超高场强核磁共振中脑深部电刺激电极周围分子生物学变化的活体研究

杨岸超，石 林,，王 秀，刘焕光，张 鑫，张建国※

(1.首都医科大学附属北京天坛医院神经外科,北京 100050； 2.北京市神经外科研究所功能神经外科研究室,北京 100050)

随着功能神经外科在我国的快速发展，越来越多的患者接受了脑深部电刺激(deep brain stimulation，DBS)治疗[1]。当前DBS技术存在的一个重要问题就是其在磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)磁场中的安全性[2-3]。DBS电极在MRI射频磁场中会接收射频能量并产热，进而引起周围脑组织热损伤，这是植入DBS装置的患者进行MRI扫描的主要风险[4-5]。本研究通过对超高场强MRI(7.0T)扫描后DBS电极周围脑组织进行蛋白印迹杂交检测(western-blot)及实时定量聚合酶链反应(quantitative polymerase chain reaction,QPCR)检测，测定了热损伤标记分子热激蛋白70(heat shock protein-70,HSP-70)的相对含量，进而评估了超高场强MRI下DBS电极对周围组织热损伤的情况，探讨了DBS设备与MRI的兼容性问题。

1 资料与方法

1.1一般资料 所有实验符合北京实验动物管理中心关于实验动物使用及保护的规定(审批号：SYXK 2010-0141)。体质量2.5～4.0 kg的雄性新西兰白兔24只(军事医学科学研究实验动物中心提供)，随机分为电极植入组和穿刺对照组，每组各12只。

1.2DBS植入 电极植入组动物在乌拉坦(1 mg/kg)麻醉下行DBS植入(DBS设备由清华品驰公司提供，型号G101)，电极尖端置于左侧丘脑腹后核(MRI扫描确认电极位置，位置偏差明显者再次手术调整电极位置，图1)，DBS电极帽固定，头部皮下留适量导线，刺激器置于左侧肋弓下旁正中，多余导线“之”字形固定于刺激器表面(防止多余导线进入MRI线圈)。穿刺对照组仅行DBS电极同位点穿刺，保留10 min后拔出。常规缝合伤口。

1.3MRI扫描 所有动物行7.0T MRI扫描，序列为自旋回波(spin echo,SE)序列、梯度回波(gradient recalled echo,GRE)序列及反转恢复(fluid attenuation inverse recovery,FlAIR)序列，重复扫描3次，保证扫描时间超过25 min，扫描特异吸收率(specific absorption rate,SAR)在0.28～2.80 W/kg。

1.4分子生物学检测 MRI扫描24 h后注射过量麻醉剂处死动物并取脑，行针道周围组织western-blot及QPCR检测，测定针道周围组织内HSP-70的变化，比较电极植入组及穿刺对照组HSP-70变化差异。具体方法同文献[6]。

左图为冠状位图像，右图为矢状位图像，白色箭头示穿刺针道，黑色箭头示电极

2 结 果

2.1HSP-70的western-blot检测结果 电极植入组穿刺道周围组织中HSP-70相对水平为0.167～0.170(0.168±0.001)，穿刺对照组为0.172～0.175(0.173±0.006)电极植入组与穿刺对照组HSP-70水平的差异无统计学意义(t=0.751,P>0.05)(图2)。

(A)，蛋白电泳条带灰度图示HSP-70及参考蛋白β-actin的灰度条带。(B)，HSP-70相对含量的柱状图，G1与G2差异无统计学意义(P>0.05)。G1：电极植入组，G2：穿刺对照组。HSP-70:热休克蛋白-70；β-actin：参考蛋白

2.2HSP-70 mRNA的QPCR检测结果 QPCR结果显示电极植入组穿刺道周围组织中HSP-70的mRNA相对含量为0.777～0.820(0.793±0.019),穿刺对照组为0.760～0.798(0.777±0.024)。结果显示,电极植入组与穿刺对照组HSP-70 mRNA水平无统计学差异(t=0.332，P>0.05)(图3)。

3 讨 论

HSP-70是细胞中可被热损伤诱导的敏感分子，在多个研究中HSP-70被视作热损伤标志物以评估热损伤程度[7-8]。本研究通过western-blot和QPCR方法对热损伤敏感分子HSP-70及其mRNA进行了检测，结果提示DBS电极周围HSP-70水平与单纯穿刺机械损伤组的HSP-70水平相比，差异并无统计学意义。由此可以推论，本实验中7.0T MRI扫描的射频磁场并未引起DBS电极周围出现明显的热损伤改变。本实验的结果与很多其他检测超高场强MRI扫描后DBS设备或导体温度变化的实验研究相符[9]。

本实验结果是否说明DBS设备在磁场中未产热并且是安全的呢？首先，很多研究业已证明在射频磁场中DBS电极会吸收射频能量而出现温度升高[3,10-13]，但温度升高范围与很多因素有关，如射频线圈的种类、射频磁场强度及SAR值、扫描时间、导体在磁场中的位置、导体的电物理学属性等[2,14]，因此不同实验条件下DBS电极或导体温度变化也有很大差异，但通过适当控制重要的参数，如扫描序列、导体在磁场中的位置、使用低SAR扫描等，DBS设备及导体的温度变化并不明显。Carmichael等[15]的研究发现1.5T和3.0T磁场引起DBS电极的温度变化均很小(0.1～0.5 ℃)，Ideta等[16]报道1.5T及3.0T MRI扫描引起钛合金假体温度升高0.4 ℃，Shrivastava等[9]报道了9.4T MRI射频磁场中DBS设备出现0～5 ℃的温度变化。本实验采用的很多参数参照了上述研究，如使用常规SE、GRE及FLAIR扫描序列、使DBS设备位于射频线圈外、使用国际要求的头部线圈等，因此很有可能本实验DBS设备的发热量与上述研究相类似。其次，HSP-70分子作为热损伤敏感蛋白，被用于检测热损伤。有实验证明采用的诱导型HSP-70在细胞温度超过39 ℃时才开始被合成，正常细胞中HSP-70水平极低[7]。本实验显示电极植入组与穿刺对照组HSP-70水平差异无统计学意义，很有可能是DBS电极周围组织的温度并未超过39 ℃。

G1与G2差异无统计学意义(P>0.05)。G1：电极植入组，G2：穿刺对照组

本实验中未使用MRI温度测量设备对DBS电极温度的实时变化情况进行监测，因此未来还需要进行进一步研究，并采用更多的参数组合对MRI引起的DBS电极产热问题进行研究，以辅助制定植入DBS设备的患者进行超高场强MRI扫描的规范。

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