MRI在小鼠急性脑卒中模型中的应用

翟亚南 李 梦 卢 静

(首都医科大学实验动物部,北京 100069)

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)作为一种新型成像技术,从上世纪70年代起,逐步在临床应用于急性脑卒中(acute stroke,AS)检测。近年来MRI技术发展迅速,T1/T2加权成像、弥散加权成像(DWI)、灌注加权成像(PWI)、磁共振血管成像(MRA)、敏感加权成像(SWI)、扩散张量成像(DTI)等层出不穷,在AS诊断和指导治疗方面发挥出不可替代作用[1-3]。随着MRI在临床诊治AS上的不断应用,AS的基础研究也开始逐渐使用MRI在模型制备、疾病进展、治疗干预、药效评价等方面进行检测,成为继病L检测、神经功能评分、局部脑血流量[4]等常规检测方法之后又一重要支撑检测方法。目前,建立AS模型常选用啮齿类。其中,小鼠脑动脉环的组成和脑血管解剖特点接近人类[5],特别是近交系小鼠成本低、背景明确、个体差异小、检测试剂丰富等自身优势,越发成为建立AS模型的L想模型动物。基于以上背景,本文就近几年MRI在小鼠AS模型中的应用进展综述如下。

1 MRI在小鼠AS模型评价中的作用

1.1 M RI能够更快捷、更直观地显示小鼠AS模型脑组织损伤区域及程度

小鼠AS模型是一类由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病,以脑动脉狭窄、闭塞、扭曲或者血管破裂为主要血管病变,其典型病L表现为血管病变后导致脑组织缺血缺氧性变性坏死。MRI可较好地反映出AS的病L生L情况,包括血管闭塞部位、脑梗死梗死核的具体位置、缺血半暗带的程度与范围等。像磁共振弥散加权成像在脑缺血早期就可以出现高信号,能精确显示急性缺血性病灶部位和大小,在数分钟内即可显示缺血范围,更早地发现缺血性改变。目前弥散加权成像仍是发病早期测量梗死核最为有效的方法[6-8]。还有在AS中最常用的扩散张量成像是目前唯一可显示活体大脑白质纤维的检测方法,可以对脑梗死进行早期诊断,定量分析脑梗死后神经纤维的损害程度,能直观显示病灶与皮质脊髓束的空间位置关系,为评估纤维束损伤的程度及梗死预后提供重要的信息[9]。

常规病L检测一般使用脑组织固定包埋后的石蜡切片HE染色和新鲜脑组织冰冻切片TTC染色技术,一直以来被认为是评价小鼠 AS模型金标准。然而,除去这两种染色方法操作时间长、工序较多外,HE染色、TTC染色的问题在于脑组织修块和切片前,实验人员并不知道脑损伤的准确区域与病变程度,特别即使是使用相同造模方法制备的AS模型小鼠,其个体间发生病变的情况也不尽相同,需要逐只沿横截面从上到下或者冠状面从前到后以2～7μm的厚度连续切片、染色,从而逐层寻找血管梗死位置、逐层分析脑组织病变程度[4]。正是这种脑损伤定位上的滞后性,大大增加了研究工作的量与难度。MRI的出现从根本上解决了病L切片的定位问题,可以在脑组织修块、切片之前准确定位缺血半暗带区域及程度,再根据自己实验的需求,精准修块、切片、染色。Hata等[10]使用4.7T BiSPEC系统在小鼠大脑矢状面多层面扫描,定位脑基质缺血区后,定位取材行2μm切片、TTC染色,成功分析了改进型线栓阻塞AS模型小鼠局灶性缺血与体重相关性。Sasaki等[11]在蛛网膜下腔出血后1 h内通过MRIT2加权成像确定蛛网膜下腔出血分布,诱导后第1天,通过MRI弥散加权成像评估急性脑梗死的发生率和位置。Qian等[12]使用 MRI扩散系数图、灌注加权成像和T2加权成像显示半暗带位置与范围,在早期准确显示改良的光血栓性卒中模型的半影精确特征。

1.2 M RI能够在活体AS模型动物上应用,降低实验动物的死亡率

常规的病L学检测技术都对实验动物实施安乐死后开展后续工作,然而MRI是在活体实验动物上应用即可直接成像,更快捷,直观地显示脑组织损伤区域和程度。众多研究已报道,MRI是可以在不伤害实验动物的前提下应用,动态观察并记录小鼠脑卒中在超急性期,急性期、亚急性期及慢性期的变化过程。在同样可获得科学可靠的实验结果的前提下,既提高实验动物的存活率,也减少了实验动物的使用量,遵循实验动物的3R原则,保障实验动物的福利伦L。

1.3 M RI能够无创性检测小鼠AS模型脑血流量(cereb ral b lood flow,CBF)

AS的脑组织损伤是由于脑部血管突然阻塞导致血液不能流入大脑引起,因此在基础研究中CBF的测定也是评价AS模型的重要方法之一。目前,常用激光多普勒血流仪、14C-Iodoantipyrine等方法检测AS模型小鼠 CBF[4]。但是,二者均为侵入式工具,都存在操作影响检测结果的风险。使用激光多普勒血流仪时,首先要在手术显微镜辅助下,在接近阻断或切除大脑中动脉部位末端1 mm的位置设置光纤探头,非常容易损伤细小血管分支,造成手术性出血,影响CBF结果[4]。而使用14C-Iodoantipyrine方法检测时,更是要经历股静脉穿刺灌注14CIodoantipyrine、动脉导管采血、断头取脑等一系列手术操作,才能使用特定方程间接计算出CBF,因此每只小鼠在检测时都有可能因为人为操作的差异影响真实的结果[13]。MRI作为体外三维成像技术,是重要的非侵入式的工具,填补了无创性检测AS模型小鼠CBF的空白。近几年来新开发出的MRI 3DASL成像技术,不仅短时间内可以多次扫描,并且扫描时间相比较短,同时也无需进行对比剂注射,更有利于进行及时、有效的发现脑组织血流灌注中的增高区。对全脑血流灌注状态进行动态观察,更加全面评估脑组织的血流灌注情况。

MRI与传统方法相比,排除了人为操作可能导致的CBF数据偏差,最大程度上反映了大脑真实性的血管病变情况。何洁和吉训明[14]研究表明MRI可以清晰得到脑血流量、脑容量、平均通过时间和达峰时间等多个脑血流灌注参数图、尤其适合急性脑卒中的检查。而 Leithner等[13]验证了 MRI可以提供CBF成像定量方法,在神经保护研究中使用flow sensitive alternating inversion recovery(FAIR)-MRI能够定量半球脑血流。

1.4 M RI能广泛应用于各类方法建立的小鼠AS模型评价

小鼠AS模型造模方法较多,常见的有线栓法、光栓法、血栓栓塞法、微球注入法等。不同方法构建的小鼠AS模型分别有各自的优点、缺点及适用范围。我们常根据自己的研究方向、实验目的,选定某种方法后建立模型,不同方法导致的脑损伤部位、程度及范围不尽相同,针对不同AS模型显示出的病变特点,MRI分化出众多与之相匹配的成像方法。Zhang等[15]使用 MRI T2加权成像对一种新型高存活率的小鼠局灶性脑缺血模型进行评价。溶栓治疗的研究常应用到MRI中的灌注加权成像,来评估缺血半暗带,在PW I上即可出现异常信号,代表该区域处于低灌注状态,进一步可发展为梗死。Barber等[16]利用MRIT1、T2变化与弥散加权成像表明,无论哪种类型的阻塞,T1的早期增加表明AS病灶中的水含量升高,而只有在短暂的大脑中动脉阻塞后,T2才出现早期增加,表明早期血管源性水肿伴血脑屏障的破坏。Deddens等[17]在利用 MRI检测脑卒中后神经炎性生物标志物细胞间黏附分子-1(ICAM-1)的研究中,发现特异性 T2缩短型氧化铁颗粒,是最合适的造影增强剂。

2 M RI在建立小鼠AS模型中的作用

MRI不仅能够对已知的成熟小鼠AS模型进行评价,还可以对探索建立新型小鼠AS模型进行指导。在临床上,患者在AS发生早期会出现一些前兆症状,如头晕、肢体麻木、不明原因突然跌倒、恶心呕吐、血压波动、视力一过性下降等不典型症状,随着病情发展继而在头面、四肢出现更为典型的神经功能障碍。因此,当患者出现一些不典型症状时,可以通过与医生的有效沟通及检查在早期及时排查AS。然而在小鼠AS模型的相关研究中,研究人员无法与小鼠建立有效沟通,不能通过外表观察判断建模后小鼠是否出现了相关不典型症状,只有当小鼠出现了躯干扭曲、身体不对称、前肢不对称屈曲等典型神经功能障碍时,通过神经功能缺损评分评价AS模型程度[4],在处以后续的病L学、CBF等检测。MRI的出现,帮助研究人员大大提前了对小鼠 AS模型的观测时间,不仅使科研人员对AS的研究扩展至发病早期,还指导建立了一些新型小鼠AS模型。例如,Vega等[18]在 MRI T2加权成像的指导下,揭示了在急性出血性脑卒中早期大脑微出血情况和期间发生的病L生L过程,从而首次对自发性脑微出血发生前的前驱期进行了全面评估,确立了新型的内皮细胞特异性消融小鼠AS模型。

3 MRI在小鼠AS模型中的发展趋势

3.1 超高场强M RI不断更新应用

MRI作为成像技术,影像的清晰度对诊断 AS病变部位与程度至关重要。特别是小鼠脑部体积相对较小,但是功能区域分布同样复杂,如何能更准确地检测小鼠脑部病灶部位功能区,需要高清晰度的影像,为了获取高清晰度较L想的影像,则需要较高的信噪比(signal to noise ratio,SNR)。而超高磁场强度MRI则具有更高信噪比,使得MRI具有更大的空间分辨率[19],可进行高分辨率的解剖成像、功能成像、磁共振波谱成像,更适合小鼠脑解剖及脑功能的研究[5]。到目前为止,还没有发现应用超高场强磁共振后,机体存在长期副作用或副反应方面的相关报道。

随着研究需求和技术发展,MRI磁场强度也就从最初的不足0.5 T,逐渐发展到现在的3 T、7 T、9.4 T、14.1 T、17.6 T。Langhauser等[20]的研究利用高场9.4T MRI(带有 1H表面低温探针)对C57BL/6小鼠血栓栓塞性卒中的梗死体积和血管再通进行测量,为中风治疗提供新的溶栓策略。在脑血管解剖学和血流动力学的研究中,由于二者变化可以影响不同近交系小鼠中风预后,因此Pham等[21]采用多模态超高场 MRI(17.6 T,750 Hz,Biospin,Bruker BioSpin GmbH,Ettlingen,德国),比较了C57BL/6和Sv/129小鼠在短暂性脑中动脉闭塞(tMCAO)模型中脑卒中的发育情况,利用高分辨率T2加权RARE图像进行全脑梗塞分割,连续动脉自旋标记(CASL)和自旋回波扩散加权成像定量测定CBF和表观扩散系数(ADC)。Mystkowska等[22]研究发现场强为14.1 T的超高场强磁共振非常适用于对小鼠、大鼠等啮齿类小动物进行神经解剖影像分析及神经生物实验的结果分析。而这些影像研究,可能对揭示神经肿瘤的发病机制及如何治愈人类中枢系统疾病提供重要信息。

3.2 纵向M RI不断应用

近年来,MRI在小鼠AS模型中的使用更倾向于纵向检测。从AS的发病前期到急性发病期再到缓解恢复期(缺血再灌注等),持续使用MRI检测大脑血管及相关脑组织病变部位与程度,尝试全面“描绘”出整个AS发生发展过程中的各种生L病L变化。Granziera等[23]使用MRI扩散张量成像持续测量小鼠短暂局灶性脑缺血模型脑卒中后4 d、10 d、15 d和21 d表观扩散系数(ADC)和扩散分数各向异性(FA)的长期时间演化,显示了脑组织重塑和功能恢复过程。另外,在MRI对AS药物评价中,也逐渐倾向于纵向检测,观察药物干预的持续作用。例如,Wang等[24]使用MRI纵向描述用神经降压素激动剂HPI201治疗PIH小鼠缺血性中风模型梗塞演变,动态显示了梗死体积和水肿体积减少的变化过程,为HPI201药效评价提供了更加丰富的研究支持。

4 小结

MRI作为体外成像技术,被证实是一种可靠的非侵入式手段,不仅能够为小鼠AS模型相关研究提供可靠、真实的检测数据,还能根据实验需求指导新型小鼠AS模型制备。并且MRI具有多种细化技术,可以满足AS不同病变组织、部位、损伤程度的检测需求,最大化提供清晰影像支撑。目前针对小鼠AS研究需求,MRI不断提高磁场强度,提高分辨度的同时降低信噪比对小鼠检测结果的影响。在对小鼠AS研究中,MRI逐渐趋向于纵向检测,一方面全面监测AS发生发展过程中的各种生L病L变化,另一方面对AS药物干预进行持续评价。