翟亞南 李 夢 盧 靜

(首都醫(yī)科大學實驗動物部,北京 100069)

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)作為一種新型成像技術,從上世紀70年代起,逐步在臨床應用于急性腦卒中(acute stroke,AS)檢測。近年來MRI技術發(fā)展迅速,T1/T2加權成像、彌散加權成像(DWI)、灌注加權成像(PWI)、磁共振血管成像(MRA)、敏感加權成像(SWI)、擴散張量成像(DTI)等層出不窮,在AS診斷和指導治療方面發(fā)揮出不可替代作用[1-3]。隨著MRI在臨床診治AS上的不斷應用,AS的基礎研究也開始逐漸使用MRI在模型制備、疾病進展、治療干預、藥效評價等方面進行檢測,成為繼病L檢測、神經功能評分、局部腦血流量[4]等常規(guī)檢測方法之后又一重要支撐檢測方法。目前,建立AS模型常選用嚙齒類。其中,小鼠腦動脈環(huán)的組成和腦血管解剖特點接近人類[5],特別是近交系小鼠成本低、背景明確、個體差異小、檢測試劑豐富等自身優(yōu)勢,越發(fā)成為建立AS模型的L想模型動物。基于以上背景,本文就近幾年MRI在小鼠AS模型中的應用進展綜述如下。

1 MRI在小鼠AS模型評價中的作用

1.1 M RI能夠更快捷、更直觀地顯示小鼠AS模型腦組織損傷區(qū)域及程度

小鼠AS模型是一類由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞導致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的一組疾病,以腦動脈狹窄、閉塞、扭曲或者血管破裂為主要血管病變,其典型病L表現為血管病變后導致腦組織缺血缺氧性變性壞死。MRI可較好地反映出AS的病L生L情況,包括血管閉塞部位、腦梗死梗死核的具體位置、缺血半暗帶的程度與范圍等。像磁共振彌散加權成像在腦缺血早期就可以出現高信號,能精確顯示急性缺血性病灶部位和大小,在數分鐘內即可顯示缺血范圍,更早地發(fā)現缺血性改變。目前彌散加權成像仍是發(fā)病早期測量梗死核最為有效的方法[6-8]。還有在AS中最常用的擴散張量成像是目前唯一可顯示活體大腦白質纖維的檢測方法,可以對腦梗死進行早期診斷,定量分析腦梗死后神經纖維的損害程度,能直觀顯示病灶與皮質脊髓束的空間位置關系,為評估纖維束損傷的程度及梗死預后提供重要的信息[9]。

常規(guī)病L檢測一般使用腦組織固定包埋后的石蠟切片HE染色和新鮮腦組織冰凍切片TTC染色技術,一直以來被認為是評價小鼠 AS模型金標準。然而,除去這兩種染色方法操作時間長、工序較多外,HE染色、TTC染色的問題在于腦組織修塊和切片前,實驗人員并不知道腦損傷的準確區(qū)域與病變程度,特別即使是使用相同造模方法制備的AS模型小鼠,其個體間發(fā)生病變的情況也不盡相同,需要逐只沿橫截面從上到下或者冠狀面從前到后以2～7μm的厚度連續(xù)切片、染色,從而逐層尋找血管梗死位置、逐層分析腦組織病變程度[4]。正是這種腦損傷定位上的滯后性,大大增加了研究工作的量與難度。MRI的出現從根本上解決了病L切片的定位問題,可以在腦組織修塊、切片之前準確定位缺血半暗帶區(qū)域及程度,再根據自己實驗的需求,精準修塊、切片、染色。Hata等[10]使用4.7T BiSPEC系統(tǒng)在小鼠大腦矢狀面多層面掃描,定位腦基質缺血區(qū)后,定位取材行2μm切片、TTC染色,成功分析了改進型線栓阻塞AS模型小鼠局灶性缺血與體重相關性。Sasaki等[11]在蛛網膜下腔出血后1 h內通過MRIT2加權成像確定蛛網膜下腔出血分布,誘導后第1天,通過MRI彌散加權成像評估急性腦梗死的發(fā)生率和位置。Qian等[12]使用 MRI擴散系數圖、灌注加權成像和T2加權成像顯示半暗帶位置與范圍,在早期準確顯示改良的光血栓性卒中模型的半影精確特征。

1.2 M RI能夠在活體AS模型動物上應用,降低實驗動物的死亡率

常規(guī)的病L學檢測技術都對實驗動物實施安樂死后開展后續(xù)工作,然而MRI是在活體實驗動物上應用即可直接成像,更快捷,直觀地顯示腦組織損傷區(qū)域和程度。眾多研究已報道,MRI是可以在不傷害實驗動物的前提下應用,動態(tài)觀察并記錄小鼠腦卒中在超急性期,急性期、亞急性期及慢性期的變化過程。在同樣可獲得科學可靠的實驗結果的前提下,既提高實驗動物的存活率,也減少了實驗動物的使用量,遵循實驗動物的3R原則,保障實驗動物的福利倫L。

1.3 M RI能夠無創(chuàng)性檢測小鼠AS模型腦血流量(cereb ral b lood flow,CBF)

AS的腦組織損傷是由于腦部血管突然阻塞導致血液不能流入大腦引起,因此在基礎研究中CBF的測定也是評價AS模型的重要方法之一。目前,常用激光多普勒血流儀、14C-Iodoantipyrine等方法檢測AS模型小鼠 CBF[4]。但是,二者均為侵入式工具,都存在操作影響檢測結果的風險。使用激光多普勒血流儀時,首先要在手術顯微鏡輔助下,在接近阻斷或切除大腦中動脈部位末端1 mm的位置設置光纖探頭,非常容易損傷細小血管分支,造成手術性出血,影響CBF結果[4]。而使用14C-Iodoantipyrine方法檢測時,更是要經歷股靜脈穿刺灌注14CIodoantipyrine、動脈導管采血、斷頭取腦等一系列手術操作,才能使用特定方程間接計算出CBF,因此每只小鼠在檢測時都有可能因為人為操作的差異影響真實的結果[13]。MRI作為體外三維成像技術,是重要的非侵入式的工具,填補了無創(chuàng)性檢測AS模型小鼠CBF的空白。近幾年來新開發(fā)出的MRI 3DASL成像技術,不僅短時間內可以多次掃描,并且掃描時間相比較短,同時也無需進行對比劑注射,更有利于進行及時、有效的發(fā)現腦組織血流灌注中的增高區(qū)。對全腦血流灌注狀態(tài)進行動態(tài)觀察,更加全面評估腦組織的血流灌注情況。

MRI與傳統(tǒng)方法相比,排除了人為操作可能導致的CBF數據偏差,最大程度上反映了大腦真實性的血管病變情況。何潔和吉訓明[14]研究表明MRI可以清晰得到腦血流量、腦容量、平均通過時間和達峰時間等多個腦血流灌注參數圖、尤其適合急性腦卒中的檢查。而 Leithner等[13]驗證了 MRI可以提供CBF成像定量方法,在神經保護研究中使用flow sensitive alternating inversion recovery(FAIR)-MRI能夠定量半球腦血流。

1.4 M RI能廣泛應用于各類方法建立的小鼠AS模型評價

小鼠AS模型造模方法較多,常見的有線栓法、光栓法、血栓栓塞法、微球注入法等。不同方法構建的小鼠AS模型分別有各自的優(yōu)點、缺點及適用范圍。我們常根據自己的研究方向、實驗目的,選定某種方法后建立模型,不同方法導致的腦損傷部位、程度及范圍不盡相同,針對不同AS模型顯示出的病變特點,MRI分化出眾多與之相匹配的成像方法。Zhang等[15]使用 MRI T2加權成像對一種新型高存活率的小鼠局灶性腦缺血模型進行評價。溶栓治療的研究常應用到MRI中的灌注加權成像,來評估缺血半暗帶,在PW I上即可出現異常信號,代表該區(qū)域處于低灌注狀態(tài),進一步可發(fā)展為梗死。Barber等[16]利用MRIT1、T2變化與彌散加權成像表明,無論哪種類型的阻塞,T1的早期增加表明AS病灶中的水含量升高,而只有在短暫的大腦中動脈阻塞后,T2才出現早期增加,表明早期血管源性水腫伴血腦屏障的破壞。Deddens等[17]在利用 MRI檢測腦卒中后神經炎性生物標志物細胞間黏附分子-1(ICAM-1)的研究中,發(fā)現特異性 T2縮短型氧化鐵顆粒,是最合適的造影增強劑。

2 M RI在建立小鼠AS模型中的作用

MRI不僅能夠對已知的成熟小鼠AS模型進行評價,還可以對探索建立新型小鼠AS模型進行指導。在臨床上,患者在AS發(fā)生早期會出現一些前兆癥狀,如頭暈、肢體麻木、不明原因突然跌倒、惡心嘔吐、血壓波動、視力一過性下降等不典型癥狀,隨著病情發(fā)展繼而在頭面、四肢出現更為典型的神經功能障礙。因此,當患者出現一些不典型癥狀時,可以通過與醫(yī)生的有效溝通及檢查在早期及時排查AS。然而在小鼠AS模型的相關研究中,研究人員無法與小鼠建立有效溝通,不能通過外表觀察判斷建模后小鼠是否出現了相關不典型癥狀,只有當小鼠出現了軀干扭曲、身體不對稱、前肢不對稱屈曲等典型神經功能障礙時,通過神經功能缺損評分評價AS模型程度[4],在處以后續(xù)的病L學、CBF等檢測。MRI的出現,幫助研究人員大大提前了對小鼠 AS模型的觀測時間,不僅使科研人員對AS的研究擴展至發(fā)病早期,還指導建立了一些新型小鼠AS模型。例如,Vega等[18]在 MRI T2加權成像的指導下,揭示了在急性出血性腦卒中早期大腦微出血情況和期間發(fā)生的病L生L過程,從而首次對自發(fā)性腦微出血發(fā)生前的前驅期進行了全面評估,確立了新型的內皮細胞特異性消融小鼠AS模型。

3 MRI在小鼠AS模型中的發(fā)展趨勢

3.1 超高場強M RI不斷更新應用

MRI作為成像技術,影像的清晰度對診斷 AS病變部位與程度至關重要。特別是小鼠腦部體積相對較小,但是功能區(qū)域分布同樣復雜,如何能更準確地檢測小鼠腦部病灶部位功能區(qū),需要高清晰度的影像,為了獲取高清晰度較L想的影像,則需要較高的信噪比(signal to noise ratio,SNR)。而超高磁場強度MRI則具有更高信噪比,使得MRI具有更大的空間分辨率[19],可進行高分辨率的解剖成像、功能成像、磁共振波譜成像,更適合小鼠腦解剖及腦功能的研究[5]。到目前為止,還沒有發(fā)現應用超高場強磁共振后,機體存在長期副作用或副反應方面的相關報道。

隨著研究需求和技術發(fā)展,MRI磁場強度也就從最初的不足0.5 T,逐漸發(fā)展到現在的3 T、7 T、9.4 T、14.1 T、17.6 T。Langhauser等[20]的研究利用高場9.4T MRI(帶有 1H表面低溫探針)對C57BL/6小鼠血栓栓塞性卒中的梗死體積和血管再通進行測量,為中風治療提供新的溶栓策略。在腦血管解剖學和血流動力學的研究中,由于二者變化可以影響不同近交系小鼠中風預后,因此Pham等[21]采用多模態(tài)超高場 MRI(17.6 T,750 Hz,Biospin,Bruker BioSpin GmbH,Ettlingen,德國),比較了C57BL/6和Sv/129小鼠在短暫性腦中動脈閉塞(tMCAO)模型中腦卒中的發(fā)育情況,利用高分辨率T2加權RARE圖像進行全腦梗塞分割,連續(xù)動脈自旋標記(CASL)和自旋回波擴散加權成像定量測定CBF和表觀擴散系數(ADC)。Mystkowska等[22]研究發(fā)現場強為14.1 T的超高場強磁共振非常適用于對小鼠、大鼠等嚙齒類小動物進行神經解剖影像分析及神經生物實驗的結果分析。而這些影像研究,可能對揭示神經腫瘤的發(fā)病機制及如何治愈人類中樞系統(tǒng)疾病提供重要信息。

3.2 縱向M RI不斷應用

近年來,MRI在小鼠AS模型中的使用更傾向于縱向檢測。從AS的發(fā)病前期到急性發(fā)病期再到緩解恢復期(缺血再灌注等),持續(xù)使用MRI檢測大腦血管及相關腦組織病變部位與程度,嘗試全面“描繪”出整個AS發(fā)生發(fā)展過程中的各種生L病L變化。Granziera等[23]使用MRI擴散張量成像持續(xù)測量小鼠短暫局灶性腦缺血模型腦卒中后4 d、10 d、15 d和21 d表觀擴散系數(ADC)和擴散分數各向異性(FA)的長期時間演化,顯示了腦組織重塑和功能恢復過程。另外,在MRI對AS藥物評價中,也逐漸傾向于縱向檢測,觀察藥物干預的持續(xù)作用。例如,Wang等[24]使用MRI縱向描述用神經降壓素激動劑HPI201治療PIH小鼠缺血性中風模型梗塞演變,動態(tài)顯示了梗死體積和水腫體積減少的變化過程,為HPI201藥效評價提供了更加豐富的研究支持。

4 小結

MRI作為體外成像技術,被證實是一種可靠的非侵入式手段,不僅能夠為小鼠AS模型相關研究提供可靠、真實的檢測數據,還能根據實驗需求指導新型小鼠AS模型制備。并且MRI具有多種細化技術,可以滿足AS不同病變組織、部位、損傷程度的檢測需求,最大化提供清晰影像支撐。目前針對小鼠AS研究需求,MRI不斷提高磁場強度,提高分辨度的同時降低信噪比對小鼠檢測結果的影響。在對小鼠AS研究中,MRI逐漸趨向于縱向檢測,一方面全面監(jiān)測AS發(fā)生發(fā)展過程中的各種生L病L變化,另一方面對AS藥物干預進行持續(xù)評價。