脑组织半暗带的病理、分子机制及影像表现的研究进展

李利锋　鲁　宏*

心血管放射学

脑组织半暗带的病理、分子机制及影像表现的研究进展

李利锋1鲁宏2*

脑组织半暗带是可逆性脑损伤，临床上若能及时治疗可以防止脑组织向不可逆的方向发展，对提高病人的生活质量及生存率起着至关重要的作用。了解脑组织半暗带的变化特点、病理改变及影像表现可对其进行评价与诊断，同时对进一步研发治疗脑损伤的药物具有指导意义。就脑组织半暗带的病理、分子机制、影像表现及基因治疗等相关研究予以综述，以期为今后的研究及临床实践提供参考。

缺血半暗带；脑损伤；水通道蛋白-4；功能磁共振成像；基因沉默；RNA干扰

脑组织半暗带在治疗时间窗内若能得到及时治疗即有可能恢复正常，由于其具有这一特点，近年来受到医学界的广泛关注。目前研究较多的为缺血半暗带 （ischemic penumbra，IP）和创伤半暗带（contusional penumbra，CP），但由于脑创伤的多样性，CP较IP更为复杂。在临床工作中，如能及时治疗和挽救脑半暗带组织，即可避免脑组织坏死，对促进病人预后具有重要价值。

1　半暗带的提出

1.1缺血半暗带IP的概念是由Astrup等［1］于20

世纪70年代末最先提出，随后得到逐步完善。IP是梗死中心周围的电活动终止但仍保持正常的离子平衡和结构上完整的缺血性脑组织，血流量介于能量障碍、离子泵衰竭的低阈值至电衰竭的高阈值之间。有报道［2］显示IP脑血流量（cerebral blood flow，CBF）阈值介于10～25 mL/（100 g·min）之间。随着对IP研究的逐步深入，发现IP不仅有血流灌注量和代谢功能降低以及脑功能受损，而且出现细胞电活动下降，合成蛋白质功能减弱，若能在治疗时间窗内进行有效的临床干预治疗则可能好转［3-4］。Lu等［5］根据动物实验将梗死的病理改变分为早期（栓塞后2 h内）、中期（栓塞后2～4 h）及晚期脑梗死（栓塞后4～6 h），并通过进一步研究表明IP只存在于早期及中期脑梗死中。近年随着对IP认识的加深，涉及的研究范围也日趋扩大。

1.2创伤半暗带创伤性脑损伤 （traumatic brain

*审校者

2　半暗带病理与分子机制

2.1IP的病理与分子机制Heiss等［11］通过实验证实血流灌注值介于较低阈值（细胞膜功能衰竭及形态损害时不可逆转的阈值）与功能阈值（脑功能衰竭时可逆转的阈值）之间的脑组织即为IP。在缺血级联效应的作用下IP逐渐向梗死进展。在缺血性脑损伤亚急性期进展为IP并触发了梗死周围反复扩散性抑制样去极化，从而导致组织缺氧及乳酸盐的逐步增加。通常在6～8 h内，IP会变成不可逆的梗死。在缺血性脑损伤晚期，紧密连接的脑组织遭到破坏导致血管源性水肿，从而引起水容量增加使脑损害进一步加重。有研究者［12］对脑梗死的研究显示，IP区脑组织可见暗神经元和神经元肿胀、星形胶质细胞和小胶质细胞反应，而细胞骨架正常或轻微改变且持续存在于脑梗死区边缘。Lu等［13］报道IP中的细胞呈现细胞内水肿改变，且随时间的延长水肿逐渐加重，但范围相对缩小，电镜下可见细胞器肿胀，而血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）完整，结果表明细胞内水肿是IP的主要病理改变，AQP4表达增强是IP形成的主要分子机制。

2.2CP的病理与分子机制Harish等［14］研究报道在TBI脑组织中同时并发有损伤核心区及CP，损伤核心区周围组织为CP，通常表现为低灌注伴随炎症改变，但并无坏死。TBI损伤中心以坏死为主，周围区域（尤其是半暗带）以凋亡为主。Harish等还报道CP随时间进展可出现水肿、颅压增高及缺血等改变，临床预后极差，并可观察到CP区出现氧化应激反应、蛋白质聚合和泛素化以及细胞支架蛋白的丢失等与损伤核心区相似的病理表现（程度较轻），以及神经形成的调节、空泡形成、轴突缺失、神经元及星形胶质细胞营养不良、髓磷脂的缺失及小神经胶质细胞的激活等。除此之外，CP中线粒体ADP/ATP值升高，提示线粒体功能明显受影响。Zheng等［15］认为CP中出现神经组织过度增生有助于组织修复。Hernandez-Ontiveros等［16］也认为 CP代表着过渡区域，可为损伤及神经元修复提供一个时间窗。Wu等［17］通过18F-脱氧葡萄糖PET扫描发现CP氧摄取分数、CBF、大脑氧代谢率、大脑葡萄糖代谢率均减低，并且离创伤中心越近其值越低。CP区除病理学改变外其分子水平也发生改变。Blixt等［18］认为发生TBI 1 d后CP区发生创伤后脑水肿与AQP4表达下调有关，在CP区血管源性水肿与细胞内水肿共同存在，这与Hudak等［19］研究结论基本一致。Blixt等［18］还报道，在所有动物实验中，CP区AQP4蛋白表达在创伤1 d后与同侧及对侧半球相比有明显降低（18%）。张等［20］通过对大鼠脑挫伤进行实验研究，结果显示大鼠TBI后损伤侧早期出现以BBB破坏为主的血管源性水肿，随后出现细胞内水肿，两种水肿相互促进使脑水肿恶化及脑组织坏死。近些年随着对AQP4相关机制及其对脑水肿作用研究的不断深入，AQP4对TBI后创伤性脑水肿的作用越来越受到重视。Lu等［21］研究认为脑挫伤后早期AQP4表达下调是机体的防御机制，在TBI早期血管源性水肿引起AQP4表达下调，随后出现AQP4表达上调，为细胞内水肿的原因。其机制为当BBB破坏后AQP4下调可缓解血管源性水肿，而当有害物质进入细胞内，由于缺血缺氧造成细胞内渗透压失衡，渗透压感受器激活，通过信号转导AQP4表达上调，从而引起细胞内水肿，有利于水分子稀释有害物质而起到保护作用。然而也有研究者持不同观点，Finnie等［22］的研究显示，创伤区存活的星形胶质细胞血管周边终足及足突AQP4表达上调。由于多数损伤核心区星形胶质细胞受损或死亡，故CP区星形胶质细胞AQP4免疫反应性较核心区强，AQP4表达在CP区较稳定，随其与核心区距离的减小而逐渐降低。

3　半暗带的影像表现

3.1IP的影像表现大多数研究者认为IP影像表现为灌注加权成像（PWI）与扩散加权成像（DWI）失匹配，但有研究者通过随机实验未能证实PWI与DWI不匹配这一假说，并且对DWI/PWI不匹配提出质疑，认为DWI会使假阳性率增高［23］。为此有研究者又提出了表观扩散系数 （apparent diffusion coefficient，ADC）或动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）与DWI失匹配为IP的影像表现，认为平均通过时间 （mean transit time，MTT）＞10 s和ASL＜20 mL/（100 g·min）与所定义的IP病灶具有较好的相关性［24-26］。还有研究者［27］提出用MRI氧代谢指数来表示IP，认为IP区氧代谢指数值约为对侧正常脑组织的28%～42%。Harston等［28］应用酸碱度（potential of hydrogen，pH）加权MR成像，通过采集水信号获得组织pH信息来显示IP，并且在部分前期临床实验中证实了应用的潜在可能性。除功能MRI外，也有研究者提出运用全脑CT灌注成像来显示IP，CBF/MTT失匹配区即为IP［29］，其机制为大脑缺血早期周围血管代偿性扩张可以满足脑部供血量，此时脑血容量（cerebral blood volume，CBV）和CBF尚未降低，而MTT已经增高。Baron等［30］通过运用PET测量脑组织CBF及大脑氧代谢率及氧摄取分数等代谢参数来判定IP。IP的CBF及大脑氧代谢率降低，为了维持脑组织代谢，氧摄取分数代偿性增高。Lu等［5］通过对大鼠大脑中动脉栓塞模型研究认为，应用多模态MRI可以准确显示IP组织（治疗影像窗），即T2WI/T2液体衰减反转恢复序列（fluid attenuatedinversionrecovery，FLAIR）上均为阴性，DWI上呈高信号，ADC图呈低信号。另一些研究者［31-32］认为利用CT也能判断IP，当CT显示脑组织肿胀但并不伴有低密度影代表脑组织没有发生细胞毒性水肿，该征象被称为“孤立性脑皮质肿胀征”，这部分脑组织最终并不一定完全进展为梗死，如出现CBV及相对ADC值增高，此时可通过CT大致判断IP。

3.2CP的影像表现相关研究报道神经放射学在评估急慢性TBI后的神经退行性变预后中具有重要价值［33］。MRI技术（如DWI、PWI、MR弹性成像和MRS等）作为一种常用的无创性影像检查技术，能够探测到大脑认知、运动以及动作功能损害时的细微活动变化以及形态学改变［34］，并且已被应用于临床轻度TBI病人及动物模型中［35］。而DWI又是目前最有应用前景且能显示轻度TBI引起的轻微改变的神经放射学方法之一［36］。刘等［7］通过猫挫裂伤实验研究第一次将影像与超微结构结合并证实了CP的存在。其研究表明，与IP类似，PWI与DWI不匹配区即为CP，因为PWI应用含钆的对比剂动态监测CBF、CBV和MTT，PWI的变化先于DWI，且面积大于DWI的显示面积，可以在常规MRI序列显示缺血改变之前就显示出异常缺血改变，从而根据不匹配区确定CP。张等［9］研究认为脑创伤常发生于脑表浅部位，由于血红蛋白影响，可使影像受磁敏感伪影干扰导致变形，因此选用FLAIR图而非DWI图在猫局灶性创伤实验来研究CP，最终得出MR结构影像与PWI灌注影像的不匹配为CP的结论。而Newcombe等［37］的研究显示，在所有TBI病人中，损伤最初几天会出现扩散受限的损伤核心区，于功能MRI上显示围绕核心区的周边区域ADC值增高，除了这两个边界清楚的区域，在损伤后72 h内91%的病人在ADC值增高区又会出现更薄边界的低ADC值区。当损伤扩大时，低ADC值区会被高ADC区逐渐取代，因此可以判断由微血管衰竭所导致的细胞毒性水肿的薄边界低ADC值区即为CP。

4　基因沉默治疗与半暗带及脑水肿

RNA干扰（RNA interference，RNAi）是目前研究特定基因功能的常用方法。它是双链小分子干扰RNA片段引发的转录后基因静默机制的特异性表达沉默（gene silencing），具有抑制效率高、设计容易、实验费用低等优点。宋等［38］研究表明化学合成法合成的小片段干扰 RNA （small interfering RNA，siRNA）具有合成方便、起效快和沉默时间较短的特点，便于临床治疗时机的选择。半暗带区域周边常会伴有不同程度的脑水肿，RNAi使AQP4表达发生改变，从而减轻因IP或CP所致的颅内高压，减少水肿形成，以达到治疗目的。AQP4干扰治疗是通过药理学阻断的方法对某些形式的脑水肿提供了一些新的替代治疗方法。尽管RNAi不太可能迅速地阻断星形细胞水肿，但以AQP4 RNAi作为工具来研究脑水肿治疗机制，这已在动物体内通过RNAi沉默AQP4表达实验有效而得到证实，研究表明，通过抑制AQP4有效治疗脑水肿。鲁等［39］的研究显示，AQP4-RNAi沉默可有效抑制缺血性脑细胞内水肿并逆转IP组织，使胶质细胞水肿明显减轻，并能够有效抑制细胞毒性水肿所产生的AQP4水肿上调，但对于血管源性水肿的AQP4表达抑制效果下降。AQP4-RNAi沉默具有时效性，可以明显抑制早期缺氧（＜4 h）星形胶质细胞的AQP4表达并减轻细胞内水肿，但对于晚期（4～6 h）脑水肿抑制效果下降［40］。Saadoun等［41］研究发现RNAi虽然可以减少AQP4表达，但对中枢神经功能、BBB完整性及大脑形态等无影响。

TBI及其所造成的脑水肿依然是人类致死和致残的主要原因之一。RNAi对于缓解TBI所造成的脑水肿效果较为明显。吕等［42］认为TBI后损伤区AQP4的表达变化趋势与脑水肿发展变化趋势一致，RNAi可减少AQP4表达，有效防止BBB结构的破坏。赵等［43］从不同时期对大鼠进行RNAi研究，表明创伤前和创伤时应用AQP4-RNAi可显著降低脑组织含水量，创伤后6 h无法有效抑制脑水肿。Fukuda等［44］对大鼠脑挫裂伤进行了实验研究，并结合MRI、神经系统测试及免疫组化研究发现，应用AQP4-RNAi处理的大鼠脑水肿形成减少、小胶质细胞活化增加、BBB破坏减少、星形胶质细胞增生、神经元凋亡减少和神经元损害程度降低，从而使其运动机能及长时间空间记忆能力提高，表明治疗的有效性与注射部位AQP4表达下降有关。

5　小结

综上所述，关于半暗带的病理、AQP4表达、基因沉默及影像的研究已成为当今热点，并且已取得了一定成果。由于CP比IP形成机制更复杂，因此目前国内外对CP的研究尚处于探索阶段，亟待深入细致的实验研究。通过对脑组织半暗带的研究，可以降低半暗带进一步恶化造成的脑缺血及脑创伤病人的致残率及死亡率，对提高病人生活质量具有重要价值。随着分子成像技术的发展，对脑组织半暗带的研究将呈现出更广阔的前景，并为治疗脑组织半暗带的基因药物开发和疗效评估提供理论依据。

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（收稿2015-06-01）

Research progresses of pathology，molecular mechanism，and imaging manifestation of the brain penumbra tissue

LI Lifeng，LU Hong.1 Department of Radiology，Affiliated Haikou Hospital Xiangya School of Medicine，Central South University（Haikou People's Hospital），Haikou 570208，China；2 Department of Radiology，Chongqing The Seventh People's Hospital

Clinically，penumbra mainly refers to reversible brain injury.Early treatment to prevent brain tissue from deteriorating has great potential and value in improving the quality of life and the survival rate of the patients.Understanding the characteristics of pathology，molecular mechanism，and imaging manifestation of the brain penumbra tissue played an important role in diagnosing and developing new medicines.The purposes of this article were to review the study progress in penumbra tissue and to provide rationale for the future study and clinical practice.

Ischemic penumbra；Brain injury；Aquaporin-4；Functional magnetic resonance imaging；Gene silencing；RNA interference Int J Med Radiol，2016，39（1）：18-22

10.3874/j.issn.1674-1897.2016.01.Z3632

1中南大学湘雅医学院附属海口医院 （海口市人民医院）放射科，海口 570208；2重庆市第七人民医院放射科

鲁宏，E-mail：471739847@qq.com

国家自然科学基金（81160181）injury，TBI）是人类致死及致残的重要原因，全球每年约有1 000万人受到TBI影响。相关研究［6］表明脑创伤24 h后脑组织损伤范围比原发损伤范围扩大数倍；从病理生理学角度可将CP分为原发损伤及继发损伤。另有研究［7］显示，除脑挫裂伤原发损伤外，原发损伤周围部分存在的继发损伤区域具有可恢复的潜能。Wang等［8］也认为继发损伤主要发生于原发损伤周围的CP区内。张等［9］还通过猫脑挫裂伤实验证实了CP的存在。Nortje等［10］利用15O-PET发现正压氧会增加CP区氧利用率，对CP区3 h内行再灌注治疗，可延缓继发脑梗死的进展。