磁共振成像在腦缺血基礎研究中的應用

張 建 , 雷建鋒, 鄒海艷, 王 蕾, 張秋霞, 詹 宇, 王 偉, 王 勇, 趙 暉※

(1.首都醫科大學中醫藥學院中醫絡病研究北京市重點實驗室，北京 100069； 2.北京中醫藥大學a.中醫學院， b.生命科學學院，北京 100029； 3.首都醫科大學中心實驗室，北京 100069)

我國是腦卒中的高發國家，80%的腦卒中是由腦供血障礙造成[1]。目前，臨床尚無治療急慢性腦缺血的特效藥物，因此世界范圍內均很重視腦缺血的機制研究及創新藥物研究。基礎研究常采用動物腦缺血模型進行病理機制研究、藥效學評價及藥物作用機制研究。動物實驗研究大多采用在單一時間點進行取材，并采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑染色、組織病理學觀察、分子生物學技術對蛋白基因進行檢測，但由于缺血后的腦損傷是一個動態演變的過程，所以以上檢測方法均不能實現動態觀察腦功能損傷的演變進程。磁共振成像技術是將原子核在強磁場內發生共振后產生的信號經圖像重建[2]。應用磁共振成像技術可以從腦灌注、供血血管、腦組織超微結構及生化代謝方面活體動態綜合評價腦缺血的損傷程度[3]。腦缺血研究中常用的磁共振成像技術包括常規磁共振成像和功能磁共振成像。其中，常規磁共振成像主要有T1加權成像(T1-weighted imaging，T1WI)和T2加權成像(T2-weighted imaging，T2WI)。功能磁共振成像主要有灌注加權成像(perfusion-weighted imaging，PWI)、磁共振血管成像(magnetic resonance angiography，MRA)、彌散張量成像(diffusion-tensor imaging，DTI)及氫質子磁共振波譜(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)等。現就常規磁共振成像技術和功能磁共振成像技術的基本原理及其在腦缺血動物模型研究中的應用予以綜述。

1 常規磁共振成像

TIWI和T2WI均采用自旋回波序列，其中T1WI選用短重復時間，短回波時間，獲得圖像的影像對比主要由T1信號對比決定。T2WI選用長重復時間，長回波時間，獲得圖像的影像對比主要由T2信號對比決定。

T1WI具有較高的信噪比，適于顯示解剖結構，腦梗死在T1WI上表現為低信號。同時，T1WI也是增強檢查的常規序列，對比增強T1WI采用的對比劑是至少含有1個不成對軌道電子的順磁性物質，它可以改變局部組織磁化率，增加局部磁場的不均勻，縮短T1弛豫時間，在T1WI圖像上呈現為高信號。在正常生理條件下，經靜脈快速團注對比劑后，血腦屏障可以阻止對比劑進入腦組織細胞外間隙；但在缺血條件下，血腦屏障受到損傷，通透性增加，對比劑進入細胞外間隙，從而出現腦組織異常強化的高信號。因此，對比增強T1WI不僅可以用于損傷位置及范圍的確定，還常用來評價血腦屏障損傷情況[4]。大腦中動脈閉塞(middle cerebral artery occlusion, MCAO)模型是目前使用最為廣泛的研究局灶性腦缺血及腦缺血再灌注損傷的理想模型。有文獻報道，應用對比增強T1WI技術對永久性MCAO大鼠進行掃描，結果顯示缺血6 h時出現嚴重損傷高信號，隨著缺血時間的延長，高信號減弱，至缺血3 d時再次出現很強的T1高信號[5]。MCAO大鼠在缺血后不同時間點進行缺血再灌注，應用對比增強T1WI掃描發現再灌注前缺血時間越長，損傷異常高信號面積越大[6]。

T2WI在確定病變范圍上有重要作用，可用于觀察腦缺血后缺血區損傷演變進程。腦缺血后，病變部位均會出現大量的水聚集，組織中游離水的增加會使T2橫向弛豫時間延長，在T2WI上顯示為高信號，提示病變區細胞已由細胞源性水腫轉變為血管源性水腫，表明血腦屏障受到損傷[3,5]。有研究應用T2WI技術監測MCAO大鼠腦缺血后1 h、3 h、6 h、12 h、24 h、3 d、9 d的腦損傷情況，結果發現隨著時間延長，腦梗死體積逐漸增加，至24 h達峰值，繼而隨著時間推移腦梗死體積逐漸縮小[5]。

2 功能磁共振成像

2.1PWI PWI是利用磁共振快速成像序列和圖像后處理技術反映血流灌注情況并提供組織器官血流動力學信息。PWI主要有兩種方法：動脈自旋標記(arterial spin labeling，ASL)和動態磁敏感對比增強灌注成像。

ASL技術利用動脈血中的水作為內源性示蹤劑獲取灌注圖像，利用動力學模式獲取腦血流量(cerebral blood flow，CBF)，以反映血流灌注情況[7]。ASL技術被廣泛應用于閉塞性腦血管疾病。其優點是操作簡單，無需注射外源性對比劑，無創傷。有學者應用ASL技術監測永久性MCAO大鼠缺血3 d、7 d及14 d時的CBF發現，缺血3 d時CBF顯著下降，但隨著缺血時間的延長，CBF呈上升趨勢[3]。此外，ASL技術可用于評價血管活性。有研究表明，MCAO大鼠在給予5% CO2的條件下獲取的CBF圖與在給予空氣條件下獲取的CBF圖經信號差值處理可得到血管活性圖，用于評價血管損傷[8]。

動態磁敏感對比增強灌注成像采用對比劑在較短時間內改變局部組織的磁化率，增加局部磁場的不均勻，引起局部的T2、T2*的縮短，進而改變磁共振信號的強弱。其中，信號降低幅度與組織局部對比劑濃度成指數關系。使用T2敏感的平面回波成像序列可獲得時間-信號曲線，將時間-信號曲線轉換為濃度-時間曲線，可計算出CBF、平均通過時間、腦血容量和達峰時間等參數。動態磁敏感對比增強灌注成像的優點是信噪比高。在腦缺血基礎研究中，ASL與動態磁敏感對比增強灌注成像獲取的CBF值存在很大的一致性[9-10]，動態磁敏感對比增強灌注成像可為早期腦缺血提供較為全面的血流動力學參數，可多方位、多角度評估血流灌注情況[11]。然而當對比劑的使用因條件存在局限性時，ASL技術也可較為準確地評價缺血損傷情況[12]。

2.2MRA MRA是一種無輻射及無創傷的血管顯影技術，可顯示血管狹窄及閉塞的情況[13]。MRA技術主要包括時間飛逝法(time-of-light，TOF)和對比增強MRA[14]。TOF-MRA利用血管內血流速度和形態成像，應用血流與靜態組織之間產生對比流動相關增強的原理來描述組織磁化矢量的大小，從而顯示相應部位的血管[3,14]。對比增強MRA需要使用對比劑，縮短T1弛豫時間使血管顯影，其可顯示細小顱內血管，優點為信噪比高、成像速度快[14]。TOF-MRA因無需注射對比劑，故在研究中應用更為廣泛。

TOF-MRA包括2D-TOF-MRA和3D-TOF-MRA，其中2D-TOF-MRA采集成像速度快、范圍廣，一般適用于顱內靜脈和小動脈血管成像，其缺點是血管會相互重疊，且不能進行旋轉觀察。而3D-TOF-MRA因為是三維血管圖像，可以進行旋轉觀察，且受血流中渦流及其他因素影響較小，圖像質量高，具有良好的空間分辨力，缺點為只能顯示腦動脈的三級分支，所以適用于評價血流速度較快的大血管的狹窄及閉塞情況[3,14-15]。有研究表明，應用3D-TOF-MRA可以準確判斷MCAO比格犬的大腦中動脈發生了閉塞，證實MCAO模型誘導成功[14]。另有學者應用3D-TOF-MRA評價MCAO大鼠中動脈閉塞及缺血損傷后側支循環的構建情況，結果發現其可清晰顯示大鼠顱內主要血管(頸內動脈、大腦前動脈、大腦中動脈及大腦后動脈)的走形及分支，可見缺血側大腦中動脈血管影消失，且經藥物治療后可觀察到側支循環的建立[3,16]。

2.3DTI DTI可以在三維空間內定量地分析組織內水分子的彌散特性。生物體內組織細胞轉運屏障，如細胞膜、纖維髓鞘均會影響水分子自由彌散的方向和速率，這種差異是DTI成像的基礎[17]。由于腦缺血后發生的神經元壞死、膠質增生、髓鞘缺失、軸突損傷、神經纖維缺失、細胞炎癥反應等均可影響水分子的擴散速率，所以通過DTI成像可以精確反映腦缺血后大腦白質及灰質超微結構的損傷情況[18-20]。DTI應用最廣泛的參數為部分各向異性(fractional anisotropy，FA)、表觀彌散系數(apparent diffusion coefficient,ADC)、軸向擴散系數(axial diffusivity，λ//)與徑向擴散系數(radial diffusivity，λ⊥)，經纖維束重構后，亦可得到纖維束示蹤圖，用于評價神經纖維損傷。以上參數被廣泛應用于腦缺血動物模型腦白質損傷的評價。

FA是用于定量分析各向異性的參數，是水分子各向異性成分占整個彌散張量的比例[21]。在腦白質中，FA與髓鞘的完整性、纖維的致密性及平行性呈正相關，可用于反映白質的完整性[20,22]。FA降低可反映神經纖維損傷、軸突變性及髓鞘脫失[23-24]。ADC是組織內水分子的擴散速率，用來評估水分子運動受到的限制。在大腦中，由于白質部位神經纖維致密，故致使其ADC明顯低于灰質部位，FA明顯高于灰質部位[22]。λ//是平行于軸索的擴散速率，多用來反映軸索的完整性。缺血早期由于細胞嚴重水腫、軸突損傷，λ//會顯著降低；隨著缺血時間的延長，由于血管源性水腫逐漸加重及缺血后期神經纖維缺失導致λ//升高。λ⊥是垂直于軸索的擴散速率，其改變可以反映脫髓鞘的病理改變，一般在髓鞘脫失、髓鞘形成障礙及神經纖維缺失時λ⊥會升高[17,25]。有研究應用DTI參數評價新生缺氧缺血大鼠腦白質損傷程度發現，當λ⊥顯著升高時，出現髓鞘脫失的非囊性白質損傷[25]。在基礎研究中，需將FA、ADC、λ//及λ⊥綜合分析，才能更為客觀地評價缺血損傷演變進程。在缺血的不同時期，FA、ADC、λ//及λ⊥也在漸進變化中。在腦缺血早期，由于細胞毒性水腫，水分從細胞外間隙進入細胞內，腫脹的細胞導致白質有髓纖維束間隙變窄，限制了水分子橫穿纖維方向的運動，所以導致FA降低，且ADC、λ//及λ⊥均有所降低。隨著缺血時間的延長，由于血管源性水腫加重，并伴隨著髓鞘脫失及形成障礙、軸索損傷、纖維缺失、纖維束之間黏性降低及間隙變寬，故使得水分子的擴散速率增加，此時FA 降低，λ//、λ⊥、ADC會逐漸升高[25-26]。在缺血后期，梗死組織液化壞死、組織缺失導致FA降低，ADC、λ//及λ⊥升高[26]。

彌散張量纖維束成像又稱纖維束示蹤技術是利用彌散張量數據，在活體上三維顯示腦白質纖維束的走行及空間分布的一種無創性成像方法[27]。腦缺血損傷后，應用彌散張量纖維束成像可以觀察到缺血區神經纖維束的走形及其完整性，進而評價腦功能的改變。有研究應用彌散張量纖維束成像評價MCAO大鼠白質神經纖維損傷，結果顯示梗死灶白質纖維束出現離斷、卷曲，且數量明顯減少[16]。

對于缺血損傷DTI較T2WI更為敏感，因此在缺血的超急性期及急性期，常用DTI獲取ADC圖監測低信號范圍變化以評價損傷情況。有研究表明，MCAO大鼠缺血90 min再灌注3 h ADC低信號損傷范圍逐漸擴大，至24 h達峰值，隨后又逐漸縮小[28]。此外，應用迭代自組織數據分析算法將CBF數據與ADC數據進行聚類分析可揭示腦缺血后腦組織缺血半暗帶及缺血核心區的演變歷程[29-31]。在缺血急性期，ADC異常信號區代表不可逆損傷梗死灶區，CBF反映全腦缺血低灌注區，因此CBF顯示的血流低灌注區要大于ADC的異常高信號區，ADC/CBF不匹配區可代表缺血半暗帶區[29,32]。有學者采用ADC數據和CBF數據聚類分析方法觀察了腦缺血再灌注后大鼠腦組織缺血半暗帶區及梗死核心區的演變進程，并評價了藥物治療對缺血半暗帶區的影響[29]。

2.41H-MRS1H-MRS可無創顯示活體組織代謝，利用質子在不同化合物中的化學位移不同來測定化合物的含量[33]。1H-MRS可檢測多種重要的代謝物，如氮-乙酰天冬氨酸(N-acetyl aspartic acid，NAA)、膽堿復合物(choline-containing compounds，Cho)、肌酐(creatine，Cr)、乳酸(lactic acid，Lac)、谷氨酰胺和谷氨酸復合物、脂質、肌醇等[34]。

1H-MRS被廣泛應用于腦卒中的診療[35]。 Cr是腦細胞能量的標志，峰值包括肌酸和磷酸肌酸，作為高能磷酸鹽的儲備形式和ADP及ATP的緩沖劑，肌酸和磷酸肌酸在酸的作用下相互轉化，總量相對恒定，因此常以Cr作為參考值，對其他代謝信號強度進行標準化[36]。NAA/Cr、Cho/Cr、Lac/Cr可準確評價腦缺血后腦組織反應性神經元壞死、軸索損傷、髓鞘脫失及膠質增生情況[36]。NAA是1H-MRS中很重要的一個信號，是神經元的標志物，主要存在于神經元胞體和軸突中，合成于神經元的線粒體，也存在于星形膠質細胞中[37-39]。缺血損傷后，由于神經元的脫失，NAA峰值會降低，這預示著神經元不可逆損傷的出現。研究證明腦缺血損傷后，NAA峰值降低與神經元缺失密切相關[40]。MCAO大鼠缺血15 min再灌注24 h后NAA水平顯著降低，缺血 2周時恢復至正常水平[41]。另有研究表明，光化學誘導的大鼠皮質缺血模型缺血3 d，NAA水平急劇下降，這可能由于神經元缺失造成；然而在第8、30天，NAA水平明顯高于第3天，這可能由缺血損傷后星形膠質細胞大量增生所致，因此在亞急性期及慢性期，不能僅用NAA水平來判斷神經元損傷情況，需采用其他輔助手段進行判定[42]。Cho主要包括甘油磷酸膽堿、磷酸膽堿和磷脂酰膽堿，它們參與了細胞膜的合成與降解，Cho水平升高反映細胞膜破壞，髓鞘脫失[38]。有研究表明，Cho水平的升高與神經膠質增生有關[43]。腦缺血后線粒體功能障礙，糖代謝從有氧化轉化為無氧糖酵解從而產生乳酸，故1H-MRS可檢測到Lac峰的出現。有研究表明，大鼠中動脈閉塞2 h，興奮性神經遞質谷氨酰胺和谷氨酸復合物達到最大值，然后開始下降[44]。此外，肌醇是神經膠質增生的標志物，脂質峰在正常腦組織中不會出現，其出現則提示神經細胞壞死，神經元髓鞘脫失，因此脂質峰可用于壞死細胞的定量分析[45]。

3 小 結

磁共振成像可以實時、動態監測腦缺血后腦灌注、血腦屏障滲透性、炎癥、水腫、腦組織超微結構改變及神經化學物質代謝情況。未來隨著磁共振成像技術的發展，尤其是功能磁共振成像技術的日益完善，應用磁共振成像技術觀察腦缺血動物模型腦損傷的動態演變進程，以及評價藥物對于腦功能恢復的影響將逐漸深入。