血脑屏障开放及其灌注成像的影像评估*

1.沈阳军区总医院放射科(辽宁 沈阳 110016)

2.辽宁医学院研究生院(辽宁 锦州 121001)

徐 猛1,2 李延锋1,2 杨本强1 段 阳1

血脑屏障几乎阻碍所有大于500Da分子量的分子从血液进入脑组织，使许多神经系统有效的药物不能被传递到需要的区域发挥其治疗的作用[1]。在动物实验已经证实，许多方法可以开放血脑屏障，并在病理切片和免疫组化得到证实。但是目前影像学灌注成像技术的进步已经为无创的血脑屏障影像学评估奠定基础，并且其应用具有重要临床的意义，需要进行进一步研究。

1 血脑屏障的功能和结构

血脑屏障(BBB blood brain barrier)是存在于血液与脑组织之间的一种有选择性的动态透过系统，它由毛细血管上连接紧密的内皮细胞、基底膜与星形胶质系统组成的[2、3]。生理情况下，血脑屏障允许气体与分子量在400～500Da之间的小分子物质通过[2]。血脑屏障之所以能够维持脑组织的内环境，主要具有以下的特点：有学者认为脑毛细血管在正常情况下与其他毛细血管在结构上有所不同，它缺少毛细血管孔或有很小的孔；毛细血管的内皮细胞紧密结合在一起，并且是含有脂溶性的类脂成分的两层结构；基底膜包绕于毛细血管外，加之星形胶质细胞足突形成了能够使气体及脂溶性小分子物质通过并且阻止病原体和大分子物质由毛细血管进入脑组织。然而，也有些例外，某些分子如葡萄糖和氨基酸它们在积极的通过血管进入脑组织，同时显示，淋巴细胞通过短暂打开紧密连接的内皮细胞穿越血脑屏障，并且已被证实星形胶质细胞的神经元起到了机械的效应[3、4、5]。

2 血脑屏障的开放

血脑屏障虽然是具有复杂紧密的结构，但血脑屏障并非不可逾越。目前，研究者探索出有十多种开放血脑屏屏障的方法，可根据其对脑组织有无损伤将其分为有创和无创；根据其开放的机制不同，可将其归纳为通过改变内源性结构和外源性转运方式以及物理方法开放血脑屏障[6]。本文就其开放的途径分为药物方法和物理方法两种。

2.1 药物开放血脑屏障的方法 药物开放血脑屏障有改变内源性结构方法和药物载体的发放；以形成血脑屏障的细胞膜上转运蛋白[7]为突破口，内皮细胞紧密连接的主要由蛋白claudin-5构成，同时也是构成血脑屏障的主要跨膜蛋白。有研究发现通过调控紧密连接蛋白claudin-5的表达，便可以使紧密连接的内皮细胞的开放[8-9]。(a)缓激肽可以开放缺血性的脑组织，但对无缺血性疾病的血脑屏障没有影响[10]；(b)甘露醇通过改变血管通透性的方式，可以暂时的渗透性的开放血脑屏障，并已经通过动物实验证实，但是，动物实验表示：甘露醇开放血脑屏障后会出现短暂的脑水肿和颅内压增高的情况，且从颈内动脉注射的方法，使得甘露醇并非无创的血脑屏障的方式有待于提高。通过药物载体的方式开放血脑屏障：毛细血管内皮上有多种载体能够将大分子的药物与其结合，将药物输送到脑组织中，这种方法已经发现多种载体，纳米粒子是10～1000nm之间的微粒，药物通过吸附、包埋、分散的方式送入微粒中，根据不同的疾病可以选择加载不同功能的药物形成多种纳米粒子，纳米粒子通过血脑屏障，可以靶向的将药物运送到受损脑组织，达到治疗疾病的效果[11]。

研究显示，腺苷受体(AR)能够调节体内血脑屏障通透性,近来选择性A2a腺苷受体促效药瑞加德松(Regadenoson)，它主要应用于放射性核素心肌灌注显像期间的药物应激。但在动物实验中显示,它可以改变血脑屏障的通透性,可以短暂、可逆开放血脑屏障,但相关的的机制及临床应用尚需要进一步研究[12]。

2.2 聚焦超声联合微泡开放血脑屏障的方法 目前，研究者在研究开放血脑屏障方法的同时，更注重的是如何能够做到无创、短暂及靶向的方式，聚焦超声联合微泡开放血脑屏障是目前认为开放血脑屏障的无创的方法。超声技术在20世纪初普遍应用于疾病的诊断中，超声波是频率20000Hz以上的振动波，临床应用的超声频率一般都在2～5MHz之间，具有高频率、低强度的特点，利用人体在组织间的反射和衍射作用，广泛应用于腹部脏器、心脏和盆腔等部位诊断，它快速、经济且无放射污染等优点是许多辅助诊断技术所不及的。同时利用超声治疗疾病应用迅速的发展，并且在某些领域起到了不可替代的作用。例如：震波碎石、癌症治疗以及造瘘等技术。它们都是利用超声不同的频率起到不同的效果，1990年Patrick经研究发现高强度的超声开放血脑屏障，但造成脑组织出血或水肿等有创损伤[13]。1995年Uykhodtseva等发现短脉冲高能聚集超声辐射能局部开放血脑屏障，开放了无创超声辐照开放BBB的研究先河。2001年Hynynen等利用聚焦超声引入微泡方式开放实验家兔血屏障[11]。在大型动物实验中，Xie等将微泡与伊文思蓝染料通过静脉注射到猪的体内在超声照射下，伊文思蓝染料明显溢出，且证实对脑组织无脑实质损害和出血[14]。

聚焦超声(Focused Ultrasound FUS)不单单是在几个不同组织的界面成像产生的回波采集和显示，FUS采用凹形的换能器通常有一个单一的几何焦点，或使用相控阵电子，以超声诱导的机械效应、热效应或两者的共同的效应，传递了大部分的功率[15-16]，利用低频率高强度的超声靶向照射局部组织，同时引入大分子药物或基因结合的微泡造影剂，微泡是表面由油类、脂质体、蛋白质等物质包绕大分子气体形成的球形体，当微泡被压缩膨胀后发生内爆炸，产生声孔效应。将紧密连接的细胞膜开放微泡造影剂能够增强空化作用[17]，微泡携带的大分子药物和基因释放并进入脑组织，使药物通过血脑屏障靶向作用脑组织，美国食品与药品管理局(FDA)批准微泡造影剂可以用于血脑屏障开放的超声心动图供人类使用，例如心肌梗死的检测，大部分对于微泡的生物效应的研究在体内的都集中在心脏[18]，微泡的大小及浓度对血脑屏障的开放的影响还没有一个明确的标准，尚需进一步研究。

3 影像医学血脑屏障开放评价及监测

药物和物理方法开放的血脑屏障评价一般经动物实验证实，采用伊文思蓝EB染色法、荧光分光度法，均利用组织切片在电镜中观察，只能应用于动物实验中，不能应用于临床，而近年来，影像技术的发展，使影像技术能够从分子水平评估血脑屏障的开放，临床上普遍使用影像学方法，包括CT/MRI增强扫描与灌注成像方法，能够显示平扫和常规增强影像所不能发现的病理学改变。检测血脑屏障是能够清楚显示脑组织的某个部位与其他部位造影剂灌注系数的改变。

常规脑CT或MRI影像增强方法显示颅内病变(像肿瘤)呈现为强化改变，是造影剂通过不完整的“血脑屏障”漏到病灶内的结果。原因是：1)肿瘤组织的新生血管失去了正常的解剖和生理特性，以这样的血管为基础形成的血脑屏障是不完整的；2)病变(肿瘤)细胞还可能分泌出一种弥散性物质，使局部血管容易渗漏。

新的技术灌注成像与传统的增强不同，不仅反映常规区域变化，还能显示影像上呈现“表面正常的区域”的异常影像学改变。

灌注成像(PWI perfusion imaging)是一种活体、个性化、快速评价组织内微血管分布及微血流灌注情况的影像功能成像方法，随着灌注成像的问世和临床应用，使CT和MRI由原来观察解剖结构发展为既能反应组织形态结构又能反映功能和微观组织情况的新技术，它是从分子运动的角度，在流动血流的基础上的成像，主要测量的是灌注成像的rCBV、rMSD、MTT和PS值等参数值。CT灌注成像是当静脉注射有机碘造影剂后，在不同的时间段，扫描组织的同一层面。获得表示造影剂随时间而改变的每一个像素的时间-密度曲线(TDC)，同时也反映了组织时间变化对比价密度随之变化的情况，根据该曲线计算出血流量(BF)、血容量(BV)、对比剂平均通过时间(MTT)、对比剂峰值时间(TTP)、毛细血管通透性(PS)等参数，通过以上的参数，得到脑组织中对比剂的情况，判断血脑屏障的开放程度及时间窗。研究颅内肿瘤破坏血脑屏障时，CBF、CBV和PS值均明显升高于正常组织。研究表明颅内肿瘤有大量不成熟的新生血管，它的基底膜不完整，内皮之间的紧密连接松弛，与血脑屏障开放时机制相似，使毛细血管通透性改变，通过测量灌注值，可以量化血脑屏障微循环灌注状态与未开放的区域作对比。PS值即毛细血管通透性是于血脑屏障受损密切相关的指标。颅内肿瘤破坏血脑屏障或血脑屏障开放时PS值明显升高，周围正常脑组织PS值并不增高。因此可以用PS值表示血脑屏障开放与否。全脑三维灌注图可以真实全面的反应脑组织血流灌注信息，PS图能清晰的勾勒出血脑屏障开放范围，与周围脑组织分开[19-21]。

MRI灌注成像主要有两种方法：一是通过注射造影剂的方法动态研究组织的灌注情况；二是通过对游离水分子和结合水分子的敏感的序列来观察组织的灌注情况。第一种方法与CT增强扫描方法相似，静脉注射造影剂MRI增强扫描与CT增强的原理相似，静脉注射顺磁性物质的造影剂GDDTPA时，是磁场的均匀性减低从而组织中质子弛豫时间缩短，即使用T2加权序列敏感性检测，组织的信号缩小；使用T1加权序列检测，组织的信号增强[22,23]。因其对比剂的浓度与时间变化不成线性关系，所以不能像CT灌注成像时时测量具体的数值，正常生理情况下，这种造影剂不能通过血脑屏障，所以当检测不同方法开放血脑屏障时，造影剂通过脑毛细血管进入被开放的脑组织中，使信号改变，并且当组织中有水肿或缺血是均能够准确、直观的显示评价血脑屏障的开放。第二种方法是将目标区域没有自旋和自旋标价后的两次不同的T1弛豫时间的不同，通过公示测定出目标去内的血流灌注情况，评价血脑屏障的开放情况。动态磁敏感对比法[24]是MR常规获得的成像技术中最常用的缺血性中风患者或脑肿瘤患者，在脑肿瘤患者应用动态磁敏感对比法评价组织内微血管的分布情况及分析血脑屏障的开放，多用于确定肿瘤的分级[25]，一般肿瘤级别越高，血脑屏障破坏程度就越大。在低级别中CBV信号分布较均匀，接近或略高于正常脑白质病变；高级别胶质瘤的CBV信号分布明显不均匀，CBV不同程度的升高；CBV、CBF值越大表示血脑屏障的开放的程度越大。

通过以上参数可以无创的显示脑组织中血脑屏障的开放的时间和程度。为临床工作中，提供了一种有效的评价和监测方法。

以上研究说明永久和不完全血脑屏障开放在CT或MR灌注成像参数均能有所改变，但是在无创、短暂、可逆血脑屏障的开放在动物实验均证实，但是未见无创伤的影像学评估方法，需要我们进行探讨和研究。经文献查询很少有采用灌注成像研究无创、短暂、可逆血脑屏障开放研究报道，因为以往的影像成像技术和后处理等因素的限制。目前由于CT和MR灌注成像的技术成熟和相关后处理提升，已经具有可能，具有研究的一定基础和潜能。

应用该灌注成像能的方法评估血脑屏障开放程度和时间窗，有利于进一步研究血脑屏障及其短暂开放机制，为临床的进一步诊断、治疗和评估提供一种方法。

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