彌散張量成像在大鼠腦膠質(zhì)瘤模型中的應(yīng)用

伍碧武張義

·綜述·

彌散張量成像在大鼠腦膠質(zhì)瘤模型中的應(yīng)用

伍碧武*張義△

彌散張量成像 大鼠 腦膠質(zhì)瘤模型

腦膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的一種惡性腫瘤，呈彌漫浸潤性生長，與周圍組織分界不清，與重要神經(jīng)纖維束關(guān)系緊密。這種生物學(xué)特性使術(shù)者很難在肉眼或顯微鏡下真正做到腫瘤全切除，腫瘤留有殘余，術(shù)后易復(fù)發(fā)，擴大切除范圍則容易損傷正常白質(zhì)纖維束，造成相應(yīng)的神經(jīng)功能障礙。如何明確腫瘤的邊界及其與白質(zhì)纖維束之間的關(guān)系，是目前亟待解決的問題［1］。20世紀(jì) 90年代中期［2］，磁共振彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）作為一種新的MRI技術(shù)為人所知，它借助水分子彌散的方向信息，可定性定量分析神經(jīng)纖維細(xì)微變化，直觀顯示腦腫瘤與白質(zhì)纖維束之間的關(guān)系。但DTI顯示的病變范圍往往超出常規(guī)MRI，在患者身上無法實現(xiàn)組織病理學(xué)與影響學(xué)的點對點分析。因此，在合適的膠質(zhì)瘤模型上進(jìn)行DTI研究將有助于解決這一問題。本文就DTI在大鼠腦膠質(zhì)瘤模型中的應(yīng)用作一綜述。

1 用于DTI研究的大鼠腦膠質(zhì)瘤模型

19世紀(jì)70年代中期，大鼠膠質(zhì)瘤模型開始應(yīng)用于影像學(xué)技術(shù)（MRI、MRS）的評估，并促進(jìn)了功能影像學(xué)的發(fā)展。隨著DTI的出現(xiàn)，由于其顯示的病灶范圍廣于傳統(tǒng)MRI，動物模型在病理學(xué)與影像學(xué)研究之間起到了很好的橋梁作用。目前應(yīng)用于DTI研究的大鼠膠質(zhì)瘤模型主要有四種［3－4］：①9L膠質(zhì)肉瘤型（9L gliosarcoma），該型是將N-甲基亞硝基脲（N-methylnitrosourea，MNU）根據(jù)5 mg／kg的劑量，連續(xù)注射至Fisher344大鼠約26周誘發(fā)而成，9L細(xì)胞呈紡錘狀，腫瘤外形同肉瘤，呈非浸潤性，邊界清楚；②C6膠質(zhì)瘤型（C6 glioma），該型誘發(fā)方式類似于9L型，連續(xù)注射MNU至Wistar大鼠約32周誘發(fā)而成，C6細(xì)胞核呈多形性，腫瘤生長速度較快，呈浸潤性生長；③F98膠質(zhì)瘤型（F98 glioma），由N-乙基N-亞硝基脲（N-ethyl-N-nitrosourea，ENU）以50 mg／kg注射至妊娠的Fischer344大鼠誘發(fā)而成，F(xiàn)98細(xì)胞呈紡錘形，它是一種未分化的神經(jīng)膠質(zhì)瘤，腫瘤生長的生物學(xué)行為與人多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBMs）相似，呈高侵襲性和低免疫原性；④Mayo-22人腦腫瘤異種移植型（Mayo 22 Human Brain Tumor Xenograft），該型由人腦腫瘤異種移植到裸鼠制成［5］，腫瘤呈緩慢浸潤性生長。

2 DTI主要參數(shù)及條件控制

DTI是在彌散加權(quán)成像的基礎(chǔ)上施加至少6個非共線性方向的擴散敏感梯度而獲取的影像［2］，其主要參數(shù)中以部分各向異性（fractional anisotropy，F(xiàn)A）值的應(yīng)用最為廣泛，它表示水分子各向異性成分占整個彌散張量的比例，其范圍為0－1，0代表最大各向同性彌散，1代表最大各向異性彌散。經(jīng)特定軟件后處理生成的方向編碼彩色圖 （directionally encoded color，DEC圖）［6］可以從二維層面顯示全腦的纖維走行方向，而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的彌散張量纖維束示蹤成像 （diffusion tensor tractography，DTT）［7］則能夠直觀描述主要白質(zhì)纖維束的空間分布。

獲取優(yōu)質(zhì)的影像［信噪比（signal to noise ratio，SNR）＞20］是DTI研究成功的一個重要條件。然而，與人腦相比，大鼠的腦體積小、白質(zhì)纖維數(shù)量少以及自主運動難控制等［8］，均對影像技術(shù)提出了較高的要求。首先，用于大鼠DTI研究的掃描儀磁場強度較高，多為4.7－14.1T［9］，得到圖像分辨率更高，可以發(fā)現(xiàn)細(xì)微改變。其次，用于人腦DTI掃描的序列往往采用平面回波成像（EPI），這種序列極易受磁場不均勻性（主要源于人／動物磁化率的空間變化）的干擾，并且這種空間扭曲程度與磁場強度相關(guān)，場強越大（＞4.7T），圖像扭曲越嚴(yán)重、分辨率越低，因此，用于大鼠DTI研究多采用單次或多次自旋回波序列。另外，水分子的擴散易受運動與溫度等的影響，在對大鼠進(jìn)行DTI掃描時常采用1%～2%異氟醚麻醉，以盡量控制偽影產(chǎn)生。

3 DTI在大鼠腦膠質(zhì)瘤模型中的應(yīng)用

3.1 區(qū)分腫瘤與腫瘤周邊正常組織由于腫瘤病變組織內(nèi)軸突喪失了排列的方向和順序性、瘤細(xì)胞微結(jié)構(gòu)破壞及瘤細(xì)胞的侵襲作用所導(dǎo)致的神經(jīng)纖維髓鞘結(jié)構(gòu)丟失，使得FA值降低，因此在理論上來看，DTI可用于評估膠質(zhì)瘤對腦白質(zhì)的侵襲程度［10］。Deng等［11］認(rèn)為膠質(zhì)瘤瘤周水腫區(qū)因含有腫瘤細(xì)胞浸潤而造成FA值降低，并具有距離上的差異，因此瘤周水腫區(qū)的FA值能準(zhǔn)確反映膠質(zhì)瘤瘤周浸潤的程度，F(xiàn)A值可做為評價腫瘤浸潤的指標(biāo)，區(qū)分腦腫瘤與腫瘤周邊正常組織。Zhang等［5］將9L、F98株細(xì)胞和取自膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的人型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞（Mayo-22）種植到大鼠尾狀核區(qū)讓其生長，再用4.7T磁共振掃描儀分別行T2WI、DWI及DTI觀察顱內(nèi)長腫瘤大鼠腦組織損傷情況。常規(guī)T2WI、DWI可于接種10 d后觀察到種植區(qū)域腫瘤生長，腫瘤組織呈均勻高信號，而DTI則發(fā)現(xiàn)腫瘤病灶中心區(qū)FA值降低，周邊區(qū)FA值升高。另外，在9L和F98腫瘤周邊，DTI觀察到水分子彌散方向平行于腫瘤表面，兩者生長方式相似，而在Mayo-22腫瘤周邊，水分子彌散方向垂直于腫瘤表面 （圖1）。這一結(jié)果與組織病理學(xué)表現(xiàn)一致，作者認(rèn)為DTI能夠從細(xì)胞水平反應(yīng)腫瘤微觀結(jié)構(gòu)，并能在活體上模擬腫瘤的生長。在此基礎(chǔ)上，Kim等［12］利用DTI證實F98型較9L型具有更強的侵襲性。Lope-Piedrafita等［13］用DTI縱向觀察大鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤模型腦組織變化情況，先將C6細(xì)胞種植到大鼠腦內(nèi)，再進(jìn)行DTI檢查，發(fā)現(xiàn)在早期腫瘤周邊FA值升高，而到后期相應(yīng)區(qū)域的FA值降低。結(jié)合組織病理學(xué)，他們推測這是由于早期腫瘤快速生長，并沿著腫瘤表面的法線方向壓迫周邊組織，使細(xì)胞從球形變成扁球形（平行于腫瘤表面），各向異性程度增加，F(xiàn)A值升高；后期隨著腫瘤生長，浸潤并破壞周圍白質(zhì)，各向異性程度減低，F(xiàn)A值降低。這一發(fā)現(xiàn)有利于DTI對腫瘤生長方式的區(qū)別。

圖1 示9L（接種后11 d）、F98（接種后10 d）、Mayo-22（接種后22 d）三種大鼠膠質(zhì)瘤模型的MRI表現(xiàn)：T2WI、DWI圖上腫瘤區(qū)呈高信號；FA圖上腫瘤區(qū)各向異性值不同，中心低，外周高；向量圖上，9L和F98腫瘤周邊呈環(huán)狀，Mayo腫瘤周邊呈放射狀；cc胼胝體，hc海馬連合。圖摘自Zhang JY，Van Zijl PC，Laterra J，et al.Unique pattens of diffusion directionality in rat brain tumors revealed by high-resolution diffusion tensor MRI［J］.Medicine，2008，58（3）：454-462.

3.2 顯示腫瘤與白質(zhì)纖維束的關(guān)系擴散是膠質(zhì)瘤的特征之一，代表了瘤細(xì)胞的活動能力［14］。由于膠質(zhì)瘤對有髓神經(jīng)纖維具有高度的親和性，故其擴散常沿著白質(zhì)纖維束進(jìn)行，呈各向異性擴散［15］。DTI的另一大優(yōu)勢是經(jīng)軟件處理生成的DEC、DTT可用來顯示腫瘤和其毗鄰的白質(zhì)纖維束的關(guān)系［16］，它是目前惟一可以在活體映射白質(zhì)纖維束走行的無創(chuàng)性的影像學(xué)檢查方法［17－18］。有學(xué)者［19］在臨床研究中，依據(jù)彩色張量圖把因腫瘤改變的腦白質(zhì)軌跡模式分為4種不同表現(xiàn)：受壓移位、中斷、破壞、浸潤。Kim等［12］分別把9L和F98細(xì)胞株種植到Fisher大鼠上，制作出兩種不同侵襲特點的膠質(zhì)瘤模型，然后在DEC圖上完整的顯示腫瘤與全腦纖維束的關(guān)系。利用示蹤成像技術(shù) （fiber tracking）在動物模型上重建主要神經(jīng)纖維束，可以實現(xiàn)連續(xù)直觀地觀察腫瘤生長對主要神經(jīng)纖維束的影響，并可經(jīng)活體組織切片進(jìn)行驗證。Asanuma等［20］將C6膠質(zhì)瘤細(xì)胞株種植于右側(cè)大腦皮質(zhì)，然后分別在1、2、3、4周進(jìn)行DTI檢查，經(jīng)后處理軟件生成DTT，主要重建胼胝體、運動區(qū)和扣帶回的纖維束。結(jié)果顯示在腫瘤生長第1周，腫瘤側(cè)各纖維束形態(tài)及連續(xù)性完整，與對側(cè)相近；第2周時出現(xiàn)輕度移位，連續(xù)性完整；3周后則明顯的向腹側(cè)或?qū)?cè)移位，到第4周腫瘤占據(jù)整個半球，腫瘤周圍纖維束消失，對側(cè)纖維束也出現(xiàn)相應(yīng)的移位，但連續(xù)性仍完整（圖2），該結(jié)果與病理組織分析保持一致。

圖2 示利用DTT動態(tài)觀察（腫瘤種植后1～4周）腫瘤生長對白質(zhì)纖維束的影響，棕色代表腫瘤，紅色代左右走行的纖維束，綠色代表上下走行的纖維束，藍(lán)色代表前后走行的纖維束，實心小箭頭代表腫瘤側(cè)胼胝體向?qū)?cè)輕度移位，空心箭頭代表腫瘤側(cè)胼胝體消失，白色箭頭代表對側(cè)胼胝體向?qū)?cè)（左側(cè)）移位。圖摘自Asanuma T，Doblas S，Tesiram YA，et al.Diffusion tensor imaging and fiber tractography of C6 rat glioma［J］.J Magn Reson Imaging，2008，28（3）：566-573.

3.3 鑒別放射性壞死與腫瘤復(fù)發(fā)膠質(zhì)瘤浸潤性生長方式?jīng)Q定了其易復(fù)發(fā)，因此除手術(shù)切除腫瘤外，常輔以放化療。但是放療過程中可能損傷正常腦組織，導(dǎo)致放射性壞死，兩者在常規(guī) MRI上的表現(xiàn)相似，不易鑒別［21］。雖然目前有多種影像學(xué)技術(shù)，如MRS、動態(tài)對比增強MRI等［22］應(yīng)用于腫瘤復(fù)發(fā)與放射性壞死的鑒別，但對其可靠性尚無統(tǒng)一認(rèn)識。研究［23－24］認(rèn)為，DTI參數(shù)中的FA值、表觀彌散系數(shù) （apparent diffusion coefficient，ADC）能夠反映射線導(dǎo)致的白質(zhì)損傷。Wang等［25］用40 Gy射線照射Fischer344大鼠誘發(fā)放射性壞死模型，并分別與9L、Mayo-22大鼠膠質(zhì)瘤模型比較，DTI結(jié)果顯示放射性壞死中心區(qū)的ADC值較周邊區(qū)低，中心區(qū)的ADC值和周邊區(qū)的FA值均較9L和Mayo-22低（圖3），組織病理學(xué)的表現(xiàn)與FA值、ADC值的改變相吻合。作者認(rèn)為DTI參數(shù)，主要是FA值和ADC值能夠有效區(qū)分放射性壞死與腫瘤復(fù)發(fā)，為臨床治療提供方向。

4 不足與展望

圖3 示三種模型（放射性壞死、Mayo-22、9L）MRI的不同表現(xiàn)，放射性壞死在ADC圖上表現(xiàn)為中心區(qū)低信號、周邊區(qū)高信號，F(xiàn)A圖上表現(xiàn)為病灶整體各向異性程度降低；Mayo-22型和9L型表現(xiàn)相似，在ADC圖上病灶整體呈高信號，在FA圖上表現(xiàn)為中心區(qū)各向異性程度降低，周邊區(qū)各向異性程度升高。圖摘自 Wang S，Chen Y，Lal B，et al.Evaluation of radiation necrosis and malignant glioma in rat models using diffusion tensor MR imaging［J］.J Neurooncol，2012，107（1）：51－60.

首先，DTI作為一種年輕的影像學(xué)技術(shù)，其自身存在許多不足之處：①FA值易受組織的生化特性（粘滯度、溫度）、組織結(jié)構(gòu)（大分子、細(xì)胞膜和細(xì)胞器等）的影響［26］，在膠質(zhì)瘤的病理生理狀態(tài)下是否能準(zhǔn)確測量還需進(jìn)一步研究證實；②彌散運動所設(shè)計的成像序列對微觀的彌散運動很敏感，影響DTI定量分析，尤其是在活體成像中，容易產(chǎn)生偽影，導(dǎo)致DTI所重建的纖維軌跡與真實存在的傳導(dǎo)通路存在一定偏差，這些問題在動物模型中同樣存在。另外，雖然大鼠膠質(zhì)瘤模型應(yīng)用于實驗研究已有近50年，但針對DTI研究的模型品種較少，這也在一定程度上限制了這一領(lǐng)域的發(fā)展。盡管如此，DTI在小動物模型中的應(yīng)用仍具有巨大的潛力，它不僅可以完善我們對膠質(zhì)瘤的認(rèn)識，而且可以促進(jìn)DTI技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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R651 （

2012－02－08）

A （責(zé)任編輯：甘章平）

10.3969／j.issn.1002－0152.2012.09.015

* 復(fù)旦大學(xué)附屬上海市第五人民醫(yī)院神經(jīng)外科（上海 200240）△復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科