膠質瘤是成人顱內最常見的腦腫瘤，根據病理組織學特征分為WHOⅠ-Ⅳ級。其中惡性膠質瘤約占3/4，進展迅速、侵襲性高、預后差且治療效果不佳。腫瘤新生微血管內皮細胞不成熟，緊密連接開放，微血管高通透性是腦膠質瘤的典型病理特征，與腫瘤惡性程度、分子分型及病人預后密切相關。
灌注MRI是臨床常用的評估微血管通透性方法，但采用外源性釓對比劑灌注MRI可導致部分病人出現嚴重過敏反應和體內釓沉積，其安全性受到質疑。非對比劑灌注MRI作為全新的評估方法，不僅能夠無創、定量、動態地評價腫瘤微血管血流動力學特征，而且安全性高，病人接受度好，現已逐漸應用于科研及臨床工作中。本文著重于非對比劑MRI技術，綜述灌注MRI評價膠質瘤微血管通透性的應用及研究進展。
1.膠質瘤微血管病理與分子基礎
正常血腦屏障（BBB）微血管壁完整致密，僅允許部分小分子選擇性通過。膠質瘤通過多種血管形成方式導致BBB逐漸轉化為血腫瘤屏障（blood tumor barrier,BTB），形成的腫瘤微血管形態扭曲、畸形，管壁多由大量不成熟形態異常的內皮細胞組成。由于腫瘤微血管內皮細胞間連接疏松，基膜不連續且周細胞覆蓋減少等結構異常特征，導致血管通透性增高，正常功能受到破壞。
多種細胞因子表達上調共同導致膠質瘤微血管的形成，包括低氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factor-1,HIF-1α）、血管生成素-2（angiogenin-2,Ang-2）、血管內皮生長因子（VEGF）和基質金屬蛋白酶等。缺氧腫瘤微環境導致HIF-1α表達上調，大量分泌，進而促進腫瘤微血管形成。然而，腫瘤血管由于結構和功能異常，缺氧狀態反而加重，如此惡性循環啟動VEGFRNA穩定性轉錄。VEGF是調控腫瘤血管生長最關鍵的細胞因子，其直接作用于內皮細胞膜表面的兩種受體，即VEGFR1和VEGFR2。VEGFR2與血管生成密切相關，配體受體結合后，促進腫瘤血管形成，同時致使微血管通透性增高。
Ang-2表達上調可導致血管周細胞募集減少，血管結構疏松，微血管壁完整性下降，從而導致腫瘤血管穩定性降低和成熟障礙。此外，基質金屬蛋白酶通過降解新生血管細胞外基質，進一步加劇腫瘤血管壁高通透性的形成。膠質瘤血管的高通透性與腫瘤分子亞型有關，2016版WHO中樞神經系統腫瘤分類首次將分子特征納入標準，根據腫瘤基因型的不同對膠質瘤（如擴散性膠質瘤）進行分子分型。
膠質瘤主要的分子特征包括：①檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）基因突變；②MGMT啟動子甲基化；③EGFR基因的擴增和EGFRvIII重排；④1p/19q聯合缺失等，研究證明，IDH基因突變和1p/19q聯合缺失與腫瘤微血管通透性改變有關。IDH突變可上調HIF基因表達，進而激活下游分子VEGF和Ang-2功能，改變微血管結構，致使通透性增高。部分少突膠質細胞瘤伴有染色體聯合缺失，其微血管結構畸形，形似雞爪，此腫瘤亞型血管通透性顯著增高。
2.MR灌注成像原理及評價參數
2.1基于外源性釓對比劑的灌注MRI
目前，臨床上定量評價膠質瘤微血管通透性主要采用動態增強MRI（DCE-MRI）和動態磁敏感對比MRI（dynamic susceptibility contrast MRI,DSC-MRI）。DCE-MRI基于T1信號改變評價微血管通透性。通過團注外源性釓對比劑，如Gd-DTPA，動態分析對比劑從血管內滲透進入血管外細胞外間隙（extravascular extracellular space,EES）的分布狀況，利用時間-信號曲線動態分析對比劑從血管內滲透進入EES的信號改變，并擬合藥代動力學模型進而獲得血管通透性的定量參數，如容積轉移常數（Ktrans）、血管外細胞外容積分數（ve）、血漿容積分數（vp）等。
DSC-MRI是通過動態分析對比劑在顱內血管首次循環時對組織T2/T2*信號的影響（降低組織的T2/T2*信號）獲得腦血容量（CBV）和腦血流量（CBF）等灌注參數，但由于存在對比劑外滲進入EES現象，常常導致CBV低于真實值。Boxerman等為解決此現象，通過線性擬合，預測對比劑外泄造成的T1信號改變，隨后在數據處理中，根據預測結果消除T1效應干擾，并且引入了反映對比劑外滲程度的新參數K2。K2和Ktrans均基于對比劑外滲進入EES計算獲得，兩者可直接反映腫瘤微血管的通透性程度。但K2計算是基于正常組織和腫瘤組織平均通過時間（mean transit time,MTT）相等的簡單假設，與實際不符，Bjornerud等采用一種MTT不敏感，可同時糾正對比劑外滲造成的T1和T2/T2*干擾效應的MRI序列，糾正K2存在問題，并引入參數Kα評估微血管通透性。
2.2非對比劑灌注MRI
與外源性對比劑灌注MRI的灌注不同，非對比劑灌注MR成像是利用磁場改變血液中水分子的磁化矢量，使其成為“內源性對比劑”。通過監測血流中帶有磁化標簽的水分子在微血管內外的遷移過程評估微血管通透性。由于非對比劑灌注MRI不向體內引入外源性對比劑，安全性高、病人接受度好，并可以反復多次操作，逐漸成為近年來的研究熱點。常用非對比劑灌注MRI包括動脈自旋標記（arterial spin labeling，ASL）、體素內不相干運動（intravoxel incoherent motion，IVIM）和化學交換飽和轉移（chemical exchange saturation transfer,CEST）成像技術。
2.2.1ASL
神經系統生理情況下BBB只允許水分子通過擴散的方式通過，缺少內皮細胞間隙的通透方式，水分子透過速度受限。從這一特點出發，利用ASL結合擴散加權成像，根據擴散的速度不同，區分不同空間內的水分子（即血管內的擴散速度更快，而組織內的擴散速度受限于BBB則較慢），計算慢擴散時血管內標記水分子和組織內水分子的交換率，即可反映微血管的通透性。1997年，Sliva等發現擴散敏感的ASL可提高大鼠腦組織灌注成像結果的準確性。而擴散加權ASL這一概念由StLawrence等提出，并應用于微血管通透性的測量。傳統ASL將水分子在血管和組織中的弛豫率視為相等，但這與實際不符，而擴散加權ASL則基于兩者不同且通過弛豫快慢區分，很好地解決了該問題。
2.2.2IVIM
IVIM成像于1986年由LeBihan提出，IVIM主要包括生物體內微血管水分子自由擴散和微循環灌注兩種運動，因此可分別測量微血管中的擴散運動和血液灌注。參數包括純擴散系數（D），代表水分子的擴散運動，即慢擴散運動；假擴散系數（D*），代表體內微循環引起的擴散運動，即快擴散運動；灌注分數（f），代表快速擴散占總體擴散的百分比。IVIM是一種本身具有擴散和灌注加權兩種優勢且無需使用對比劑的MRI技術。BBB獨特的水分子穿透方式，即只允許擴散通過，表明了IVIM用于膠質瘤微血管評估的巨大潛力。與擴散加權ASL相比，IVIM不僅可區分快慢擴散成分的水分子，并且可以避免擴散加權ASL中擴散加權序列產生的額外的實驗誤差，簡化操作步驟。
2.2.3CEST
區別于ASL和IVIM直接改變水分子的磁化矢量，CEST是通過氫質子飽和轉移間接影響水分子的磁化矢量。CEST現象是指在特定的環境中，通過化學交換可使2種不同物質間的質子發生轉移，即質子從一種飽和狀態的物質向另一種未飽和物質轉移。借助MRI偏共振飽和脈沖，對特定的CEST對比劑進行預飽和，通過化學交換將氫質子傳遞給周圍水分子，進而改變水分子的磁化矢量。
CEST對比劑可分為內源性對比劑和外源性對比劑兩種，但目前用于微血管通透性評估的主要是內源性對比劑。其中，利用葡萄糖進行CEST成像又稱為動態葡萄糖增強MR成像（dynamic glucose enhanced MRI，DGE-MRI）。
3.灌注MRI評價膠質瘤微血管通透性的臨床應用
3.1外源性釓對比劑灌注MRI
盡管目前臨床仍把相對腦血容量（relative CBV,rCBV）作為膠質瘤分級的重要依據，但微血管通透性Ktrans等參數作為重要的評價指標體現在越來越多的臨床應用中。研究表明，DCE-MRI參數Ktrans和rCBV有相同的評估效能，兩者都可用于膠質瘤的分級診斷。低級別膠質瘤Ktrans和ve顯著低于高級別膠質瘤。DSC-MRI擁有更快的成像速度，并且采用K2校正后的影像能提高膠質瘤評級的準確性，因此K2、Kα評估微血管通透性成為了新的研究方向。但在最初的實驗中，Skinner等利用K2、Kα對高級別膠質瘤病人的微血管通透性評估時發現，K2、Kα評估效果并不理想，兩種參數與Ktrans并不存在明顯的相關性；隨后，Taoka等改進數據處理方式，分析K2 20%ile（K2直方圖中第20個百分位數值）和Ktrans的關系，發現K2 20%ile卻和Ktrans20%ile存在明確的線性關系，并且得到了另外一項實驗結果的支持。
盡管如此，K2和Kα用于膠質瘤血管通透性的研究尚少，仍需大量實驗驗證。隨著雙回波、多回波平面成像（EPI）以及EPI和梯度回波、自旋回波結合等方法的使用，可以通過DSC-MRI計算出K2、Kα以及Ktrans，因此利用DSC-MRI評估腫瘤血管通透性展示了巨大的潛力，其可更加準確全面評估膠質瘤的微血管通透性。
3.2非對比劑灌注MRI
3.2.1擴散加權ASL
利用DCE-MRI得到的Ktrans、ve、vp等定量參數評估腦膠質瘤微血管通透性是臨床和科研中常用的評估手段，但基于外源性對比劑的MRI方法，必須借助對比劑通過較大的血管間隙外滲才可成像，因此疾病早期或血管間隙改變不明顯時，外源性MRI方法無法評估微血管通透性。內源性對比劑分子質量小，無需考慮其生物相容性和安全性問題，并且水分子任何階段都可通過血腦屏障，并只通過擴散這一種方式。因此，擴散加權ASL通過標記血液中的水分子，很好地解決了對比劑的分子大小及來源問題，并通過ASL與擴散加權結合，使得ASL能夠區分水分子來自于血管還是組織。
Wang等引入擴散權重的b值、毛細血管容積（Vc）、毛細血管表面通透性（permeability surfact，PS）等多個參數評估血管通透性，研究發現b=0s/mm2時，影像中主要顯示擴散速度快的水分子信號，即血管中的水分子，由于其擴散運動不受限于血腦屏障，與血管通透性相關性不強；而在b=50s/mm2時，影像則顯示的是擴散速度慢的水分子信號，其擴散速度受限于BBB，即與血管通透性有關，因此通過計算b=50s/mm2狀態下BBB的定量參數PS/Vc，即可反映血管的通透性。
為了提高測量的準確性，StLawrence等又提出了兩階段的測量方法，不僅改用假連續脈沖動脈自旋標記（pseudo-CASL,PCASL）來提高信噪比，并且為更加直觀地反映血管通透性，在實驗中又采用新的通透性參數Kw替代PS/Vc，并在隨后的實驗中驗證兩者評估微血管通透性效果相同。而在最近缺血性腦卒中模型的研究中，利用Kw來觀察BBB在缺血后不同時刻的改變并與Ktrans、伊文思藍（EB）染色結果進行對比，發現Kw對于缺血引起的BBB改變敏感。但目前Kw用于膠質瘤微血管通透性的研究卻未見報道，且Kw評估方法的特異性和準確性仍待驗證。
3.2.2IVIM
IVIM評估微血管通透性的原理與DWASL類似，即通過擴散參數對不同成分的水分子進行區分，目前較多研究多集中于分析IVIM參數和其他成像方法（如DCE-MRI）的參數之間的相關性。一項臨床實驗對20例膠質瘤病人的IVIM參數和DSC-MRI、DCE-MRI參數對比分析，結果顯示f和PS存在明顯的負相關趨勢，而根據擴散加權ASL中較慢擴散速度的成分與血管通透性相關，1－f則可能和PS呈正相關。
另一項射頻消融治療兔腿部皮下種植VX2腫瘤的研究顯示，通過IVIM得到的參數D、D*、f和DCE-MRI得到的Ktrans和ve無關。Siauve等在一項關于利用不同的MRI方法評價胎盤功能的研究中，也未發現IVIM參數和胎盤血管通透性等生理參數之間的相關性。其原因可能是在于模型的選擇上，后兩項研究并沒有采用腦部疾病模型。而在神經系統以外，血管通透性大多涉及水分子的擴散以及血管內皮間隙的滲透兩種方式，所以基于水分子擴散的IVIM很難發揮其對微血管通透性評估的能力，故難以發現兩者之間的相關性。
IVIM目前多用于腹部的功能研究，對顱腦研究雖少但卻蘊藏著巨大的潛力，未來的研究不僅可以更多地選擇腦部疾病模型，并且可以建立IVIM參數和微血管通透性改變等病理特征的直接聯系。
3.2.3CEST
腫瘤發生后微血管通透性增高，內源性對比劑更易進入組織和EES，通過CEST來改變水的MR信號，進而改變腫瘤組織影像的信號強度。將未經飽和轉移的影像強度定義為S，發生飽和轉移后的影像強度改變定義為ΔS，則兩者比例ΔS/S，以此可反映通過微血管外滲的對比劑引起的信號改變，ΔS/S增高代表血管通透性的增高。天然未標記的右旋葡萄糖是機體糖代謝的基礎，而且葡萄糖富含羥基（-OH）易與周圍水分子發生氫質子飽和交換。動態葡萄糖對比成像以右旋葡萄糖為基礎，通過飽和交換后改變水分子的磁化矢量，引起影像T1信號改變，故又稱之為T1ρ加權DGE-MRI，其廣泛用于定量評估神經系統疾病引起的代謝及灌注改變。
Xu等利用人EGFRvIII重排惡性膠質瘤細胞植入免疫缺陷小鼠，通過尾緣靜脈注入0.5g/mL醫用葡萄糖150μL，分別采集注射前、后DGE影像，通過計算ΔS/S反映膠質瘤微血管通透性改變，發現其最大值（1.5%~3%）明顯高于對側大腦。并在后續與DCE-MRI影像對比的實驗中發現兩者存在很好的相關性，因此ΔS/S可用于評估微血管通透性。
在隨后的研究中，對膠質瘤病人中開展DGE-MRI臨床試驗，發現腫瘤不同區域強化的時間各不相同，時間-強度曲線中蘊含微血管通透性的信息，證明了DGE-MRI用于臨床的可能性。但是直接采用偏共振飽和脈沖可產生磁化轉移對比（magnetization transfer contrast,MTC）和直接水飽和（direct saturation,DS）等效應會干擾CEST信號。為消除這種干擾，在最新的一項研究中，通過采用不對稱磁化轉移率（magnetization transfer ratio,MTRasym）代替ΔS/S以消除MTC和DS產生的影響，并采用含有更多羥基的右旋糖酐，通過對比DGEMRI的MTRasym圖和DCE-MRI獲得的Ktrans圖，證實了將其應用于微血管通透性研究的巨大潛力。但是目前采用右旋糖酐的臨床試驗尚未進一步開展。
4.小結與展望
病理活檢雖作為腫瘤評估的金標準，但屬有創性，需要點狀取樣，并且無法反映微血管血流動力學特征；基于外源性釓對比劑的灌注MRI雖然可無創、動態反映腦組織功能改變，但卻帶來了過敏反應和體內釓沉積等安全性問題；非對比劑MRI灌注成像作為全新的血管評估方法，不僅可以監測微血管通透性等功能改變，并且安全無害、應用范圍廣泛，可作為孕婦、兒童等常規檢查方式。除此之外，水分子質量遠小于Gd-DTPA等常規對比劑，反映微血管通透性更加敏感，可發現腫瘤等疾病早期改變，但其存在以下不足：①成像序列固有缺陷，ASL信噪比較低，IVIM評估微血管通透性時應用模型受限，CEST易受MTC、DS等其他效應干擾；②成像技術不夠成熟，目前開展的研究較少，科研體系不完善。
相比于微血管密度改變，腫瘤發生或進展早期，微環境改變，腫瘤微血管密度累積緩慢但血管通透性卻明顯改變。并且，微血管通透性的改變，往往會造成BBB的破壞，導致腦內免疫平衡失調，進一步加劇腫瘤進展。基于水分子等非對比劑MRI灌注成像，不僅具有更高的敏感性且能更及時地發現微血管的早期改變，有利于對膠質瘤的進一步研究。
今后的研究方向應集中于：①利用其可重復性高且安全無害的優點，開展大樣本量多中心的臨床研究，更好地驗證其應用臨床的潛在價值。②成像序列和成像技術的標準化和規范化，統一操作流程，提高不同實驗結果的可比性；統一微血管通透性評估參數，建立公認的判斷標準。③拓寬應用領域，通過非對比劑MRI灌注成像探究微血管通透性與腫瘤分子機制、基因特征、信號傳導通路之間的相關性。相信在MRI技術不斷的進步中，不依賴外源性對比劑的MRI灌注成像能夠取代傳統MRI方法并得到更加廣泛的應用。