阿爾茨海默病相關血腦屏障的影像學研究進展

王兵兵，羅與，白巖，吳亞平，申雨，王梅云*

作者單位 1.鄭州大學人民醫院醫學影像科，鄭州 450003；2.河南省人民醫院醫學影像科，鄭州 450003

0 引言

阿爾茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是以認知功能減退為主要癥狀的神經系統退行性疾病，其具有年齡依賴性，患病率隨著人口老齡化的加劇而逐年激增，是危害老年人健康的主要疾病。目前，AD 的發病機制尚不明確，普遍認為β-淀粉樣蛋白（β-amyloid, Aβ）過度沉積、tau 蛋白過度磷酸化、神經炎癥、載脂蛋白E（apolipoprotein E, APOE）、腦內淋巴系統功能障礙等都與其發病緊密相關[1-2]。血腦屏障（blood-brain barrier, BBB）作為腦組織與外周血液之間的保護性屏障，對于維持腦內生理穩態具有重要意義，其結構及功能異常參與多種中樞神經系統疾病的發生、發展[3]。研究已經發現，BBB損傷在AD發病進程中具有重要作用[4-6]，而其與AD 病理學的關聯有助于闡明其作用機制。目前，尚無能逆轉AD 疾病進程的有效方法，因而早期識別AD 并進行干預可能是延緩疾病發展的有效措施。

影像學技術可以在體反映BBB 結構及功能改變，是研究BBB 損傷與AD 病理學關聯的重要方法。動態對比增強MRI（dynamic contrast-enhanced MRI,DCE-MRI）、動脈自旋標記（arterial spin labeling,ASL）以及血管-水交換成像（vascular-water-exchange imaging, VEXI）可以定量檢測BBB滲透性的改變，不同于DCE-MRI需要使用外源性對比劑，ASL及VEXI均以內源性水分子為對比劑，屬于完全無創的MRI檢查新技術。正電子發射計算機斷層顯像（positron emission tomography, PET）可以通過應用不同類型的放射性示蹤劑反映BBB轉運功能異常。而新近發展起來的磁共振引導聚焦超聲（magnetic resonance-guided focused ultrasound, MRgFUS）則能可逆性打開血腦屏障，有可能為AD的治療開辟路徑。

1 BBB的組成

BBB 主要由腦微血管內皮細胞（cerebral micro vascular endothelial cell, BMEC）、緊密連接（tight jointions, TJ）、周細胞及星形膠質細胞組成。BMEC是BBB 的主要結構，其排列相對緊密，胞飲活性較低，但其細胞上鑲嵌有多種轉運蛋白，胞內含有多種酶，因而可以選擇性介導血液中的營養物質輸送至中樞神經系統，同時清除代謝廢物及其他有害物質[7-8]。TJ 是由細胞骨架蛋白、胞質附著蛋白及跨膜蛋白共同組成的復合物，位于BMEC 之間，與BMEC一起構成BBB 選擇通透性的結構基礎[9-10]。周細胞位于BMEC 外，不僅參與緊密連接蛋白的表達的調控，而且能夠誘導星形膠質細胞末端足突極化[11-13]。星形膠質細胞覆蓋于腦毛細血管外，能夠分泌多種體液分子，表達轉運蛋白，參與維持腦內離子及酸堿平衡并介導腦內信號轉導[14-16]。以上結構相互作用，協同運轉，對進出腦組織的物質進行嚴格調控，從而保持腦組織內環境的基本穩定。

2 BBB損傷與AD病理學

BBB 損傷主要包括結構及功能的改變，滲透性增加、轉運功能異常是其主要方面，相關任何節點發生紊亂，都可能引起腦組織病理改變，與AD 的病理學改變密切相關[17]。

2.1 Aβ

BBB上含有多種Aβ相關轉運蛋白，對Aβ的清除至關重要。研究發現，AD患者BBB上介導Aβ向腦內轉運的晚期糖基化終末產物受體表達增高，而介導Aβ從腦內清除的磷酸-糖蛋白（P-glycoprotein, P-gp）、三磷酸腺苷結合盒轉運體和低密度脂蛋白受體相關蛋白1 表達減低，從而加劇了Aβ 在腦內病理性積聚[4]。而其他與葡萄糖、氨基酸相關的轉運蛋白的異常可以通過影響腦物質及能量代謝加重Aβ病理性沉積。同時，具有細胞毒性的Aβ 可以通過氧化應激等途徑破壞TJ相關蛋白，引起AD患者BBB滲透性增加[18]。

2.2 tau蛋白

病理性tau 蛋白積累可通過線粒體損傷及慢性神經炎癥促進BBB 損傷。有研究發現，海馬血管周圍tau 蛋白水平與BBB 功能障礙相關，而tau 蛋白水平減低有助于抑制BBB 的損傷[19]。病理性tau 蛋白可以影響線粒體的分布及功能狀態，引起能量代謝障礙，促進氧化應激反應，同時誘導神經膠質細胞、內皮細胞等分泌炎性因子，有助于慢性神經炎癥的發生、發展，從而引起BBB損傷[20]。

2.3 神經炎癥

顱內神經炎癥主要由小膠質細胞和星形膠質細胞介導，小膠質細胞及星形膠質細胞的激活產生多種促炎細胞因子及內皮細胞C3a受體的激活引起細胞內鈣離子濃度升高通過破壞BBB上TJ復合體的結構引起BBB 滲透性增加[21]。BBB 滲透性增加使得血液中的炎癥、免疫細胞等進入腦實質，尤其是海馬、顳葉皮層等區域，并釋放促炎細胞因子等神經毒性物質，加劇腦內炎癥反應，進而引起神經元的損傷甚至死亡[22]。

2.4 APOE風險基因

APOE4 等位基因是遲發型AD 的最普遍的遺傳高風險因素，能夠強烈驅動腦內Aβ 及tau 相關病理學進展和神經炎癥等的發生。APOE4主要在腦內星形膠質細胞表達，可以通過損傷TJ 復合體及周細胞引起BBB滲透性增加[23]。

2.5 淋巴系統

近年來，腦內淋巴系統在AD 發病機制中的作用越來越受到關注。水通道蛋白4（aquaporin-4, AQP4）不僅是水分子跨膜轉運的主要蛋白，也是淋巴系統介導Aβ腦內清除的主要通道，主要存在于BBB 星形膠質細胞足突上，其表達及定位異常不僅影響BBB上的水交換，而且阻礙了Aβ經淋巴通路的腦內清除[24]。

3 影像學技術在AD的BBB損傷中的應用

3.1 DCE-MRI

DCE-MRI 是目前評估BBB 滲透性的標準影像方法，通過靜脈注射對比劑后腦組織的T1 信號變化來反映不同區域腦組織灌注及毛細血管通透性。釓噴酸葡胺是臨床上最常用的對比劑，其分子質量大于水，正常情況下BBB 對其不通透，但當BBB 滲透性增加時，它可以通過BBB進入細胞外間隙，使得相應組織信號增高。Ktrans值是評估對比劑通過細胞旁途徑從血管內向組織間隙透過能力的主要參數，是評估BBB滲透性的直接指標。

DCE-MRI 是檢測神經系統疾病BBB 異常應用最廣泛的影像學技術，已經被應用于AD、腦卒中、腦腫瘤等神經系統疾病的研究中[25]。目前，其在探索BBB 損傷與AD 的關聯上已經取得了一定進展。MONTAGNE 等[26-27]采用DCE-MRI 聯合Patlak 分析模型探索不同年齡輕度認知障礙（mild cognitive impairment, MCI）患者和正常對照者（normal control,NC）BBB 滲透性變化，發現兩組受試者海馬CA1 亞區和齒狀回的Ktrans值均隨著年齡呈線性增長，且MCI組Ktrans值上升速度更快，增幅達60%，提示海馬BBB滲透性增加具有年齡依賴性，與認知功能障礙的發生有關，可能是AD 早期診斷的敏感生物學標記物。而另一項研究發現MCI 及AD 患者BBB 滲透性增加與Aβ 淀粉樣蛋白的腦內沉積嚴重程度及海馬萎縮程度呈正相關[28]，說明BBB滲透性增加與AD的病理學相關，其嚴重程度可能反映AD 的疾病進程。APOE4 等位基因被認為是遲發型AD 的最敏感的遺傳風險因素，MONTAGNE 等[29]應用DCE-MRI 發現APOE4 等位基因攜帶者（無論是MCI 還是NC）內側顳葉BBB 滲透性增加，內側顳葉是與認知功能相關的關鍵腦區，是AD 最早出現異常的區域，其BBB 損傷可能是APOE4 促進AD 進展的機制之一，而且這種機制在AD的前驅期就已發揮作用。

基于DCE-MRI 的研究表明，BBB 滲透性增加可能參與AD 早期發生，同時與AD 的病理學進程密切相關，而海馬BBB 滲透性增加有作為早期認知功能下降的生物標記物的潛力，可能是AD 的早期診斷的敏感成像標記物。DCE-MRI作為迄今為止識別及定量檢測早期BBB 滲透性變化的最靈敏技術，具有重要的臨床應用價值，但由于所用對比劑分子量稍大，可能對BBB 滲透性的更細微變化檢測效能較低，且對比劑輸注的風險也不能忽略，未來新的敏感、安全的對比劑的研制可能是其研究方向。

3.2 ASL

ASL 是一種間接測量BBB 水交換率的無創MRI技術。它以磁性標記的水作為內源性示蹤劑對腦組織進行成像，通過比較毛細血管和腦組織中磁化水擴散系數的差異反映BBB 對水的滲透性。相差動脈自旋標記（water extraction with phase contrast ASL, WEPCASL）及擴散制備動脈自旋標記（diffusion-prepared ASL,DP-ASL）是基于ASL 一般原理量化全腦水提取分數的新技術。WEPCAST 可以選擇性地測量上矢狀竇中標記的水而避免組織灌注的混雜影響[30]。DP-ASL則使用多個擴散權重區分毛細血管和腦實質磁性標記的水信號的差異，其信噪比相較于傳統ASL 技術顯著提高，但掃描時間相對延長[31]。

LIN等[32]用WEPCASL對MCI組及NC組進行成像，發現MCI 組BBB 水交換率增加，不僅能反映Aβ病理及tau 病理的嚴重程度，而且可以預測認知功能，這與DCE-MRI 研究結果一致，而對白蛋白的通透性方面，則與MONTAGNE 等[27]得出的結果不同，研究者認為這可能是因為水分子作為小分子物質，可以在BBB損傷達容許白蛋白通過之前檢測到滲透性的細微變化，佐證了ASL 檢測BBB 滲透性變化的敏感性。而一項基于DP-ASL 的研究則發現認知正常老年人BBB 水交換率減低，并與腦內Aβ病理嚴重程度呈正相關，但缺乏與認知功能的相關性，研究者認為這可能與BBB 上AQP4 異常相關，其作為淋巴系統清除Aβ 的主要通道，其表達及定位異常不僅影響水分子的跨膜交換，而且影響Aβ 的清除[33]。水分子的跨膜交換主要通過細胞旁途徑自由擴散、經AQP4 介導及與離子共同轉運三種途徑，AD 不同階段水跨膜轉運的異常可能通過不同途徑介導，因而可能造成試驗結果的差異，如何正確解讀這些差異也許是ASL相關研究面臨的挑戰。

相較于DCE-MRI，ASL 可以檢測BBB 滲透性更細微變化，是研究AD 相關BBB 損傷的更敏感成像方式。但ASL 是基于全腦水滲透性變化的測量，不能反映特定腦區的BBB損傷，因而具有一定局限性；在AD 的不同階段，引起BBB 水滲透性變化的主導途徑也許不同，未來需進行大樣本縱向隊列研究探究這種階段性改變及其與AD病理學之間的關聯。

3.3 VEXI

VEXI 是在擴散加權成像的基礎上發展起來的MRI技術，能夠無創定量監測血管內外空間的水交換能力，從而對BBB滲透性變化進行評估[34]。其主要參數是表觀交換速率（apparent exchange rate, AXR）。

VEXI已經應用于BBB滲透性異常的研究中，它可以反映區域BBB 水滲透性的變化，并表現出與DCE-MRI 相媲美的檢測效能[35-36]。ZHANG 等[37]對AD 連續體進行VEXI，發現海馬AXR 值在NC-MCI、MCI-AD 階段均顯著增高，與認知功能障礙呈負相關，且海馬CA1 亞區是最早出現AXR 變異的腦區，而丘腦及內側眶額葉皮層在MCI-AD 階段才受到累及，這與LIN 等[32]運用DCE-MRI得出的結論一致，說明海馬AXR 值可能對早期識別AD 有重要意義，具有作為AD 早期診斷成像標記物的潛力。而丘腦、內側眶額葉皮作為與記憶、注意力及執行功能相關的關鍵腦區，其BBB 損傷可能是AD 介導相關認知功能下降的機制之一[38-40]。

VEXI 兼具DCE-MRI 及ASL 的優點，可以在AD前驅期發現區域BBB 滲透性的微小變化，且能預測認知功能，從而有望使AD 的診斷治療窗口前移，具有巨大的臨床應用潛力。目前其針對AD 相關BBB損傷的研究仍處于初始階段，樣本量相對較小，結果可靠性有待進一步驗證，未來可加大樣本量并聯合AD病理學指標對其檢測效能進一步評估。

3.4 PET

PET是一種分子影像學成像技術，通過使用不同類型的放射性示蹤劑對腦組織進行成像，可視化反映腦內多種生化過程，從而為疾病的診斷和治療提供幫助。目前已有多種不同類型的示蹤劑應用于AD的研究，從物質代謝及轉運方面反映BBB的功能異常。

18F-脫氧葡萄糖是一種常用來檢測組織的葡萄糖代謝水平的放射性示蹤劑，已經在科研及臨床上得到了廣泛應用。葡萄糖轉運蛋白l 是介導葡萄糖從血液進入腦組織的主要轉運蛋白，主要在BMEC 及星形膠質細胞的足突上表達，可以顯著提高葡萄糖的轉運速率，對保證腦組織能量供應十分重要[41]。多項研究使用18F-脫氧葡萄糖作為葡萄糖的替代分子對MCI和早期AD患者進行PET成像，發現在腦結構改變及臨床癥狀出現之前，腦組織就表現出特征區域的葡萄糖代謝減低[42-43]，這與AD 腦組織微血管上的葡萄糖轉運蛋白1 表達減少以及BBB 轉運功能受損有關。內側顳葉、頂葉及海馬的葡萄糖代謝率表現出隨病情進展漸進性下降的趨勢[44]，說明BBB 轉運功能可能對AD 疾病進展具有預測作用。P-gp 是BBB 上介導Aβ 從腦內清除的關鍵轉運蛋白，有研究用P-gp 特異性示蹤劑（R)-[11C]維拉帕米對AD 患者及NC 進行PET 成像，發現與NC 組相比，AD 組全腦皮質區域P-gp 功能減低，尤其在后扣帶回減幅更大，說明BBB 的轉運功能受損可能是AD 患者腦內Aβ病理性沉積的機制之一[45]。（R）-[11C]維拉帕米是P-gp的高親和底物，對P-gp 功能的微小變化不敏感，而[11C]甲氧氯普胺和[18F]MC225 作為新近研發的敏感示蹤劑已經應用于動物實驗，并表現出良好效果，有助于探索BBB上P-gp功能區域性差異及這種差異與Aβ病理學的關聯[46]。

BBB 的轉運功能異常與AD病理學密切相關，應用不同類型的特異性示蹤劑對AD 患者進行PET 成像，可以反映BBB上不同轉運蛋白的水平，并能可視化其區域性差異，不僅有助于發現前驅期AD患者，且有助于預測疾病進展。另外，BBB 相關轉運蛋白的異常有望作為AD治療的靶點，需要深入研究探討。

4 MRgFUS介導BBB開放在AD中的應用

雖然BBB 作為中樞神經系統的保護性屏障，對大腦穩態具有重要作用，但它同時也成為治療性藥物輸送入腦組織的主要障礙。現階段已經提出多種方法以克服這種桎梏，例如直接顱內注射、甘露醇給藥等，但效果欠佳。MRgFUS 通過MRI 精確定位引導超聲靶向大腦特定區域，使靜脈內注射的微泡對比劑震蕩，產生的機械應力使得區域BBB 內皮細胞間的緊密連接分離，從而打開目標區域的BBB。

多項AD 動物模型實驗已經證明借助MRgFUS打開BBB 后，靶向腦組織的藥物治療使得腦內Aβ沉積減少，進一步研究還發現即使不進行藥物輸送，單一行MRgFUS 同樣能減少Aβ 的腦內沉積，從而改善AD，但其機制尚不清楚[47-48]。為了驗證MRgFUS臨床效用及安全性，LIPSMAN 等[49]對5名輕中度AD 患者實行MRgFUS，選取背外側前額葉為目標區域，并結合DCE-MRI 評估BBB 的功能狀態，分別在行MRgFUS操作前，操作后即刻及24 h后行DCE-MRI，發現背外側前額葉在行MRgFUS 操作后立即出現明顯對比劑滲漏，而24 h 后這種外滲消失，表現與基線水平類似，且在后續隨訪中未出現嚴重的不良反應及后遺癥，證實了MRgFUS無創打開AD患者BBB的臨床可行性。隨后有研究應用MRgFUS 技術成功打開了AD受試者海馬、默認網絡相關腦區的血腦屏障，進一步說明了其打開大腦深部區域BBB的效用[50-51]。但針對單一行MRgFUS操作是否有助于AD患者腦內病理性蛋白沉積的減少及認知功能的改善結果并不統一，尚需進一步探究。綜上，MRgFUS作為一種安全、無創打開血腦屏障的技術手段，為AD的相關治療，如靶向遞送藥物、免疫療法、基因療法等提供了途徑。

5 總結與展望

BBB 損傷與AD 病理學密切相關，其在AD 發病機制中的作用越來越受到關注，影像學技術已經成為檢測BBB 損傷及研究其參與AD 進程相關機制的主要方法。DCE-MRI、ASL、VEXI 是檢測AD 相關BBB 滲透性變化的非侵入性手段，VEXI在早期敏感檢測區域性BBB 滲透性變化方面顯示出更大優勢。PET是檢測AD相關BBB轉運功能異常的有效手段，不僅有助于AD 發病機制的研究，并有可能為AD 的治療提供新的靶點。MRgFUS是靶向打開BBB的無創技術，為AD 的治療提供可行路徑。但目前影像學技術在研究AD 相關血腦屏障損傷方面仍面臨一些挑戰：（1）多種途徑參與水分子的跨BBB交換，AD不同階段不同途徑對BBB水滲透性異常的貢獻可能不同，需要大樣本縱向隊列研究探索其階段性差異；（2）現階段針對轉運蛋白的示蹤劑有待進一步開發，以提高PET檢測BBB轉運功能的敏感性及特異性，并有助于探索不同轉運蛋白異常在AD 發病中的貢獻；（3）多項研究采用小樣本橫向斷面設計，縱向隊列研究更是鮮見，未來需要進行大樣本研究對不同檢測方法的可靠性進行驗證，同時探索AD連續進程中BBB的異常參與疾病發展的機制。相信隨著影像學技術的不斷發展，其在AD領域的研究將進一步深入，有望為AD 的早期診斷提供可靠依據，并為治療提供有意義的靶點及可行路徑，具有廣闊的臨床應用前景。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：王梅云確定本研究的方向并設計本研究的方案，對稿件的重要內容進行了修改，獲得了河南省醫學科技攻關計劃項目的資助；王兵兵起草和撰寫稿件，獲取、分析并解釋了本研究的相關文獻及資料；羅與、白巖、吳亞平、申雨獲取、分析或解釋本研究的相關文獻及資料，對稿件的重要內容進行了修改；全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。