應(yīng)用7.0T小動(dòng)物MRI研究阿爾茨海默病進(jìn)展

張志男，鄭 陽(yáng)，王曉明

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)為進(jìn)行性不可逆的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，是癡呆最常見病因。AD病理學(xué)變化主要有β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein, Aβ)沉積形成的老年斑(senile plaques, SP)及高度磷酸化tau蛋白聚集形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles, NFT)等[1]。目前診斷AD缺乏有效標(biāo)記物，對(duì)早期AD診斷能力有限，如能找出相應(yīng)標(biāo)記物，將有助于識(shí)別早期AD并及時(shí)干預(yù)。MRI是尋找早期AD診斷標(biāo)記物的常用檢查方法，7.0T超高場(chǎng)強(qiáng)MR具有3.0T、1.5T等較低場(chǎng)強(qiáng)MR及PET無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，無需引用外源性對(duì)比劑，具有更高信噪比、更大的空間及組織分辨率，并可縮短掃描時(shí)間、提供更好的波譜分辨率，是研究早期AD的較為理想的手段[2]。

研究早期AD的常用動(dòng)物模型主要包括通過注射Aβ1-40造模以及APP/PS1、rTg4510、3xTg、APP等多種類型的轉(zhuǎn)基因鼠，其中APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠最為常用。使用7.0T MRI對(duì)AD動(dòng)物模型進(jìn)行研究是尋找早期AD診斷標(biāo)記物的重要方法，常用成像序列包括T2參數(shù)圖(T2 mapping, T2MAP)、磁敏感加權(quán)成像(susceptibility-weighted imaging, SWI)和定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping, QSM)、擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)和擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging, DKI)以及1H-MRS、動(dòng)脈自旋標(biāo)記技術(shù)(arterial spin labeling, ASL)、化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像(chemical exchange saturation transfer, CEST)和酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像(amide proton transfer, APT)等。本文對(duì)應(yīng)用7.0T小動(dòng)物MRI新技術(shù)在AD研究中的進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 T2MAP評(píng)價(jià)腦灰白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的完整性

T2MAP技術(shù)可測(cè)量組織T2值。T2是重要的MRI參數(shù)，T2值改變可反映腦灰白質(zhì)微結(jié)構(gòu)完整性；AD發(fā)生發(fā)展過程中存在多腦區(qū)T2值改變[3]，T2值可用于鑒別診斷AD。Teipel等[4]以7.0T MRI觀察APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠，發(fā)現(xiàn)T2值改變與AD病理生理特征及行為改變相關(guān)，腦組織中Aβ斑塊、鐵質(zhì)沉積等因素的變化會(huì)導(dǎo)致T2值變化。Esteras等[5]發(fā)現(xiàn)APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠大腦皮層及海馬T2值升高，并出現(xiàn)神經(jīng)炎性反應(yīng)，而腦水含量增加會(huì)導(dǎo)致炎性反應(yīng)，以此推測(cè)大腦皮層及海馬T2值升高可能與該區(qū)域水含量增加有關(guān)。Li等[6]認(rèn)為APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠海馬T2值隨年齡增長(zhǎng)而降低，且病理學(xué)染色證實(shí)海馬Aβ斑塊沉積隨年齡增長(zhǎng)而增多，提示T2值降低與Aβ斑塊沉積增多有關(guān)；該組12月齡轉(zhuǎn)基因鼠海馬T2值明顯升高，而20月齡轉(zhuǎn)基因鼠海馬T2值明顯降低，即海馬T2值變化呈先升高后降低的趨勢(shì)。

以上研究結(jié)果提示，T2值可敏感地反映早期AD的病理生理變化，但不同研究結(jié)果有所差異，仍需對(duì)多種類型動(dòng)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 SWI、QSM評(píng)估腦內(nèi)鐵質(zhì)沉積及相關(guān)病理學(xué)變化

SWI在T2*序列基礎(chǔ)上發(fā)展而來，具有三維成像、高分辨率、高信噪比等特點(diǎn)；其主要參數(shù)為平均相位值(mean phase value, MPV)，根據(jù)不同組織磁敏感系數(shù)的差異提供影像對(duì)比，一次掃描可同時(shí)獲得幅度圖和相位圖，經(jīng)過對(duì)圖像進(jìn)行后處理，即可獲得SWI圖像[7]。Wang等[8]研究表明AD患者腦中存在鐵異常沉積。劉浩蒂等[9]采用SWI技術(shù)對(duì)APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠進(jìn)行3.0T MR研究，發(fā)現(xiàn)MPV改變與鐵沉積呈明顯負(fù)相關(guān)。目前采用7.0T SWI觀察AD動(dòng)物模型的報(bào)道鮮見，但其具有高分辨率及高磁敏感性的優(yōu)勢(shì)，有望成為檢測(cè)礦物質(zhì)沉積的更為敏感的方法。

QSM技術(shù)能清晰顯示腦內(nèi)富含鐵質(zhì)的結(jié)構(gòu)，可對(duì)組織磁化率進(jìn)行定量分析，與SWI的區(qū)別主要在于圖像后處理方法不同，QSM圖像后處理主要包括相位圖的初始處理、背景場(chǎng)的除去和磁化率的反演[10]。7.0T QSM在AD動(dòng)物模型中的應(yīng)用鮮見報(bào)道。O'Callaghan等[11]應(yīng)用9.4T QSM技術(shù)針對(duì)rTg4510轉(zhuǎn)基因鼠進(jìn)行研究，在其多腦區(qū)檢測(cè)到QSM值差異，且病理證實(shí)相應(yīng)腦區(qū)中有低至中等濃度NFT沉積，表明QSM能探測(cè)AD早期tau蛋白病理學(xué)變化；腦區(qū)內(nèi)QSM值與髓鞘含量顯著相關(guān)，表明QSM值對(duì)大腦髓鞘濃度敏感，提示QSM技術(shù)可用于檢測(cè)AD患者腦中髓鞘的變化。

結(jié)合高場(chǎng)強(qiáng)帶來的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用7.0T SWI/QSM技術(shù)可進(jìn)一步研究或驗(yàn)證AD動(dòng)物模型腦內(nèi)鐵質(zhì)沉積及相關(guān)病理學(xué)變化的規(guī)律。另外，除鐵離子外，多種金屬離子及其轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在AD病理變化中也存在相應(yīng)改變，7.0T SWI/QSM技術(shù)也可用于研究鋅離子或二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白變化的規(guī)律。

3 DTI、DKI評(píng)價(jià)白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)的完整性

DTI技術(shù)是能在活體有效顯示大腦白質(zhì)纖維及其走行的方法之一。根據(jù)水分子在介質(zhì)中的擴(kuò)散具有各向異性的特征，DTI可將組織內(nèi)水分子擴(kuò)散差異以圖像的形式表達(dá)出來，主要用于評(píng)價(jià)白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)的完整性[12]。DTI的主要參數(shù)為FA。朱皓等[13]的7.0T DTI研究發(fā)現(xiàn)較低月齡APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠頂葉皮層和海馬區(qū)FA值即已明顯降低，原因可能是在AD發(fā)病早期，軸索膜或髓鞘破壞和脫失造成神經(jīng)纖維密度降低，使水分子擴(kuò)散更趨向于各向同性；Snow等[14]以3xTg轉(zhuǎn)基因鼠為研究對(duì)象，得出同樣結(jié)論；而Shu等[15]的研究結(jié)果卻是海馬FA值升高；Shen等[16]則發(fā)現(xiàn)APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠部分腦區(qū)的FA值與對(duì)照組相比雖稍有差異，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。多項(xiàng)研究結(jié)果不一，原因可能與AD模型鼠的品系不同有關(guān)，或與不同時(shí)期占主導(dǎo)地位的病理變化不同有關(guān)。

DKI技術(shù)基于水分子的非高斯分布模型進(jìn)行成像，能更精確地描述組織微觀結(jié)構(gòu)變化的特點(diǎn)[17]，其主要參數(shù)為平均峰度(mean kurtosis, MK)。Praet等[18]對(duì)APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠進(jìn)行隨訪，發(fā)現(xiàn)受Aβ誘導(dǎo)，其運(yùn)動(dòng)皮層MK值明顯升高；另外，DKI參數(shù)與Aβ抗體、髓鞘堿性蛋白等病理學(xué)指標(biāo)具有高度相關(guān)性，表明DKI技術(shù)對(duì)早期檢測(cè)和縱向隨訪Aβ誘導(dǎo)的病理學(xué)改變具有巨大潛力。

7.0T DTI/DKI技術(shù)評(píng)價(jià)白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)的完整性、觀察水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)及髓鞘的變化具有很大優(yōu)勢(shì)，但相關(guān)研究尚不夠深入，尚需聯(lián)合應(yīng)用其他成像方法探究和驗(yàn)證7.0T DTI/DKI技術(shù)相關(guān)成像參數(shù)變化規(guī)律及原因。

4 1H-MRS評(píng)估體內(nèi)生化代謝變化

1H-MRS通過化學(xué)位移來分析化合物含量，是檢測(cè)體內(nèi)生化代謝改變的常用技術(shù)之一；通過檢測(cè)N-乙酰天門冬氨酸(N-acetyl aspartate， NAA)、肌酸(creatine， Cr)、膽堿(choline， Cho)、肌醇(myo-inositol， MI)以及谷氨酸(glutamate， Glu)等代謝物質(zhì)，可間接反映腦細(xì)胞病理生理特性。由于Cr在各種狀態(tài)下較為恒定，常作為參照物，檢測(cè)結(jié)果通常以某物質(zhì)與Cr的比值表示，如NAA/Cr、MI/Cr、Cho/Cr及Glu/Cr等[19]。

Shen等[16]發(fā)現(xiàn)APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠海馬及大腦皮質(zhì)均表現(xiàn)出NAA/Cr、Glu/Cr降低，MI/Cr升高，但與對(duì)照組相比，僅海馬區(qū)域各指標(biāo)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示海馬代謝物質(zhì)變化較皮質(zhì)明顯，其原因可能是在皮質(zhì)受累前，海馬神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)即已出現(xiàn)代謝障礙。Zhang等[20]注射Aβ1-40造模后進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組小鼠海馬NAA/Cr降低，但Cho/Cr無明顯改變，同時(shí)在光鏡下觀察到海馬區(qū)有多種超微結(jié)構(gòu)變化，推測(cè)代謝物質(zhì)變化可能與超微結(jié)構(gòu)變化相關(guān)。Chaney等[21]對(duì)6、12、18月齡的APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠進(jìn)行7.0T MRS研究，發(fā)現(xiàn)NAA含量受年齡與基因型交互作用的影響，使得18月齡轉(zhuǎn)基因鼠的NAA含量低于6月齡轉(zhuǎn)基因鼠。

以上研究結(jié)果提示1H-MRS可能為早期AD的診斷手段之一。雖然1H-MRS技術(shù)較為成熟，但也存在可重復(fù)性差、易產(chǎn)生偽影、易受周邊化合物影響等缺點(diǎn)；應(yīng)用Lcmodel等后處理軟件可在一定程度上加以彌補(bǔ)[22]。1H-MRS技術(shù)結(jié)合應(yīng)用Lcmodel等后處理軟件有望發(fā)揮重要作用。

5 ASL評(píng)估腦血流量

ASL技術(shù)是一種新興的灌注成像方法，無需引用外源性對(duì)比劑，對(duì)成像層面上游供血?jiǎng)用}中水中的氫質(zhì)子施加1個(gè)反轉(zhuǎn)脈沖進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)其流到成像層面時(shí)，會(huì)與組織中水中的氫質(zhì)子發(fā)生交換，反映該成像層面組織的腦血流量(cerebral blood flow, CBF)[23]。

目前7.0T ASL技術(shù)在AD模型鼠中的應(yīng)用較少。Shen等[16]針對(duì)APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠，以雙側(cè)海馬、大腦皮質(zhì)、丘腦為感興趣區(qū)，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，轉(zhuǎn)基因鼠左側(cè)海馬、左側(cè)丘腦、右側(cè)皮質(zhì)CBF顯著降低，而病理學(xué)檢測(cè)結(jié)果也證實(shí)了這些腦區(qū)血管數(shù)量有所減少，表明在AD早期階段海馬和皮質(zhì)可能已經(jīng)受到影響。Hébert等[24]針對(duì)APP轉(zhuǎn)基因鼠的研究顯示，與對(duì)照組相比，低月齡轉(zhuǎn)基因小鼠的皮質(zhì)厚度增加且CBF顯著降低，原因可能包括局部淀粉樣前體蛋白聚集、皮質(zhì)神經(jīng)元過度生長(zhǎng)以及星形膠質(zhì)細(xì)胞增生等。

腦灌注變化在AD腦形態(tài)學(xué)改變前即可出現(xiàn)，或由于某些病理變化導(dǎo)致血管數(shù)量減少，或因功能代償導(dǎo)致腦灌注增加，但具體變化規(guī)律及機(jī)制尚不完全清楚。對(duì)于AD不同時(shí)期、不同腦區(qū)、不同病理狀態(tài)下CBF的變化有待進(jìn)一步研究，7.0T ASL技術(shù)為此提供了有效的手段。

6 CEST、APT成像評(píng)價(jià)AD腦中特定物質(zhì)的變化及異常蛋白的沉積

CEST成像技術(shù)是一種新的分子成像方法，其理論基礎(chǔ)為磁化傳遞及化學(xué)交換理論，對(duì)某種物質(zhì)施加特定的偏共振飽和脈沖，通過化學(xué)交換影響自由水的信號(hào)強(qiáng)度，檢測(cè)水的信號(hào)即可間接在體檢測(cè)該物質(zhì)的濃度[25]。多名學(xué)者[26-28]采用9.4T CEST技術(shù)分別對(duì)葡萄糖、Glu、MI等物質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明9.4T CEST技術(shù)可反映其在AD病理過程中的變化規(guī)律及其相關(guān)病理學(xué)變化。9.4T CEST技術(shù)與7.0T CEST技術(shù)同屬超高場(chǎng)強(qiáng)技術(shù)范疇，對(duì)于7.0T CEST技術(shù)在AD動(dòng)物模型中的應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。

APT成像是CEST成像技術(shù)的分支，通過探測(cè)游離蛋白質(zhì)的酰胺質(zhì)子與水中氫質(zhì)子的交換速率評(píng)估細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和酸堿度變化，成像參數(shù)為不對(duì)稱磁化轉(zhuǎn)移率(magnetic resonance ratio asymmetry, MTRasym)。AD腦中有多種蛋白質(zhì)異常沉積，如Aβ蛋白、tau蛋白等。Wang等[29]的臨床研究表明AD患者雙側(cè)海馬MTRasym顯著高于對(duì)照組，且與簡(jiǎn)易智力狀態(tài)檢查量表評(píng)分存在負(fù)相關(guān)，表明APT技術(shù)臨床診斷AD的可行性，但APT值與何種或哪些蛋白或物質(zhì)相關(guān)，或與AD腦中多種異常沉積的蛋白或物質(zhì)的綜合效應(yīng)相關(guān)，仍需進(jìn)一步行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，7.0T APT技術(shù)可為研究提供強(qiáng)有力的支持。

7.0T CEST/APT技術(shù)在AD動(dòng)物模型中的應(yīng)用前景廣闊，所獲成果可為其用于臨床提供理論支持。7.0T CEST/APT技術(shù)有望成為AD臨床診斷、病情監(jiān)測(cè)及病理生理研究等的重要手段。

7 小結(jié)

MRI可進(jìn)行多參數(shù)及多方位斷層成像，各種新成像技術(shù)為AD研究提供了更多可選擇的方法。超高場(chǎng)MRI對(duì)顯示較低場(chǎng)強(qiáng)無法檢出的細(xì)微異常具有很大潛力。在7.0T超高磁場(chǎng)中，信噪比增加和對(duì)比度增強(qiáng)可為解剖成像帶來更高的分辨率，并提高波譜成像中代謝物檢測(cè)的準(zhǔn)確性。7.0T小動(dòng)物MRI已經(jīng)成為小動(dòng)物研究中不可或缺的工具之一，用于包括AD在內(nèi)的各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。