6. 9)通常为酸性，可增强肿瘤的侵袭性、转移、染色体重排、血管生成以及对放射治疗和特定化疗药物的耐药性。

4. 肾功能不全及相关疾病

4. 1 急性肾损伤

急性肾损伤在危重患者中可高达70%，死亡率为50%，可导致肾功能迅速恶化，并且可能进展为不可逆的慢性肾病或终末期肾病。血清肌酐和血尿素氮仅在发生显著损失(50%)后才表示肾损伤。CEST 可同时表征尿路梗阻和功能、时间活动曲线及pH 图 。在米文夏等和虞心田等的研究中，CEST 成像可定量肾脏损伤氧化还原代谢。在Zhang 等的研究中，从CEST 获得的磁化转移率(magnetization transfer ratio，MTR)对急性肾损伤的病理变化敏感，MTR 显著降低，MTR 随着急性肾损伤的进展而稳步增加。

在Irrera 等的研究中，夹住的肾脏动态CEST 显示出显著降低的肾滤过率和显著增加的pH 值。在Tao 等的研究中，皮质胺CEST 随着肾损伤进展而降低，到第28 天降低了57. 75%；多参数MRI 可全面反映急性肾损伤的变化，胺-CEST 对肾缺血再灌注急性肾损伤的诊断准确率最高(AUC=0. 899)。在Shin 等的研究中，肾脏损伤导致皮质T1 时间增加，尿素和生理盐水输注后CEST 对比度变化降低，输注后尿素增强延迟可深入了解肾脏尿素循环，生理盐水输注后1. 0 ppm 的CEST 对比剂的变化可能有助于了解肾功能。

CEST 具有通过捕捉不同肾脏解剖区域的尿素浓缩能力来监测肾功能的潜力。在Shin 等的研究中，采用多参数分子MRI 方法作为监测肾功能丧失和区分不同类型肾损伤的非侵入性工具，可全面、完全无创地监测肾功能和组织学变化，以区分不同的肾病；核奥氏效应(nuclear Overhauser enhancement，NOE)CEST 和定量磁化转移成像均对急性和慢性肾损伤很敏感，尿素CEST 仅与急性损伤有显著相关性。

4. 2 慢性肾脏病(chronic kidney disease，CKD)

CKD 已成为全球严重的公共卫生问题。无创肾功能评估对疾病诊断和预后具有重要的临床意义。在Ju等的研究中，APTw 成像可用于评估CKD 患者的肾功能和肾损伤，两次皮质、髓质测量APTw 值显示出良好的一致性(ICC 分别为0. 985、0. 998)，皮质及髓质APTw 值随着肾功能严重程度的增加呈逐渐增高的趋势，所有对照组及肾功能不全组皮质APTw 值均高于髓质(P < 0. 05)，右肾皮质(r= -0. 80，P < 0. 05)及髓质(r = - 0. 83，P < 0. 05)APTw 值与肾小球滤过率呈负相关，皮髓质APTw 值对评估不同程度肾功能不全具有较高的诊断效能， mDIXON-Quant 联合APTw 成像可用于CKD 的准确诊断。在王悦等 的研究中，CKD 中重度肾损害组肾皮质APTw 值与mDixon-Quant 序列的脂肪分数值呈正相关，二者可从不同角度反映肾损害时肾组织蛋白质代谢、酸碱环境变化及脂沉积的关系，具有评估CKD 肾损害程度的潜在临床应用价值。

4. 3 肾纤维化(renal fibrosis，RF)

RF 是CKD 进展中最重要的病理变化，目前通过活检评估。由于活检是有创的，并涉及严重并发症的风险，无创评估RF 仍然是非常可取的。在Li 等的研究中，CEST 和磁化转移可为单侧输尿管梗阻(unilateral ureteral obstruction，UUO)RF 的全面评估提供代谢和结构信息；与UUO 大鼠肾脏糖代谢(18 F-FDG PET 测定)和纤维化(α-平滑肌肌动蛋白定量)具有一定的相关性。

在Zhao 等的动物模型实验研究中，ICC >0. 9，皮质和髓质APTw 值与RF程度呈正相关(缺血再灌注损伤模型分别为r = 0. 93，P <0. 001；r = 0. 62，P < 0. 05；UUO 模型分别为r = 0. 65，P <0. 05；r =0. 62，P <0. 05)，经肌肉校正后中度至重度纤维化组的APTw 值显著高于轻度纤维化组(皮质和髓质分别为P<0. 001，P =0. 006)，两组间APTw 差值无显著性差异，RF程度与校正后的皮质APTw 值呈强正相关(r = 0. 69，P <0. 001)，与校正后的髓质APTw 值呈中度正相关(r = 0. 52，P=0. 008)；APTw 值对RF 的诊断价值更高，校正后的皮质APTw 的AUC 最高，为0. 91(95%CI:0. 777 ~1. 000)，优于校正后的髓质APTw(AUC =0. 84)、皮质ADC(AUC =0. 78)和髓质ADC(AUC = 0. 79)值，且与结合皮质ADC 和校正后的皮质APTw 值进一步提高了对中重度RF 的识别和诊断，AUC 为0. 93(DeLong 检验:P < 0. 1)。

在Stabinska 等的研究中，UUO 小鼠肾脏的动态CEST 尿路造影曲线显示与对侧肾脏相比，峰值时间延长且对比剂排泄延迟；健康动物双肾的pH 值相似(6. 65 ±0. 04 vs 6. 67 ±0. 02)，而梗阻肾脏的pH 值与对侧肾脏相比显著增加(6. 79 ± 0. 11 vs 6. 67 ±0. 08)。

4. 4 糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN)

DN 是糖尿病的一种主要并发症，是导致肾功能不全的主要原因之一。由于DN 与肾脏代谢物的变化有关，CEST 具有检测葡萄糖/ 糖原羟基质子变化的实用性。近年来，通过CEST 成像检测DN 进展过程中肾脏羟基代谢产物变化的报道尚少。

4. 5 移植肾排斥反应

肾移植是许多终末期肾病患者的首选治疗方法。在Stabinska 等的研究中，肾脏中脂肪校正的APTw 效应在肾皮质[ -0. 1(0. 7)vs. - 0. 7(1. 2)，P = 0. 029]和髓质[0. 3(0. 8)vs. 0. 01(1. 3)，P =0. 049)]中均明显高于从接近同相条件获得的CEST 数据中获得的效应，表明双回波CEST 采集与Dixon 后处理相结合，通过校正脂肪引起的伪影以提高APTw 对比度的特异性，可有效实现水脂分离，从而更准确地量化移植肾中的APTw CEST 效应。APTw、葡萄糖和碘帕醇等CEST 试剂均可用于监测同种异体移植排斥反应，并分别评估肾脏pH 值的变化。

来源：侯明远，王泽锐，褚楚，等.化学交换饱和转移成像在肾脏疾病中的研究进展[J].临床放射学杂志，2025，44(05):969-973.DOI:10.13437/j.cnki.jcr.2025.05.027.