7T交替1H/13C MRS定量评估人额叶在体葡萄糖摄取与三羧酸循环通量的可行性研究

《JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE IMAGING》：Assessment of Glucose Metabolism in Vivo in the Human Frontal Lobe Using Interleaved 1H and 13C MRS at 7T

　　

背景：¹³C磁共振波谱（MRS）联合¹³C标记底物输注，为评估脑主要能量代谢通路通量提供了一种非电离、微创的方法。然而，其在7T下的人体应用尚未完全建立，尤其是在额叶，该区域改变与多种神经和精神疾病相关。目的：探讨交替¹H/¹³C MRS协议在7T下定量脑葡萄糖摄取及下游代谢的可行性，并估计三羧酸（TCA）循环通量（V_TCA）以进行验证。研究类型：前瞻性。人群：3名健康志愿者（2名女性和1名男性）。场强/序列：7T；单体素波谱（single voxel spectroscopy）：ACE-STEAM（间接¹H-[¹³C]）和ISIS-DEPT（直接¹³C-[¹H]）。评估：应用ACE-STEAM和ISIS-DEPT采集额叶时间分辨谱。定量¹³C标记的葡萄糖、谷氨酸和谷氨酰胺分数富集（fractional enrichment）时间过程，通过一室模型（one-compartment model）估计V_TCA。统计检验：报告处理谱的相对估计拟合不确定度（estimated fitting uncertainties, EFUs）。采用非线性最小二乘最小化（nonlinear least squares minimization）对¹³C轨迹进行通量拟合。采用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulations）评估估计代谢通量的不确定性。结果：[1-¹³C]-葡萄糖（GlcC1）在¹³C MR谱6 min内被检测到，随后检测到¹³C标记的GluH4和GlnH4，之后可在¹H MR谱上定量GlxH3。输注结束时平均富集为17%（GluH4）、13%（GlnH4）和7%（GlxH3）。脑葡萄糖浓度为1.86–2.94 mM，C1平均富集为61%。组平均V_TCA为0.66±0.07 μmol/g/min（n=3）。数据结论：该交替¹H/¹³C MRS协议联合¹³C标记葡萄糖输注，能够以微创方式定量脑代谢通量。作为小规模健康志愿者队列中的概念验证可行性研究，该方案可能为在7T下研究神经精神疾病和神经退行性疾病提供有用框架。证据等级：1。技术效能：阶段1。通俗语言总结：线粒体功能障碍和脑能量代谢受损与多种神经和精神疾病相关。为研究这些代谢通路，本研究优化了7T磁共振波谱协议并联合[1-¹³C]-葡萄糖输注。在3名健康志愿者队列中评估时，该方法成功追踪了实时脑葡萄糖摄取和下游代谢，使三羧酸循环通量等关键通量得以定量。本研究证明了这种交替¹H和¹³C检测用于研究健康和疾病脑能量代谢的技术可行性和潜力。

研究背景：脑能量代谢对维持脑结构和功能完整性具有关键作用。额叶能量代谢受损和线粒体功能障碍与神经退行性疾病、神经精神疾病及衰老中的认知下降相关。¹³C磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy, MRS）联合[1-¹³C]-葡萄糖等标记底物，可通过追踪¹³C进入下游谷氨酸和谷氨酰胺，定量研究脑代谢过程，并已在临床前研究中广泛应用。7T MRI系统提高谱分辨率和灵敏度，但额叶因邻近眼睛、散热能力受限，且7T下宽带质子去耦受严格比吸收率限制，直接¹³C检测的人额叶应用尚未充分建立；质子观察碳编辑（proton-observed, carbon-edited, POCE）等间接检测又存在谱拥挤、单个代谢物分辨能力有限的问题。临床转化还受血样依赖、高剂量约0.7 g/kg的20%高渗葡萄糖输注风险、静脉刺激、静脉炎、液体外渗及材料成本等限制。为此，研究人员开发一体化框架，采用覆盖额叶的多通道射频表面线圈、适度葡萄糖输注及无需质子或碳去耦的采集和定量策略，交替间接和直接¹³C MRS，以直接测量的脑葡萄糖分数富集（fractional enrichment, FE）作为输入函数，免除血样需求。该研究在3名健康志愿者中作技术可行性示范，估计三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环通量（V_TCA），为7T额叶更少侵入、患者友好方案提供初步框架。

关键技术方法：纳入3名健康志愿者（2女1男，31–32岁，BMI 19.5–22.9；伦理批准并知情同意）。采用7T MRI和定制双调谐3通道¹H/2通道¹³C表面线圈。交替采集ACE-STEAM（绝热碳编辑受激回波采集模式）和ISIS-DEPT（图像选择在体波谱结合无畸变极化转移增强）单体素谱。静脉输注10%（w/v）[1-¹³C]-葡萄糖约60 min、总量0.5 g/kg，先14 min分三速率负荷再恒速维持。以脑GlcC1时间过程为输入函数，LCModel定量，一室模型和非线性最小二乘拟合V_TCA等通量，蒙特卡洛评估不确定性；并行静脉血采样比较。

研究结果：
3.1 时间分辨MR谱：通过ACE-STEAM和ISIS-DEPT采集额叶时间分辨¹H和¹³C谱，可清晰区分GluH4、GlnH4、GluH3/GlnH3及GlcC1、GluC4/C3、GlnC4/C3；GluH4约20 min出现，GlnH4和GlxH3约30 min，反映TCA和谷氨酸-谷氨酰胺循环顺序标记。水线宽13.1±0.6 Hz；输注末LCModel估计拟合不确定度（estimated fitting uncertainties, EFUs）为β-GlcC1约8%、GluH4约5%、GlnH4约29%、GlxH3约14%；J_CH为146.0 Hz（GlcC1）、126.8 Hz（Glu/GlnC4）、130.5 Hz（Glu/GlnC3）。结论：交替序列可在额叶获得可定量的时间分辨谱。
3.2 ¹³C FE与葡萄糖浓度：通过总脑葡萄糖和GlcC1定量，并与参与者2、3血样LC-HRMS比较；脑葡萄糖峰值2.94±0.04 mM（20–25 min），脑GlcC1 FE最高57%–64%，b=-0.05（时间常数约20 min）；血浆¹³C葡萄糖FE稳态68.1%±1.1%；可逆Michaelis–Menten拟合得T_max/CMR_glc=3.8±0.2、K_t=0.6 mM；参与者1导管凝血未采血。结论：直接脑GlcC1输入函数与血浆动力学初步一致，支持建模。
3.3 TCA循环通量估计：以平均GlcC1函数输入一室模型联合拟合GluC4、GlnC4、GlxC3 FE曲线；输注末平均FE为0.179±0.007、0.140±0.011、0.076±0.012；组平均V_TCA=0.66±0.07、V_X=0.88±0.25、V_GLN=0.23±0.08 μmol/g/min（n=3）；个体V_TCA 0.58–0.73，落在既往静息人皮质0.5–0.8范围。结论：该协议可获得合理TCA通量估计。

讨论总结：讨论指出，以脑GlcC1作输入函数可克服血样困难、简化流程；10%葡萄糖约620 mOsm/kg在可接受范围，两阶段输注维持脑FE且血糖回落至4.5–5.9 mM、无不良事件，总量0.5 g/kg降低成本；1 h内标记达7%–17%，未达同位素稳态；脑GlcC1 FE约60%–64%时[3-¹³C]-丙酮酸最大富集约一半，未标记底物可稀释谷氨酸标记至约20%。75 min采集足以稳定估计通量；参与者3早期ISIS-DEPT因Glu/Gln FE<10%省略，动态趋势一致；直接¹³C初始灵敏度较低但高富集时谱分辨率更优，30 min后可分辨GluC3/GlnC3；交替采集最大化单次数据且不需外部输入函数假设。无杂核去耦使谱呈1:1双峰和1:2:1三重峰，J_CH一致且与大鼠9.4T报道相似；30 min后2 min采集可检出全部¹³C信号。以GluC4作ISIS-DEPT与ACE-STEAM内部归一化，可从总肌酸（tCr）参考的¹H数据推导绝对¹³C浓度，减少外部标准和非均匀线圈灵敏度所致系统误差。α-Glc-H1约5.5 ppm在7T因水残余、α-Glc比例低（约36%）及磁化交换衰减而难可靠检测，故总葡萄糖取¹H谱3–4 ppm区并与GlcC1结合计算FE。模型假设CMR_glc恒定，虽脑葡萄糖非严格稳态，但葡萄糖>1.6 mM远高于己糖激酶K_M（约50 μM），通量对波动不敏感。T_max/CMR_glc偏高与测全血而非血浆及未扣除血葡萄糖对脑信号贡献有关，但不影响V_TCA。局限性包括未考虑J_CC同核耦合，但[1-¹³C]-葡萄糖标记率低，C4<20%时同核多重峰低于检测限（<4%）且对V_TCA偏倚可能可忽略；绝对输入函数依赖体模参数和假定tCr，其不确定性线性传播至V_TCA；固定tCr适用于健康志愿者但患者需独立水参考；个体V_TCA固定V_X和V_GLN提高小队列稳定性但限制个体差异；n=3为初步概念验证，需更大队列和重测信度验证。

研究结论翻译：本研究表明，7T交替¹H/¹³C MRS协议整合优化的射频线圈和葡萄糖给药方案，可用于定量人额叶脑葡萄糖氧化代谢，具有可行性和实用性。通过直接测量脑葡萄糖输入函数及关键代谢物的¹³C标记掺入，该方法无需采血即可获取代谢通量。这一简化方法可能为研究神经和精神疾病中的代谢失调提供有用的初步框架。