^99m 锝-亚甲基二磷酸盐骨定量测定在骨质疏松症中的研究进展

Abstract

As the incidence of osteoporosis (OP) is increasing year by year, high morbidity and mortality caused by osteoporotic fractures have become major problems of health in China and over the world. Quantitative measurement of bone using ^99mTc-methylene diphosphonate (^99mTc-MDP) provides global or local information of skeletal metabolism or transformation. In this paper, we make a brief review on the quantitative measurement of bone using ^99mTc-MDP and expect to provide guidance for clinical diagnosis and treatment.

引言

骨质疏松症（osteoporosis，OP）是以骨量减少、骨的微观结构退化为特征，导致骨脆性增强和骨折危险度增高的一种全身性骨骼疾病。目前全球约有 2 亿人患有骨质疏松症^[1]。根据 2010 年的调查，我国骨质疏松性骨折患者达 233 万例次，其中髋部骨折 36 万例次，椎体骨折 111 万例次，其他骨质疏松性骨折 86 万例次，为此医疗支出 94.5 亿美元^[2]。骨质疏松症引起的骨折在目前常见疾病中位于第 7 位，引发的高致残率及高致死率严重威胁着中老年人的健康^[3]，明显加重了患者及社会的医疗、经济负担。

骨骼通过骨重塑不断自我更新。骨重塑过程中主要涉及两种活性细胞——成骨细胞及破骨细胞。成骨细胞在由破骨细胞介导陈旧骨组织吸收的地方形成新的骨组织。当骨吸收大于骨形成时，骨骼开始出现骨量丢失，持续下去将进展为骨质疏松并可引起严重并发症。目前临床上通过骨重塑或骨转换定量测定反映骨骼代谢或转换情况，从而预测骨质疏松患者骨折发生风险或评价骨质疏松的治疗效果。临床常用的骨转化定量测定方法主要有双四环素标记测量法、双能 X 射线吸收测定法（dual-energy X-ray absorptiometry，DXA）及骨转化标记物测定法（bone turnover markers，BTMs），其中双四环素标记测量法为有创检查，而另外两种方法并不能提供特定区域骨骼的信息及预测其骨折风险。放射性核素 ^99m 锝-亚甲基二磷酸盐（^99mTc-methylene diphosphonate，^99mTc-MDP）骨定量测定是一种近年新兴的骨转换定量测定方法，该方法有望克服前述方法的缺点。本文就非放射性核素骨定量测定法作简要回顾，并对 ^99mTc-MDP 骨定量测定最新进展进行简述，期望能为临床诊疗选择提供参考。

1. 非放射性核素骨定量测定法

双四环素标记髂嵴骨活检是测量骨转换活性的金标准^[4]，但是骨活检是一个侵入性检查，相对花费较高，测量部位仅限于髂嵴。当评估骨质疏松症疗效时，需要进行连续骨活检，使其应用受限。DXA 测量骨矿物质密度（bone mineral density，BMD）在骨质疏松症患者的诊断和监测中有着重要意义^[5]。目前除了利用 DXA 测量 BMD 来诊断骨质疏松症以外，在骨质疏松症患者开始治疗后，BMD 测定还可以监测骨重塑的效果，帮助判断治疗后患者的脊柱和髋部的骨密度是否增加。但是临床上对骨质疏松疗效进行评估时，对于测量 BMD 的临床价值仍存在争议^[6]，因为某些患者可能需要好几年才能观察到腰椎 BMD 明显的变化，而且骨关节炎等因素也会影响 BMD 的测定。

血清和尿液 BTMs 的测量也是临床上用以评价骨转化活性的常用手段^[7]，如：测量骨吸收指标Ⅰ型胶原交联氨基端肽区（typeⅠ collagen cross-linked N-terminal telopeptide，NTX）或羧基端肽区（C-terminal telopeptide，CTX）、骨形成指标骨特异性碱性磷酸酶（bone-specific alkaline phosphatase，BALP）或 Ⅰ 型前胶原 N 端前肽（N-terminal propeptide of typeⅠ collagen，PINP）等。骨质疏松症患者治疗后 BTMs 可见快速而明显的变化，但是某些 BTMs 存在明显的日节律，导致不同时段测定的结果有较大的变异^[8]，给疗效的判读带来困扰。而且 BTMs 提供的是全身骨骼的骨转化活性，并不能提供临床感兴趣部位骨骼的信息，比如脊柱、骨盆或者四肢等特定区域的骨骼信息。

2. 放射性核素骨定量方法

放射性核素显像剂中以 ^99mTc-MDP 为代表的亲骨示踪剂的使用，为骨代谢的研究提供了一种新的技术方法。^99mTc-MDP 在骨骼中的摄取确切机制尚未完全阐明，目前推测该化合物通过化学吸附方式与骨骼中的羟基磷灰石晶体表面结合或通过有机基质结合方式与未成熟的骨胶原结合，而成骨细胞活性与局部血流量是影响 ^99mTc-MDP 摄取的主要因素。注射 ^99mTc-MDP 后，通过测量沉积在骨组织的羟基磷灰石晶体表面放射性标记物的活度可推测骨血流量及成骨细胞活性^[9]。近年来很多学者使用 ^99mTc 标记的示踪剂进行实验模型和动物体内定量研究，结果显示定量分析的错误率均小于等于 10%^[10]，这表明在临床上使用放射性亲骨示踪剂进行骨定量测定是可行的。自 1978 年 Fogelman 等^[11]提出 24 h 全身骨骼滞留（24 hour-whole bone retention，24 h-WBR）测定至单光子发射计算机断层/计算机断层显像（single-photon emission computed tomography/computed tomography，SPECT/CT）出现之前，放射性核素骨定量通常使用骨摄取率、骨血浆清除率（skeleton plasma clearance，Kbone）作为定量指标。随着分子成像的进步，研究人员又开发了多种影像定量生物标志（quantitative imaging biomarkers，QIB）便于进行快速准确的测量^[12]。标准化摄取值（standardized uptake value，SUV）是最常用的 QIB 之一，最早用于正电子发射断层/计算机断层显像（positron emission tomography/ computed tomography，PET/CT）显像中，现已可使用于 SPECT/CT^[13-16]。

2.1. 骨摄取率测定

最早的放射性核素骨摄取测量是以分室模型为基础的利用 ^99mTc-MDP 测定 24 h-WBR 的方法^[11]。如图 1 所示，其理论基础为血浆游离 ^99mTc-MDP 主要经由骨摄取与肾脏排泄两条途径清除，血浆游离 ^99mTc-MDP 总清除率（the total clearance，Ktotal）是 Kbone 与肾脏清除率（renal clearance，Krenal）之和：

图 1.

Compartmental model describing bone uptake of ^99mTc-MDP

^99mTc-MDP 骨摄取分室模型

1

该方法具体操作为：常规注射 2 MBq ^99mTc-MDP，5 min 后使用全身计数仪测定全身放射性计数作为总计数，24 h 再测定全身计数作为骨骼计数。24 h 与 5 min 计数的比值为 24 h-WBR。这种方法的缺点为无法区分来自骨骼或软组织的计数以及检查时间过长。

多位学者对该方案做出了改进，其中 D’Addabbo 等^[17]使用双探头 γ 相机取代全身计数仪采集放射性计数：在注射 ^99mTc-MDP 740 MBq 后分别在 30 s 和 4 h 时行全身骨扫描；选取 4 h 全身骨显像图像，并围绕骨骼绘制感兴趣区（region of interest，ROI），同时尽可能避免膀胱、肾脏及软组织；将前后位骨骼 ROI 计数的几何平均值作为整体骨骼的计数，与 30 s 全身扫描计数相比，获得全身骨骼滞留（whole bone retention，WBR）。该方法简便易行，但因无法排除 ROI 内软组织影像致使结果偏高。后来 Brenner 等^[18]进一步改进了设计方案：以注射放射性药物 3 min 时全身扫描计数、内收肌 ROI 计数分别作为放射性总计数及软组织基线计数；在 6 h 时分别测量全身骨骼 ROI 及内收肌 ROI 计数后，计算出 WBR。此法最大的变化是使用双侧大腿内收肌 ROI 计数来推算软组织中的放射性计数，以获得相对更准确的 WBR，称为 Brenner 法。

2.2. 骨血浆清除率测定

WBR 测定受到肾脏及骨骼功能的影响，在年老或肾功能降低以及某些罹患影响骨代谢疾病的患者中，WBR 并不能准确反映出骨骼摄取情况。Blake 等^[19]证明在评价影响骨代谢的疾病病情或治疗效果时，使用全身 Kbone 测定更能真实地反映骨骼代谢或骨转换活性，并提供更多的信息。

2.2.1 骨血浆清除率曲线下面积法　2001 年 Park-Holohan 等^[20]通过测量 ^99mTc-MDP 血浆清除曲线评估骨骼功能：在注射 ^99mTc-MDP 后 5 min 至 4 h 间多次进行血液取样来测量各时间点结合 ^99mTc-MDP 的浓度并推算游离 ^99mTc-MDP 的浓度，通过 2～4 h 的游离 ^99mTc-MDP 的浓度值进行指数拟合得到游离 ^99mTc-MDP 血浆清除曲线，计算游离 ^99mTc-MDP 的血浆清除率曲线下面积（area under the plasma clearance curve，AUC）；用 ^99mTc-MDP 的注射剂量（the dose of injected tracer）（以 Q 表示）除以 AUC 就得到 Ktotal：

2

由于游离 ^99mTc-MDP 的 Krenal 与 ⁵¹铬-乙二胺四乙酸（chromium-51 ethylene diamine tetraacetic acid，⁵¹Cr-EDTA）相同，而肾脏是 ⁵¹Cr-EDTA 从血浆清除的唯一渠道，所以可以通过静脉注射 ⁵¹Cr-EDTA 后定期进行血液取样的方法计算出肾小球滤过率（glomerular filtration rate，GFR）。如式（1）所示，用 Ktotal 减去 GFR 就可得到 Kbone，通常此法称为 AUC 法。

2.2.2 改良 Brenner 法　使用 AUC 法测量 Kbone 的精确性也存在许多不确定性^[19]。如前所述，AUC 法是基于游离 ^99mTc-MDP 2～4 h 的浓度值进行指数拟合，一旦血浆中 ^99mTc-MDP 达到平衡的时间延长，AUC 值就会被低估，这就会高估 Ktotal 和 Kbone，而且任何测量这些参数的系统误差都会影响 Kbone 测量的精确性。

如图 1 所示，Q 是软组织滞留量（soft-tissue retention，ST）（以 ST 表示）及骨骼滞留量（bone retention，BR）（以 B 表示）与尿液排泄量（urinary excretion，UE）（以 U 表示）之和：

3

如式（1）、（3）所示，可推出：

4

5

Moore 等^[21]将血样定时采集与 γ 相机显像结合简化了测量步骤：在注射 ^99mTc-MDP 后，立即使用双探头 γ 相机对全身及双侧大腿进行动态采集，并分别在 1、2、3、4 h 采集静态图像。动态图像和静态图像均使用相同的 ROI，利用经校正后的 1 h 内收肌计数占全身计数的比例与游离 ^99mTc-MDP AUC 作图，根据式（4）所示，所得拟合线在横轴的斜率为 Ktotal。根据式（5）所示，运用经膀胱和双肾计数校正的全身计数与 AUC 作图所得横轴斜率则为 Krenal。再由式（1）就可推导出 Kbone。由于此法也是利用内收肌计数来计算软组织计数，所以被称为改良 Brenner 法。

2.2.3 Patlak 图表法　Patlak 图表法（Patlak plot method）是由 Patlak 创建的基于分室模型的图形分析技术，其使用线性回归来辨别和分析涉及不可逆摄取的示踪物的药代动力学^[22]，常用于在注射放射性示踪剂后评估其影像数据。

在全身骨显像图像中，在注射 ^99mTc-MDP 后的时间点 t，^99mTc-MDP 在任何给定 ROI 的滞留量（retention in ROI）以 R（t）表示，是 B（t）和 ST（t）的总和：

6

其中 B（t）是时间 t 时 Kbone 与游离 ^99mTc-MDP 的 AUC（t）的乘积：

7

^99mTc-MDP 在体内分布达到平衡时，ST（t）是示踪剂在 ROI 中的分布体积 V 和示踪剂（即游离的和结合的总 ^99mTc-MDP）在血浆中的浓度（the concentration of tracer in plasma）（以 P 表示）的乘积：

8

将式（7）、式（8）带入式（6）中：

9

根据式（9）可导出：

10

根据 Patlak 图表法，以 ROI 中示踪剂总滞留 R 与血浆中的示踪剂浓度 P 的比值作为纵轴，以 AUC 与 P 的比值为横轴；如式（10）所示，使用 2、3、4 h 时间段的值所拟合直线的斜率即为 Kbone。

有学者对 12 例参加特立帕肽临床试验治疗绝经后骨质疏松症的患者，分别用上述三种方法测量 Kbone^[21]，结果提示这三种方法测量的 Kbone 有良好的一致性和准确性。其中 Patlak 图表法的优势在于不仅可以应用于全身骨骼，还可以应用于任何选定的区域。研究表明，骨质疏松症患者治疗期间及撤药后骨显像使用 Patlak 法测定 Kbone，可以反映不同时期及不同部位骨骼（颅骨、脊柱、骨盆等）的治疗反应^[23]。不过由于 Kbone 的测定均需要多次采取血样本，这大大限制了其临床推广。

2.3. 标准化摄取值

广泛应用于临床的全身骨显像为二维平面图像，由于缺少重建技术，不能进行简便的骨定量测定。近年来，SPECT 采用能窗技术进行完整的 360°步进采集，最终形成三维图像，并可提供散射校正；随着高分辨 SPECT/CT 融合显像的广泛应用，其中的 CT 技术则能为定量分析提供精确的衰减及部分容积校正^{[13, 24-25]}。这些技术使得更简单的定量测定（如 SUV）得以实现。通过散射、衰减及部分容积校正后，SUV 的计算方法类似于 PET/CT 显像中的方法：

11

放射性核素骨定量测定已用于骨质疏松患者的疗效评估以及代谢性骨病的病理生理学研究^[26]。SUV 的运用则大大简化了放射性核素显像骨定量测定流程，目前已有多个学者进行了 ^99mTc-MDP SUV 测定的尝试，以期能为疾病的临床诊治提供直观的信息。近年的研究中利用 SPECT/CT 测定 ^99mTc-MDP SUV 能够有效地评价骨肿瘤转移灶的治疗效果^[13]。而另一项对颞下颌关节障碍（temporomandibular joint disorder，TMD）的 ^99mTc-MDP 显像研究也发现 SUV 测定对不同亚型 TMD 的评估与临床评估有较高的一致性^[14]。但是目前 SPECT/CT SUV 测定的准确性及差异性仍存在争议。骨扫描中示踪剂体内竞争性摄取、骨显像不同的探测方式以及部分容积效应对 SUV 的影响仍没有统一定论^[27-28]，当测量对象大小低于 SPECT/CT 系统空间分辨率时，随着测量对象尺寸减小，其 SUV 严重失真；而且 SUV 在个体间的差异较大^[16]。这些仍需要大量的研究来建立一个适当的标准算法来提高准确性、减少差异性。

3. 展望

放射性核素骨定量测定可以克服双四环素标记测量、BMD、BTMs 测量的部分缺陷。目前已有运用放射性核素骨定量测定评价骨代谢疾病及其疗效的初步研究，放射性核素骨定量测定提供了一种新的骨代谢研究方法，可作为骨质疏松症诊断及疗效评价的新工具；其中 ^99mTc-MDP 骨显像 SUV 测定较 Kbone 测定更为简便、经济，人工成本更低，在未来的骨定量研究中，或许更具有优势，但目前仍需要进行大样本、前瞻性研究以提高 SUV 准确性，判断其是否可用于早期发现骨转化及骨代谢异常，预测骨质疏松症患者骨折发生风险。