基于多参数水模的磁共振成像质控方法

目的研制对MRI仪定量检测能力进行质量控制的多参数水膜,并基于这种水膜建立相应的质量控制方法。材料与方法研制多参数水模,通过多参数水模中不同的结构层内置的特征溶液表征质子密度(proton density,PD)、纵向弛豫时间(longitudinal relaxation time,T1)、横向弛豫时间(transverse relaxation time,T2)、表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC),并进行定值;然后提取水膜MRI图像目标区域灰度值、获取多域信息、通过数据拟合建立质控标定算法,并应用此质控方法对PAO、PA1两台设备进行测试。结果多参数水膜能满足对MRI设备的PD、T1、T2、ADC值质量检测。最小二乘法的T1质控分析方法对两台设备量值稳定性质控中,PAO的T1量值稳定性明显优于PA1。采用灰度卷积+BP(back propagation)神经网络算法对质控数据进行分析,提高了两台设备量值准确度质控的准确率。结论本研究自行研制的多参数水模能够对功能成像定量技术进行质控,建立了能够溯源至国际单位制的设备性能评价方法并将其标准化,构筑了我国MRI设备质控的基础。

应用磁共振成像技术定量测量活体大鼠脑细胞外间隙的扩散参数

目的:应用磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术开发一种活体、定量测量脑细胞外间隙扩散参数的新方法。方法:MRI示踪剂钆-二乙三胺五乙酸(gadolinium-diethylenetriaminepentaacetic acid,Gd-DTPA,2μL,10 mmol/L)导入6只SD成年雄性大鼠的尾状核内,在导入前及导入后不同时间点进行MRI扫描。大鼠脑内Gd-DTPA的浓度分布通过减影图像上信号强度增量转换得到,根据信号强度增量-时间变化曲线,利用经典扩散方程得到像素水平的脑细胞外间隙(extracellular space,ECS)内平均扩散参数。结果:示踪剂导入后,以(3.38±1.07)×10-4mm2/s的平均速率向前外方向扩散,在2 h后达到脑皮质边缘,示踪剂在尾状核区的微观清除率为(7.60±4.18)×10-5/s,在3 h开始引流入蛛网膜下腔清除,MRI图像显示12 h时示踪剂被基本清除。采用琼脂糖模拟法测量的自由水扩散系数为参考值,脑ECS迂曲度[λCn(agar)]为1.31±0.31。应用标准MRI扩散成像序列获得的自由水扩散系数为参考值,脑尾状核区ECS的迂曲度[λCn(MRI)]为3.12±0.73。结论:MRI示踪测量可实现对脑ECS生物物理学特征的定量分析与成像显示,脑细胞微环境的研究和阐释将为脑认知和脑病研究提供一种新的研究思路和方法。

联合应用磁共振弥散加权成像和T_2加权成像在老年脑血管病急性发病中的价值

目的探讨老年脑血管病急性发病MRI一站式诊断可行性以及MRI弥散加权成像(DWI)和T_2*WI联合应用对老年脑血管病急性发病的价值。方法选取老年脑血管病急性发病患者337例的CT和MRI影像,对比CT和MRI对脑梗死、脑出血、动脉瘤和脑小血管病(脑微出血、腔隙性脑梗死灶和脱髓鞘变性)显示;对比MRI各扫描序列对病灶的显示,包括常规序列、DWI和T_2*WI。结果 337例脑血管病急性发病患者行CT检查208例,MRI检查314例;急性脑梗死患者236例,CT示颅内出血76例;CT与MRI对于急性脑梗死的显示,差异有统计学意义(17.8%vs 75.2%,P<0.01),CT不能显示脑干的急性梗死灶;CT对于脑小血管病的显示明显低于MRI,差异有统计学意义(P<0.05),CT不能显示脑微出血。MRI常规序列与DWI对于急性脑梗死的显示比较,差异有统计学意义(5.2%vs 100.0%,P<0.01);脑出血灶各序列显示,差异无统计学意义(P>0.05);MRI各序列对脑微出血T_2*WI显示病灶715个(100.0%),DWI显示635个(88.8%),常规序列图像少部分微出血灶信号异常,但是不能定性诊断。结论 MRI在老年脑血管病急性发病危重症患者除外诊断中一站式诊断可行,联合应用DWI和T_2*WI对老年脑血管病急性发病显示良好。

应用磁共振示踪技术分析幼年及成年大鼠丘脑细胞外间隙扩散特性

目的采用磁共振示踪法定量比较10日龄及成年SD大鼠丘脑细胞外间隙扩散性能。方法将浓度为10mmol/L示踪剂Gd-DTPA导入大鼠丘脑区脑细胞外间隙内,分别于给药前和给药后按一定时间间隔连续采集脑MR图像。在图像后处理软件上进行配准、减影等处理,将信号强度增量换算为Gd-DTPA的浓度值,利用经典扩散方程计算出脑细胞外间隙内的微观参数,包括有效扩散系数(D*)、纡曲度(λ)、清除速率常数(k')和宏观参数示踪剂分布容积分数(Vd%)。结果 10日龄鼠丘脑的D*低于成年鼠,λ、k'、Vd%均高于成年鼠(P均<0.05)。结论 10日龄及成年大鼠脑细胞外间隙的扩散参数存在显著差异,可以为发育相关脑病的诊治及机制探索提供依据。

光磁双模态成像显示大鼠脑组织间液引流路径及物质清除规律

目的采用荧光示踪成像和磁示踪成像观察大鼠脑组织间液(ISF)引流路径及物质清除规律。方法将33只雄性SD大鼠随机分为荧光示踪组(F组,n=18)和磁示踪成像组(MRI组,n=15),再细分为丘脑亚组、海马亚组和尾状核亚组。对F组大鼠注射伊文斯蓝并行心脏灌流,取脑组织制成冰冻切片,观察各亚组示踪剂引流路径;对MRI组大鼠分别于注射钆喷酸葡胺(Gd-DTPA)前、后行MR扫描,对比各亚组脑区ROI信号强度,计算单位信号比值并观察其变化趋势。结果F组大鼠丘脑、海马、尾状核IFS引流分别存在优势路径,其到达相邻脑区及全脑的时间存在均差异。MRI组注射Gd-DTPA后4 h内丘脑、海马、尾状核示踪剂清除方向性及速率有所不同,表现为丘脑及海马区示踪剂向同侧皮层及侧脑室方向引流、尾状核区示踪剂向皮层和中脑方向扩散,且相邻引流脑区示踪剂信号达峰时间存在差异。结论光磁双模态成像显示,大鼠丘脑、海马及尾状核ISF优势引流路径及其内小分子物质清除速率均存在差异。

我国医用磁共振成像产业的发展机遇与建设策略

随着医改深入,医疗产业在我国面临前所未有的黄金发展机遇。如何把握机会,发展好国内大型医疗装备产业,研究制备适宜我国各级医疗机构的产品与先进技术,确立民族企业在本土的市场地位,将是卫计委、工信部、科技部、企业、医疗机构、科研院所需共同探讨与思考的问题。本文简要介绍近年来国内磁共振成像产业发展现状与机遇,分析我国国内磁共振产业发展与国际先进的差距,结合国内磁共振领域相关学科发展、科研、教学的内容与现状,探讨现阶段我国磁共振成像产业创新发展的建设内容与模式。

脑微环境及其成像与检测技术

自20世纪以来,脑细胞与脑细胞间连接一直都是脑科学研究的重点。尽管这些研究进展迅速,然而,大多数脑功能以及脑部疾病的机制依然不清楚,脑部疾病治疗也面临诸多困境。从解剖学的角度来看,尽管脑细胞是脑功能实现的最重要的部分,占据者大脑体积的70%-80%,

熊果酸改善精神分裂症小鼠脱髓鞘和脑组织间液引流紊乱

目的:探讨精神分裂症(schizophrenia,SZ)的髓鞘和脑组织间液(interstitial fluid,ISF)相关发病机制,探究熊果酸(ursolic acid,UA)对SZ中髓鞘损伤及其继发的ISF异常引流的治疗效果。方法:使用30只6~8周雌性C57BL/6J小鼠,体质量(20±2)g,随机分为UA治疗组、SZ模型组、对照组3组,每组10只:(1)对照组:腹腔注射(intraperitoneal injection,ip)生理盐水,灌胃(intragastric,ig)给予1%(质量分数)羧甲基纤维素钠(carboxymethylcellulose sodium,CMC-Na);(2)SZ模型组:ip给与2 mg/kg的地卓西平(dizocilpine maleate,MK-801),ig给与1%(质量分数)CMC-Na;(3)UA治疗组:ig给与25 mg/kg的UA,ip给与2 mg/kg的MK-801。治疗组先ig给药UA预治疗一周,然后对3组小鼠进行为期两周的药物干预。在造模完成后依次通过旷场测试和前脉冲抑制实验对小鼠进行行为学评价。行为测试后,通过向脑区注射荧光示踪剂来探究各组ISF分区引流的改变;通过免疫荧光探究各组脑内水通道蛋白4(aquaporin 4,AQP4)极性分布的改变以及蛋白表达的变化;通过激光共聚焦显微镜(laser scanning confocal microscope,LSCM)髓鞘反射光成像研究鼠脑内髓鞘的变化。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)对计量数据进行组间比较,使用TukeyHSD进行组间两两比较。结果:旷场测试发现,模型组在旷场中运动的总路程[(7949.39±1140.55)cm vs.(2831.01±1212.72)cm,P<0.001]和中央区域停留时间[(88.43±22.06)s vs.(56.85±18.58)s,P=0.011]显著高于对照组,而治疗组在旷场中运动总路程[(2415.80±646.95)cm vs.(7949.39±1140.55)cm,P<0.001]和中央区域停留时间[(54.78±11.66)s vs.(88.43±22.06)s,P=0.007]较模型组显著降低。前脉冲抑制实验发现,模型组给与预脉冲时对震惊反射的抑制率均显著低于对照组(P均<0.001);治疗组上述指标较模型组显著增加(P均<0.001)。髓鞘反射光检测发现,模型组小鼠脑内存在显著的脱髓鞘,治疗组脑内脱髓鞘情况得到逆转。荧光示踪发现,模型组示踪剂向头侧皮层区的扩散面积和向尾侧丘脑区的返流面积均显著大于对照组[(13.93±3.35)mm 2 vs.(2.79±0.94)mm 2,P<0.001;(2.48±0.38)mm 2 vs.(0.05±0.12)mm 2,P<0.001],且脑区间引流分区明显破坏;治疗组示踪剂向头侧皮层区的扩散面积和向尾侧丘脑区的返流面积均较模型组显著减小[(7.93±2.48)mm 2 vs.(13.93±3.35)mm 2,P<0.001;(0.50±0.30)mm 2 vs.(2.48±0.38)mm 2,P<0.001]。免疫荧光染色发现,模型组小鼠脑内AQP4极性分布遭到破坏,且模型组AQP4蛋白表达量较对照组明显下降[(3663.88±733.77)μm 2 vs.(13354.92±4054.05)μm 2,P<0.001];治疗组较模型组AQP4极性分布得到改善,AQP4蛋白表达量较模型组显著升高[(11104.68±3200.04)μm 2 vs.(3663.88±733.77)μm 2,P<0.001]。结论:一定剂量的UA干预可以改善SZ小鼠的行为学表现,这种改善表现为运动亢进和焦虑症状得到缓解,感觉运动门控功能得到恢复;其机制可能是通过改善SZ小鼠的脱髓鞘病理改变及ISF分区引流紊乱。

动态磁敏感对比MRI血脑屏障通透性定量分析技术及其在胶质瘤诊断中的初步应用

目的:介绍应用改良Tofts-Kermode模型对脑肿瘤的动态磁敏感对比磁共振成像(DSCMRI)时间-信号强度曲线进行血脑屏障通透性定量分析的原理和技术方法,研究该方法在高、低级别胶质瘤鉴别中的应用价值。方法:应用改良Tofts-Kermode模型对12例诊断为不同级别胶质瘤患者的病变及正常脑组织的血脑屏障通透性进行定量分析,拟合微观参数(Ktrans、Vp、Kep),重建各通透性相关参数的参数图像,并进行统计学分析。结果:高级别胶质瘤病变区的Ktrans参数值显著大于低级别胶质瘤(P=0.031),高、低级别胶质瘤的Vp、Kep参数值间差异无统计学意义(P=0.126,P=0.756)。Ktrans是鉴别高、低级别胶质瘤的敏感指标,以Ktrans=0.0274为临界值时,灵敏度为100%,特异度为58.3%。高、低级别胶质瘤的血脑屏障通透性参数值与正常脑组织差异均有统计学意义(P<0.05)。结论:应用DSC-MRI法可以实现血脑屏障通透性的定量分析,该方法在胶质瘤诊断、鉴别诊断中具有重要价值。

光、磁成像法探测脑胶质瘤微环境脑组织间隙结构及脑组织间液引流的变化

目的探讨脑胶质瘤微环境内组织间隙(extracellular space,ECS)的结构特征以及瘤内脑组织间液(interstitial fluid,ISF)引流的变化。方法48只SD大鼠随机分为丘脑对照组、丘脑肿瘤组、尾状核对照组、尾状核肿瘤组,每组12只,每组又分为光学示踪亚组和磁示踪亚组各6只。应用光、磁示踪法,分别以Alexa Flour 594和钆喷酸葡铵(Gd-DTPA)作为示踪剂,对SD大鼠的丘脑、尾状核区C6胶质瘤内ECS结构及ISF的扩散过程进行示踪分析,并与相应对照组进行比较。应用MRI检测示踪剂在脑ECS中的扩散和分布,计算获取Gd-DTPA在脑ECS内的有效扩散系数(D ECS)、清除速率(k’)、迂曲度(λ)和半衰期(t 1/2)等扩散参数。应用共聚焦显微镜对注射示踪剂2 h后的离体脑切片成像,并分析得到扩散分布的最大面积。对同一脑区对照组与肿瘤组的光、磁示踪结果进行对比分析。结果与丘脑对照组比较,丘脑肿瘤组的k’显著增加[(7.27±1.08)×10-4 mm 2/s vs.(3.69±0.46)×10-4 mm 2/s,t=7.474,P=0.000],t 1/2显著缩短[(21.36±2.67)min vs.(53.86±3.18)min,t=-19.165,P=0.000],D ECS显著减小[(2.27±0.22)×10-4 mm 2/s vs.(3.14±0.41)×10-4 mm 2/s,t=-4.536,P=0.001],λ显著增加[(2.11±0.10)%vs.(1.06±0.01)%,t=25.201,P=0.000]。与尾状核对照组比较,尾状核肿瘤组的k’显著增加[(6.87±1.09)×10-4 mm 2/s vs.(3.25±0.31)×10-4 mm 2/s,t=7.867,P=0.000],t 1/2显著缩短[(23.77±7.31)min vs.(87.20±4.31)min,t=-18.309,P=0.000],D ECS显著减小[(2.38±0.79)×10-4 mm 2/s vs.(3.35±0.12)×10-4 mm 2/s,t=-2.986,P=0.014],λ显著增加[(2.12±0.31)%vs.(1.73±0.03)%,t=3.067,P=0.012]。结论丘脑和尾状核区胶质瘤内ISF的k’、λ显著增加,t 1/2、D ECS显著减少。

光磁双模态分子探针Gd-DO3A-EA-FITC在脑组织间隙成像分析中的应用

目的:研究光磁双模态分子探针Gd-DO3A-ethylthiourea-fluorescein isothiocyanate(Gd-DO3A-EA-FITC)在脑组织间隙(interstitial space,ISS)成像分析中的应用价值。方法:24只SD雄性大鼠随机分为磁示踪组(6只)、荧光示踪组(6只)和光磁示踪组(12只),光磁示踪组随机分为磁示踪亚组(6只)和荧光示踪亚组(6只)。分别在大鼠尾状核区注入磁示踪剂钆-二乙三胺五乙酸(gadolinium-diethylene triamine pentaacetic acid,Gd-DTPA)、光示踪剂异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate,FITC)和光磁双模态分子探针Gd-DO3A-EA-FITC,应用磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)检测示踪剂在脑ISS中的扩散和分布,利用自主研发的脑ISS图像处理系统测量Gd-DO3A-EA-FITC和Gd-DTPA在脑ISS内的扩散系数、清除率、体积分数和半衰期等扩散参数。注射示踪剂2 h后,利用激光扫描共聚焦显微镜(laser scanning confocal microscope,LSCM)对离体脑切片进行荧光信号的采集,并对比分析斜矢状位切片中示踪剂扩散分布的最大面积。结果:Gd-DTPA和Gd-DO3A-EA-FITC在鼠脑内的平均扩散系数分别为(3.31±0.11)×10-4mm^2/s和(3.37±0.15)×10-4mm^2/s(t=0.942,P=0.360),清除率分别为(3.04±0.37)mmol/L和(2.90±0.51)mmol/L(t=0.640,P=0.531),体积分数分别为17.18%±0.14%和17.31%±0.15%(t=1.961,P=0.068),半衰期分别为(86.58±3.31)min和(84.61±2.38)min(t=1.412,P=0.177),扩散分布最大面积分别为(22.71±1.00)mm^2和(23.25±0.68)mm^2(t=1.100,P=0.297),两者的各项扩散参数差异均无统计学意义。FITC和Gd-DO3A-EA-FITC在鼠脑内扩散分布最大面积分别为(22.10±1.29)mm^2和(22.61±1.16)mm^2(t=0.713,P=0.492),两者差异无统计学意义,Gd-DO3A-EA-FITC的扩散面积略大于FITC。结论:Gd-DO3A-EA-FITC与传统的Gd-DTPA的成像结果相同,可用于ISS的测量。

磁示踪法在硬膜外动脉贴敷术加速丘脑组织间液引流机制研究中的应用

目的为了研究硬膜外动脉贴敷术(epidural arterial implantation,EAI)对脑组织间液(interstitial fluid,ISF)流动的影响及其机制。材料与方法将30只240~280 g雄性SD(Sprague Dawley)大鼠随机分成空白对照组、EAI组(术后7 d、14 d)、EAI对侧测量组(术后7 d、14 d)5组,每组均为6只。用磁示踪法对丘脑区细胞外间隙(extracellular space,ECS)内ISF引流进行探测,用扩散系数分布图(diffusion of extracellular space-mapping,D_(ECS)-mapping)技术研究ISF引流改变的潜在机制,获取宏观ISF引流分布指标:半衰期T_(1/2),以及ECS结构参数:扩散速率D^(*)、迂曲度λ、容积占比α。同时,应用激光多普勒血流仪观察大鼠顶叶皮层局部脑血流变化,并应用旷场实验和新物体识别实验等方法测试大鼠的运动和认知能力。结果磁示踪法和D_(ECS)-mapping分析显示,EAI7、EAI14组的半衰期较其余组下降(P<0.01),表示同侧丘脑区ISF流动速度加快;EAI7、EAI14组的扩散速率、容积占比较其余组上升(P<0.05),迂曲度较其余组下降(P<0.05),代表同侧丘脑区ECS构象变化导致分子扩散运动加快。空白对照组、EAI14组的脑血流量未见差异(P>0.05),表示该手术短期内未改变大鼠局部脑血流量。大鼠行为学检测各组指标未见差异(P>0.05),表明该手术未损害大鼠运动、认知能力。结论EAI可以通过改变大鼠同侧丘脑区ECS微观结构,促进ISF流动,是一种稳定、安全、有效的脑ECS主动调控手段。

光、磁分子探针在脑组织间隙内的扩散分布规律

目的:对比荧光分子探针四甲基罗丹明-葡聚糖(dextran-tetramethylrhodamine,DT)和荧光黄(lucifer yellow CH,LY)、磁性分子探针钆-二乙三胺五乙酸(gadolinium-diethylene triamine pentaacetic acid,Gd-DTPA)在多孔介质中的动态扩散分布规律,筛选合适的荧光分子探针用于大鼠脑组织间隙(interstitial space,ISS)光学成像。方法:琼脂糖凝胶分为DT组、LY组、Gd-DTPA组,分别导入相应分子探针,应用激光扫描共聚焦显微镜分别动态观察DT、LY在琼脂糖凝胶内的扩散分布,与磁共振成像显示的Gd-DTPA在琼脂糖凝胶内的动态扩散过程进行比较。LY分别导入18只大鼠尾状核,对不同时间点离体脑切片进行荧光成像,其成像数据与相应导入Gd-DTPA的大鼠的磁共振在体检测成像数据进行对比。结果:DT、LY及Gd-DTPA在琼脂糖凝胶中的扩散分布均表现为各向同性,平均扩散分布速率分别为:(0.07±0.02)×10-2mm2/s、(1.54±0.47)×10-2mm2/s、(1.45±0.50)×10-2mm2/s,DT与LY、DT与Gd-DTPA间差异均有统计学意义(ANOVA,F=367.15,P<0.001;Post-Hoc LSD,P<0.001),LY与Gd-DTPA间差异无统计学意义(Post-Hoc LSD,P=0.091)。重复测量方差分析比较分子探针的扩散分布面积随时间变化的趋势:DT与LY、DT与Gd-DTPA间的变化规律差异均有统计学意义(Bonferroni校正,α=0.0125,P<0.001),LY与Gd-DTPA间差异无统计学意义(Bonferroni校正,α=0.0125,P=0.203)。LY与Gd-DTPA在大鼠尾状核ISS内分布随时间变化呈各向异性,均表现为指向同侧皮层区的单方向楔形扩散,平均扩散分布速率分别为(1.03±0.29)×10-3mm2/s和(0.81±0.27)×10-3mm2/s,t=0.759,P=0.490;信号衰减半衰期分别为(2.58±0.04)h和(2.46±0.10)h,t=2.025,P=0.113。LY与Gd-DTPA间扩散分布面积比率在0.5、1、2、3、7 h差异无统计学意义(t=2.249,P=0.088;t=2.582,P=0.061;t=1.966,P=0.121;t=0.132,P=0.674;t=0.032,P=0.976),在11 h差异有统计学意义(t=2.917,P=0.043)。结论:LY与Gd-DTPA在多孔介质内的扩散分布规律一致,是ISS荧光成像的适用分子探针,可用于脑ISS的微观、宏观、离体检测。

荧光及磁示踪法观测脑组织液的引流分区特征

目的:对比光、磁两种探针示踪显示脑组织间隙(interstitial space,ISS)内分子扩散与团流运动的结果,研究脑组织液(interstitial fluid,ISF)在ISS内的分区引流特征。方法:36只SD大鼠随机分为荧光检查组(18只)和磁示踪组(18只),每组再随机分为尾状核(caudate nucleus,Cn)、丘脑(thalamus,T)和黑质(substantia nigra,Sn)3个亚组,每亚组6只。荧光检查组:参考脑立体定位图谱,选取冠状位苍白球为中心层面,以Cn、T和Sn为靶点进行穿刺定位,分别导入2μL 10 mmol/L荧光黄(lucifer yellow,LY)于相应脑区的中心位置,于Cn 3 h、T 2 h和Sn 1 h对大鼠用4%(体积分数)多聚甲醛进行心脏灌注固定后,将取出的鼠脑置于脑切片模具中,沿视交叉向后切片,以进针位点所在的冠状切片为中心层面,计为1片,前取3片,后取2片,每片厚约1 mm,共6片待检测,应用激光扫描共聚焦显微镜(laser scanning confocal microscope,LSCM)对离体切片进行采集,测量离体切片LY扩散的面积;磁示踪组大鼠也以Cn、T和Sn为靶点进行穿刺定位导入2μL 10 mmol/L钆喷酸葡胺(gadolinium-diethylene triamine pentaacetic acidm,Gd-DTPA),应用磁共振(magnetic resonance imaging,MRI)动态监测示踪剂在大鼠脑内的扩散,并利用Radiant软件测量Gd-DTPA的扩散面积。结果:LY与Gd-DTPA在Cn、T和Sn的ISS内扩散区域各不相同,Cn亚组LY与Gd-DTPA导入3 h后,比较1~6层LY与Gd-DTPA扩散面积为:(10.95±4.27)mm^2vs.(8.33±2.25)mm^2、(18.16±4.74)mm^2vs.(16.42±2.88)mm^2、(24.57±3.65)mm^2vs.(20.75±2.29)mm^2、(34.81±3.32)mm^2vs.(28.88±1.51)mm^2、(30.53±3.12)mm^2vs.(20.92±2.75)mm^2、(12.15±4.92)mm^2vs.(10.00±1.89)mm^2,对其在每层两组间扩散面积进行t检验,扩散面积差异均无统计学意义(t=0.940,P=0.400;t=0.546,P=0.614;t=1.534,P=0.200;t=2.809,P=0.480;t=2.693,P=0.055;t=0.707,P=0.518);T亚组中LY与Gd-DTPA导入2 h后,比较1~6层LY与Gd-DTPA扩散面积为:(5.56±4.61)mm^2vs.(3.33±2.25)mm^2、(16.21±3.36)mm^2vs.(11.42±2.88)mm^2、(19.00±5.21)mm^2vs.(15.75±2.29)mm^2、(25.32±5.49)mm^2vs.(22.33±3.25)mm^2、(17.34±5.31)mm^2vs.(15.92±2.75)mm^2、(7.67±6.19)mm^2vs.(5.00±1.89)mm^2,对其在每层两组间扩散面积进行t检验,差异均无统计学意义(t=0.753,P=0.493;t=1.875,P=0.134;t=0.990,P=0.378;t=0.810,P=0.464;t=0.413,P=0.701;t=0.716,P=0.514);Sn亚组LY与Gd-DTPA导入1 h后,比较1~6层LY与Gd-DTPA扩散面积为:(6.78±4.56)mm^2vs.(4.75±2.00)mm^2、(12.65±5.04)mm^2vs.(10.44±1.13)mm^2、(19.51±6.54)mm^2vs.(17.55±0.30)mm^2、(28.72±5.45)mm^2vs.(24.48±1.32)mm^2、(21.34±4.42)mm^2vs.(17.72±0.25)mm^2、(13.00±5.46)mm^2vs.(12.00±2.88)mm^2,对其在每层间扩散面积进行t检验,扩散面面积的差异均无统计学意义(t=0.705,P=0.519;t=0.743,P=0.499;t=0.517,P=0.656;t=1.310,P=0.260;t=1.416,P=0.292;t=0.281,P=0.793),但LY扩散面积略大于Gd-DTPA。结论:荧光法证实了磁示踪法发现的ISF在ISS内的分区引流特征,并且可为磁示踪法提供离体验证的技术与方法。荧光ISS成像法具有更高的对比度和分辨率,得到了更加精细的ISF引流分区区域。

手十二井穴刺络放血后脑卒中好发区组织液流动速率变化规律研究

目的应用MRI示踪技术,定量分析与观察手十二井穴刺络放血后脑卒中好发脑区(丘脑及大脑中动脉供血区)脑细胞外间隙的解剖与组织液流动速率的变化规律,探讨该法对脑卒中神经保护的可能机制。方法成年雄性SD大鼠(32只),随机分为丘脑放血组、丘脑对照组、尾状核放血组、尾状核对照组,每组各8只。丘脑放血组及尾状核放血组接受手十二井穴放血后,将2μL 10 mmol/L GD-DTPA分别导入成年大鼠丘脑区及尾状核区,在导入前后分别进行脑MRI动态扫描(0,15 min、30 min、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h),利用图像后处理技术,定量分析丘脑区及尾状核区脑组织液引流以及脑细胞周围间隙迂曲度等参数的变化规律。结果丘脑放血组脑组织液流动速率下降,清除时间延长,半衰期达(1.34±0.19)h,长于丘脑区对照组(0.51±0.13)h,差异有统计学意义(P<0.05);局部微观清除率为(7.60±4.18)×10-5/s,明显小于丘脑对照组[(14.40±4.50)×10-5/s],差异有统计学意义(P<0.05)。丘脑放血组丘脑区脑细胞周围间隙迂曲度为(1.29±0.32),与丘脑对照组(1.28±0.17)比较,差异无统计学意义(P>0.05)。尾状核放血组及对照组之间的各项参数未见明显变化,差异无统计学意义(P>0.05)。结论手井穴刺络放血可明显改变丘脑区组织液流速,但对大脑中动脉供血区的脑组织液引流速率没有明显影响。由于刺络放血后丘脑区细胞外间隙的迂曲度没有明显变化,因此,其流速下降应与神经元代谢水平的下调有关,而代谢水平的下调可能是卒中时该法神经保护的机制。

脑细胞微环境研究现状及展望

以神经元学说、神经网络为核心假说和理论根基的脑科学,经历了一百多年的发展,尽管各国对脑科学以及脑部疾病诊治研究投入巨大,取得的学术成就斐然,但在临床脑部疾病治疗上的进步相当缓慢,脑卒中、阿尔茨海默病、帕金森病等依然如故的摧残着人类的尊严。面对如此窘境和困局,以第二轮脑科学计划启动为契机,各国纷纷对脑科学发展历史与现状进行了系统的回顾、反思和分析,并对未来的发展进行尽可能务实的规划。

脑对流增强给药对老年大鼠脑细胞外间隙微观结构的影响

目的:对比研究经细胞外间隙(extracellular space,ECS)途径的脑对流增强给药(convection enhanced delivery,CED)在进行脑病微创治疗时,不同给药速率下成年大鼠与老年大鼠脑ECS结构参数及局部药物分布的改变。方法:36只SD雄性大鼠按照月龄分为成年大鼠组(2~8月龄,18只)和老年大鼠组(18~24月龄,18只),每组再按照不同的给药速率(0.1μL/min、0.2μL/min、0.3μL/min)随机分为3个亚组,每亚组6只。采用立体定位注射法分别在各组鼠脑尾状核区导入浓度为10 mmol/L的磁示踪剂钆-二乙三胺五乙酸(gadolinium-diethylene triamine pentaacetic acid,Gd-DTPA)后,应用磁示踪法动态采集Gd-DTPA在脑间质系统(brain interstitial system,ISS)中的扩散和分布图像。利用自主研发的MRI影像测量分析系统软件对所获得的图像进行处理和分析,可获得各组大鼠脑尾状核区ECS内的有效扩散系数(DECS)、清除率、容积占比和半衰期(T1/2)等参数。比较分析在不同给药速率下,老年大鼠与成年大鼠脑ECS内药物清除以及ECS结构功能的影响和差异。应用磁示踪DECS-mapping技术观察示踪剂在尾状核区的分布引流情况。结果:0.1μL/min注药速率下,与成年大鼠相比,老年大鼠的容积占比增加(18.20%±0.04%vs.17.20%±0.03%,t=3.752,P=0.004),迂曲度下降(1.63±0.04 vs.1.78±0.09,t=-3.680,P=0.004),药物清除速率下降[(1.94±0.68)mm2/s vs.(3.25±0.43)mm2/s,t=-3.971,P=0.003],ECS内分子扩散速率增快[(3.99±0.21)×10-4mm2/s vs.(3.36±0.37)×10-4mm2/s,t=3.663,P=0.004]。注药速率增加到0.2μL/min时,老年大鼠ECS内药物清除减慢[(2.53±0.45)mmol/L vs.(3.37±0.72)mmol/L,t=-1.828,P=0.021],但容积占比、ECS内分子扩散和宏观药物代谢参数无明显差异。注药速率增加到0.3μL/min时,老年大鼠容积占比减小(17.20%±0.03%vs.18.20%±0.05%,t=-0.869,P=0.045),ECS内药物清除明显加快[(4.04±0.76)mmol/L vs.(3.26±0.55)mmol/L,t=1.786,P=0.014],迂曲度和ECS内分子扩散速率无明显差异。结论:老年脑CED给药在不同速率时ECS内药物清除及ECS结构参数发生改变,0.2μL/min速率下CED给药对老年脑ECS影响最小。应用CED进行脑病治疗时应综合考虑年龄和注药速率等因素的影响,经ECS途径给药进行脑病微创治疗时应制定个体化临床治疗方案。

水通道蛋白4在阿尔兹海默病脑组织间液引流改变中的作用

目的:通过磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)示踪剂钆喷酸葡胺(gadolinium-diethylene triamine pentacetic acid,Gd-DTPA)在脑组织间隙(extracellular space,ECS)内扩散的特征,反映大鼠阿尔兹海默病(Alzheimer’s disease,AD)脑组织间液(interstitial fluid,ISF)引流的改变及水通道蛋白4(aquaporin-4,Aqp4)在AD中发挥的作用。方法:将野生型SD大鼠(300~350 g)和Aqp4基因敲除(Aqp4-/-)SD大鼠(300~350 g)分别分为Sham组(10只)、AD组(10只)、Aqp4-/--Sham组(10只)、Aqp4-/--AD组(10只)。Sham组和Aqp4-/--Sham组连续6周每天腹腔注射生理盐水,AD组和Aqp4-/--AD组连续6周每天腹腔注射D-半乳糖。将示踪剂Gd-DTPA(10 mmol/L,2μL)注射到大鼠海马区,分别于0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、3 h进行MRI扫描,观察示踪剂在海马区的动态分布,并测量示踪剂的扩散速率D*值、清除速率k'值和半衰期t1/2值。结果:Sham组示踪剂在ECS内的扩散率D*值为(2.66±0.36)×10^(-6)mm^2/s,AD组D*值(2.72±0.62)×10^(-6)mm^2/s,Aqp4-/--Sham组D*值(2.75±0.47)×10^(-6)mm^2/s,Aqp4-/--AD组D*值(2.802±0.55)×10-6mm2/s,4组之间差异无统计学意义(One-Way ANOVA,P>0.05)。Sham组海马区的示踪剂清除速率k'为(4.57±0.14)×10-4/s,AD组k'为(3.68±0.22)×10-4/s,Aqp4-/--Sham组k'为(3.17±0.16)×10-4/s,Aqp4-/--AD组k'为(2.59±0.19)×10-4/s,4组之间两两比较差异均具有统计学意义(one-way ANOVA,P<0.05),4组之间的示踪剂清除半衰期t1/2值依次延长,Sham组海马区的t1/2为(0.67±0.12)h,AD组t1/2为(0.88±0.08)h,Aqp4-/--Sham组t1/2为(1.12±0.15)h,Aqp4-/--AD组t1/2为(1.58±0.11)h,两两比较差异均具有统计学意义(One-Way ANOVA,P<0.05)。结论:AD的退行性病变使脑内ISF引流减慢,Aqp4的缺失使AD大鼠脑内ISF引流明显减慢,Aqp4对清除脑组织间隙的代谢废物具有重要作用。

光生物调节加速脑组织间液引流及其机制

目的:探讨光生物调节(photobiomodulation,PBM)对脑组织间液(interstitial fluid,ISF)引流的影响,为PBM治疗阿尔兹海默病(Alzheimer’s disease)提供新的解释。方法:24只SD雄性大鼠随机分为PBM组(n=12)、假PBM组(n=6)及空白对照组(n=6),其中PBM组根据磁示踪分子探针注射部位的不同又分为PBM同侧示踪组(n=6)和PBM对侧示踪组(n=6)。PBM组和假PBM组大鼠在脑尾状核区ISF引流到达的额叶皮层区对应的颅骨上微创暴露硬膜;PBM组使用630 nm光纤(5~6 mW/cm 2)按照每次光照5 min,暂停2 min的方式,总共照射5次;假PBM组于相同位置使用光纤但不打开电源,保持相同时间;空白对照组不进行任何操作。PBM结束后,将示踪分子探针注射到每组大鼠的尾状核区,之后利用磁示踪技术根据探针分子的扩散和分布,观察大鼠尾状核区ISF引流的变化规律,并使用细胞外间隙(extracellular space,ECS)扩散参数图像(diffusion rate in ECS-mapping,D_(ECS)-mapping)技术分析脑ECS结构的变化,最后得到反映脑ECS结构和ISF引流情况的参数:容积占比(α)、迂曲度(λ)、半衰期(T_(1/2))和扩散参数(D_(ECS))。比较各组间参数差异从而分析PBM对脑ECS及ISF的影响。结果:参数T_(1/2)、D_(ECS)和λ在PBM同侧示踪组、PBM对侧示踪组和假PBM组间差异有统计学意义(F=79.286,P<0.001;F=13.458,P<0.001;F=10.948,P=0.001),而参数α在三组间差异无统计学意义(F=1.217,P=0.324)。与假PBM组和PBM对侧示踪组相比,PBM同侧示踪组的T_(1/2)显著减小[(45.45±6.76)min vs.(76.01±3.44)min,P<0.001;(45.45±6.76)min vs.(78.07±4.27)min,P<0.001],说明脑ISF引流速度明显加快;D_(ECS)显著增大[(4.51±0.77)×10^(-4)mm^(2)/s vs.(3.15±0.44)×10^(-4)mm^(2)/s,P<0.001;(4.51±0.77)×10^(-4)mm^(2)/s vs.(3.01±0.38)×10^(-4)mm^(2)/s,P<0.001],说明脑ECS内分子扩散速率明显增快;λ显著减小(1.51±0.21 vs.1.85±0.12,P=0.001;1.51±0.21 vs.1.89±0.11,P=0.001),说明脑ECS结构的迂曲程度下降。结论:PBM可以调控脑ISF引流,这可能是PBM治疗阿尔兹海默病的潜在作用机制之一,也为经脑ECS途径提升脑功能的主动调控策略提供了全新方案。

光磁双模态探针钆-[4,7-双-羧甲基-10-(2-荧光素硫脲乙基)-1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1-基]-乙酸络合物合成方法的改进

目的:改进光磁双模态分子探针钆-[4,7-双-羧甲基-10-(2-荧光素硫脲乙基)-1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1-基]-乙酸络合物(Gd-DO3A-EA-FITC)的合成及纯化方法。方法:1,4,7,10-四氮杂环十二烷(DOTA)经过取代反应、水解反应、偶联反应、与金属络合反应,合成Gd-DO3A-EA-FITC。结果:改进了Gd-DO3A-EA-FITC的合成路线,分别通过取代反应、水解反应、偶联反应、络合反应得到了光磁双模态分子探针,该反应总收率为34.6%,与原路线(18.0%)相比,总收率增加,各化合物通过核磁共振氢谱、核磁共振碳谱和质谱分析法鉴定后结果正确。改进后的路线避免了取代反应不易控制的缺点,且在纯化分离方面,将载样量少、成本高的制备型高效液相色谱纯化改进为载样量多、简便易操作的柱色谱。结论:改进后的路线改善了反应条件的可控性,并且使化合物纯化分离过程变得更加简易,同时使总收率明显提升。光磁双模态探针可同时将活体磁共振成像与离体光学成像相结合,实现光磁双重同步检测,使二者的检测结果相互验证。可将光磁双模态分子探针应用于脑结构及其功能相关研究,并且经静脉途径给药后可以对脑肿瘤进行研究,因此在脑肿瘤和脑血管相关疾病的药物治疗中能够发挥重要的作用。