超高場強核磁共振中腦深部電刺激電極周圍分子生物學變化的活體研究

楊岸超，石 林,，王 秀，劉煥光，張 鑫，張建國※

(1.首都醫科大學附屬北京天壇醫院神經外科,北京 100050； 2.北京市神經外科研究所功能神經外科研究室,北京 100050)

隨著功能神經外科在我國的快速發展，越來越多的患者接受了腦深部電刺激(deep brain stimulation，DBS)治療[1]。當前DBS技術存在的一個重要問題就是其在磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)磁場中的安全性[2-3]。DBS電極在MRI射頻磁場中會接收射頻能量并產熱，進而引起周圍腦組織熱損傷，這是植入DBS裝置的患者進行MRI掃描的主要風險[4-5]。本研究通過對超高場強MRI(7.0T)掃描后DBS電極周圍腦組織進行蛋白印跡雜交檢測(western-blot)及實時定量聚合酶鏈反應(quantitative polymerase chain reaction,QPCR)檢測，測定了熱損傷標記分子熱激蛋白70(heat shock protein-70,HSP-70)的相對含量，進而評估了超高場強MRI下DBS電極對周圍組織熱損傷的情況，探討了DBS設備與MRI的兼容性問題。

1 資料與方法

1.1一般資料 所有實驗符合北京實驗動物管理中心關于實驗動物使用及保護的規定(審批號：SYXK 2010-0141)。體質量2.5～4.0 kg的雄性新西蘭白兔24只(軍事醫學科學研究實驗動物中心提供)，隨機分為電極植入組和穿刺對照組，每組各12只。

1.2DBS植入 電極植入組動物在烏拉坦(1 mg/kg)麻醉下行DBS植入(DBS設備由清華品馳公司提供，型號G101)，電極尖端置于左側丘腦腹后核(MRI掃描確認電極位置，位置偏差明顯者再次手術調整電極位置，圖1)，DBS電極帽固定，頭部皮下留適量導線，刺激器置于左側肋弓下旁正中，多余導線“之”字形固定于刺激器表面(防止多余導線進入MRI線圈)。穿刺對照組僅行DBS電極同位點穿刺，保留10 min后拔出。常規縫合傷口。

1.3MRI掃描 所有動物行7.0T MRI掃描，序列為自旋回波(spin echo,SE)序列、梯度回波(gradient recalled echo,GRE)序列及反轉恢復(fluid attenuation inverse recovery,FlAIR)序列，重復掃描3次，保證掃描時間超過25 min，掃描特異吸收率(specific absorption rate,SAR)在0.28～2.80 W/kg。

1.4分子生物學檢測 MRI掃描24 h后注射過量麻醉劑處死動物并取腦，行針道周圍組織western-blot及QPCR檢測，測定針道周圍組織內HSP-70的變化，比較電極植入組及穿刺對照組HSP-70變化差異。具體方法同文獻[6]。

左圖為冠狀位圖像，右圖為矢狀位圖像，白色箭頭示穿刺針道，黑色箭頭示電極

2 結 果

2.1HSP-70的western-blot檢測結果 電極植入組穿刺道周圍組織中HSP-70相對水平為0.167～0.170(0.168±0.001)，穿刺對照組為0.172～0.175(0.173±0.006)電極植入組與穿刺對照組HSP-70水平的差異無統計學意義(t=0.751,P>0.05)(圖2)。

(A)，蛋白電泳條帶灰度圖示HSP-70及參考蛋白β-actin的灰度條帶。(B)，HSP-70相對含量的柱狀圖，G1與G2差異無統計學意義(P>0.05)。G1：電極植入組，G2：穿刺對照組。HSP-70:熱休克蛋白-70；β-actin：參考蛋白

2.2HSP-70 mRNA的QPCR檢測結果 QPCR結果顯示電極植入組穿刺道周圍組織中HSP-70的mRNA相對含量為0.777～0.820(0.793±0.019),穿刺對照組為0.760～0.798(0.777±0.024)。結果顯示,電極植入組與穿刺對照組HSP-70 mRNA水平無統計學差異(t=0.332，P>0.05)(圖3)。

3 討 論

HSP-70是細胞中可被熱損傷誘導的敏感分子，在多個研究中HSP-70被視作熱損傷標志物以評估熱損傷程度[7-8]。本研究通過western-blot和QPCR方法對熱損傷敏感分子HSP-70及其mRNA進行了檢測，結果提示DBS電極周圍HSP-70水平與單純穿刺機械損傷組的HSP-70水平相比，差異并無統計學意義。由此可以推論，本實驗中7.0T MRI掃描的射頻磁場并未引起DBS電極周圍出現明顯的熱損傷改變。本實驗的結果與很多其他檢測超高場強MRI掃描后DBS設備或導體溫度變化的實驗研究相符[9]。

本實驗結果是否說明DBS設備在磁場中未產熱并且是安全的呢？首先，很多研究業已證明在射頻磁場中DBS電極會吸收射頻能量而出現溫度升高[3,10-13]，但溫度升高范圍與很多因素有關，如射頻線圈的種類、射頻磁場強度及SAR值、掃描時間、導體在磁場中的位置、導體的電物理學屬性等[2,14]，因此不同實驗條件下DBS電極或導體溫度變化也有很大差異，但通過適當控制重要的參數，如掃描序列、導體在磁場中的位置、使用低SAR掃描等，DBS設備及導體的溫度變化并不明顯。Carmichael等[15]的研究發現1.5T和3.0T磁場引起DBS電極的溫度變化均很小(0.1～0.5 ℃)，Ideta等[16]報道1.5T及3.0T MRI掃描引起鈦合金假體溫度升高0.4 ℃，Shrivastava等[9]報道了9.4T MRI射頻磁場中DBS設備出現0～5 ℃的溫度變化。本實驗采用的很多參數參照了上述研究，如使用常規SE、GRE及FLAIR掃描序列、使DBS設備位于射頻線圈外、使用國際要求的頭部線圈等，因此很有可能本實驗DBS設備的發熱量與上述研究相類似。其次，HSP-70分子作為熱損傷敏感蛋白，被用于檢測熱損傷。有實驗證明采用的誘導型HSP-70在細胞溫度超過39 ℃時才開始被合成，正常細胞中HSP-70水平極低[7]。本實驗顯示電極植入組與穿刺對照組HSP-70水平差異無統計學意義，很有可能是DBS電極周圍組織的溫度并未超過39 ℃。

G1與G2差異無統計學意義(P>0.05)。G1：電極植入組，G2：穿刺對照組

本實驗中未使用MRI溫度測量設備對DBS電極溫度的實時變化情況進行監測，因此未來還需要進行進一步研究，并采用更多的參數組合對MRI引起的DBS電極產熱問題進行研究，以輔助制定植入DBS設備的患者進行超高場強MRI掃描的規范。

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