無癥狀性頸動脈狹窄患者血腦屏障通透性變化的研究

陰曉坤， 葉 靖， 于海龍， 陳蓓蕾

無癥狀性頸動脈狹窄 (asymptomatic carotid artery stenosis，ACAS) 是指發生在頸動脈顱外段的動脈粥樣硬化性狹窄，且不伴由于缺血性卒中、短暫性腦缺血發作或頸動脈狹窄相關的其他神經系統體征或癥狀，多數研究將時間界定為既往6個月內無上述癥狀發生[1]。基礎研究結果顯示，頸動脈狹窄所致的慢性低灌注可能與血腦屏障(blood brain barrier，BBB)通透性的變化有關[2，3]。作為維持大腦內環境穩定的關鍵因素，BBB受損可導致神經細胞死亡及神經系統功能障礙[4]。動態對比增強磁共振 (dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)以組織微循環系統為基礎，經連續快速的掃描得到對比劑注入前后動態增強的圖像，通過對其相關參數的計算分析組織的改變，還能從定量的角度進一步做出解釋[5]。以往的研究聚焦于腦血管病、神經退行性疾病等疾病過程中BBB通透性變化所致的病理生理學表現[6]，但是這種改變是否發生在明顯的病理改變之前，即ACAS患者中，以及這種改變與腦血流灌注及腦萎縮之間是否有關目前尚不明確。本研究將使用DCE-MRI技術非侵入性地評估ACAS患者BBB通透性變化，并觀察上述變化對腦血流及腦組織的相關影響。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象 根據入排標準連續納入2020年7月-2021年10月因體檢發現頸動脈狹窄就診于蘇北人民醫院神經內科，經臨床和影像學診斷為無癥狀性頸動脈狹窄的患者40例，年齡60～83 (68.8±6.9) 歲。

入組標準：(1) 年齡≥60周歲；(2)經頭頸動脈CTA證實存在單側頸動脈顱外段(C1段) 中度以上狹窄 (狹窄程度≥50%)；(3)6個月內無缺血性卒中、短暫性腦缺血發作或頸動脈狹窄相關的神經系統體征、癥狀發生。

排除標準：(1) 經臨床和MRI明確診斷為腦梗死或短暫性腦缺血發作的患者；(2) 既往有動靜脈畸形、靜脈竇血栓、頭頸部血管動脈瘤、夾層等血管疾病；(3) 既往有腦腫瘤、腦部手術、外傷史或其他腦損傷等；(4) 不能配合相關檢查的患者。

本研究方案經蘇北人民醫院醫學倫理委員會審查批準 (倫理審批號：蘇北人民醫院醫學倫理委員會2019KY-037)，患者或其家屬均簽署了診療知情同意書。

1.2 研究方法 采用自身對照的研究方法，使用DCE-MRI對入組的40例ACAS患者進行頭部MRI掃描，并對影像資料進行圖像后處理以得到其頸動脈狹窄側和對側大腦半球Ktrans值、CBF值及灰質體積，并對以上所得到的數據資料進行分析、檢驗。

1.3 MRI檢查 MRI的掃描使用3.0T 750W磁共振[通用電器醫療集團公司 (美國GE公司)]完成，按序完成T1加權成像 (T1-weighted imaging，T1WI)、T2加權成像 (T1-weighted imaging，T2WI)、動脈自旋標記(arterial spin labaling，ASL) 灌注成像、動態對比增強灌注加權成像 (dynamic contrast-enhanced perfusion weighted imaging，DCE-PWI) 及3D純軸位腦容積(3-dimensional axial brain volume，3D AxBRAVO) 增強序列的掃描。T1WI、T2WI為快速自旋回波，其掃描參數：重復時間/回波時間2 534ms/29 ms (T1WI)、5324 ms/101 ms (T2WI)，視野240×240 mm2，層厚5mm，無間距。3D質子快速自旋回波偽連續螺旋采集ASL技術掃描參數：TR/TE 4632 ms/1.5 ms，矩陣96×61，視野240×240 mm2，層厚5 mm，無間距，標記后延遲1535 ms。DCE-PWI則采用軸位梯度回波T1WI序列掃描，參數：重復時間/回波時間 5.26 ms/1.67 ms，矩陣192×168，視野 220×220 mm2，層厚5 mm，無間距，翻轉角度包括3°、6°、9°、12°、15°。完成5組T1WI平掃后進行DCE檢查 (共60次采集)，在第5次采集完成后經肘靜脈注入釓雙胺對比劑[歐乃影，通用電氣藥業 (上海) 有限公司](總量以0.2 mg/kg計算，速率為3 ml/s)，隨后再以相同速率注射等滲鹽水。最后掃描3D AxBRAVO增強序列，參數：重復時間/回波時間7.8 ms/3.0 ms，矩陣512×512，視野240×240 mm2，層厚1.2 mm，重疊層間距0.6 mm。

1.4 MRI圖像資料后處理

1.4.1 ASL圖像后處理 將ASL序列圖像傳入GE公司的ADW4.6圖像后處理工作站，使用Funtool軟件處理得到患者頸動脈狹窄側及對側大腦半球的腦血流量 (cerebral blood flow，CBF) 偽彩圖。ROI區域的選擇由2名工作經驗豐富的放射科醫師協助完成，在原始圖像資料中狹窄側大腦半球頸動脈供血區域的3個不同層面上各隨機勾畫3個ROI (共9個)，并通過鏡像選定對側同源的ROI區域面積差值<5 mm2，注意避開血管所在區域。測定所選取ROI區域CBF值并計算其平均值。

1.4.2 DCE-MRI圖像后處理 將MRI圖像的原始資料傳入GE公司的工作站，使用Omni-Kinetics軟件[GE醫療，中國]進行后處理以得到BBB通透性改變 (用Ktrans值表示) 的相關數據資料。使用Extendetofts linear雙室模型對腦組織感興趣區(area of interest，ROI)進行后處理，血管輸入函數以腦組織的時間-信號強度曲線表示。在頸動脈狹窄側大腦半球選取與ASL序列中相同的ROI區域，并通過鏡像選定對側同源的ROI區域，得到ROI內Ktrans值后，分別計算頸動脈狹窄側及對比側ROI的Ktrans平均值。Ktrans是從血漿到組織間隙的體積轉移常數，代表對比劑的攝取，Ktrans值越高，則代表大腦半球血-腦屏障通透性越高[7]。

1.4.3 3D AxBRAVO圖像后處理 3D AxBRAVO序列圖像則傳入聯影智能公司的人工智能腦結構分析平臺，由人工智能系統對腦區進行自動劃分，并自動計算出頸動脈狹窄側及對側皮質各腦功能區灰質及皮質下灰質的體積。

1.5 統計學分析 使用SPSS 26.0軟件對以上數據進行統計學分析。使用Shapiro-Wilk檢驗對計量資料進行正態性檢驗，不符合正態分布的計量資料以M(P25，P75)表示。ACAS患者兩側大腦半球的CBF值、Ktrans值和灰質體積差異的比較采用Wilcoxon非參數秩和檢驗。ACAS患者頸動脈狹窄側腦灌注、血腦屏障通透性和皮質灰質體積之間使用Spearman相關分析。P≤0.05認為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 頸動脈狹窄患者兩側大腦半球血流灌注比較 ACAS患者頸動脈狹窄側的CBF值較對側明顯降低，分別為40.439 0 (33.161 8，49.685 8) ml/(100 g·min)、44.197 2 (39.513 5，49.719 3) ml/(100 g·min)，差異有統計學意義 (Z=-4.288，P<0.001)。ACAS患者頸動脈狹窄側大腦半球血流灌注低于對側 (見圖1)。

A：頭頸部動脈CT血管成像，示左側頸動脈C1段重度狹窄；B：頭部MRI彌散加權成像序列，示無急性卒中病灶；C：將ASL序列后處理得到CBF偽彩圖，示左側大腦半球灌注低于對側

2.2 頸動脈狹窄側與對側Ktrans值比較 ACAS患者頸動脈狹窄側Ktrans值較對側明顯升高，分別為0.004 8(0.0012，0.0057)/min，0.004 8 (0.001 1，0.005 4)/min，差異有統計學意義 (Z=-2.527，P=0.012)。ACAS患者頸動脈狹窄側大腦半球血腦屏障通透性高于對側 (見圖2)。

A：左側大腦半球灌注低于對側；B：左側大腦半球血腦屏障通透性較對側升高

2.3 頸動脈供血區域皮質灰質體積的變化 ACAS患者頸動脈狹窄側頸動脈供血區大腦皮質灰質的體積明顯低于對比側，其中，兩側顳葉、額葉、頂葉及島葉頸動脈狹窄側的體積與對側相比均有萎縮，差異具有統計學意義。但兩側皮質下灰質體積相比差異不具有統計學意義 (見表1)(見圖3)。

A：顳葉；B：額葉；C：頂葉；D：島葉；E：皮質下灰質。頸動脈狹窄側灰質體積小于對側

表1 ACAS患者頸動脈狹窄側及對側灰質體積比較[M(P25，P75)，cm3]

2.4 Ktrans值、CBF值 和皮質灰質體積的相關性分析 ACAS患者頸動脈狹窄側大腦半球的Ktrans值與CBF值之間具有負相關關系 (r=-0.334，P=0.035)，Ktrans值與皮質灰質體積之間 (P=0.583)、CBF值與皮質灰質體積之間 (P=0.539) 不具有統計學相關性。

3 討 論

由于缺乏敏感性高且無創的手段對BBB的變化進行定量評估，以往的研究對ACAS與BBB通透性改變的相關性鮮有報道。由于具有非侵入性、能夠定量分析、高敏感性的特點，DCE-MRI不僅應用于急性腦血管病、腫瘤等疾病，在一些神經退行性疾病、細微BBB通透性改變的研究中也有著良好的表現。近年來的研究發現，DCE-MRI可以定量評估細微的血腦屏障通透性變化，并且具有良好的重復性[5]。

本項研究使用DCE-MRI技術進行評估后發現，ACAS雖然沒有發生急性腦血管事件等嚴重的后果，但在這類患者中已經出現了頸動脈狹窄側相應供血區域BBB通透性的升高。已有的研究發現BBB通透性的改變通常發生在具有明顯癥狀的疾病中，如急性腦血管病、阿爾茨海默病等[5]。本項研究結果則顯示，在明顯的病理改變發生之前就已經出現了BBB通透性的改變，這提示無癥狀性頸動脈狹窄不應該被認為是“無癥狀”的，在臨床工作中發現ACAS患者時，應當注意隨訪，必要時進行干預。

頸動脈狹窄是動物實驗中腦低灌注相關研究常用的模型，臨床研究也顯示超過80%的ACAS患者頸動脈狹窄側大腦半球血流灌注低于對側[8]。本研究使用ASL技術對ACAS患者兩側大腦半球CBF值進行測定和分析也得到了類似的結論。不僅如此，本研究對影像學資料分別進行Ktrans值和CBF值的處理后發現，ACAS患者頸動脈狹窄側大腦半球的頸動脈供血區域存在廣泛低灌注狀態的同時，也存在BBB通透性的升高。這一發現與既往的動物實驗結果一致，Liu等人對實驗組大鼠進行雙側頸總動脈狹窄手術，對照組進行假手術，并評估術后兩組大鼠的腦血流量和BBB通透性。結果顯示，在實驗組大鼠CBF明顯下降后的第2天就出現了明顯的EB外滲，而當實驗組的腦灌注情況逐漸改善后，兩組的EB外滲之間無明顯差異[3]；Sekaran等人使用同樣的頸動脈狹窄模型，發現在術后第1天時實驗組BBB通透性明顯高于對照組，而第3、7、14、30天時兩組的BBB通透性差異無統計學意義[2]；說明在頸動脈狹窄所致的低灌注發生后，出現了BBB通透性的損傷。本研究將經過后處理的Ktrans偽彩圖與CBF偽彩圖進行對比時可以看到，BBB通透性升高的區域與灌注降低的區域并非完全一致，這可能與Willis環的代償作用有關[9]，在低灌注發生早期時Willis環對缺血組織的代償避免了BBB通透性改變的發生，而在晚期代償不足時，相應區域發生了明顯的BBB通透性變化。

頸動脈狹窄對大腦的影響不僅僅是改變了腦血流量和BBB的通透性。動物研究認為腦血流灌注的減少會導致大腦皮質萎縮[10]，Matsumoto等人的臨床研究顯示，阿爾茨海默病患者內側顳葉的萎縮與BBB通透性升高有關 (r=0.567，P=0.0023)[11]。本研究使用人工智能分析軟件對ACAS患者的皮質灰質進行了分割和體積計算，發現BBB通透性升高側的大腦半球皮質灰質體積明顯小于對側。Shen等人在動物研究中通過病毒載體將血管生成素-1與內皮細胞生長因子1∶1導入腦中動脈閉塞的小鼠體內，發現兩者共同表達能夠增加BBB的結構完整性，并減少了腦體積的萎縮[12]；Gu等人也發現外源性藥物Poloxamer 188對卒中患者的BBB具有保護作用，并且可以減少卒中發生3周后的腦萎縮程度[13]。本項研究的結果顯示BBB損傷區域的大腦半球皮質灰質出現萎縮，但兩側皮質下灰質的體積差異并不顯著，這可能是由于在低灌注發生后，皮質灰質相比于皮質下的腦組織更容易受到影響[14]。腦萎縮的患者通常伴有認知障礙的發生[15]，關于ACAS患者是否已經出現了認知功能的下降還有待進一步研究。

將上述結果進一步分析發現，ACAS患者頸動脈狹窄側的Ktrans值與CBF值之間具有負相關關系，這說明ACAS患者頸動脈狹窄側大腦半球的BBB通透性增加與低灌注有關。低灌注會影響神經血管單元細胞之間的信號傳導、神經血管偶聯機制等，發生膠質細胞活化、血管內皮細胞代謝失調、毛細血管周細胞收縮等，使BBB通透性發生改變[16]。但本研究并沒有發現頸動脈狹窄側的皮質灰質與BBB通透性、CBF之間的統計學相關，一方面，本研究對于BBB通透性域和CBF的測量是在頸動脈供血區的腦組織中進行的，所選擇的ROI區域可能也包含一些白質組織，而體積的測定只包含了皮質灰質，另一方面，由于納入的患者數較少，可能會造成統計學的偏倚。

綜上所述，ACAS患者中已經出現了頸動脈狹窄側大腦半球腦血流量的減少和相應供血區域BBB的損傷，兩者之間具有相關性。同時，在BBB通透性發生改變的大腦半球出現了皮質灰質的萎縮，BBB通透性的改變與認知障礙之間的相關性有待進一步研究。本研究也為針對ACAS是否需要血管內干預提供了重要提示，及時的處理ACAS可能對大腦存在潛在地保護作用。

本項研究對ACAS患者的腦灌注、BBB通透性及腦體積之間的關系得到了一個初步的結論，也具有一定的局限性。首先，由于樣本量較小，未能進一步分組以分析各腦區灌注、BBB及體積的相關性。其次，因未將頸動脈輕度狹窄的患者納入，因此無法進一步探討BBB的損傷是否與頸動脈狹窄程度呈線性相關。另外，由于本項研究為自身對照研究，因此無法完成BBB通透性變化相關因素的分析。將來需要更大的樣本量及多指標研究以得到更有說服力的結果。