MR磁量圖對自發(fā)性腦出血患者腦鐵過量沉積的定量研究

范敬爭，李冠武，田亞楠，周蕾，陳瑤，袁軍，黃影珠，常時(shí)新

上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院影像科，上海 200437

腦鐵過量沉積可能導(dǎo)致慢性神經(jīng)功能障礙， 如多發(fā)性硬化、阿爾茨海默病及帕金森病等[1]。近來研究發(fā)現(xiàn)腦出血大鼠模型的腦細(xì)胞內(nèi)存在鐵過量的病理證據(jù)[2]，提示腦鐵在出血后腦損傷的發(fā)病機(jī)理及神經(jīng)功能預(yù)后中起著重要作用。然而臨床上缺乏有效監(jiān)測出血后腦細(xì)胞內(nèi)鐵含量異常的方法，因此，筆者擬采用一種無創(chuàng)性腦鐵定量評價(jià)技術(shù)MR磁量圖(quantitative susceptibility mapping,QSM)，通過對比分析自發(fā)性腦出血(spontaneous intracerebral hemorrhage, ICH)患者與健康對照組之間蒼白球(globus pallidus, GP)區(qū)磁化率的差異，評價(jià)QSM在監(jiān)測ICH患者GP區(qū)非血紅素鐵的定量評價(jià)中的潛在價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究搜集了2010年12月至2012年6月的ICH患者，所有病例均來自上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院腦外科。最終21例ICH患者入選本研究組，其中男12例，年齡在50～82歲，平均年齡60歲，女9例，年齡在54～89歲 平均年齡78歲。ICH發(fā)生到MR掃描的平均時(shí)間為338 h。21例ICH患者的基礎(chǔ)疾病為：高血壓病11例，腦白質(zhì)疏松6例，4例有嗜煙、酒史。對照組為20名健康志愿者，男13名，年齡在51～81歲，平均年齡66歲，女7名，年齡在60～73歲，平均年齡62歲。所有受檢者均無腦外傷史，且均已簽署知情同意書。

1.2 設(shè)備及參數(shù)

采用3.0 T超導(dǎo)型高場MRI(Siemens verio)，8通道頭顱正交線圈，橫斷面成像。成像序列包括T1、T2、FLAIR像及QSM成像。QSM采用快速三維多回波T2*梯度回波序列，掃描參數(shù)：TR 53.00 ms，TE 16.26～45.00 ms，共8個(gè)回波，F(xiàn)OV 24 cm×22 cm，層厚 2.0 mm，層距 0.4 mm，層數(shù)64，反轉(zhuǎn)角15°，像素0.9 mm×0.9 mm×2.0 mm，帶寬240 Hz，激勵(lì)次數(shù)1，QSM采集時(shí)間 5 min 23 s。采集數(shù)據(jù)傳送至后處理工作站進(jìn)行GP磁化率及數(shù)據(jù)分析。T2WI參數(shù)：TR 6300.00 ms，TE 86.00 ms，F(xiàn)OV 24 cm×22 cm，層厚4.0 mm，層距 1.2 mm。采集的數(shù)據(jù)傳送至Siemens Numaris/4后處理工作站。

1.3 測量方法

GP T2信號強(qiáng)度(signal intensity on T2-weighted images，T2SI))的測量在T2WI上進(jìn)行，其磁化率的測量在QSM相位圖上進(jìn)行，由2名高年資醫(yī)師共同閱片。采用手工描繪制ROI，并于間隔3周后重復(fù)1次。血腫對側(cè)GP區(qū)相應(yīng)參數(shù)的測量見圖1～8，其中T2SI的測量是將T2WI上相鄰像素的GP區(qū)T2SI值相加之后平均；磁化率的測量是將GP在所有像素下的磁化率相加，通過調(diào)整像素大小而得到的測量結(jié)果具有物理意義。同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)組及對照組所測GP分布的均衡性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件，采用Mann-Whitney檢驗(yàn)比較ICH組及對照組GP磁化率之間的差異，計(jì)量資料符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)，非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用秩相關(guān)，分析GP磁化率與T2SI、疾病持續(xù)時(shí)間及年齡之間的相關(guān)性，P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 ICH組與對照組一般情況及GP磁化率的比較

表1 ICH組及對照組臨床特征比較Tab.1 Clinical data in the ICH group and control group

表2 ICH組與對照組GP磁化率的比較及其與年齡的相關(guān)性Fig.2 The comparison of GP susceptibility and the correlation with age between ICH group and control group

圖1, 2 女，76歲。健康受試者的QSM圖像(圖1)。ROI (箭)代表同一受試者的蒼白球(GP)區(qū)域(圖2) 圖3 女 65歲 左側(cè)基底節(jié)區(qū)腦出血。ROI(箭)代表血腫對側(cè)的GP區(qū)域 圖4 男，59歲。左側(cè)基底節(jié)區(qū)腦出血。ROI (箭)代表血腫對側(cè)的GP區(qū)域 圖5, 6 健康受試者。ROI (箭)代表T2信號強(qiáng)度值(T2SI) 圖7 男，80歲，右側(cè)基底節(jié)區(qū)腦出血。ROI (箭) 代表血腫對側(cè)的T2SI 圖8 女，66歲。右側(cè)基底節(jié)區(qū)腦出血。ROI (箭)代表血腫對側(cè)的T2SIFig.1, 2 Representative picture of a 76 years old healthy woman’s QSM image.ROI (arrow) drawn the subject’s GP region.Fig.3 Representative picture of a 65 years old woman, hemorrhage in left basal ganglia.ROI (arrow) drawn GP region of contralecteral hemotama.Fig.4 Representative picture of a 59 years old man ,hemorrhage in left basal ganglia.ROI(arrow) drawn GP region of contralecteral hemotama.Fig.5 , 6 Representative picture of a healthy subject’s T2-weighted image, ROI (arrow) represents the signal intensity on T2-weighted image (T2SI).Fig.7 Representative picture of a 80 years old man, hemorrhage in right basal ganglia.ROI (arrow) represents the T2SI of contralecteral hemotama.Fig.8 Representative picture of a 66 years old woman, hemorrhage in right basal ganglia.ROI (arrow) represents the T2SI of contralecteral hemotama.

ICH組與對照組的一般臨床特征差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表1)。而ICH組的GP磁化率顯著高于正常組(P<0.01)(表2)。ROI二次檢測的一致性為r=0.95。

2.2 ICH組GP磁化率與T2SI的相關(guān)性分析

GP磁化率(330.92, 270.74～510.83)和T2SI(359.40, 281.70～436.50)呈顯著負(fù)相關(guān) (r=－0.715，P<0.01)。

2.3 ICH組GP磁化率與發(fā)病時(shí)間(h)的相關(guān)性分析

ICH組GP磁化率(330.92, 270.74～510.83)與發(fā)病時(shí)間(338, 1～1800)呈輕度正相關(guān)(r=0.434，P<0.05)。

2.4 ICH組及正常組GP磁化率與年齡的相關(guān)性

ICH組及正常組GP磁化率與年齡均無相關(guān)性(r=－0.135，P>0.05；r=0.183，P>0.05；表2)。

3 討論

3.1 QSM技術(shù)的可行性及GP區(qū)的病理生理基礎(chǔ)

QSM利用一般成像技術(shù)舍棄的相位信息得到局部磁場變化特性，采用快速有效的多回波T2*梯度回波成像序列，并通過復(fù)雜的場到源的反演計(jì)算，從MR梯度回波數(shù)據(jù)中重建并得到可直接定量的磁化率圖。Liu等[3]采用QSM對ICH患者的研究證實(shí)，出血部位的總磁化率隨著回波時(shí)間的增加未見顯著改變；Li等[4]通過對不同含量的氧化鐵水模進(jìn)行分析證實(shí)，隨著氧化鐵水平增高，磁化率逐漸增高。采用QSM測量腦鐵沉積量的準(zhǔn)確性也得到尸解的病理學(xué)證實(shí)[5-6]。目前QSM定量測量腦鐵磁化率已廣泛應(yīng)用于多發(fā)性硬化癥、阿爾茨海默病及帕金森病等許多神經(jīng)退行性病變的研究[7-9]。

健康人群在生理狀態(tài)下腦鐵含量處于穩(wěn)定狀態(tài)，并通過血腦屏障(BBB)調(diào)節(jié)、維持這種穩(wěn)態(tài)。如通過調(diào)節(jié)血液，選擇運(yùn)輸系統(tǒng)，限制鐵進(jìn)入腦內(nèi)[10]。同時(shí)在腦內(nèi)存在多個(gè)反饋回路來調(diào)節(jié)鐵水平以維持神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能[11]。正常狀態(tài)下，鐵通過血腦屏障經(jīng)過一系列途徑進(jìn)入到腦組織后主要儲存在基底節(jié)區(qū)，尤其是GP，GP是腦內(nèi)含鐵量最高的組織。由于鐵是一種強(qiáng)順磁性物質(zhì)，具有很高的磁化率[12]。且病理生理研究證實(shí)GP區(qū)鐵主要為非血紅素鐵，主要以鐵蛋白的形式存在[13]。基于QSM測量的磁化率反映的是GP鐵蛋白含量。

3.2 腦內(nèi)鐵過量與GP非血紅素鐵的升高及其影響

由于鐵得到(三價(jià)到二價(jià)，F(xiàn)e3+→Fe2+)或者失去電子(Fe2+→Fe3+)相對容易，所以鐵是神經(jīng)功能代謝及各種病理過程中的一個(gè)重要輔助因子，包括髓鞘形成及線粒體能量的產(chǎn)生。雖然一定量的鐵對于維持正常的腦功能是必要的，但過量的鐵也會產(chǎn)生破壞作用[14]。鐵含量的增高在許多慢性的神經(jīng)退化紊亂性疾病中被發(fā)現(xiàn)，且能導(dǎo)致腦損傷或功能退化[15]。

近年來，基于ICH鐵過量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究也越來越受到關(guān)注。Siesj?等[16]發(fā)現(xiàn)腦出血后大鼠腦內(nèi)鐵含量升高，且其通過很多途徑引起腦損傷。例如自由基的產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。然而這種異常增高的鐵的具體結(jié)合形式仍然存在爭議。一項(xiàng)對遺傳改良型的小鼠的研究表明持續(xù)的自身鐵蛋白增高可能和毒性有關(guān)，年長的血漿銅藍(lán)蛋白敲除型小鼠，其腦內(nèi)星形細(xì)胞中鐵蛋白的積累與膠質(zhì)細(xì)胞原纖維酸性蛋白及S100β的降低有關(guān)，且和細(xì)胞的缺失相一致[17]；鐵調(diào)節(jié)蛋白2(IRP2)敲除型小鼠晚期可能發(fā)展為的運(yùn)動(dòng)障礙，其鐵沉積在白質(zhì)纖維束和細(xì)胞核加速了神經(jīng)的退化，而鐵調(diào)節(jié)蛋白(IRPs)在控制鐵蛋白合成中發(fā)揮著重要作用[18]，是評估腦損傷及神經(jīng)功能狀態(tài)的主要參考指標(biāo)。也有研究表明血清鐵蛋白水平和腦損傷尤其是血腫周圍水腫的形成有關(guān)，且較高的血清鐵蛋白水平意味著ICH患者的神經(jīng)功能恢復(fù)較差[19]。本研究也證實(shí)，ICH患者GP區(qū)域非血紅素鐵(鐵蛋白)含量升高，且與T2SI值呈負(fù)相關(guān)，表明GP非血紅素鐵含量的升高可能意味著ICH患者腦損傷及神經(jīng)功能退化的程度加重，這與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[20-21]。

3.3 腦出血后腦組織鐵蛋白含量升高的可能機(jī)制及其與發(fā)病時(shí)間、年齡的關(guān)系

鐵蛋白是腦內(nèi)的主要儲存蛋白，其主要位于基底節(jié)區(qū)，尤其是蒼白球區(qū)域。哺乳動(dòng)物鐵蛋白是含有24個(gè)亞基的雜聚體，根據(jù)其所占部位的器官或分子重量，其可以分為H (心或重)型及L(肝或輕)型[22]。且由于其具有結(jié)合鐵的能力，所以很可能是血紅素代謝所釋放的鐵的主要儲存位點(diǎn)。研究顯示血紅素氧化酶(HO-I)的激活可能刺激鐵蛋白的合成；同時(shí)IRPs的缺失也能誘導(dǎo)鐵蛋白的合成[13]。由于IRPs位于腦內(nèi)的星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)，鐵必須轉(zhuǎn)移到小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)來控制鐵蛋白的合成，因此，當(dāng)血腫或血腫周圍的水腫破壞了星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞之間的聯(lián)系時(shí)，鐵蛋白的合成失去控制，而鐵蛋白的合成增加則進(jìn)一步加劇了鐵的聚集。關(guān)于腦內(nèi)鐵蛋白的演變，Hua等[23]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中使用非血紅素組織鐵來評估ICH后腦內(nèi)鐵沉積的自然形成過程，并顯示ICH大鼠血腫周圍的非血紅素鐵較之前增長了3倍，并持續(xù)近一個(gè)月；而Koeppen等[24]通過對注入全血而制成ICH大鼠的觀察發(fā)現(xiàn)，其發(fā)病的最初3 d內(nèi)非血紅素鐵便開始增多，并且持續(xù)時(shí)間3個(gè)月。而本研究結(jié)果也表明，發(fā)病時(shí)間在3個(gè)月的ICH患者，其GP區(qū)域磁化率和發(fā)病時(shí)間呈輕度正相關(guān)，說明ICH患者GP磁化率可能持續(xù)增高近3個(gè)月，這與Koeppen等[24]的研究一致。同時(shí)這一結(jié)果可能提示基底節(jié)區(qū)(basal ganglia，BG)鐵蛋白含量的增加不是偶然的，而是一個(gè)伴隨的現(xiàn)象，并可能標(biāo)志著組織的受損程度。

年齡對非血紅鐵沉積的影響自1958年便有描述，尤其是在GP區(qū)，健康年長的人群趨向于非血紅素鐵的沉積增多[25]。因此考慮年齡作為一個(gè)變量對比健康受試者來分析其與腦內(nèi)鐵含量的關(guān)系是必要的。而本研究在ICH組及健康對照組均未發(fā)現(xiàn)GP磁化率與年齡呈相關(guān)性，可能是由于本研究受試對象年齡過于集中的關(guān)系。

總之，ICH患者腦內(nèi)存在鐵過量，且應(yīng)用QSM對GP區(qū)域非血紅素鐵的評估可以作為ICH腦細(xì)胞內(nèi)鐵過量的參考指標(biāo)。因此，QSM鐵定量技術(shù)的潛在重要價(jià)值將在自發(fā)性腦出血的診斷、監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。

[References]

[1]Khalil M, Langkammer C, Ropele S, et al.Determinants of brain iron in multiple sclerosis: a quantitative 3 T MRI study.Neurology, 2011,77(18): 1691-1697.

[2]Hua Y, Nakamura T, Keep RF, et al.Long-term effects of experimental intracerebral hemorrhage: the role of iron.J Neurosurg, 2006, 104(2):305-312.

[3]Liu T, Xu W, Spincemaille P, et al.Accuracy of the morphology enabled dipole inversion (MEDI) algorithm for quantitative susceptibility mapping in MRI.IEEE Trans Med Imaging, 2012, 31(3):816-824.

[4]Li J, Chang S, Liu T, et al.Reducing the object orientation dependence of susceptibility effects in gradient echo MRI through quantitative susceptibility mapping.Magn Reson Med, 2012, 68(5): 1563-1569.

[5]Schrag M, McAuley G, Pomakian J, et al.Correlation of hypointensities in susceptibility-weighted images to tissue histology in dementia patients with cerebral amyloid angiopathy: a postmortem MRI study.Acta Neuropathol, 2010, 119(3): 291-302.

[6]Langkammer C, Schweser F, Krebs N, et al.Quantitative susceptibility mapping (QSM) as a means to measure brain iron? A post mortem validation study.Neuroimage, 2012, 62(3): 1593-1599.

[7]Cordonnier C, van der Flier WM.Brain microbleeds and Alzheimer’s disease: innocent observation or key player? Brain, 2011, 134 (2):335-344.

[8]Schrag M, Crofton A, Zabel M, et al.Effect of cerebral amyloid angiopathy on brain iron, copper, and zinc in Alzheimer’s disease.J Alzheimers Dis, 2011, 24(1): 137-149.

[9]Leskovjan AC, Kretlow A, Lanzirotti A, et al.Increased brain iron coincides with early plaque formation in a mouse model of Alzheimer’s disease.Neuroimage, 2011, 55(1): 32-38.

[10]Fillebeen C, Descamps L, Dehouck MP, et al.Receptor-mediated transcytosis of lactoferrin through the blood-brain barrier.J Biol Chem,1999, 274(11): 7011-7017.

[11]Moos T, Rosengren Nielsen T, Skj?rringe T, et al.Iron trafficking inside the brain.J Neurochem, 2007, 103(5): 1730-1740.

[12]Valdés Hernández MC, Jeong TH, Murray C, et al.Reliability of two techniques for assessing cerebral iron deposits with structural magnetic resonance imaging.J Magn Reson Imaging, 2011, 33(1): 54-61.

[13]Wu J, Hua Y, Keep RF, et al.Iron and iron-handling proteins in the brain after intracerebral hemorrhage.Stroke, 2003, 34(12):2964-2969.

[14]Brass SD, Chen NK, Mulkern RV, et al.Magnetic resonance imaging of iron deposition in neurological disorders.Top Magn Reson Imaging, 2006, 17(1): 31-40.

[15]Wagner KR, Sharp FR, Ardizzone TD, et al.Heme and iron metabolism: role in cerebral hemorrhage.J Cereb Blood Flow Metab,2003 , 23(6): 629-652.

[16]Siesj? BK, Agardh CD, Bengtsson F.Free radicals and brain damage.Cerebrovasc Brain Metab Rev, 1989, 1(3): 165-211.

[17]Jeong SY, David S.Age-related changes in iron homeostasis and cell death in the cerebellum of ceruloplasmin-deficient mice.J Neurosci,2006, 26(38): 9810-9819.

[18]LaVaute T, Smith S, Cooperman S, et al.Targeted deletion of the gene encoding iron regulatory protein-2 causes misregulation of iron metabolism and neurodegenerative disease in mice.Nat Genet, 2001,27(2): 209-214.

[19]Mehdiratta M, Kumar S, Hackney D, et al.Association between serum ferritin level and perihematoma edema volume in patients with spontaneous intracerebral hemorrhage.Stroke, 2008, 39(4):1165-1170.

[20]Godau J, Klose U, Di Santo A, et al.Multiregional brain iron deficiency in restless legs syndrome.Mov Disord, 2008, 23(8):1184-1187.

[21]McNeill A, Birchall D, Hayflick SJ, et al.T2*and FSE MRI distinguishes four subtypes of neurodegeneration with brain iron accumulation.Neurology, 2008, 70(18): 1614-1619.

[22]Li Z, Chen-Roetling J, Regan RF.Increasing expression of H- or L-ferritin protects cortical astrocytes from hemin toxicity.Free Radic Res, 2009, 43(6): 613-621.

[23]Hua Y, Keep RF, Hoff JT, et al.Brain injury after intracerebral hemorrhage: the role of thrombin and iron.Stroke, 2007, 38 (2 Suppl):759-762.

[24]Koeppen AH, Dickson AC, Smith J.Heme oxygenase in experimental intracerebral hemorrhage: the benefit of tin-mesoporphyrin.J Neuropathol Exp Neurol, 2004, 63(6): 587-597.

[25]Hallgren B, Sourander P.The effect of age on the nonhaemin iron in the human brain.J Neurochem, 1958, 3(1): 41-51.