創(chuàng)傷性顱腦損傷動(dòng)物模型及功能磁共振成像技術(shù)在其研究中的應(yīng)用進(jìn)展

趙博，張雪寧

(天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院，天津300211)

·綜述·

創(chuàng)傷性顱腦損傷動(dòng)物模型及功能磁共振成像技術(shù)在其研究中的應(yīng)用進(jìn)展

趙博，張雪寧

(天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院，天津300211)

創(chuàng)傷性顱腦損傷(TBI)發(fā)病率在各種創(chuàng)傷中位居首位。應(yīng)用動(dòng)物模型模仿人類TBI的特點(diǎn)，可以用來了解人類顱腦損傷的病理狀態(tài)并對其進(jìn)行研究。磁共振成像(MRI)對顱腦成像具有很大的優(yōu)勢，特別是功能磁共振成像(fMRI)技術(shù)，能夠反映腦組織的某些功能狀態(tài)，可為了解TBI的病理生理機(jī)制、制定治療方案及評(píng)估預(yù)后提供幫助。

創(chuàng)傷性顱腦損傷；動(dòng)物模型；磁共振成像；功能磁共振成像

創(chuàng)傷性顱腦損傷(TBI)是現(xiàn)代社會(huì)中導(dǎo)致患者死亡或殘疾的主要原因之一。美國及歐洲TBI發(fā)生率為200～300/10萬[1]。人類顱腦損傷一般分為局灶性和彌漫性兩大類，局灶性損傷主要為腦挫裂傷，彌漫性損傷主要由鈍性腦外傷引起，兩種損傷常交互作用，但二者導(dǎo)致的病理表現(xiàn)及形態(tài)學(xué)損害各不相同。為了闡明這些交互作用之間的關(guān)系，研究者設(shè)計(jì)出各種動(dòng)物模型來模仿人類TBI的特點(diǎn)，其目的是利用動(dòng)物模型來復(fù)制腦外傷的某些病理過程或階段，以用于TBI病理或治療方面的研究。磁共振成像(MRI)對顱腦成像具有很大的優(yōu)勢，特別是功能磁共振成像(fMRI)技術(shù)，能夠反映腦組織的某些功能狀態(tài)。本文對TBI動(dòng)物模型及fMRI技術(shù)在其研究中的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

1 TBI動(dòng)物模型

1.1 慣性加速顱腦損傷模型 當(dāng)頭部旋轉(zhuǎn)加速度超過一定界限時(shí)，會(huì)造成顱腦剪切損傷和(或)變形損傷。交通事故中顱腦損傷患者大部分是由旋轉(zhuǎn)力造成的彌漫性顱腦損傷。因此，研究人員建立慣性加速顱腦損傷動(dòng)物模型，對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的顱腦損傷進(jìn)行研究。該模型的實(shí)驗(yàn)對象多選用小豬[2]。目前，對于研究廣泛的深部白質(zhì)及灰白質(zhì)連接處的軸索損傷來講，這是惟一被認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3]。

1.2 固定沖擊顱腦損傷模型 該模型是通過沖擊器產(chǎn)生的機(jī)械能量打擊動(dòng)物的硬腦膜來制造外傷性顱腦損傷。造模時(shí)動(dòng)物的頭部通常保持固定，常使用壓縮空氣作為機(jī)械能的來源。這種模型主要是用于復(fù)制各種合并硬膜外血腫和(或)硬膜下血腫的局部腦挫傷。

1.3 落重法閉合性顱腦損傷模型 將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物麻醉后放置在裝置臺(tái)上，通過自由下落的重物打擊顱腦后產(chǎn)生顱腦損傷[4]。由于重物高度和重量的不同，可以產(chǎn)生從輕到重的各種TBI。對于輕度損傷而言，該模型可以在不出現(xiàn)明顯腦挫傷或局灶性損害的情況下制造類似于腦震蕩的損傷。隨著打擊力度的增加，此模型還可以制造類似于臨床上腦挫傷的顱腦損傷。

1.4 液壓沖擊顱腦損傷模型 液壓沖擊顱腦損傷模型是通過在顱骨上開一個(gè)骨窗，然后通過液壓系統(tǒng)對硬腦膜表面進(jìn)行快速?zèng)_擊來對腦組織造成損傷。經(jīng)過不斷的技術(shù)改進(jìn)，目前此模型已經(jīng)能夠用來制備各種程度的顱腦創(chuàng)傷[5]。該模型應(yīng)用的動(dòng)物是大鼠，能使其產(chǎn)生單側(cè)半球損傷。近年來，側(cè)方液壓沖擊模型也被廣泛使用，該模型是腦損傷實(shí)驗(yàn)的代表性模型。

1.5 壓縮氣擊法顱腦損傷模型 壓縮氣擊法由Shapira等[6]首先采用，用于復(fù)制腦皮質(zhì)損傷模型。其方法是將大鼠麻醉后，在其頭頂部開窗，保持硬腦膜的完整，在緊貼硬腦膜處安裝一垂直壓縮氣擊裝置，通過其產(chǎn)生的高速運(yùn)動(dòng)的空氣沖擊硬腦膜下的腦皮質(zhì)，引起皮質(zhì)損傷。氣擊量由氣流速度和形變大小兩個(gè)參數(shù)決定，實(shí)驗(yàn)時(shí)可依據(jù)氣擊量來衡量腦損傷的程度，制造不同分級(jí)的腦損傷。目前，該方法可以復(fù)制多種類型的腦損傷。

1.6 機(jī)械震蕩法顱腦損傷模型 該法于1970年被首先報(bào)道，其后Tornhein等對該模型加以改進(jìn)使其更加接近于臨床機(jī)械性腦損傷，該模型主要用于復(fù)制加速型顱腦損傷，其方法是將麻醉后的貓頭置于一彈簧軟托上，頭的上方安裝一活塞，活塞下面固定一圓形挫盤，挫盤與顱骨之間墊幾塊紗布。通過一個(gè)與活塞相連的挫桿，突發(fā)沖擊活塞，推動(dòng)顱骨，使貓頭產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，造成加速型顱腦損傷[7]。

2 fMRI在TBI動(dòng)物模型中的應(yīng)用

近幾年來，fMRI發(fā)展迅速，很多新技術(shù)和新的成像序列都開始應(yīng)用于TBI動(dòng)物模型的研究中，其中以彌散張量成像(DTI)、波譜成像(MRS)及磁敏感加權(quán)成像(SWI)技術(shù)研究的最為廣泛。

2.1 DTI DTI是利用腦白質(zhì)中水分子在平行于神經(jīng)纖維束的方向上較垂直方向上彌散度更高這一特點(diǎn)，對腦白質(zhì)纖維束進(jìn)行成像。DTI可以直觀顯示腦組織纖維束損傷，表觀彌散系數(shù)(ADC)值和各項(xiàng)異性分?jǐn)?shù)(FA)值是其兩個(gè)最重要的參數(shù)。ADC值的升高提示存在血管源性水腫，降低則反映存在細(xì)胞毒性水腫；FA值則可以評(píng)價(jià)組織結(jié)構(gòu)的完整性，F(xiàn)A值降低提示神經(jīng)纖維束被破壞。ADC值和FA值可以作為早期診斷TBI和評(píng)估TBI預(yù)后的有效指標(biāo)，而FA值較ADC值更敏感和準(zhǔn)確[8]。

DTI還可重建纖維束走行的立體結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)稱為磁共振彌散張量纖維束成像(DTT)[9]，它可以描繪出腦白質(zhì)纖維束的走行及空間分布，同時(shí)顯示腦內(nèi)病變對白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)的直接或間接影響[10]。目前，應(yīng)用DTI對動(dòng)物模型的研究主要目的有兩方面：一方面是早期發(fā)現(xiàn)顱腦損傷，顱腦損傷后除了受傷部位的損傷外，其余部位繼發(fā)性的腦損傷越來越受到重視，如何能早期檢測出這些損傷是目前臨床面臨的問題。Oron等[11]在動(dòng)物研究中發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)MRI顯示為正常的腦組織區(qū)，F(xiàn)A值也表現(xiàn)為降低，通過測量發(fā)現(xiàn)損傷早期白質(zhì)損傷區(qū)FA值明顯下降，并且其下降程度與膠質(zhì)細(xì)胞增生和脫髓鞘相關(guān)。另一方面，對出現(xiàn)腦損傷的動(dòng)物，可通過研究其DTI變化對其預(yù)后做出早期判斷。多數(shù)研究對于DTI的診斷價(jià)值予以肯定。Budde等[12]發(fā)現(xiàn)，挫裂傷病灶周圍腦組織各向異性下降。DTI技術(shù)是目前惟一的活體評(píng)價(jià)白質(zhì)纖維束各向異性的手段，還可用于監(jiān)測TBI后期神經(jīng)功能重建情況。DTI對腦損傷中白質(zhì)損傷的診斷價(jià)值非常高，如何通過FA值的變化定量分析腦損傷的程度，是今后研究的重點(diǎn)。

2.2 MRS MRS可以在活體條件下觀察腦內(nèi)代謝物的變化情況，常被應(yīng)用于動(dòng)物模型的研究[13]。MRS是目前惟一一種在無創(chuàng)條件下分析腦組織代謝變化的檢查方法。通過比較TBI患者腦內(nèi)代謝物濃度的變化，可以評(píng)價(jià)腦損傷的病情程度及對預(yù)后做出準(zhǔn)確判斷。

腦損傷發(fā)生后，在損傷區(qū)域內(nèi)作為神經(jīng)和軸索標(biāo)志物的N-乙?；扉T冬氨酸(NAA)表達(dá)下降，血腫在MRS上表現(xiàn)為各種代謝物水平的一致下降[14]。Rubovitch等[15]在大鼠液壓腦損傷模型中首先發(fā)現(xiàn)腦外傷可引起腦組織NAA減低。Coudon等[16]研究發(fā)現(xiàn)，TBI后24 h內(nèi)挫傷腦區(qū)就可發(fā)現(xiàn)NAA降低，并可以檢測到乳酸代謝物。在傷后亞急性期，即使在MRI表現(xiàn)正常的白質(zhì)區(qū)域也可見到NAA降低[17]。Fievisohn等[18]對大鼠感覺運(yùn)動(dòng)皮層腦損傷模型進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)傷后NAA/肌酸(Cr)明顯降低，總膽堿(tCho)升高，出現(xiàn)乳酸峰；在彌漫性腦損傷動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)游離Mg2+降低。由于代謝物水平與預(yù)后相關(guān)，Lac峰和mI峰升高與TBI患者預(yù)后明顯相關(guān)，但其具體的定量關(guān)系尚不明了；通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的研究和驗(yàn)證，可以明確其定量關(guān)系，進(jìn)一步確定代謝物水平與預(yù)后的關(guān)系。

如何轉(zhuǎn)化學(xué)困生，是教師必須正面回答的問題。在弄清主要原因之后，家長和教師又該如何改善孩子的學(xué)習(xí)情況呢？

2.3 SWI SWI是利用不同組織的磁敏感性不同而成像的技術(shù)，它采用長回波時(shí)間，并且在3個(gè)方向上均施加流動(dòng)補(bǔ)償梯度，該技術(shù)成像具有分辨率和信噪比高的特點(diǎn)。SWI技術(shù)對于小靜脈、腦組織內(nèi)鐵質(zhì)沉積的改變及血液代謝物均十分敏感，目前主要應(yīng)用在顱腦外傷、腦血管病、腦腫瘤、神經(jīng)變性等中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變的研究中[19]。

SWI對于能引起彌漫性軸索損傷(DAI)的動(dòng)物模型是很好的檢測方法。應(yīng)用SWI可以早期發(fā)現(xiàn)顱內(nèi)的小灶性出血。研究認(rèn)為，DAI引起的灶狀出血通常很難通過常規(guī)影像方法檢測到，僅有約20%的病灶可以在MRI上診斷為出血病灶。但隨著SWI技術(shù)應(yīng)用于腦外傷，人們發(fā)現(xiàn)DAI病灶中多數(shù)為出血性病灶。這很可能與SWI提高了對出血灶的檢測能力有關(guān)[20]。通過應(yīng)用SWI技術(shù)，研究人員在動(dòng)物模型中可以早期發(fā)現(xiàn)顱內(nèi)出血灶，通過對出血灶信號(hào)變化的觀察及研究，可以確定顱腦損傷出血病變的變化時(shí)間趨勢，早期給予可靠的治療對策。Sharp等[21]研究發(fā)現(xiàn)，SWI對出血性軸索損傷病灶數(shù)目和出血量的顯示分別是常規(guī)T2加權(quán)和2D-GRE序列的6倍和2倍。Park等[22]研究外傷性腦損傷大鼠模型的SWI相位信息，結(jié)果顯示SWI可以安全無創(chuàng)地監(jiān)測外傷性腦損傷的腦血流量及氧飽和度，同時(shí)可以顯示深部腦血管的結(jié)構(gòu)。由于SWI技術(shù)較為敏感，顱內(nèi)很多非特異性病灶都會(huì)對其產(chǎn)生干擾，如何鑒別這些病灶是目前研究的熱點(diǎn)之一。

總之，TBI是一個(gè)復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的病理生理過程，根據(jù)TBI的不同病理生理過程制備的動(dòng)物模型也有很多種，各具優(yōu)劣勢。fMRI技術(shù)對于我們更加深入的理解和研究TBI動(dòng)物模型提供了很好的幫助，隨著研究的深入，這些研究成果終將應(yīng)用于臨床，為臨床醫(yī)生更好地了解TBI的病理生理機(jī)制，更準(zhǔn)確地制定治療方案和評(píng)估預(yù)后提供幫助。

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2014-09-26)