肝病学中的功能分子成像

肝脏在内源性和外源性物质的代谢中起着至关重要的作用。它位于胃肠道和体循环之间意味着食物和其他消耗的物质必须通过肝脏才能进入体循环。肝脏通过门静脉（约75%）和肝动脉（约75%。25%). 这些血管的血液在肝窦的入口处混合，肝窦是专门的肝毛细血管由高度开窗的内皮细胞排列，大多数底物都通过这些内皮细胞可以通过一个扩展的血浆体积，即Dissé空间，从血液直接进入肝细胞。因此，肝脏的血管结构最适合与血液交换物质。发件人血窦，血液流入肝静脉，随后返回全身循环。血管结构及其组成部分之间的相互作用是动态的，也是至关重要的对肝脏功能的重要性。

本章概述了单位体积肝组织的全肝和肝脏血液灌注。总流量的测量为通过静脉输注仅由肝脏排出的受试物，测量器官内稳态动脉和肝静脉浓度差异及Fick的计算原则。吲哚青绿（ICG）已被确认为适用于此类测量的测试物质利用猪进行的研究在人类研究中被广泛使用。稳态间隙测量可用于测量肝静脉浓度可忽略不计的物质的总肝流速与动脉浓度相比。山梨醇已被证实是一种适用于健康的测试物质受试者（尿排泄量校正）进行此类测量。目前，没有其他许可这些方法已经证明是合适的。肝脏血液灌注可通过使用示踪剂的动态PET测量其中肝细胞质膜的通透性较高。肝血定量灌注需要测量动脉和无法到达的门静脉的示踪剂供应，但已经开发出使用组织衍生的替代侵入性门静脉样本的方法信息或门静脉模型。这些方法已经在猪研究和有望转移到人类身上。已经表明，可以使用采用葡萄糖类似物的短三分钟动态PET扫描[¹⁸F] 氟-2-脱氧-D-葡萄糖(¹⁸FFDG）通过区室模型分析。肝脏血液灌注也可以使用血管内示踪剂¹⁵通过微血管模型计算示踪剂浓度的O-一氧化碳沿肝窦的梯度。

肝脏血液灌注和血液与肝脏之间物质交换的测量细胞是一个挑战。早在PET开发之前，就使用基于详细毛细管理论的模型。今天，PET是一种独特的方式，允许外部静脉注射放射性示踪剂及其区域分布的定量测量组织中的代谢物，但动态PET数据使用较少生理学基础的方案进行分析。这个标准舱室模型是一个入口平衡模型，它不自然地包含血流，以及不允许物质重新进入毛细血管的单一吸收模型。这些缺陷导致模拟快速血细胞交换时的悖论。我们结合了腔室和毛细血管理论和开发了微血管模型，用于解释血液流动和浓度梯度毛细血管。微血管模型可以被视为输入函数的修正，其中包括更多生理真实性，并在以下情况下提供动态PET数据的卓越描述和解释与标准隔间方案相比。

PET是一种强有力的技术，用于测量放射性标记示踪剂的区域代谢但问题仍然是如何将PET测量的类似示踪剂的清除率转换为清除母体物质，例如[¹⁸F] 氟-2-脱氧-D-葡萄糖(¹⁸F-FDG）和葡萄糖。比率示踪剂（E*）和母体物质（E）的萃取分数之间，通过器官内的动静脉浓度通常用作换算PET测定了示踪剂对母体清除的清除率。然而，这种方法建立在室模型中，假设血管室中的浓度混合良好等于入口（动脉）血浓度。对于灌注毛细血管的体内情况（适用于肝、窦），细胞从血液中去除底物，在毛细血管/窦。我们最近推导并验证了集总常数（∧）等于ln（1–E*）/ln（1–E） ，是毛细管床中去除示踪剂和母体的正确体内比例因子细胞中的物质。这种关系与母体物质的浓度无关，而E/E可能随母体物质的浓度而变化。

肝脏是维持代谢平衡的重要器官全身功能。肝脏代谢是复杂的，最难调查或长期以来，人类只能进行间接测量。这是由于肝脏特殊的解剖位置，由于循环基质通过肝动脉和门静脉，后者无法进行常规测量。最近，已经引入PET成像来表征肝脏葡萄糖和脂肪酸代谢。数学利用PET和[¹⁸F] 氟-2-脱氧-D-葡萄糖(¹⁸F-FDG）或[¹¹C] 棕榈酸酯(¹¹最近验证了C-棕榈酸酯），以及双（动脉和门静脉）输入功能导致了其估计方法的发展。这个应用该方法了解人类代谢紊乱（肥胖、受损葡萄糖耐量、糖尿病）强调了葡萄糖和脂肪酸之间的紧密相互调节代谢，表明肝脏首先参与平衡脂肪酸溢出通过激活和/或耗尽氧化和脂质，从功能失调的脂肪组织中提取积累。这些事件可能损害肝脏胰岛素作用和葡萄糖代谢。一次随之而来的是慢性高血糖，即肝脏在禁食和胰岛素刺激期间的葡萄糖可能会进一步受损。本章介绍了肝脏PET成像的方法学进展和迄今为止的临床发现代谢性疾病的新陈代谢。

胆汁由肝脏产生，在禁食期间储存在胆囊中。吃的时候，胆汁排入小肠。胆汁作为消化分泌物，通过形成混合的含有脂质营养物质的胶束，从而增强其吸收。作为一种排泄物，它可以传递脂肪废物进入肠道，从中吸收不良。胆汁的主要成分是结合胆汁酸，是肝脏中形成的两亲性类固醇，是胆固醇代谢。胆汁酸在肝脏和小肠（即肠肝低血浆浓度。除了提供胆汁和胆汁酸是胆汁流动的主要驱动力，是携带来自肠到肝。胆汁酸合成的平衡和回肠保护不仅对实现胆汁酸的生理功能，同时也避免了其引起的病理效应两亲性。胆道疾病导致肝细胞内胆汁酸滞留（如PBC、PSC）导致细胞死亡。就功能分子成像而言，动态平面胆汁闪烁显像是目前常用Tc-99m-甲溴芬宁评价胆道系统的方法作为放射性示踪剂。肝胆汁酸的合成和处理，以及胆汁的肠吸收障碍已使用标记胆汁酸类似物通过动态平面胆汁淤积术对胆汁酸进行了评估⁷⁵SeHCAT公司。使用放射性标记胆汁酸类似物的正电子发射断层扫描（PET）迄今为止，仅用于胆汁分泌的初步研究。

代谢组学是一项新技术，可快速、准确、精确地分析生物系统中的大量代谢物。使用多元分析和模式识别，它为病理学或药物治疗的生化后果提供了一种直接、无偏见的测量方法。这个整合所有“组学”信息（基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学）可以为更好地理解生物系统提供知识，并可能导致解释病理学发展的新机制假说。在本章中，我们将给出一个概述这项新技术的基本原理，并提供在肝脏中的应用示例疾病。

肝细胞癌（HCC）是最常见的原发性肝癌。典型HCC发生在肝硬化中，总体生存率很低，主要是因为该病经常在晚期诊断，此时可治愈的治疗不再是一种选择。理想情况下，HCC病变直径≤2-3cm时应进行检测。肝癌的诊断随着引入了4相对比增强CT和动态对比增强MRI。然而，对于小病灶可能治愈，但检出率仍然很低。分子成像特定的代谢途径可能为肝癌的早期诊断提供新的机会。

胆管癌（CC）是第二常见的原发性肝癌。主要硬化性胆管炎（PSC）易患CC，年发病率为1.5%。CC的症状有晚期，因此预后较差。超声（US）、计算机断层扫描（CT）、磁性共振成像（MRI）和胆道造影技术结合细胞学检查是最好的成像方法但这些技术对于检测术后肿瘤复发和转移。正电子发射断层成像（PET）使用[¹⁸F] 氟-2-脱氧-D-葡萄糖(¹⁸F-FDG聚酯）对CC合并PSC的原发肿瘤的诊断敏感性为0-1.0，在晚期PSC的小型研究中特异性为0.67-1.0。的敏感性和特异性¹⁸F-FDG PET对疑似胆管癌患者CC的诊断分别为0.61-0.94和0.80-分别为1.0。与¹⁸F-FDG PET/CT，敏感性和特异性分别为0.68-1.0和0.63-1.0，分别在这组患者中。肿块病变和肝内CC更容易诊断与浸润性生长模式和肝外CC的肿瘤相比¹⁸F-FDG公司PET、，¹⁸诊断原发性肿瘤的F-FDG PET/CT和CT均未显示两种模式在敏感性或特异性方面存在显著差异。这也适用于检测区域淋巴结转移。然而，¹⁸F-FDG PET和¹⁸执行F-FDG PET/CT对CC复发和远处转移的诊断优于CT。的有用性¹⁸FFDG公司用于筛查和监测前列腺癌患者的前列腺癌PET/CT尚待建立。

结直肠癌是男女第三常见的恶性肿瘤，发病率呈上升趋势发病率与年龄有关。2010年，大约142570例结直肠癌新病例将导致它是美国癌症死亡的第二大原因。约70-80%CRC患者通过手术治疗达到治愈目的。5年总生存率为67%。大约25%的患者在诊断时会有肝转移25%会在以后发生肝转移。每年约有14000（20%）名患者死于转移到肝脏是疾病传播的唯一部位。选择性肝切除术是唯一的治疗方法对这些患者进行治疗，但死亡率很高（2-7%）。因此，仔细的预切除筛查对于避免无效的肝部分切除至关重要。成像在准确分期CRC，通过肝脏超声、胸部、腹部和骨盆CT、肝脏MRI和全身18FFDGPET/CT，每种成像方式都有适当的作用。单一最佳成像模式肝内外转移瘤的检测¹⁸F-FDG PET/CT。¹⁸也可以使用F-FDG PET/CT以评估早期治疗反应。¹⁸F-FDG PET确实存在局限性，包括假阳性治疗由穷人引起的炎症和假阴性¹⁸CRC中F-FDG摄取量高粘液成分或化疗的暂时效应。尽管有这些限制，18F-FDGPET/CT是评估结直肠癌肝转移的一种有价值的工具。

继发性肝损伤常见于胃肠道。虽然传统的形态学成像方式和生长抑素随着PET/CT、，新的诊断程序目前可以使用不同的β发射追踪器。事实上，通过使用代谢和基于接收器的跟踪程序。3,4-二羟基-6-[¹⁸F] 氟-L-苯丙氨酸(¹⁸F-DOPA）和⁶⁸Ga-DOT肽（DOTA-TOC、DOTA-NOC和DOTA-TATE）非常有希望实现高分化图像NET和据报道优于其他成像方式（CT、SRS）。相反，角色属于¹⁸由于F-FDG的葡萄糖代谢和生长速度较低，因此在分化良好的NET中受到限制，虽然它仍然可以在差异较小的NET或较低的表单中提供有价值的信息生长抑素受体的表达。

大脑新陈代谢在原则上与所有发生的生化过程相似细胞和器官。然而，大脑中不同细胞类型的特化，即神经元或胶质细胞细胞，增加了不同于其他器官的复杂性。在本章中，详细概述了提供了为脑能量和氨代谢提供基础的代谢过程。它还可以包含有关功能失调氨对能量代谢影响的信息稳态，如与肝性脑病（HE）相关的稳态。此外，方法工具这些代谢过程可以通过实验进行研究，例如PET以及组织和细胞审查了准备工作。

肝性脑病表现出非常明显的临床特征，并伴有认知功能障碍，意识和运动症状的改变表明锥体外系和小脑运动系统和锥体束。大脑正电子发射断层扫描研究肝硬化和不同等级肝性脑病患者的葡萄糖利用情况相应地，大脑不同区域的变化-葡萄糖利用率降低，尤其是额叶皮质和前扣带回，海马、基底神经节和小脑增加。大脑葡萄糖利用率的这些变化与心理测试结果和通过磁共振波谱测量大脑代谢物的变化。

氨被认为在肝性脑病的发展中起重要作用肝衰竭患者（HE）。一些关键问题是是否存在异常穿过血脑屏障（PS）的渗透性表面积积_{英国广播公司})氨在患有肝硬化和脑氨代谢率是否改变。在本章中，我们将讨论如何使用正电子发射断层成像（PET）的功能分子成像可用于体内脑氨动力学的研究以及迄今为止的研究所显示的情况。

肝病的各种神经表现对以下疾病的诊断提出了挑战现代肝病学家利用磁共振（MR）技术代表了一条高利润的途径研究脑功能障碍的结构和功能方面。最普通的，但不是唯一的肝病的神经系统表现，肝性脑病（HE），是急性和慢性肝衰竭，包括认知障碍，仅在心理测量评估中可检测到直至脑水肿引起的精神错乱、昏迷和死亡。虽然它被广泛接受重要的是，对于如何最好地诊断和监测HE，目前还没有达成共识。临床描述，心理测试、脑电图（EEG）和最新的成像技术，如磁性共振（MR）成像、MR光谱学和正电子发射断层成像（PET）都有其各自的特点支持者，但最有可能的是，诊断范式仍然是研究机构的专利对高等教育感兴趣。值得注意的是，现代临床核磁共振扫描仪与多核核磁共振波谱能力和大脑绘图软件可以客观地展示细胞的结构和功能使用体积MRI、磁化转移MRI、，弥散加权MRI、含氧测量的功能MRI和体内¹H和³¹P MR公司光谱学，可以选择在一次会话中执行多个序列以最大化信息收集和队列特征描述。这些技术也可用于表征非肝病患者的肝病神经功能障碍，如原发性胆汁性肝硬化非肝硬化慢性丙型肝炎感染和金属沉积障碍的神经精神后遗症，比如威尔逊氏病和血色素沉着症。本章描述了这些MR的相对优点技术并为未来研究和转化为临床提供指导实践。