MRI在小鼠急性腦卒中模型中的應(yīng)用

翟亞南 李 夢(mèng) 盧 靜

(首都醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物部,北京 100069)

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)作為一種新型成像技術(shù),從上世紀(jì)70年代起,逐步在臨床應(yīng)用于急性腦卒中(acute stroke,AS)檢測。近年來MRI技術(shù)發(fā)展迅速,T1/T2加權(quán)成像、彌散加權(quán)成像(DWI)、灌注加權(quán)成像(PWI)、磁共振血管成像(MRA)、敏感加權(quán)成像(SWI)、擴(kuò)散張量成像(DTI)等層出不窮,在AS診斷和指導(dǎo)治療方面發(fā)揮出不可替代作用[1-3]。隨著MRI在臨床診治AS上的不斷應(yīng)用,AS的基礎(chǔ)研究也開始逐漸使用MRI在模型制備、疾病進(jìn)展、治療干預(yù)、藥效評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行檢測,成為繼病L檢測、神經(jīng)功能評(píng)分、局部腦血流量[4]等常規(guī)檢測方法之后又一重要支撐檢測方法。目前,建立AS模型常選用嚙齒類。其中,小鼠腦動(dòng)脈環(huán)的組成和腦血管解剖特點(diǎn)接近人類[5],特別是近交系小鼠成本低、背景明確、個(gè)體差異小、檢測試劑豐富等自身優(yōu)勢(shì),越發(fā)成為建立AS模型的L想模型動(dòng)物。基于以上背景,本文就近幾年MRI在小鼠AS模型中的應(yīng)用進(jìn)展綜述如下。

1 MRI在小鼠AS模型評(píng)價(jià)中的作用

1.1 M RI能夠更快捷、更直觀地顯示小鼠AS模型腦組織損傷區(qū)域及程度

小鼠AS模型是一類由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞導(dǎo)致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的一組疾病,以腦動(dòng)脈狹窄、閉塞、扭曲或者血管破裂為主要血管病變,其典型病L表現(xiàn)為血管病變后導(dǎo)致腦組織缺血缺氧性變性壞死。MRI可較好地反映出AS的病L生L情況,包括血管閉塞部位、腦梗死梗死核的具體位置、缺血半暗帶的程度與范圍等。像磁共振彌散加權(quán)成像在腦缺血早期就可以出現(xiàn)高信號(hào),能精確顯示急性缺血性病灶部位和大小,在數(shù)分鐘內(nèi)即可顯示缺血范圍,更早地發(fā)現(xiàn)缺血性改變。目前彌散加權(quán)成像仍是發(fā)病早期測量梗死核最為有效的方法[6-8]。還有在AS中最常用的擴(kuò)散張量成像是目前唯一可顯示活體大腦白質(zhì)纖維的檢測方法,可以對(duì)腦梗死進(jìn)行早期診斷,定量分析腦梗死后神經(jīng)纖維的損害程度,能直觀顯示病灶與皮質(zhì)脊髓束的空間位置關(guān)系,為評(píng)估纖維束損傷的程度及梗死預(yù)后提供重要的信息[9]。

常規(guī)病L檢測一般使用腦組織固定包埋后的石蠟切片HE染色和新鮮腦組織冰凍切片TTC染色技術(shù),一直以來被認(rèn)為是評(píng)價(jià)小鼠 AS模型金標(biāo)準(zhǔn)。然而,除去這兩種染色方法操作時(shí)間長、工序較多外,HE染色、TTC染色的問題在于腦組織修塊和切片前,實(shí)驗(yàn)人員并不知道腦損傷的準(zhǔn)確區(qū)域與病變程度,特別即使是使用相同造模方法制備的AS模型小鼠,其個(gè)體間發(fā)生病變的情況也不盡相同,需要逐只沿橫截面從上到下或者冠狀面從前到后以2～7μm的厚度連續(xù)切片、染色,從而逐層尋找血管梗死位置、逐層分析腦組織病變程度[4]。正是這種腦損傷定位上的滯后性,大大增加了研究工作的量與難度。MRI的出現(xiàn)從根本上解決了病L切片的定位問題,可以在腦組織修塊、切片之前準(zhǔn)確定位缺血半暗帶區(qū)域及程度,再根據(jù)自己實(shí)驗(yàn)的需求,精準(zhǔn)修塊、切片、染色。Hata等[10]使用4.7T BiSPEC系統(tǒng)在小鼠大腦矢狀面多層面掃描,定位腦基質(zhì)缺血區(qū)后,定位取材行2μm切片、TTC染色,成功分析了改進(jìn)型線栓阻塞AS模型小鼠局灶性缺血與體重相關(guān)性。Sasaki等[11]在蛛網(wǎng)膜下腔出血后1 h內(nèi)通過MRIT2加權(quán)成像確定蛛網(wǎng)膜下腔出血分布,誘導(dǎo)后第1天,通過MRI彌散加權(quán)成像評(píng)估急性腦梗死的發(fā)生率和位置。Qian等[12]使用 MRI擴(kuò)散系數(shù)圖、灌注加權(quán)成像和T2加權(quán)成像顯示半暗帶位置與范圍,在早期準(zhǔn)確顯示改良的光血栓性卒中模型的半影精確特征。

1.2 M RI能夠在活體AS模型動(dòng)物上應(yīng)用,降低實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的死亡率

常規(guī)的病L學(xué)檢測技術(shù)都對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物實(shí)施安樂死后開展后續(xù)工作,然而MRI是在活體實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上應(yīng)用即可直接成像,更快捷,直觀地顯示腦組織損傷區(qū)域和程度。眾多研究已報(bào)道,MRI是可以在不傷害實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的前提下應(yīng)用,動(dòng)態(tài)觀察并記錄小鼠腦卒中在超急性期,急性期、亞急性期及慢性期的變化過程。在同樣可獲得科學(xué)可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下,既提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的存活率,也減少了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用量,遵循實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的3R原則,保障實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的福利倫L。

1.3 M RI能夠無創(chuàng)性檢測小鼠AS模型腦血流量(cereb ral b lood flow,CBF)

AS的腦組織損傷是由于腦部血管突然阻塞導(dǎo)致血液不能流入大腦引起,因此在基礎(chǔ)研究中CBF的測定也是評(píng)價(jià)AS模型的重要方法之一。目前,常用激光多普勒血流儀、14C-Iodoantipyrine等方法檢測AS模型小鼠 CBF[4]。但是,二者均為侵入式工具,都存在操作影響檢測結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)。使用激光多普勒血流儀時(shí),首先要在手術(shù)顯微鏡輔助下,在接近阻斷或切除大腦中動(dòng)脈部位末端1 mm的位置設(shè)置光纖探頭,非常容易損傷細(xì)小血管分支,造成手術(shù)性出血,影響CBF結(jié)果[4]。而使用14C-Iodoantipyrine方法檢測時(shí),更是要經(jīng)歷股靜脈穿刺灌注14CIodoantipyrine、動(dòng)脈導(dǎo)管采血、斷頭取腦等一系列手術(shù)操作,才能使用特定方程間接計(jì)算出CBF,因此每只小鼠在檢測時(shí)都有可能因?yàn)槿藶椴僮鞯牟町愑绊懻鎸?shí)的結(jié)果[13]。MRI作為體外三維成像技術(shù),是重要的非侵入式的工具,填補(bǔ)了無創(chuàng)性檢測AS模型小鼠CBF的空白。近幾年來新開發(fā)出的MRI 3DASL成像技術(shù),不僅短時(shí)間內(nèi)可以多次掃描,并且掃描時(shí)間相比較短,同時(shí)也無需進(jìn)行對(duì)比劑注射,更有利于進(jìn)行及時(shí)、有效的發(fā)現(xiàn)腦組織血流灌注中的增高區(qū)。對(duì)全腦血流灌注狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察,更加全面評(píng)估腦組織的血流灌注情況。

MRI與傳統(tǒng)方法相比,排除了人為操作可能導(dǎo)致的CBF數(shù)據(jù)偏差,最大程度上反映了大腦真實(shí)性的血管病變情況。何潔和吉訓(xùn)明[14]研究表明MRI可以清晰得到腦血流量、腦容量、平均通過時(shí)間和達(dá)峰時(shí)間等多個(gè)腦血流灌注參數(shù)圖、尤其適合急性腦卒中的檢查。而 Leithner等[13]驗(yàn)證了 MRI可以提供CBF成像定量方法,在神經(jīng)保護(hù)研究中使用flow sensitive alternating inversion recovery(FAIR)-MRI能夠定量半球腦血流。

1.4 M RI能廣泛應(yīng)用于各類方法建立的小鼠AS模型評(píng)價(jià)

小鼠AS模型造模方法較多,常見的有線栓法、光栓法、血栓栓塞法、微球注入法等。不同方法構(gòu)建的小鼠AS模型分別有各自的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及適用范圍。我們常根據(jù)自己的研究方向、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?選定某種方法后建立模型,不同方法導(dǎo)致的腦損傷部位、程度及范圍不盡相同,針對(duì)不同AS模型顯示出的病變特點(diǎn),MRI分化出眾多與之相匹配的成像方法。Zhang等[15]使用 MRI T2加權(quán)成像對(duì)一種新型高存活率的小鼠局灶性腦缺血模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。溶栓治療的研究常應(yīng)用到MRI中的灌注加權(quán)成像,來評(píng)估缺血半暗帶,在PW I上即可出現(xiàn)異常信號(hào),代表該區(qū)域處于低灌注狀態(tài),進(jìn)一步可發(fā)展為梗死。Barber等[16]利用MRIT1、T2變化與彌散加權(quán)成像表明,無論哪種類型的阻塞,T1的早期增加表明AS病灶中的水含量升高,而只有在短暫的大腦中動(dòng)脈阻塞后,T2才出現(xiàn)早期增加,表明早期血管源性水腫伴血腦屏障的破壞。Deddens等[17]在利用 MRI檢測腦卒中后神經(jīng)炎性生物標(biāo)志物細(xì)胞間黏附分子-1(ICAM-1)的研究中,發(fā)現(xiàn)特異性 T2縮短型氧化鐵顆粒,是最合適的造影增強(qiáng)劑。

2 M RI在建立小鼠AS模型中的作用

MRI不僅能夠?qū)σ阎某墒煨∈驛S模型進(jìn)行評(píng)價(jià),還可以對(duì)探索建立新型小鼠AS模型進(jìn)行指導(dǎo)。在臨床上,患者在AS發(fā)生早期會(huì)出現(xiàn)一些前兆癥狀,如頭暈、肢體麻木、不明原因突然跌倒、惡心嘔吐、血壓波動(dòng)、視力一過性下降等不典型癥狀,隨著病情發(fā)展繼而在頭面、四肢出現(xiàn)更為典型的神經(jīng)功能障礙。因此,當(dāng)患者出現(xiàn)一些不典型癥狀時(shí),可以通過與醫(yī)生的有效溝通及檢查在早期及時(shí)排查AS。然而在小鼠AS模型的相關(guān)研究中,研究人員無法與小鼠建立有效溝通,不能通過外表觀察判斷建模后小鼠是否出現(xiàn)了相關(guān)不典型癥狀,只有當(dāng)小鼠出現(xiàn)了軀干扭曲、身體不對(duì)稱、前肢不對(duì)稱屈曲等典型神經(jīng)功能障礙時(shí),通過神經(jīng)功能缺損評(píng)分評(píng)價(jià)AS模型程度[4],在處以后續(xù)的病L學(xué)、CBF等檢測。MRI的出現(xiàn),幫助研究人員大大提前了對(duì)小鼠 AS模型的觀測時(shí)間,不僅使科研人員對(duì)AS的研究擴(kuò)展至發(fā)病早期,還指導(dǎo)建立了一些新型小鼠AS模型。例如,Vega等[18]在 MRI T2加權(quán)成像的指導(dǎo)下,揭示了在急性出血性腦卒中早期大腦微出血情況和期間發(fā)生的病L生L過程,從而首次對(duì)自發(fā)性腦微出血發(fā)生前的前驅(qū)期進(jìn)行了全面評(píng)估,確立了新型的內(nèi)皮細(xì)胞特異性消融小鼠AS模型。

3 MRI在小鼠AS模型中的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 超高場強(qiáng)M RI不斷更新應(yīng)用

MRI作為成像技術(shù),影像的清晰度對(duì)診斷 AS病變部位與程度至關(guān)重要。特別是小鼠腦部體積相對(duì)較小,但是功能區(qū)域分布同樣復(fù)雜,如何能更準(zhǔn)確地檢測小鼠腦部病灶部位功能區(qū),需要高清晰度的影像,為了獲取高清晰度較L想的影像,則需要較高的信噪比(signal to noise ratio,SNR)。而超高磁場強(qiáng)度MRI則具有更高信噪比,使得MRI具有更大的空間分辨率[19],可進(jìn)行高分辨率的解剖成像、功能成像、磁共振波譜成像,更適合小鼠腦解剖及腦功能的研究[5]。到目前為止,還沒有發(fā)現(xiàn)應(yīng)用超高場強(qiáng)磁共振后,機(jī)體存在長期副作用或副反應(yīng)方面的相關(guān)報(bào)道。

隨著研究需求和技術(shù)發(fā)展,MRI磁場強(qiáng)度也就從最初的不足0.5 T,逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的3 T、7 T、9.4 T、14.1 T、17.6 T。Langhauser等[20]的研究利用高場9.4T MRI(帶有 1H表面低溫探針)對(duì)C57BL/6小鼠血栓栓塞性卒中的梗死體積和血管再通進(jìn)行測量,為中風(fēng)治療提供新的溶栓策略。在腦血管解剖學(xué)和血流動(dòng)力學(xué)的研究中,由于二者變化可以影響不同近交系小鼠中風(fēng)預(yù)后,因此Pham等[21]采用多模態(tài)超高場 MRI(17.6 T,750 Hz,Biospin,Bruker BioSpin GmbH,Ettlingen,德國),比較了C57BL/6和Sv/129小鼠在短暫性腦中動(dòng)脈閉塞(tMCAO)模型中腦卒中的發(fā)育情況,利用高分辨率T2加權(quán)RARE圖像進(jìn)行全腦梗塞分割,連續(xù)動(dòng)脈自旋標(biāo)記(CASL)和自旋回波擴(kuò)散加權(quán)成像定量測定CBF和表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)。Mystkowska等[22]研究發(fā)現(xiàn)場強(qiáng)為14.1 T的超高場強(qiáng)磁共振非常適用于對(duì)小鼠、大鼠等嚙齒類小動(dòng)物進(jìn)行神經(jīng)解剖影像分析及神經(jīng)生物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析。而這些影像研究,可能對(duì)揭示神經(jīng)腫瘤的發(fā)病機(jī)制及如何治愈人類中樞系統(tǒng)疾病提供重要信息。

3.2 縱向M RI不斷應(yīng)用

近年來,MRI在小鼠AS模型中的使用更傾向于縱向檢測。從AS的發(fā)病前期到急性發(fā)病期再到緩解恢復(fù)期(缺血再灌注等),持續(xù)使用MRI檢測大腦血管及相關(guān)腦組織病變部位與程度,嘗試全面“描繪”出整個(gè)AS發(fā)生發(fā)展過程中的各種生L病L變化。Granziera等[23]使用MRI擴(kuò)散張量成像持續(xù)測量小鼠短暫局灶性腦缺血模型腦卒中后4 d、10 d、15 d和21 d表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)和擴(kuò)散分?jǐn)?shù)各向異性(FA)的長期時(shí)間演化,顯示了腦組織重塑和功能恢復(fù)過程。另外,在MRI對(duì)AS藥物評(píng)價(jià)中,也逐漸傾向于縱向檢測,觀察藥物干預(yù)的持續(xù)作用。例如,Wang等[24]使用MRI縱向描述用神經(jīng)降壓素激動(dòng)劑HPI201治療PIH小鼠缺血性中風(fēng)模型梗塞演變,動(dòng)態(tài)顯示了梗死體積和水腫體積減少的變化過程,為HPI201藥效評(píng)價(jià)提供了更加豐富的研究支持。

4 小結(jié)

MRI作為體外成像技術(shù),被證實(shí)是一種可靠的非侵入式手段,不僅能夠?yàn)樾∈驛S模型相關(guān)研究提供可靠、真實(shí)的檢測數(shù)據(jù),還能根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求指導(dǎo)新型小鼠AS模型制備。并且MRI具有多種細(xì)化技術(shù),可以滿足AS不同病變組織、部位、損傷程度的檢測需求,最大化提供清晰影像支撐。目前針對(duì)小鼠AS研究需求,MRI不斷提高磁場強(qiáng)度,提高分辨度的同時(shí)降低信噪比對(duì)小鼠檢測結(jié)果的影響。在對(duì)小鼠AS研究中,MRI逐漸趨向于縱向檢測,一方面全面監(jiān)測AS發(fā)生發(fā)展過程中的各種生L病L變化,另一方面對(duì)AS藥物干預(yù)進(jìn)行持續(xù)評(píng)價(jià)。