血腦屏障通透性定量評估在老年腦小血管疾病中的應用

鄧云 徐俊

腦小血管疾病(cerebral small vessel disease,CSVD)是一個涵蓋大腦小血管(腦小動脈、穿支動脈、毛細血管和小靜脈)所有病理過程的總稱。Tsai等[1]的一項系統回顧研究顯示，CSVD約占中國缺血性卒中人群的20%～42%，且比白種人高。老年CSVD病人可無臨床癥狀，也可根據部位不同表現出輕度認知功能障礙、癡呆、情緒障礙、運動和步態障礙以及尿失禁等癥狀[2]。CSVD涉及的動脈和靜脈管徑太小，無法通過傳統影像學方法在體內直觀地顯現，故CSVD的診斷往往是根據相應的腦損傷模式。目前MRI所示病變已被作為CSVD的標志物，核磁成像主要影像學特征包括急性腔隙性(或小的皮質下)梗死、腦白質高信號(white matter hyperintensity,WMH)、腦微出血(cerebral microbleed,CMB)、血管周圍間隙擴大(enlarged perivascular space, EPVS)和腦萎縮[3]。CSVD腦損傷的可能機制有很多，包括低灌注、內皮功能障礙、血腦屏障受損、血管反應性受損、少突膠質細胞功能障礙、氧化應激和炎癥[4-6]。

1 血腦屏障與CSVD

血腦屏障由內皮細胞、周細胞、星形膠質細胞和基底膜構成，核心成分是由內皮細胞形成的腦血管。血腦屏障內皮細胞之間的連接復合體包括緊密連接(tight junction, TJ)和黏合連接(adherens junction, AJ)，保障了血腦屏障的屏障特性。血腦屏障內皮細胞之間的TJ限制了血腦屏障上親水分子的胞外流動，且胞吞轉運速率極低，極大程度地限制了分子通過內皮細胞層的細胞旁和跨細胞運動[7]。而氨基酸轉運體、葡萄糖轉運蛋白-1、單羧酸轉運體等轉運蛋白可以促進大分子或極性分子進出血管腔。血腦屏障這種限制性的水交換在保護大腦免受水腫方面具有生理意義。周細胞分布在血管內皮細胞與基底膜之間，不完全覆蓋內皮細胞層，具有生成血管、維持血腦屏障通透性和收縮血管等功能[8]。星形膠質細胞是覆蓋在基底膜和周細胞表面的膠質細胞，其細胞膜呈足樣延伸，主要作用是維持血腦屏障微環境功能，包括監測電化學活性、先天免疫調節以及調節水和代謝物的平衡[9]。

內皮功能障礙以及其相關的血腦屏障功能障礙在CSVD病理生理學中起著至關重要的作用。早期研究中，無論神經影像學或腦脊液分析均提示血腦屏障滲漏是CSVD的一個常見特征[10]。研究發現，與正常腦白質病人相比，血腦屏障滲漏在具有WMH影像表現的病人中表現更為明顯，且與腦組織損傷的嚴重程度呈正相關。因此，血腦屏障完整性是病理生理學研究中重要的評估指標，在CSVD治療評價中可發揮重要作用。Wong等[12]研究發現，血腦屏障滲漏與組織區域的腦血流量(cerebral blood flow,CBF)降低呈負相關，而這種聯系在距離WMH較遠的邊緣地帶變得較弱。目前CSVD病人中血腦屏障滲透性發生改變的機制沒有統一定論。一個可能機制是，CSVD病人較低的CBF導致了低剪切力，而低剪切力已被證明與TJ表達有關，最終內皮細胞之間減少的TJ導致血腦屏障功能障礙[13]。還有研究表明，CSVD組織缺氧觸發了氧化應激及炎癥反應，從而引起血腦屏障結構的破壞，如內皮細胞間TJ的破壞，周細胞在毛細血管腔外表面收縮和基底膜破裂等[14-15]。

2.1 動態對比增強MRI(DCE-MRI)的概念 當血腦屏障完整性被破壞后，順磁性造影劑可以從腦血管泄漏到血管外細胞外間隙，并改變組織水的T1、T2和T_2弛豫率，從而改變了測量到的核磁信號強度[16]。根據此原理的核磁共振成像方法分為兩種：基于T2或T_2變化的動態磁敏度對比增強MRI(dynamic susceptibility contrast enhanced MRI,DSC-MRI)，強調了釓造影劑對信號回波的敏感性影響[17]和基于T1加權變化的DCE-MRI。目前在CSVD和其他低滲透性疾病中，DCE-MRI是定量測量血腦屏障通透性最常用的神經成像方法[16]。

篩選出合適的造影劑后，磁共振成像測量滲透率方面的研究不斷地進展。上世紀80年代，Runge等[18]率先在動物實驗中分別注射鉻-乙二胺四乙酸(chromium-ethylene diamine tetraacetic Acid,Cr-EDTA)和釓-二乙烯三胺五乙酸(gadolinium-diethylenetriamine pentaacetic acid,Gd-DTPA)作為造影劑，對比發現Gd-DTPA由于其低毒性和強順磁效應更適合用來評估組織功能和灌注變化。現在Gd類造影劑通常被用于量化滲透率的核磁成像。不過，由于含有釓的造影劑有引起腎源性全身纖維化的風險，故臨床應用時僅限于腎功能正常的病人[19]。

2.2 DCE-MRI數據采集及分析 DCE-MRI利用了釓造影劑對信號回波的弛豫效應，選擇感興趣區域(region of interest，ROI)用于研究。在注射造影劑之前、期間和之后獲取連續的T1加權圖像[20]。

DCE-MRI數據分析分為半定量和定量兩種方法。半定量分析常用的參數包括曲線下的初始面積、達峰時間、最大斜率和最大信號強度等。半定量分析易于操作，但難以將信號強度轉變為造影劑濃度，不能準確反映病變組織內造影劑濃度的變化情況。定量分析的方法涉及更復雜的數據采集和分析過程，可以計算感興趣區內的造影劑濃度，較半定量分析能更準確地反映生理學過程。

定量分析最簡單的參數是釓濃度時間曲線下的初始面積(initial area under the gadolinium concentration time curve, IAUGC)，此外還可以擬合多個藥代動力學模型對信號強度-時間曲線進行計算，以衍生出一系列定量參數用于評估，常用的有擴展的Tofts模型、單室模型和Patlak模型等[21]。常用的定量參數包括分布速率常數(distribution rate constant,Ktrans)、血管外細胞外間隙容積分數(extravascular-extracellular volume fraction,Ve)、部分血漿容積分數(fractional blood plasma volume,Vp)及再分布速率常數(redistribution rate constant,Kep)[22]。Ktrans是單位時間內對比劑從血液進入到組織間隙的轉運容積，Ktrans和Ve均反映了造影劑通過血管壁的能力，即血管的通透性。Vp是血漿占據的組織體積的分數。Kep是單位時間內由血管外細胞外間隙回流至血管的造影劑量。

2.3 量化DCE-MRI評估血腦屏障通透性在老年CSVD中的應用 除了CSVD外，DCE-MRI已被用于評估血腦屏障在其它相關疾病中的通透性，包括血管性認知障礙、Binswanger病、認知障礙和癡呆、卒中、2型糖尿病和衰老[16]。下面列舉近年來量化DCE-MRI評估血腦屏障通透性在老年CSVD中的應用。

Li等[23]研究了血腦屏障滲透率與CSVD總負擔的相關性。在排除了癥狀性卒中或中-重度頸動脈狹窄、造影劑禁忌證及腫瘤后，該研究最終納入99名(男性49.5%)體檢人員,年齡(70.33±9.07)歲。該研究使用CSVD相關MRI特征作為量表評分項目，包括腔隙性腦梗死灶(長度3～15 mm)。深部腦白質Fazekas評分2分和(或)腦室周圍白質Fazekas評分3分、深部或幕下CMB(每個直徑≤10 mm)、基底節區血管周圍間隙擴大中重度(2～4級)，并通過累計分數表示CSVD總負擔，得分范圍0～4分，分數越高則CSVD總負擔越大。該研究數據分析采用Patlak圖形方法為模型，結果參數分為血腦屏障泄漏率(Ktrans)、泄漏曲線下面積(AUC)和血漿分數(Vp)。在通過MRI圖像分析后，99名受試者的量表評分如下：31人(31.31%)評0分，25人(25.25%)評1分，16人(16.16%)評2分，15人(15.15%)評3分，12人(12.12%)評4分。而CSVD影像特征分布為：腔隙性腦梗死38(38.38%)人，WMH 47人(47.47%)，CMB 24人(24.24%)，EPVS 41人(41.41%)。Spearman相關分析顯示，Ktrans、AUC均與CSVD負擔呈正相關。而單因素線性回歸分析顯示，Ktrans和AUC與CSVD負擔呈正相關。而正常白質、皮層灰質和深部灰質中的血漿容積分數與CSVD負擔呈負相關。在調整年齡、性別和血管危險因素后，這些關聯仍然有顯著意義。

正常衰老也可造成血腦屏障功能障礙。Zhang等[24]通過量化DCE-MRI檢查比較了77名癥狀性CSVD病人(男性占60%)與39例正常對照組(男性占59%)之間的血腦屏障滲漏率和相對滲透量，2組分別進行DCE-MRI檢查和結構性腦MRI(3.0T)，包括T1加權序列和T2加權液體衰減反轉恢復(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)序列，結果顯示CSVD組存在血腦屏障功能障礙，反映了血管內皮損傷而使泄露的小分子外泄。另外，血腦屏障障礙后血漿大蛋白外滲并未顯著增加，導致CSVD組滲透率結果雖高于對照組，但差異無統計學意義。不過該研究未進行縱向調查，病人均未再復查DCE-MRI，因此不能確定血腦屏障通透性是否隨著時間發生變化。

3 其他評估血腦屏障通透性的方法

有研究通過使用Ga-EDTA或2-氨基-[3-11C]異丁酸為造影劑的正電子發射斷層掃描評估血腦屏障泄漏[25-26]，但由于電離輻射的使用及費用成本高，空間分辨率有限，限制了它們在CSVD研究中的應用。也有研究通過使用計算機斷層掃描灌注成像的方法評估血腦屏障的完整性[27]，但也有輻射劑量的風險，而且需要注射碘造影劑。

雖然有研究將DSC-MRI用于評估卒中和腫瘤的血腦屏障滲漏，由于采集時間短，建模的難度以及所研究的血管管徑不同，且CSVD中血腦屏障滲漏率量級低于腫瘤，故限制了DSC-MRI的相關應用[28-29]。

動脈自旋標記(arterial spin labeling, ASL)灌注MRI使用磁性標記的水作為內源性示蹤劑對腦血流進行無創測量，跨血腦屏障交換的水分子可以通過基于血管內和血管外間隙中的ASL信號分數來量化。Shao等[30]提出了一種3D彌散制備的ASL灌注MRI序列，用以標測跨血腦屏障交換的水分子，并指出在具有CSVD風險的老年人群中，該序列可無創、重現性好地測量血腦屏障的水滲透性。其評估血腦屏障功能障礙的臨床價值有待進一步研究。

4 結語

越來越多的研究表明MRI在量化血腦屏障功能障礙中的優勢，可用于研究老年CSVD的病理生理學研究。由于Gd類造影劑對腎功能的影響限制了DCE-MRI的部分應用，本文中描述的用于評估血腦屏障完整性的其他技術如ASL灌注成像等也可能會得到進一步的發展，但目前DCE-MRI是量化血腦屏障通透性常用的神經成像方法。