阿尔茨海默病相关血脑屏障的影像学研究进展

王兵兵，罗与，白岩，吴亚平，申雨，王梅云*

作者单位 1.郑州大学人民医院医学影像科，郑州 450003；2.河南省人民医院医学影像科，郑州 450003

0 引言

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是以认知功能减退为主要症状的神经系统退行性疾病，其具有年龄依赖性，患病率随着人口老龄化的加剧而逐年激增，是危害老年人健康的主要疾病。目前，AD 的发病机制尚不明确，普遍认为β-淀粉样蛋白（β-amyloid, Aβ）过度沉积、tau 蛋白过度磷酸化、神经炎症、载脂蛋白E（apolipoprotein E, APOE）、脑内淋巴系统功能障碍等都与其发病紧密相关[1-2]。血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）作为脑组织与外周血液之间的保护性屏障，对于维持脑内生理稳态具有重要意义，其结构及功能异常参与多种中枢神经系统疾病的发生、发展[3]。研究已经发现，BBB损伤在AD发病进程中具有重要作用[4-6]，而其与AD 病理学的关联有助于阐明其作用机制。目前，尚无能逆转AD 疾病进程的有效方法，因而早期识别AD 并进行干预可能是延缓疾病发展的有效措施。

影像学技术可以在体反映BBB 结构及功能改变，是研究BBB 损伤与AD 病理学关联的重要方法。动态对比增强MRI（dynamic contrast-enhanced MRI,DCE-MRI）、动脉自旋标记（arterial spin labeling,ASL）以及血管-水交换成像（vascular-water-exchange imaging, VEXI）可以定量检测BBB渗透性的改变，不同于DCE-MRI需要使用外源性对比剂，ASL及VEXI均以内源性水分子为对比剂，属于完全无创的MRI检查新技术。正电子发射计算机断层显像（positron emission tomography, PET）可以通过应用不同类型的放射性示踪剂反映BBB转运功能异常。而新近发展起来的磁共振引导聚焦超声（magnetic resonance-guided focused ultrasound, MRgFUS）则能可逆性打开血脑屏障，有可能为AD的治疗开辟路径。

1 BBB的组成

BBB 主要由脑微血管内皮细胞（cerebral micro vascular endothelial cell, BMEC）、紧密连接（tight jointions, TJ）、周细胞及星形胶质细胞组成。BMEC是BBB 的主要结构，其排列相对紧密，胞饮活性较低，但其细胞上镶嵌有多种转运蛋白，胞内含有多种酶，因而可以选择性介导血液中的营养物质输送至中枢神经系统，同时清除代谢废物及其他有害物质[7-8]。TJ 是由细胞骨架蛋白、胞质附着蛋白及跨膜蛋白共同组成的复合物，位于BMEC 之间，与BMEC一起构成BBB 选择通透性的结构基础[9-10]。周细胞位于BMEC 外，不仅参与紧密连接蛋白的表达的调控，而且能够诱导星形胶质细胞末端足突极化[11-13]。星形胶质细胞覆盖于脑毛细血管外，能够分泌多种体液分子，表达转运蛋白，参与维持脑内离子及酸碱平衡并介导脑内信号转导[14-16]。以上结构相互作用，协同运转，对进出脑组织的物质进行严格调控，从而保持脑组织内环境的基本稳定。

2 BBB损伤与AD病理学

BBB 损伤主要包括结构及功能的改变，渗透性增加、转运功能异常是其主要方面，相关任何节点发生紊乱，都可能引起脑组织病理改变，与AD 的病理学改变密切相关[17]。

2.1 Aβ

BBB上含有多种Aβ相关转运蛋白，对Aβ的清除至关重要。研究发现，AD患者BBB上介导Aβ向脑内转运的晚期糖基化终末产物受体表达增高，而介导Aβ从脑内清除的磷酸-糖蛋白（P-glycoprotein, P-gp）、三磷酸腺苷结合盒转运体和低密度脂蛋白受体相关蛋白1 表达减低，从而加剧了Aβ 在脑内病理性积聚[4]。而其他与葡萄糖、氨基酸相关的转运蛋白的异常可以通过影响脑物质及能量代谢加重Aβ病理性沉积。同时，具有细胞毒性的Aβ 可以通过氧化应激等途径破坏TJ相关蛋白，引起AD患者BBB渗透性增加[18]。

2.2 tau蛋白

病理性tau 蛋白积累可通过线粒体损伤及慢性神经炎症促进BBB 损伤。有研究发现，海马血管周围tau 蛋白水平与BBB 功能障碍相关，而tau 蛋白水平减低有助于抑制BBB 的损伤[19]。病理性tau 蛋白可以影响线粒体的分布及功能状态，引起能量代谢障碍，促进氧化应激反应，同时诱导神经胶质细胞、内皮细胞等分泌炎性因子，有助于慢性神经炎症的发生、发展，从而引起BBB损伤[20]。

2.3 神经炎症

颅内神经炎症主要由小胶质细胞和星形胶质细胞介导，小胶质细胞及星形胶质细胞的激活产生多种促炎细胞因子及内皮细胞C3a受体的激活引起细胞内钙离子浓度升高通过破坏BBB上TJ复合体的结构引起BBB 渗透性增加[21]。BBB 渗透性增加使得血液中的炎症、免疫细胞等进入脑实质，尤其是海马、颞叶皮层等区域，并释放促炎细胞因子等神经毒性物质，加剧脑内炎症反应，进而引起神经元的损伤甚至死亡[22]。

2.4 APOE风险基因

APOE4 等位基因是迟发型AD 的最普遍的遗传高风险因素，能够强烈驱动脑内Aβ 及tau 相关病理学进展和神经炎症等的发生。APOE4主要在脑内星形胶质细胞表达，可以通过损伤TJ 复合体及周细胞引起BBB渗透性增加[23]。

2.5 淋巴系统

近年来，脑内淋巴系统在AD 发病机制中的作用越来越受到关注。水通道蛋白4（aquaporin-4, AQP4）不仅是水分子跨膜转运的主要蛋白，也是淋巴系统介导Aβ脑内清除的主要通道，主要存在于BBB 星形胶质细胞足突上，其表达及定位异常不仅影响BBB上的水交换，而且阻碍了Aβ经淋巴通路的脑内清除[24]。

3 影像学技术在AD的BBB损伤中的应用

3.1 DCE-MRI

DCE-MRI 是目前评估BBB 渗透性的标准影像方法，通过静脉注射对比剂后脑组织的T1 信号变化来反映不同区域脑组织灌注及毛细血管通透性。钆喷酸葡胺是临床上最常用的对比剂，其分子质量大于水，正常情况下BBB 对其不通透，但当BBB 渗透性增加时，它可以通过BBB进入细胞外间隙，使得相应组织信号增高。Ktrans值是评估对比剂通过细胞旁途径从血管内向组织间隙透过能力的主要参数，是评估BBB渗透性的直接指标。

DCE-MRI 是检测神经系统疾病BBB 异常应用最广泛的影像学技术，已经被应用于AD、脑卒中、脑肿瘤等神经系统疾病的研究中[25]。目前，其在探索BBB 损伤与AD 的关联上已经取得了一定进展。MONTAGNE 等[26-27]采用DCE-MRI 联合Patlak 分析模型探索不同年龄轻度认知障碍（mild cognitive impairment, MCI）患者和正常对照者（normal control,NC）BBB 渗透性变化，发现两组受试者海马CA1 亚区和齿状回的Ktrans值均随着年龄呈线性增长，且MCI组Ktrans值上升速度更快，增幅达60%，提示海马BBB渗透性增加具有年龄依赖性，与认知功能障碍的发生有关，可能是AD 早期诊断的敏感生物学标记物。而另一项研究发现MCI 及AD 患者BBB 渗透性增加与Aβ 淀粉样蛋白的脑内沉积严重程度及海马萎缩程度呈正相关[28]，说明BBB渗透性增加与AD的病理学相关，其严重程度可能反映AD 的疾病进程。APOE4 等位基因被认为是迟发型AD 的最敏感的遗传风险因素，MONTAGNE 等[29]应用DCE-MRI 发现APOE4 等位基因携带者（无论是MCI 还是NC）内侧颞叶BBB 渗透性增加，内侧颞叶是与认知功能相关的关键脑区，是AD 最早出现异常的区域，其BBB 损伤可能是APOE4 促进AD 进展的机制之一，而且这种机制在AD的前驱期就已发挥作用。

基于DCE-MRI 的研究表明，BBB 渗透性增加可能参与AD 早期发生，同时与AD 的病理学进程密切相关，而海马BBB 渗透性增加有作为早期认知功能下降的生物标记物的潜力，可能是AD 的早期诊断的敏感成像标记物。DCE-MRI作为迄今为止识别及定量检测早期BBB 渗透性变化的最灵敏技术，具有重要的临床应用价值，但由于所用对比剂分子量稍大，可能对BBB 渗透性的更细微变化检测效能较低，且对比剂输注的风险也不能忽略，未来新的敏感、安全的对比剂的研制可能是其研究方向。

3.2 ASL

ASL 是一种间接测量BBB 水交换率的无创MRI技术。它以磁性标记的水作为内源性示踪剂对脑组织进行成像，通过比较毛细血管和脑组织中磁化水扩散系数的差异反映BBB 对水的渗透性。相差动脉自旋标记（water extraction with phase contrast ASL, WEPCASL）及扩散制备动脉自旋标记（diffusion-prepared ASL,DP-ASL）是基于ASL 一般原理量化全脑水提取分数的新技术。WEPCAST 可以选择性地测量上矢状窦中标记的水而避免组织灌注的混杂影响[30]。DP-ASL则使用多个扩散权重区分毛细血管和脑实质磁性标记的水信号的差异，其信噪比相较于传统ASL 技术显著提高，但扫描时间相对延长[31]。

LIN等[32]用WEPCASL对MCI组及NC组进行成像，发现MCI 组BBB 水交换率增加，不仅能反映Aβ病理及tau 病理的严重程度，而且可以预测认知功能，这与DCE-MRI 研究结果一致，而对白蛋白的通透性方面，则与MONTAGNE 等[27]得出的结果不同，研究者认为这可能是因为水分子作为小分子物质，可以在BBB损伤达容许白蛋白通过之前检测到渗透性的细微变化，佐证了ASL 检测BBB 渗透性变化的敏感性。而一项基于DP-ASL 的研究则发现认知正常老年人BBB 水交换率减低，并与脑内Aβ病理严重程度呈正相关，但缺乏与认知功能的相关性，研究者认为这可能与BBB 上AQP4 异常相关，其作为淋巴系统清除Aβ 的主要通道，其表达及定位异常不仅影响水分子的跨膜交换，而且影响Aβ 的清除[33]。水分子的跨膜交换主要通过细胞旁途径自由扩散、经AQP4 介导及与离子共同转运三种途径，AD 不同阶段水跨膜转运的异常可能通过不同途径介导，因而可能造成试验结果的差异，如何正确解读这些差异也许是ASL相关研究面临的挑战。

相较于DCE-MRI，ASL 可以检测BBB 渗透性更细微变化，是研究AD 相关BBB 损伤的更敏感成像方式。但ASL 是基于全脑水渗透性变化的测量，不能反映特定脑区的BBB损伤，因而具有一定局限性；在AD 的不同阶段，引起BBB 水渗透性变化的主导途径也许不同，未来需进行大样本纵向队列研究探究这种阶段性改变及其与AD病理学之间的关联。

3.3 VEXI

VEXI 是在扩散加权成像的基础上发展起来的MRI技术，能够无创定量监测血管内外空间的水交换能力，从而对BBB渗透性变化进行评估[34]。其主要参数是表观交换速率（apparent exchange rate, AXR）。

VEXI已经应用于BBB渗透性异常的研究中，它可以反映区域BBB 水渗透性的变化，并表现出与DCE-MRI 相媲美的检测效能[35-36]。ZHANG 等[37]对AD 连续体进行VEXI，发现海马AXR 值在NC-MCI、MCI-AD 阶段均显著增高，与认知功能障碍呈负相关，且海马CA1 亚区是最早出现AXR 变异的脑区，而丘脑及内侧眶额叶皮层在MCI-AD 阶段才受到累及，这与LIN 等[32]运用DCE-MRI得出的结论一致，说明海马AXR 值可能对早期识别AD 有重要意义，具有作为AD 早期诊断成像标记物的潜力。而丘脑、内侧眶额叶皮作为与记忆、注意力及执行功能相关的关键脑区，其BBB 损伤可能是AD 介导相关认知功能下降的机制之一[38-40]。

VEXI 兼具DCE-MRI 及ASL 的优点，可以在AD前驱期发现区域BBB 渗透性的微小变化，且能预测认知功能，从而有望使AD 的诊断治疗窗口前移，具有巨大的临床应用潜力。目前其针对AD 相关BBB损伤的研究仍处于初始阶段，样本量相对较小，结果可靠性有待进一步验证，未来可加大样本量并联合AD病理学指标对其检测效能进一步评估。

3.4 PET

PET是一种分子影像学成像技术，通过使用不同类型的放射性示踪剂对脑组织进行成像，可视化反映脑内多种生化过程，从而为疾病的诊断和治疗提供帮助。目前已有多种不同类型的示踪剂应用于AD的研究，从物质代谢及转运方面反映BBB的功能异常。

18F-脱氧葡萄糖是一种常用来检测组织的葡萄糖代谢水平的放射性示踪剂，已经在科研及临床上得到了广泛应用。葡萄糖转运蛋白l 是介导葡萄糖从血液进入脑组织的主要转运蛋白，主要在BMEC 及星形胶质细胞的足突上表达，可以显著提高葡萄糖的转运速率，对保证脑组织能量供应十分重要[41]。多项研究使用18F-脱氧葡萄糖作为葡萄糖的替代分子对MCI和早期AD患者进行PET成像，发现在脑结构改变及临床症状出现之前，脑组织就表现出特征区域的葡萄糖代谢减低[42-43]，这与AD 脑组织微血管上的葡萄糖转运蛋白1 表达减少以及BBB 转运功能受损有关。内侧颞叶、顶叶及海马的葡萄糖代谢率表现出随病情进展渐进性下降的趋势[44]，说明BBB 转运功能可能对AD 疾病进展具有预测作用。P-gp 是BBB 上介导Aβ 从脑内清除的关键转运蛋白，有研究用P-gp 特异性示踪剂（R)-[11C]维拉帕米对AD 患者及NC 进行PET 成像，发现与NC 组相比，AD 组全脑皮质区域P-gp 功能减低，尤其在后扣带回减幅更大，说明BBB 的转运功能受损可能是AD 患者脑内Aβ病理性沉积的机制之一[45]。（R）-[11C]维拉帕米是P-gp的高亲和底物，对P-gp 功能的微小变化不敏感，而[11C]甲氧氯普胺和[18F]MC225 作为新近研发的敏感示踪剂已经应用于动物实验，并表现出良好效果，有助于探索BBB上P-gp功能区域性差异及这种差异与Aβ病理学的关联[46]。

BBB 的转运功能异常与AD病理学密切相关，应用不同类型的特异性示踪剂对AD 患者进行PET 成像，可以反映BBB上不同转运蛋白的水平，并能可视化其区域性差异，不仅有助于发现前驱期AD患者，且有助于预测疾病进展。另外，BBB 相关转运蛋白的异常有望作为AD治疗的靶点，需要深入研究探讨。

4 MRgFUS介导BBB开放在AD中的应用

虽然BBB 作为中枢神经系统的保护性屏障，对大脑稳态具有重要作用，但它同时也成为治疗性药物输送入脑组织的主要障碍。现阶段已经提出多种方法以克服这种桎梏，例如直接颅内注射、甘露醇给药等，但效果欠佳。MRgFUS 通过MRI 精确定位引导超声靶向大脑特定区域，使静脉内注射的微泡对比剂震荡，产生的机械应力使得区域BBB 内皮细胞间的紧密连接分离，从而打开目标区域的BBB。

多项AD 动物模型实验已经证明借助MRgFUS打开BBB 后，靶向脑组织的药物治疗使得脑内Aβ沉积减少，进一步研究还发现即使不进行药物输送，单一行MRgFUS 同样能减少Aβ 的脑内沉积，从而改善AD，但其机制尚不清楚[47-48]。为了验证MRgFUS临床效用及安全性，LIPSMAN 等[49]对5名轻中度AD 患者实行MRgFUS，选取背外侧前额叶为目标区域，并结合DCE-MRI 评估BBB 的功能状态，分别在行MRgFUS操作前，操作后即刻及24 h后行DCE-MRI，发现背外侧前额叶在行MRgFUS 操作后立即出现明显对比剂渗漏，而24 h 后这种外渗消失，表现与基线水平类似，且在后续随访中未出现严重的不良反应及后遗症，证实了MRgFUS无创打开AD患者BBB的临床可行性。随后有研究应用MRgFUS 技术成功打开了AD受试者海马、默认网络相关脑区的血脑屏障，进一步说明了其打开大脑深部区域BBB的效用[50-51]。但针对单一行MRgFUS操作是否有助于AD患者脑内病理性蛋白沉积的减少及认知功能的改善结果并不统一，尚需进一步探究。综上，MRgFUS作为一种安全、无创打开血脑屏障的技术手段，为AD的相关治疗，如靶向递送药物、免疫疗法、基因疗法等提供了途径。

5 总结与展望

BBB 损伤与AD 病理学密切相关，其在AD 发病机制中的作用越来越受到关注，影像学技术已经成为检测BBB 损伤及研究其参与AD 进程相关机制的主要方法。DCE-MRI、ASL、VEXI 是检测AD 相关BBB 渗透性变化的非侵入性手段，VEXI在早期敏感检测区域性BBB 渗透性变化方面显示出更大优势。PET是检测AD相关BBB转运功能异常的有效手段，不仅有助于AD 发病机制的研究，并有可能为AD 的治疗提供新的靶点。MRgFUS是靶向打开BBB的无创技术，为AD 的治疗提供可行路径。但目前影像学技术在研究AD 相关血脑屏障损伤方面仍面临一些挑战：（1）多种途径参与水分子的跨BBB交换，AD不同阶段不同途径对BBB水渗透性异常的贡献可能不同，需要大样本纵向队列研究探索其阶段性差异；（2）现阶段针对转运蛋白的示踪剂有待进一步开发，以提高PET检测BBB转运功能的敏感性及特异性，并有助于探索不同转运蛋白异常在AD 发病中的贡献；（3）多项研究采用小样本横向断面设计，纵向队列研究更是鲜见，未来需要进行大样本研究对不同检测方法的可靠性进行验证，同时探索AD连续进程中BBB的异常参与疾病发展的机制。相信随着影像学技术的不断发展，其在AD领域的研究将进一步深入，有望为AD 的早期诊断提供可靠依据，并为治疗提供有意义的靶点及可行路径，具有广阔的临床应用前景。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：王梅云确定本研究的方向并设计本研究的方案，对稿件的重要内容进行了修改，获得了河南省医学科技攻关计划项目的资助；王兵兵起草和撰写稿件，获取、分析并解释了本研究的相关文献及资料；罗与、白岩、吴亚平、申雨获取、分析或解释本研究的相关文献及资料，对稿件的重要内容进行了修改；全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本研究的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。