單側大腦中動脈狹窄或閉塞腦鐵沉積的定量磁敏感圖初步研究

毛慧敏 ，王新怡 ，陳坤健 ，郭宇 ，王心雨

腦卒中是全球成年人致死、致殘的主要原因，其中最常見的類型為缺血性腦卒中，約占全部卒中的87%[1]。顱內動脈狹窄尤其是大腦中動脈(middle cerebral artery，MCA)狹窄或閉塞是缺血性卒中的主要病因之一[2]。當顱內動脈發生狹窄或閉塞，腦組織的正常血液供應被破壞，進而促進了一系列的病理生理反應，包括神經元過度興奮、線粒體死亡、氧化應激、神經炎癥等[3]，最終導致一系列神經功能障礙性疾病的發生。因此，缺血性腦卒中后的神經功能修復一直是學者們關注的重點方向。大量的缺血性腦卒中動物模型實驗表明病變區域腦組織存在鐵含量增加，并且鐵沉積加劇了缺血/再灌注過程中神經元的損傷[4-6]。此外，有研究表明鐵螯合劑具有改善缺血性腦卒中后神經功能損傷的功效[7]。但是，目前關于缺血性腦卒中患者腦鐵含量的臨床研究較少。

定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping，QSM)是在磁敏感加權成像(susceptibility weighted imaging，SWI)的基礎上出現的一種無創且可以定量分析組織內鐵含量的新型磁共振成像技術。與SWI類似，QSM技術同樣基于物質本身磁敏感性進行成像，再對幅度圖及相位圖進行一系列復雜的后處理得到了具備較高的組織間對比度及空間分辨力的定量磁敏感圖[8]。QSM技術是當今臨床上定量測量活體組織內鐵含量的主要方法[9]。目前，多項研究采用QSM技術探討中樞神經系統疾病如阿爾茨海默病、多發性硬化、帕金森病、狼瘡腦病等腦內鐵含量的變化[10-11]。但將QSM技術應用于檢測缺血性腦卒中腦鐵含量變化的相關性研究較少。本研究采用QSM技術對一側MCA狹窄或閉塞所致缺血性腦卒中患者的腦內深部灰質核團鐵含量變化進行分析探討，以加深對缺血性腦卒中病理機制的認識，從而為臨床治療和改善缺血性腦卒中預后提供指導。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選擇山東第一醫科大學第一附屬醫院2020年6月至2021年4月40例臨床診斷為缺血性腦卒中患者進行MRI檢查。臨床表現主要為頭痛、頭暈、一側肢體麻木無力、言語不清、步態不穩等癥狀。納入標準：(1)經磁共振血管造影(magnetic resonance angiography,MRA)檢查診斷為單側MCA狹窄或閉塞，而其他大血管無狹窄或僅有輕度狹窄；(2)臨床檢查符合缺血性腦卒中的診斷標準[12]，且經顱腦MRI確診；(3)既往無腦出血、腦腫瘤、腦外傷及癡呆病史；(4)臨床資料及影像學資料完整；(5)均為右利手。排除標準：(1)煙霧病、動脈瘤、頸動脈夾層等其他腦血管疾病者；(2)阿爾茨海默病、多發性硬化、帕金森病等其他可能影響神經系統的疾病；(3)MR圖像存在嚴重偽影影響觀察者。

根據上述標準最終納入33例一側大腦中動脈狹窄或閉塞患者，男18例，女15例，年齡25～75(51.7±12.6)歲，病灶位于左側15例，右側18例。本研究經山東第一醫科大學第一附屬醫院醫學倫理委員會批準[倫審字(S896)號]，患者均簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

所有檢查均使用美國GE公司Discovery MR750 3.0 T超高場強磁共振掃描儀及32通道顱腦專用線圈。檢查序列包括T1WI、T2WI、DWI、時間飛躍磁共振血管成像(time of flight magnetic resonance angiography，TOF-MRA)、QSM等。掃描參數：T1WI掃描：TR 2535.2 ms，TE 24.0 ms，FOV 240 mm×240 mm，層厚5 mm，層數20，采集時間44 s；T2WI：TR 5766.0 ms，TE 92.0 ms，FOV 240 mm×240 mm，層厚 5 mm，層數20，采集時間 1 min 3 s；DWI掃描：TR 3000 ms，TE 65.8 ms，b值=1000 s/mm2，FOV 240 mm×240 mm，層厚 5 mm，層數 20，采集時間 24 s；TOF-MRA掃描：TR 21 ms，TE 2.5 ms，FOV 220 mm×88 mm，層厚1.6 mm，層數128，采集時間4 min 1 s；QSM掃描：TR 28.1 ms，TE 3.0 ms，FOV 240 mm×220 mm，層厚 2 mm，層數120，采集時間2 min 31 s。

1.3 圖像處理

將采集獲得的磁共振圖像數據傳輸到 GE Advantage Workstation 4.6工作站上。MRA的原始圖像以最大信號強度投影(maximum intensity projection，MIP)的方式重建。基于MRA圖像對33例患者病側MCA狹窄程度進行評估，評估標準參照北美癥狀性頸動脈內膜切除試驗協作組(NASCET)標準[13]：(1)血管狹窄率(%)=(1－病變動脈最狹窄處血流寬度/狹窄病變遠端的正常血流寬度)×100%；(2)當狹窄率＜50%，為輕度狹窄；當50%≤狹窄率＜70%，為中度狹窄；當70%≤狹窄率＜100%，為重度狹窄；管腔完全閉塞或未見顯影，為100%狹窄或閉塞；(3)如果一個節段有多部位狹窄，則取最狹窄處進行評估。最終將33例一側MCA狹窄或閉塞患者分為輕中度狹窄組12例、重度狹窄組11例、閉塞組10例。

將掃描得到的QSM原始數據以DICOM格式保存，通過MATLAB軟件進行處理得到對應的QSM圖像，其后處理主要包括以下幾個步驟：(1)相位圖像上將相位信息解纏繞；(2)基于幅度圖的腦結構提取；(3)消除寬大的背景場；(4)運用特殊算法將處理后的場圖信息重建出磁化率圖像。

采用Image.J軟件定量測量磁敏感圖中感興趣區(region of interest，ROI)區域的鐵含量。ROI包括雙側尾狀核、蒼白球、殼核、丘腦(圖1)。核團ROI層面的選擇標準為依據核團解剖結構，在磁敏感圖上能夠清晰顯示核團邊界的最佳層面手工勾畫ROI，測量磁化率值。

圖1 A：雙側尾狀核ROI示意圖；B：雙側殼核ROI示意圖；C：雙側蒼白球ROI示意圖；D：雙側丘腦ROI示意圖Fig.1 A:ROI sketch diagram of bilateral caudate nucleus.B:ROI sketch diagram of putamen.C:ROI sketch diagram of globus pallidus.D:ROI sketch diagram of thalamus.

所有數據均采用雙盲法由2名高年資神經放射科醫師對圖像進行一致性分析。

1.4 統計學分析

采用SPSS 22.0統計軟件進行數據分析。采用組內相關系數(intraclass correlation coefficient，ICC)評估2名觀察者測量ROI區域磁敏感值的一致性。所有數據的正態性檢驗采用單樣本K-S檢驗。運用配對樣本t檢驗分析病側灰質核團磁化率值與對照側磁化率值的差異；對三組(輕中度狹窄組、重度狹窄組、閉塞組)的一般資料年齡、性別、受教育程度做一致性分析，使用單因素方差分析(One-way ANOVA)分別比較三組一側MCA狹窄或閉塞患者病側灰質核團磁化率值的差異；P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 測量結果一致性分析

采用ICC評估2名醫師所測量ROI區域磁敏感值的一致性，ICC＜0.40表示可信度較差，ICC＞0.75表示可信度良好。2名醫師所測量各ROI區域磁敏感值的一致性較高(ICC均＞0.75；表1)。

表1 病側和對側各ROI的組內相關系數(ICC)Tab.1 Intraclass correlation coefficient(ICC)of each ROI of the lesion side and the contralateral side

2.2 單側MCA狹窄或閉塞者兩側灰質核團磁敏感值的差異

33例單側MCA狹窄或閉塞患者病側尾狀核、殼核、蒼白球及丘腦磁敏感值均高于對側，其中尾狀核、殼核和蒼白球兩側磁敏感值差異有統計學意義(P＜0.05)，丘腦兩側磁敏感值對比無統計學意義(P＞0.05；表2)。

表2 病側和對側灰質核團磁敏感值比較[ppm(×10-6)，(±s)]Tab.2 Comparisons of susceptibility values of gray matter nucleus between the lesion side and the contralateral side[ppm(×10-6),(±s)]

表2 病側和對側灰質核團磁敏感值比較[ppm(×10-6)，(±s)]Tab.2 Comparisons of susceptibility values of gray matter nucleus between the lesion side and the contralateral side[ppm(×10-6),(±s)]

感興趣區尾狀核殼核蒼白球丘腦病側0.0328±0.0096 0.0598±0.0241 0.1010±0.0288 0.0152±0.0053對側0.0296±0.0090 0.0487±0.0167 0.0929±0.0291 0.0145±0.0054 t值2.237 4.755 2.852 1.157 P值0.0324 0.0001 0.0075 0.2557

2.3 三組不同程度管腔狹窄者病側灰質核團磁敏感值的差異

基于MRA圖像將33例一側MCA狹窄或閉塞患者按管腔狹窄程度分為輕中度狹窄組12例、重度狹窄組11例、閉塞組10例。三組受試者的年齡、性別、受教育程度差異均無統計學意義(P＞0.05)。統計學分析顯示，三組一側MCA狹窄或閉塞者病側尾狀核、殼核、蒼白球及丘腦的磁敏感值差異均無統計學意義(P＞0.05；表3)。

表3 三組不同程度管腔狹窄者病側灰質核團磁敏感值的比較[ppm(× 10-6)，±s]Tab.3 Comparisons of susceptibility values of gray matter nucleus of the lesion side in three groups with different degree of lumen stenosis[ppm(× 10-6),±s]

表3 三組不同程度管腔狹窄者病側灰質核團磁敏感值的比較[ppm(× 10-6)，±s]Tab.3 Comparisons of susceptibility values of gray matter nucleus of the lesion side in three groups with different degree of lumen stenosis[ppm(× 10-6),±s]

病側感興趣區尾狀核殼核蒼白球丘腦輕中度狹窄組0.0312±0.0084 0.0482±0.0155 0.0937±0.0287 0.0148±0.0032重度狹窄組0.0381±0.0101 0.0727±0.0303 0.0957±0.0254 0.0173±0.0062閉塞組0.0292±0.0090 0.0629±0.0229 0.1102±0.0318 0.0129±0.0043 F值2.811 3.194 1.045 2.259 P值0.076 0.055 0.364 0.122

3 討論

缺血性腦卒中是全球人類致殘和致死的主要原因。在我國，顱內動脈粥樣硬化伴狹窄是引起缺血性腦卒中最常見的病因之一，其中以MCA發生狹窄或閉塞的幾率最高[2]。當發生一側MCA狹窄或閉塞后，將會造成相應供血區域腦組織缺血、缺氧，長期缺血、缺氧可導致氧化應激、非感染性神經炎癥、酸中毒、金屬離子代謝紊亂等，進而引起特定部位的神經損傷，最終導致一系列腦功能障礙性疾病的發生，如言語或運動障礙、認知功能障礙、情感障礙等[14-15]。

尾狀核、殼核和蒼白球的血液供應主要來自MCA，小部分來自大腦前動脈和脈絡膜前動脈。丘腦的血液供應主要由大腦后動脈提供。有研究表明，MCA病變所致缺血性損傷區域不僅存在于大腦中動脈供血區域，還存在于丘腦、下丘腦、海馬等腦內深部區域[16]。本研究選取一側MCA狹窄或閉塞患者觀察其腦內尾狀核、殼核、蒼白球及丘腦鐵含量的沉積特點，以更加深入了解缺血性腦卒中的病理生理機制。

鐵是維持正常腦功能必不可少的元素，參與了大腦中眾多生物學過程，包括氧氣結合和運輸、電子傳遞、蛋白質和DNA的合成、神經遞質合成、髓鞘生成、能量和物質代謝等。當鐵穩態受到破壞時，過多的鐵在腦內沉積而產生活性氧的異常釋放、氧化應激反應及細胞死亡，進而對腦組織造成器質上或功能上的損害[17]。

本研究采用QSM技術定量分析一側MCA狹窄或閉塞患者雙側灰質核團鐵含量的變化。結果顯示，33例單側MCA狹窄或閉塞患者病側尾狀核、殼核、蒼白球及丘腦磁敏感值均高于對側，其中尾狀核、殼核和蒼白球兩側磁敏感值差異有統計學意義(P＜0.05)，丘腦兩側磁敏感值對比無統計學意義(P＞0.05)。造成病側灰質核團鐵含量增高的原因可能有：(1)血管內皮細胞的損傷及血腦屏障的破壞導致腦鐵含量的增加。一側MCA狹窄或閉塞后引起供血區域腦細胞缺血、缺氧，其中包括血管內皮細胞的損傷，進而導致血腦屏障的破壞。內皮細胞是鐵運輸的關鍵調節因子，血腦屏障是調節腦鐵轉運和代謝的重要結構[18-19]。當兩者受到破壞后，鐵循環穩態改變，而導致過多的鐵在腦內沉積。(2)缺血性腦卒中后微管相關Tau蛋白減少及功能障礙導致細胞內鐵超載。Tau蛋白參與介導細胞內鐵的轉出，研究表明，Tau蛋白異常與鐵介導的多種神經退行性疾病相關[20-21]。在因一側MCA閉塞所致缺血性腦卒中的大鼠和小鼠模型中，病側半腦的Tau蛋白含量減少，而后該半腦的鐵含量增加[6]。(3)缺血性腦卒中可觸發病理性非感染性神經炎癥，而后釋放過多的促炎細胞因子，包括白細胞介素-1(interleukin-1，IL-1)、白細胞介素-6(interleukin-1，IL-6)、腫瘤壞死因子-α (tumor necrosis factor alpha，TNF-α)[22]。神經炎癥可能會影響中樞神經的鐵穩態。細胞因子通過JAK/STAT3途徑使鐵調素的表達增加，減少鐵釋放從而導致鐵沉積的增加[23]。TNF-α的異常釋放可導致星形膠質細胞和小膠質細胞鐵的攝取和儲存增加[24]。

本研究比較三組患者病側灰質核團磁化率值的差異。結果顯示，三組一側MCA狹窄或閉塞者病側尾狀核、殼核、蒼白球及丘腦的磁敏感值差異無統計學意義(P＞0.05)，由此推測管腔狹窄程度可能不是影響病側灰質核團鐵含量增加的主要因素。但因本研究中各組樣本量較少，且存在測量誤差等因素影響，故還需要進一步大樣本數據來證實兩者的相關性。

在缺血性腦卒中中，由于谷氨酸興奮性毒性、氧化應激、非感染性神經炎癥等造成相應缺血區域神經元的死亡[25]。其中，自由基誘導的氧化應激被認為是缺血/再灌注損傷的重要致病因素。最有害的自由基——羥基自由基，是通過鐵催化反應產生的，鐵超載是缺血性腦組織氧化應激的主要原因[26]。此外，鐵超載加劇了缺血性腦卒中后出血性轉化的風險[27]。在臨床研究中，高水平的血清鐵蛋白也會削弱缺血性腦卒中患者溶栓治療的有益作用[28]。而抑制鐵超載能減輕腦卒中損傷，大量的臨床前實驗表明，在缺血性腦卒中動物模型中使用鐵螯合劑可以減少自由基形成和脂質過氧化，從而降低缺血性腦卒中的死亡率、梗死體積、腦腫脹和出血性轉化的風險[7,29]。

目前關于鐵超載對缺血性腦卒中患者的毒性作用及鐵螯合劑在臨床腦卒中患者中使用效果的研究尚處于初始階段。但大量的臨床前實驗和早期臨床數據表明，鐵螯合劑在多種神經系統疾病包括阿爾茨海默病、帕金森病、缺血性卒中和顱內出血的治療中均發揮有益作用[7,29]。以腦鐵調節為靶點的藥物有望成為缺血性腦卒中潛在有效的治療手段。

本研究采用磁共振QSM技術定量分析一側MCA狹窄或閉塞患者雙側灰質核團鐵水平的變化，結果顯示病側尾狀核、殼核、蒼白球及丘腦鐵沉積含量均高于對側，由此推測MCA狹窄或閉塞后存在腦鐵代謝失調，進一步加深對缺血性腦卒中的病理生理機制的認識，并為將來的臨床診斷和治療提供客觀依據。本研究尚存在一些不足：(1)樣本量較少，入組患者均來自同一醫院，存在一定的選擇偏倚。(2)勾畫ROI過程中存在測量誤差。(3)本研究僅說明管腔狹窄程度對一側MCA狹窄或閉塞者腦內灰質核團鐵沉積的影響較小，但未繼續探究其他因素與之相關性。目前將QSM技術應用于缺血性腦卒中腦鐵含量變化的研究較少，未來仍需要進行大樣本量的研究來進一步闡明缺血性腦卒中與腦內鐵沉積的關系，從而為臨床治療和改善缺血性腦卒中預后提供指導。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。