USPIO示踪中枢神经系统炎性细胞的研究进展

张 成 杨烁慧（综述）詹松华（审校）

中枢神经系统（central nervous system，CNS）损伤后的炎性反应是脑组织肿胀、脑水肿等形成的重要原因之一。目前对CNS损伤后炎性反应的研究取得了较大的收获，特别是纳米技术以及结合靶向药物和抗体等分子探针的飞速发展，使相关研究得到进一步的发展。

CNS炎性反应的机制

炎性反应是具有血管系统的生物机体对损伤因子所发生复杂的防御反应,是机体一种重要的生理病理反应。它包括白细胞的激活、渗出、细胞因子的释放及其产生的一系列生理病理反应的过程。它的发生发展依靠一系列的信号转导途径,其中c-uJn氨基端激酶-信号转导转录激活蛋白、丝裂原活化蛋白激酶和转录因子-κB是细胞内参与炎性反应的三条重要信号通路。细胞因子主要通过这三条途径来调控相应基因的表达来参与炎性反应，这三条通路之间并不是独立的,而是存在复杂的交互作用[1]。

在脑外伤、感染、卒中及多发性硬化（multiplesclerosis，MS）中，不仅外周血循环中的中性粒细胞、单核/巨噬细胞和一些分子通过被破坏的血脑屏障（blood brain barrier，BBB）进入受损的脑组织，启动一系列分子和细胞级连锁反应，产生大量的炎性因子，导致免疫激活和炎性反应，而且脑组织中的小胶质细胞、星形胶质细胞等也积极参与脑损伤后的炎性反应。

超微超顺磁性氧化铁粒的特性

超微超顺磁性氧化铁颗粒(ultrasmall superparamagnetic particles of iron oxide，USPIO)，直径小于30nm，血浆半衰期约200 min，分布在网状内皮系统和血池中，具有在血中停留时间较长和被组织中巨噬细胞吞噬的两个重要特性，在数小时内使血管保持较高的信号强度，其灌注期及增强期均有延长，已被用于对比增强的磁共振血管动脉造影。

USPIO颗粒分布于巨噬细胞或血池内，造成局部磁场不均匀，加速质子去相位的过程，使质子的T2值缩短（磁化率效应）。USPIO还具有缩短 T1时间的效应，在低浓度时T1增强效应较明显；高浓度时，磁化率效应在一定程度上平衡T1效应。依赖于粒子的大小及表面修饰物的性质，磁性粒子在体内会被吞噬细胞特异性地或非特异性的吸收或吸附[2]。U-SPIO可能被血液中的单核/巨噬细胞所吞噬，随吞噬细胞到达炎症部位，USPIO对比异常强化的范围反映巨噬细胞浸润的范围和程度[3]。目前临床普遍采用的Gd对比剂是一种细胞外间隙磁共振小分子成像对比剂，在中枢神经系统主要反映血脑屏障的破坏，而巨噬细胞浸润和血脑屏障破坏是时间和空间上互相独立的两种病理生理过程[4]，鉴于Gd对比剂不利于检测出炎性反应病理早期变化,因此提出使用新型对比剂，比如USPIO监测CNS炎症反应的需求。

USPIO在CNS炎性反应中的应用

1.多发性硬化

MS是一种发生在CNS中最常见的脱髓鞘疾病之一，其病因和发病机制尚未完全明确。MS的病理组织特征为广泛性炎性脱髓鞘和轴索损伤，其中炎性反应在MS的病理机制中扮演着极其重要的角色，标志是小胶质细胞或小胶质或巨噬细胞的活化，其中巨噬细胞是MS病灶中重要的效应细胞，参与MS病程的各个阶段和髓鞘碎片的清除。USPIO粒子被巨噬细胞摄取后，经MRI成像可显示出信号的改变，再通过对巨噬细胞的病理及免疫组化染色和铁染色，可以提供与MS炎症有无活动性的直接证据，更好地估计MS病程中炎性反应的程度和提供效应细胞的生化信息，通过USPIO MRI成像可建立MRI判断MS病灶有无活动性的新标准。MS急性期的治疗策略主要是抑制炎性细胞进入脑实质,通过直接阻断黏附因子的相互作用或者通过免疫调节减少白细胞的渗出,因此对巨噬细胞的观察有利于MS治疗的监测[5]。

实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoinmmune encephalomyelitis，EAE）是目前研究人类MS的常用动物模型,在诸多方面与人类MS有相似之处。Flaris等[6]研究结果表明在急性炎性期，超微结构电镜和免疫组化证实MRI T2WI低信号区聚集了大量USPIO粒子，而USPIO的强化高峰则出现在临床症状最重时期之后，因此他们认为BBB的破坏早于炎症细胞的浸润，USPIO的聚集程度与EAE临床评分以及免疫组化所见的单核细胞浸润程度呈正相关。因此USPIO活体标记巨噬细胞可以为MS的临床试验提供更多组织病理学信息。Berger等[7]在慢性复发性EAE模型的炎性早期阶段用USPIO跟踪巨噬细胞的迁移，对EAE的急性期、缓解期、首次复发期3个期相进行磁共振对比研究，结果表明，复发期病灶的严重程度明显轻于急性炎症期，处于炎症活动期都有USPIO强化，而缓解期没有，急性炎症期的磁化传递率值显著下降，该值反映了髓鞘的丢失或轴索密度减少；USPIO强化病灶的体积与神经症状的严重程度有关，提示MRI可以活体追踪巨噬细胞能监测炎症病灶的演变，并可区分炎症期与缓解期。MRI免疫成像在体监测MS免疫细胞，仅需少量USPIO就可探测到，成像的可行性强，USPIO标记的单克隆抗体在体标记特异性免疫细胞，方法简单，重复性好，可以监测免疫细胞的动态变化，并能确定何时启动免疫反应，监测免疫细胞浸润情况[8]。

2.缺血性卒中

炎性反应是缺血性脑损伤发生的主要机制，主要来自固有小胶质细胞和循环单核细胞演变后的巨噬细胞。活化的巨噬细胞产生大量的细胞毒性物质，加速了缺血脑组织的损伤，缺血-再灌注时由于局部代谢产物及血管活性物质的作用使血管通透性增加，血管内皮细胞释放细胞黏附分子，使白细胞边聚-黏附-游出。开始是中性粒细胞，24 h后则以单核/巨噬细胞为主(包括位于脑内的小胶质细胞和血液循环中的单核细胞)，它们在局部发挥吞噬、免疫作用，同时产生的溶酶体酶、活性氧自由基及白三烯等物质可以造成缺血灶内部和周围组织一定程度的溶解和破坏，加重缺血区脑组织损伤。Wiart等[9]将小鼠的大脑中动脉夹闭后5.5h后注入USPIO，在MR图像上能够显示缺血区域巨噬细胞浸润情况，进一步实验表明，使用射线照射损伤小鼠的皮质微动脉，从而导致血管闭塞，5d后注射USPIO，24h后MR图像显示病变区域边缘出现条带样T2信号降低区，病理组织切片显示该T2WI信号减低区有大量巨噬细胞聚集。

Marinescu等[10]利用USPIO增强MRI监测抗炎药物（如二甲胺四环素）对实验性卒中的疗效。二甲胺四环素治疗后，脑梗死面积、血脑屏障渗透性和小胶质细胞/巨噬细胞的免疫染色F4/80值显著降低，二甲胺四环素治疗鼠的R2图大于35/ms的区域也显著减少。二甲胺四环素治疗后 USPIO 增强MRI上异常信号区显著减少,为疗效检测提供了替代性标记物。

3.放射性脑损伤

放射性脑损伤本身伴有炎性细胞浸润,这使USPIO 在放射性脑损伤诊断中的应用成为可能。Philippens 等[11]通过动物实验来检测中枢神经系统放射性损伤的早期和晚期迟发反应,研究发现局灶性损伤区USPIO 聚集呈现明显低信号,在水肿周围呈环状低信号,晚期迟发反应白质坏死的邻近区域也可有较大范围的USPIO强化灶。因此,USPIO增强MRI对早期局灶性损伤和晚期坏死的诊断均有价值。

USPIO结合分子影像在CNS炎性反应中的进展

通过分子影像学，研究者们希望通过生物标识物区分异常靶细胞与正常细胞,从而达到无创检测和评价新生病理过程。血管细胞黏附分子-1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）通常在活化的内皮细胞、巨噬细胞和平滑肌细胞表面表达，启动炎性反应和粥样硬化病变过程。此外，它可作为磁共振分子成像的靶点，通过将VCAM-1抗体与超顺磁纳米颗粒相连接制备特异性磁共振纳米探针，用来增强脑部伴发炎性反应的磁共振信号。McAteer 等[12]研究VCAM-1及其配体α4β1整联蛋白是否是调节白细胞募集及引起机体损伤效应的关键因素。他们通过选择合适抑制剂，与α4β1连接而阻止其与VCAM-1相互作用，在动物实验中发现在病理上还不能检测出MS明显损害性症状的时候，运用MRI就可以探测到MS急性期脑组织炎性反应的VCAM-1，达到早期诊断并观察MS的发展程度以采取相应的治疗措施。此外，还可通过改变磁性氧化铁粒子的表面修饰配体，来对其他炎症、癌症、粥状动脉硬化症等病症中所特异表达的内皮细胞标记物进行磁共振成像。

展 望

运用USPIO作为相对特异的巨噬细胞示踪剂可以用于MR活体监测CNS炎症反应的发生、发展的过程，对治疗药物的开发、疗效的评估有重要作用，为CNS炎性反应及相关免疫反应等病理变化的研究提供新途径。lv等[13]的研究显示，小胶质细胞的Toll（toll like receptor,TLR)-2／IL-23／IL-17轴可能是缺血再灌注损伤的一个潜在治疗靶点。目前USPIO与相关通路的研究尚未见到报道，如将两者结合更能深入了解炎性反应的机制。针对CNS炎症不同环节的治疗原则,停止或减轻脑损伤程度,如抑制细胞内黏附分子、血管细胞黏附分子、中性粒细胞、小胶质细胞、主要组织相容性复合物、细胞因子、趋化因子和自由基活性。上述针对脑缺血后CNS炎性反应的各种治疗方法,动物实验中虽然有可喜的结果,但在临床中尚未有特异性的疗效[14]。如果以TLRs通路中的信号分子作为靶点开发一些新的药物如抗体、反义核酸及小干扰RNA等直接阻断炎症的发生，将有益于减轻脑损伤后的炎症反应。

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