应用7.0T小动物MRI研究阿尔茨海默病进展

张志男，郑 阳，王晓明

(中国医科大学附属盛京医院放射科，辽宁 沈阳 110004)

阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)为进行性不可逆的中枢神经系统退行性疾病，是痴呆最常见病因。AD病理学变化主要有β淀粉样蛋白(amyloid β-protein, Aβ)沉积形成的老年斑(senile plaques, SP)及高度磷酸化tau蛋白聚集形成的神经纤维缠结(neurofibrillary tangles, NFT)等[1]。目前诊断AD缺乏有效标记物，对早期AD诊断能力有限，如能找出相应标记物，将有助于识别早期AD并及时干预。MRI是寻找早期AD诊断标记物的常用检查方法，7.0T超高场强MR具有3.0T、1.5T等较低场强MR及PET无可比拟的优点，无需引用外源性对比剂，具有更高信噪比、更大的空间及组织分辨率，并可缩短扫描时间、提供更好的波谱分辨率，是研究早期AD的较为理想的手段[2]。

研究早期AD的常用动物模型主要包括通过注射Aβ1-40造模以及APP/PS1、rTg4510、3xTg、APP等多种类型的转基因鼠，其中APP/PS1转基因鼠最为常用。使用7.0T MRI对AD动物模型进行研究是寻找早期AD诊断标记物的重要方法，常用成像序列包括T2参数图(T2 mapping, T2MAP)、磁敏感加权成像(susceptibility-weighted imaging, SWI)和定量磁敏感图(quantitative susceptibility mapping, QSM)、扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)和扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging, DKI)以及1H-MRS、动脉自旋标记技术(arterial spin labeling, ASL)、化学交换饱和转移成像(chemical exchange saturation transfer, CEST)和酰胺质子转移成像(amide proton transfer, APT)等。本文对应用7.0T小动物MRI新技术在AD研究中的进展进行综述。

1 T2MAP评价脑灰白质微结构的完整性

T2MAP技术可测量组织T2值。T2是重要的MRI参数，T2值改变可反映脑灰白质微结构完整性；AD发生发展过程中存在多脑区T2值改变[3]，T2值可用于鉴别诊断AD。Teipel等[4]以7.0T MRI观察APP/PS1转基因鼠，发现T2值改变与AD病理生理特征及行为改变相关，脑组织中Aβ斑块、铁质沉积等因素的变化会导致T2值变化。Esteras等[5]发现APP/PS1转基因鼠大脑皮层及海马T2值升高，并出现神经炎性反应，而脑水含量增加会导致炎性反应，以此推测大脑皮层及海马T2值升高可能与该区域水含量增加有关。Li等[6]认为APP/PS1转基因鼠海马T2值随年龄增长而降低，且病理学染色证实海马Aβ斑块沉积随年龄增长而增多，提示T2值降低与Aβ斑块沉积增多有关；该组12月龄转基因鼠海马T2值明显升高，而20月龄转基因鼠海马T2值明显降低，即海马T2值变化呈先升高后降低的趋势。

以上研究结果提示，T2值可敏感地反映早期AD的病理生理变化，但不同研究结果有所差异，仍需对多种类型动物模型进行实验研究。

2 SWI、QSM评估脑内铁质沉积及相关病理学变化

SWI在T2*序列基础上发展而来，具有三维成像、高分辨率、高信噪比等特点；其主要参数为平均相位值(mean phase value, MPV)，根据不同组织磁敏感系数的差异提供影像对比，一次扫描可同时获得幅度图和相位图，经过对图像进行后处理，即可获得SWI图像[7]。Wang等[8]研究表明AD患者脑中存在铁异常沉积。刘浩蒂等[9]采用SWI技术对APP/PS1转基因鼠进行3.0T MR研究，发现MPV改变与铁沉积呈明显负相关。目前采用7.0T SWI观察AD动物模型的报道鲜见，但其具有高分辨率及高磁敏感性的优势，有望成为检测矿物质沉积的更为敏感的方法。

QSM技术能清晰显示脑内富含铁质的结构，可对组织磁化率进行定量分析，与SWI的区别主要在于图像后处理方法不同，QSM图像后处理主要包括相位图的初始处理、背景场的除去和磁化率的反演[10]。7.0T QSM在AD动物模型中的应用鲜见报道。O'Callaghan等[11]应用9.4T QSM技术针对rTg4510转基因鼠进行研究，在其多脑区检测到QSM值差异，且病理证实相应脑区中有低至中等浓度NFT沉积，表明QSM能探测AD早期tau蛋白病理学变化；脑区内QSM值与髓鞘含量显著相关，表明QSM值对大脑髓鞘浓度敏感，提示QSM技术可用于检测AD患者脑中髓鞘的变化。

结合高场强带来的优势，应用7.0T SWI/QSM技术可进一步研究或验证AD动物模型脑内铁质沉积及相关病理学变化的规律。另外，除铁离子外，多种金属离子及其转运蛋白在AD病理变化中也存在相应改变，7.0T SWI/QSM技术也可用于研究锌离子或二价金属离子转运蛋白变化的规律。

3 DTI、DKI评价白质纤维束结构的完整性

DTI技术是能在活体有效显示大脑白质纤维及其走行的方法之一。根据水分子在介质中的扩散具有各向异性的特征，DTI可将组织内水分子扩散差异以图像的形式表达出来，主要用于评价白质纤维束结构的完整性[12]。DTI的主要参数为FA。朱皓等[13]的7.0T DTI研究发现较低月龄APP/PS1转基因鼠顶叶皮层和海马区FA值即已明显降低，原因可能是在AD发病早期，轴索膜或髓鞘破坏和脱失造成神经纤维密度降低，使水分子扩散更趋向于各向同性；Snow等[14]以3xTg转基因鼠为研究对象，得出同样结论；而Shu等[15]的研究结果却是海马FA值升高；Shen等[16]则发现APP/PS1转基因鼠部分脑区的FA值与对照组相比虽稍有差异，但差异无统计学意义。多项研究结果不一，原因可能与AD模型鼠的品系不同有关，或与不同时期占主导地位的病理变化不同有关。

DKI技术基于水分子的非高斯分布模型进行成像，能更精确地描述组织微观结构变化的特点[17]，其主要参数为平均峰度(mean kurtosis, MK)。Praet等[18]对APP/PS1转基因鼠进行随访，发现受Aβ诱导，其运动皮层MK值明显升高；另外，DKI参数与Aβ抗体、髓鞘碱性蛋白等病理学指标具有高度相关性，表明DKI技术对早期检测和纵向随访Aβ诱导的病理学改变具有巨大潜力。

7.0T DTI/DKI技术评价白质纤维束结构的完整性、观察水分子的扩散运动及髓鞘的变化具有很大优势，但相关研究尚不够深入，尚需联合应用其他成像方法探究和验证7.0T DTI/DKI技术相关成像参数变化规律及原因。

4 1H-MRS评估体内生化代谢变化

1H-MRS通过化学位移来分析化合物含量，是检测体内生化代谢改变的常用技术之一；通过检测N-乙酰天门冬氨酸(N-acetyl aspartate， NAA)、肌酸(creatine， Cr)、胆碱(choline， Cho)、肌醇(myo-inositol， MI)以及谷氨酸(glutamate， Glu)等代谢物质，可间接反映脑细胞病理生理特性。由于Cr在各种状态下较为恒定，常作为参照物，检测结果通常以某物质与Cr的比值表示，如NAA/Cr、MI/Cr、Cho/Cr及Glu/Cr等[19]。

Shen等[16]发现APP/PS1转基因鼠海马及大脑皮质均表现出NAA/Cr、Glu/Cr降低，MI/Cr升高，但与对照组相比，仅海马区域各指标差异有统计学意义，提示海马代谢物质变化较皮质明显，其原因可能是在皮质受累前，海马神经元及神经胶质即已出现代谢障碍。Zhang等[20]注射Aβ1-40造模后进行研究，发现与对照组相比，实验组小鼠海马NAA/Cr降低，但Cho/Cr无明显改变，同时在光镜下观察到海马区有多种超微结构变化，推测代谢物质变化可能与超微结构变化相关。Chaney等[21]对6、12、18月龄的APP/PS1转基因鼠进行7.0T MRS研究，发现NAA含量受年龄与基因型交互作用的影响，使得18月龄转基因鼠的NAA含量低于6月龄转基因鼠。

以上研究结果提示1H-MRS可能为早期AD的诊断手段之一。虽然1H-MRS技术较为成熟，但也存在可重复性差、易产生伪影、易受周边化合物影响等缺点；应用Lcmodel等后处理软件可在一定程度上加以弥补[22]。1H-MRS技术结合应用Lcmodel等后处理软件有望发挥重要作用。

5 ASL评估脑血流量

ASL技术是一种新兴的灌注成像方法，无需引用外源性对比剂，对成像层面上游供血动脉中水中的氢质子施加1个反转脉冲进行标记，当其流到成像层面时，会与组织中水中的氢质子发生交换，反映该成像层面组织的脑血流量(cerebral blood flow, CBF)[23]。

目前7.0T ASL技术在AD模型鼠中的应用较少。Shen等[16]针对APP/PS1转基因鼠，以双侧海马、大脑皮质、丘脑为感兴趣区，发现与对照组相比，转基因鼠左侧海马、左侧丘脑、右侧皮质CBF显著降低，而病理学检测结果也证实了这些脑区血管数量有所减少，表明在AD早期阶段海马和皮质可能已经受到影响。Hébert等[24]针对APP转基因鼠的研究显示，与对照组相比，低月龄转基因小鼠的皮质厚度增加且CBF显著降低，原因可能包括局部淀粉样前体蛋白聚集、皮质神经元过度生长以及星形胶质细胞增生等。

脑灌注变化在AD脑形态学改变前即可出现，或由于某些病理变化导致血管数量减少，或因功能代偿导致脑灌注增加，但具体变化规律及机制尚不完全清楚。对于AD不同时期、不同脑区、不同病理状态下CBF的变化有待进一步研究，7.0T ASL技术为此提供了有效的手段。

6 CEST、APT成像评价AD脑中特定物质的变化及异常蛋白的沉积

CEST成像技术是一种新的分子成像方法，其理论基础为磁化传递及化学交换理论，对某种物质施加特定的偏共振饱和脉冲，通过化学交换影响自由水的信号强度，检测水的信号即可间接在体检测该物质的浓度[25]。多名学者[26-28]采用9.4T CEST技术分别对葡萄糖、Glu、MI等物质进行研究，结果表明9.4T CEST技术可反映其在AD病理过程中的变化规律及其相关病理学变化。9.4T CEST技术与7.0T CEST技术同属超高场强技术范畴，对于7.0T CEST技术在AD动物模型中的应用有一定指导意义。

APT成像是CEST成像技术的分支，通过探测游离蛋白质的酰胺质子与水中氢质子的交换速率评估细胞内蛋白质和酸碱度变化，成像参数为不对称磁化转移率(magnetic resonance ratio asymmetry, MTRasym)。AD脑中有多种蛋白质异常沉积，如Aβ蛋白、tau蛋白等。Wang等[29]的临床研究表明AD患者双侧海马MTRasym显著高于对照组，且与简易智力状态检查量表评分存在负相关，表明APT技术临床诊断AD的可行性，但APT值与何种或哪些蛋白或物质相关，或与AD脑中多种异常沉积的蛋白或物质的综合效应相关，仍需进一步行动物实验研究，7.0T APT技术可为研究提供强有力的支持。

7.0T CEST/APT技术在AD动物模型中的应用前景广阔，所获成果可为其用于临床提供理论支持。7.0T CEST/APT技术有望成为AD临床诊断、病情监测及病理生理研究等的重要手段。

7 小结

MRI可进行多参数及多方位断层成像，各种新成像技术为AD研究提供了更多可选择的方法。超高场MRI对显示较低场强无法检出的细微异常具有很大潜力。在7.0T超高磁场中，信噪比增加和对比度增强可为解剖成像带来更高的分辨率，并提高波谱成像中代谢物检测的准确性。7.0T小动物MRI已经成为小动物研究中不可或缺的工具之一，用于包括AD在内的各种神经系统疾病的动物实验研究。