《Cells》：NaF-PET Imaging for Detection of Early Arterial Microcalcification and Monitoring of Targeted Therapy: A Narrative Review
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缺血性心脏病（ischemic heart disease）目前主要通过心脏计算机断层扫描（CT）血管造影和功能检查诊断，这两种方法都只能检测到晚期动脉宏观钙化（macrocalcification），此时治疗仅能减缓疾病进展而非逆转。然而，宏观钙化是更早的分
缺血性心脏病（ischemic heart disease）目前主要通过心脏计算机断层扫描（CT）血管造影和功能检查诊断，这两种方法都只能检测到晚期动脉宏观钙化（macrocalcification），此时治疗仅能减缓疾病进展而非逆转。然而，宏观钙化是更早的分子过程——微钙化（microcalcification）的终产物。该过程由平滑肌细胞和巨噬细胞凋亡、基质囊泡释放以及动脉内膜内的成骨性表型转变驱动，发生在矿物质沉积在CT上可见之前数年甚至数十年。18F氟化钠（[18F]NaF）正电子发射断层扫描（PET）利用氟离子在可及的羟磷灰石（hydroxyapatite）表面的结合，检测与活性矿物质沉积相关的示踪剂摄取增加，包括发生在临床PET直接空间分辨率以下的微观尺度的矿化。研究证明，抗动脉粥样硬化干预（包括他汀类药物）和组织非特异性碱性磷酸酶抑制能够抑制NaF摄取，即使基于CT的钙化评分保持不变或继续升高，这种分离现象现已在他汀类药物和PCSK9抑制剂的人体试验中观察到。本综述追溯了动脉钙化的细胞学和组织学基础，概述了NaF-PET成像的原理和局限性，并评估了其作为监测靶向抗动脉粥样硬化治疗工具的新兴作用——该作用得到基于人工智能（artificial intelligence, AI）量化的支持。
1. 引言
心血管疾病是全球发病率和死亡率的主要原因，动脉粥样硬化是其潜在病理基础。动脉钙化（arterial calcification）是动脉粥样硬化过程中的一个重要组成部分，但传统心脏计算机断层扫描（CT）检测的冠状动脉钙化（CAC）仅反映晚期宏观钙化。分子前体——微钙化（microcalcification）——通过不同的细胞机制形成，传统结构成像无法检测。这促使了分子成像技术的发展，特别是使用
18F氟化钠（NaF）的正电子发射断层扫描（PET），该技术利用示踪剂对羟磷灰石（hydroxyapatite）的亲和力，在疾病修饰治疗可能改变其轨迹的阶段检测活性矿物沉积。本叙述性综述整合了血管钙化的细胞和分子机制与NaF-PET成像的生物学基础，并评估其在评估血管疾病活动和治疗反应中的作用。
2. 文献检索与综述方法
本文设计为批判性叙述性综述，而非系统综述。在PubMed/MEDLINE、Embase和Scopus中检索了2000年1月至2026年7月1日的文献，搜索概念包括“NaF”、“PET”、“atherosclerosis”、“vascular calcification”、“coronary”、“carotid”、“microcalcification”、“treatment”、“therapy”和“intervention”。优先考虑同行评审的人体研究，特别是前瞻性干预研究、随机对照试验、纵向研究、重测研究、组织学验证研究以及量化或技术重复性研究。机制性临床前研究被纳入，用于阐明矿化的细胞基础或提供概念验证干预数据。病例报告和非常小的探索性研究仅在更高级别证据有限时保留。由于这是叙述性综述，研究识别和选择并非旨在构成详尽的系统综述，也未进行荟萃分析或正式的风险偏倚评估。
3. 动脉钙化的分子与组织学基础
3.1. 内膜微钙化的细胞与分子机制
动脉钙化分为莫克伯格中膜钙化（M?nckeberg medial calcification）和内膜动脉粥样硬化钙化（intimal atherosclerotic calcification）。内膜钙化与动脉粥样硬化进展密切相关，是缺血性心脏病最相关的过程。它由血管平滑肌细胞（SMC）向成骨细胞和软骨细胞样状态的表型转变驱动，同时伴有巨噬细胞浸润和细胞因子释放的活跃炎症级联反应。由于CAC评分主要反映内膜过程，本综述重点讨论内膜钙化作为NaF-PET成像的底物。
3.2. 不同的钙化表型
多种相互非排斥的机制促进内膜微钙化的起始：炎症细胞死亡释放凋亡小体，羟磷灰石（hydroxyapatite）晶体形成；平滑肌细胞（SMC）和巨噬细胞死亡释放基质囊泡，发挥成核功能；SMCs向软骨细胞样细胞表型调节促进骨样基质沉积。这些过程因内源性矿化抑制剂（如骨桥蛋白、胎球蛋白和焦磷酸盐）表达降低而加剧。基质囊泡（matrix vesicles）包括外泌体（10-100 nm）、微粒（100-500 nm）和凋亡小体（500-1000 nm），在成核中起核心作用。磷酸乙醇胺/磷酸胆碱磷酸酶1（PHOSPHO1）水解磷酸乙醇胺和磷酸胆碱，产生无机磷酸盐；组织非特异性碱性磷酸酶（TNAP）和核苷酸焦磷酸酶（NPP1、NPP3）从ATP、ADP和焦磷酸盐释放额外磷酸盐。Pit1和Pit2转运体将磷酸盐输入囊泡，而膜联蛋白A2、A5和A6介导钙转运，最终导致磷酸钙成核、囊泡膜融合和微钙化成熟。实验工作还涉及巨噬细胞来源的基质囊泡，这些囊泡在钙磷浓度类似慢性肾病患者的条件下，通过磷脂酰丝氨酸-膜联蛋白A5-S100A9膜复合物表现出增强的钙化潜力。这些机制相互关联，细胞死亡和表型调节促进细胞外囊泡释放，随后钙和磷局部积累，以及羟磷灰石成核，新形成的羟磷灰石表面随后为NaF提供结合位点。
3.3. 从微钙化到宏观钙化的组织学进展
最早可识别的CAC是微钙化（microcalcification），大小从0.5到15.0 μm，主要源于SMC凋亡，产生细小微钙化，而凋亡的巨噬细胞产生较大的点状沉积。初始矿化发生在仅100-700 nm的基质囊泡内，只能通过电子显微镜分辨。随时间推移，微钙化合并成更大的斑点，从坏死核心向外扩展到胶原基质，最终形成横跨血管壁一个以上象限的钙化片。这些片可能碎裂成结节状钙化，突出到管腔，破坏内皮层，并引发急性管腔血栓。这一进展在多个方面类似于骨骼骨形成过程，骨相关蛋白如骨形态发生蛋白（BMP-1、BMP-4）、骨唾液蛋白、骨钙素、骨粘连蛋白、骨桥蛋白和骨保护素在钙化动脉组织中被鉴定。然而，人冠状动脉血管壁内真正的骨形成仍罕见，从微钙化过渡到宏观片状钙化的精确触发因素尚不完全清楚。
3.4. 生物力学后果：微钙化与斑块不稳定性
微钙化直接影响斑块生物力学和破裂风险。宏观钙化通过作为机械屏障倾向于稳定斑块，而微钙化引入生物力学异质性，增加易损性。这种效应强烈依赖于尺寸：小于5 μm的微钙化预计在生物力学上惰性，但5-65 μm的沉积物可将斑块拉伸应力放大高达五倍，而超过65 μm的微钙化通过界面脱粘理论构成独立失效模式，导致纤维组织在阈值应力下与矿物表面分离，引发破裂。形态和空间聚集进一步调节风险：长形、扁椭球体微钙化在其极点产生显著更高的应力，胶原纤维排列直接引导矿物几何形状。相邻微钙化之间的接近度加剧危险，当间隙直径比（h/D）低于0.1时，峰值组织应力可增加高达六倍。实验室模型证实，紧密间距的微钙化降低纤维帽的极限拉伸强度（UTS）。这些生物力学证据确立微钙化——而非宏观钙化——是与斑块破裂最直接相关的组织学特征，为能够在其积累成稳定宏观钙化片之前检测它的成像技术提供了理论基础。
4. NaF-PET成像原理
4.1. 分子基础与双示踪剂互补性
PET成像能够可视化结构模式（如CT、超声或MRI）无法看到的生物活性过程。两种主要放射性示踪剂用于动脉粥样硬化成像：
18F氟脱氧葡萄糖（FDG）反映巨噬细胞糖代谢，即动脉炎症；NaF结合羟磷灰石（hydroxyapatite），反映微钙化。由于炎症和微钙化是不同且仅部分相互连接的生物过程，这两种示踪剂不可互换，且在同一病变或血管床内常常出现差异。临床前模型直接证明了这种差异：在ApoE-/-小鼠中，FDG摄取出现在主动脉弓，而NaF摄取则定位于肺动脉；FDG摄取与缺氧相关，而非炎症，且FDG并不比NaF更早出现，挑战了炎症严格先于钙化的假设。NaF在血管定量方面具有若干实用成像优势：减少来自邻近高摄取组织的溢出（特别是FDG因心肌高葡萄糖摄取的问题），以及更快的血液清除，降低背景血池活性，提高动脉壁摄取测量的准确性。NaF摄取似乎比FDG摄取在时间上更稳定，使其更适合纵向、定量研究。
4.2. 人体临床证据
心绞痛患者肺动脉NaF摄取显著高于健康对照；类风湿关节炎患者腹部主动脉NaF摄取升高，同时CT钙化评分更高；外周动脉疾病患者非下肢动脉总动脉粥样硬化负荷比无病对照高30%。冠状动脉NaF摄取与斑块易损性相关：ST段抬高型心肌梗死罪犯斑块NaF摄取比稳定型心绞痛患者高23-27%；光学相干断层扫描显示NaF阳性冠状动脉节段具有更高的脂质弧、更多的巨噬细胞、更薄的斑块游离壁和更大的总钙化负荷。颈动脉罪犯病变NaF摄取高于非罪犯斑块，且薄帽纤维粥样瘤聚集在NaF目标-背景比高于1.28的冠状动脉节段内。然而，血管NaF-PET在方法学上存在差异，包括示踪剂活性、摄取时间、扫描仪和重建协议、运动校正、部分容积效应、血池校正、感兴趣区域定义和定量指标，这些因素可能影响重复性，并限制研究间的直接比较。尽管结果令人鼓舞，但血管NaF-PET目前仍主要是一种研究技术，其更广泛的临床应用受到辐射暴露、成本和可用性、缺乏已确立的患者选择或解释阈值，以及尚未证明其能改善临床结局的限制。
5. NaF-PET用于监测靶向抗动脉粥样硬化治疗
5.1. 临床前模型中的药理学干预
在兔模型中，阿托伐他汀治疗组NaF摄取仅增加2%，而对照组增加20%，尽管总钙密度（von Kossa染色）在阿托伐他汀组中增加235%。这表明他汀类药物抑制活性微钙化成分，同时促进更成熟的稳定宏观钙化。维生素K状态研究显示，华法林组主动脉NaF摄取最高，而维生素K补充组最低，且高脂西式饮食组在无CT可见点状钙化的情况下仍有NaF摄取升高，直接证明NaF-PET能在完全缺乏CT结构发现时检测活性微钙化。组织非特异性碱性磷酸酶（TNAP）抑制在ApoE缺陷小鼠中预防了主动脉钙化，并降低血胆固醇和甘油三酯水平，而不影响骨骼骨结构。相比之下，司美格鲁肽在非糖尿病大鼠模型中减少巨噬细胞示踪剂摄取，但未改变NaF摄取，提示其血管益处通过抑制炎症巨噬细胞活性而非直接抑制钙化途径。
5.2. 人体干预研究
一例病例报告显示，瑞舒伐他汀治疗6个月后，CT外观和Agatston评分不变，但右冠状动脉和左主干斑块NaF摄取分别下降37%和40%。在38例患者队列中，瑞舒伐他汀20 mg/天治疗6个月后，最大斑块NaF摄取显著降低19.2%，中位目标-背景比从1.96降至1.53。PCSK9抑制剂依洛尤单抗在47例患者中，18个月后冠状动脉微钙化活动从1.35降至1.08，病变水平NaF目标-背景比从1.73降至1.62，高微钙化活动病变比例从34.1%降至21.3%。然而，一项关于维生素K1和秋水仙碱的随机、双盲、安慰剂对照试验显示，在149例2型糖尿病合并CT冠状动脉钙化患者中，三种月后对冠状动脉或主动脉NaF目标-背景比或Agatston评分无显著影响。事后分析提示维生素K1可能降低新发NaF阳性病变的几率，但需谨慎解释。饮食干预方面，11例健康老年人补充高多酚特级初榨橄榄油6个月后，FDG和NaF摄取均显著降低，而标准特级初榨橄榄油无显著效果，精炼橄榄油则与NaF摄取增加相关。总体而言，人体干预研究在设计、样本量、治疗持续时间和定量方法上存在异质性，随机证据有限。
5.3. 自然史与预后价值
纵向研究表明，动脉NaF摄取的自然史缓慢且可变，与CT钙化更一致的进展形成对比。健康对照两年后，全心NaF摄改变很小，而CT钙化降低6%。心绞痛患者主动脉NaF摄取两年间从1.14增至1.29，健康对照从0.99降至0.95，且基线NaF摄取不能预测后续CT钙化变化。在2型糖尿病患者中，微钙化进展因性别而异，绝经后女性（尤其无心血管事件史者）NaF摄取进展不成比例地高于男性或已确诊心血管疾病的女性。预后方面，基线NaF阳性预测未来事件：在已知冠状动脉疾病患者中，心肌梗死仅发生在基线冠状动脉NaF摄取异常者中；在糖尿病患者中，钙化进展在NaF阳性冠状动脉中更常见；在461例心血管疾病患者中，基线胸主动脉NaF摄取升高与后续缺血性卒中相关，而冠状动脉NaF活性则与心肌梗死相关，提示NaF-PET可能携带血管床特异性的预后信息。
5.4. 人工智能的新兴作用
人工智能（AI）已被研究用于血管NaF-PET/CT的自动分析。基于卷积神经网络（CNN）的方法用于主动脉和颈总动脉分割，显示出比手动分割更快的分析速度，同时提供大致可比的定量摄取测量。最近，基于nnU-Net的冠状动脉分割模型在141例患者中进行了评估，分割性能与观察者内变异性相当，并进一步评估了基于手动和AI分割的PET/CT放射组学特征的可重复性。然而，现有证据主要基于内部验证数据集，需要在独立人群、扫描仪、重建协议和机构中进行进一步评估。AI可能大幅减少处理时间和观察者相关变异性，但无法克服PET成像的基本局限性，包括有限的空间分辨率和部分容积效应。
6. 结论
动脉钙化始于分子过程——由基质囊泡生物学、平滑肌细胞（SMC）和巨噬细胞凋亡以及成骨性表型转变控制——远在传统成像上可见的宏观钙化之前。NaF-PET成像弥合了这一差距，在生物学仍动态且可能可逆的阶段提供了微钙化活动的窗口。积累的临床前和临床证据表明，抗动脉粥样硬化干预可独立于CT钙化评分的变化或即使在CT钙化评分上升的情况下，降低NaF摄取。然而，阴性或混合结果——从维生素K试验到司美格鲁肽——表明并非每种治疗机制都会涉及NaF可检测的钙化途径，这强调了示踪剂的特异性而非成像技术本身的局限性。随着定量方法的成熟，特别是通过人工智能（AI）辅助分割，NaF-PET作为一种活性血管钙化的分子成像生物标志物具有前景，尤其适用于治疗反应评估和作为临床试验的成像终点。然而，其相对于已建立的解剖和风险基础评估的增量临床价值尚待确定。目前，NaF-PET最可能的作用不是常规人群筛查，而是评估选定高风险患者的生物活性血管钙化，以及特别是在评估抗动脉粥样硬化治疗的临床试验中作为成像生物标志物。其潜在价值可能在活性矿物质沉积阶段（在广泛成熟宏观钙化占主导之前）最大。然而，成本、可用性有限、辐射暴露以及缺乏已确立的临床阈值目前限制了其更广泛的常规应用。
