血脑屏障通透性定量评估在老年脑小血管疾病中的应用

邓云 徐俊

脑小血管疾病(cerebral small vessel disease,CSVD)是一个涵盖大脑小血管(脑小动脉、穿支动脉、毛细血管和小静脉)所有病理过程的总称。Tsai等[1]的一项系统回顾研究显示，CSVD约占中国缺血性卒中人群的20%～42%，且比白种人高。老年CSVD病人可无临床症状，也可根据部位不同表现出轻度认知功能障碍、痴呆、情绪障碍、运动和步态障碍以及尿失禁等症状[2]。CSVD涉及的动脉和静脉管径太小，无法通过传统影像学方法在体内直观地显现，故CSVD的诊断往往是根据相应的脑损伤模式。目前MRI所示病变已被作为CSVD的标志物，核磁成像主要影像学特征包括急性腔隙性(或小的皮质下)梗死、脑白质高信号(white matter hyperintensity,WMH)、脑微出血(cerebral microbleed,CMB)、血管周围间隙扩大(enlarged perivascular space, EPVS)和脑萎缩[3]。CSVD脑损伤的可能机制有很多，包括低灌注、内皮功能障碍、血脑屏障受损、血管反应性受损、少突胶质细胞功能障碍、氧化应激和炎症[4-6]。

1 血脑屏障与CSVD

血脑屏障由内皮细胞、周细胞、星形胶质细胞和基底膜构成，核心成分是由内皮细胞形成的脑血管。血脑屏障内皮细胞之间的连接复合体包括紧密连接(tight junction, TJ)和黏合连接(adherens junction, AJ)，保障了血脑屏障的屏障特性。血脑屏障内皮细胞之间的TJ限制了血脑屏障上亲水分子的胞外流动，且胞吞转运速率极低，极大程度地限制了分子通过内皮细胞层的细胞旁和跨细胞运动[7]。而氨基酸转运体、葡萄糖转运蛋白-1、单羧酸转运体等转运蛋白可以促进大分子或极性分子进出血管腔。血脑屏障这种限制性的水交换在保护大脑免受水肿方面具有生理意义。周细胞分布在血管内皮细胞与基底膜之间，不完全覆盖内皮细胞层，具有生成血管、维持血脑屏障通透性和收缩血管等功能[8]。星形胶质细胞是覆盖在基底膜和周细胞表面的胶质细胞，其细胞膜呈足样延伸，主要作用是维持血脑屏障微环境功能，包括监测电化学活性、先天免疫调节以及调节水和代谢物的平衡[9]。

内皮功能障碍以及其相关的血脑屏障功能障碍在CSVD病理生理学中起着至关重要的作用。早期研究中，无论神经影像学或脑脊液分析均提示血脑屏障渗漏是CSVD的一个常见特征[10]。研究发现，与正常脑白质病人相比，血脑屏障渗漏在具有WMH影像表现的病人中表现更为明显，且与脑组织损伤的严重程度呈正相关。因此，血脑屏障完整性是病理生理学研究中重要的评估指标，在CSVD治疗评价中可发挥重要作用。Wong等[12]研究发现，血脑屏障渗漏与组织区域的脑血流量(cerebral blood flow,CBF)降低呈负相关，而这种联系在距离WMH较远的边缘地带变得较弱。目前CSVD病人中血脑屏障渗透性发生改变的机制没有统一定论。一个可能机制是，CSVD病人较低的CBF导致了低剪切力，而低剪切力已被证明与TJ表达有关，最终内皮细胞之间减少的TJ导致血脑屏障功能障碍[13]。还有研究表明，CSVD组织缺氧触发了氧化应激及炎症反应，从而引起血脑屏障结构的破坏，如内皮细胞间TJ的破坏，周细胞在毛细血管腔外表面收缩和基底膜破裂等[14-15]。

2.1 动态对比增强MRI(DCE-MRI)的概念 当血脑屏障完整性被破坏后，顺磁性造影剂可以从脑血管泄漏到血管外细胞外间隙，并改变组织水的T1、T2和T_2弛豫率，从而改变了测量到的核磁信号强度[16]。根据此原理的核磁共振成像方法分为两种：基于T2或T_2变化的动态磁敏度对比增强MRI(dynamic susceptibility contrast enhanced MRI,DSC-MRI)，强调了钆造影剂对信号回波的敏感性影响[17]和基于T1加权变化的DCE-MRI。目前在CSVD和其他低渗透性疾病中，DCE-MRI是定量测量血脑屏障通透性最常用的神经成像方法[16]。

筛选出合适的造影剂后，磁共振成像测量渗透率方面的研究不断地进展。上世纪80年代，Runge等[18]率先在动物实验中分别注射铬-乙二胺四乙酸(chromium-ethylene diamine tetraacetic Acid,Cr-EDTA)和钆-二乙烯三胺五乙酸(gadolinium-diethylenetriamine pentaacetic acid,Gd-DTPA)作为造影剂，对比发现Gd-DTPA由于其低毒性和强顺磁效应更适合用来评估组织功能和灌注变化。现在Gd类造影剂通常被用于量化渗透率的核磁成像。不过，由于含有钆的造影剂有引起肾源性全身纤维化的风险，故临床应用时仅限于肾功能正常的病人[19]。

2.2 DCE-MRI数据采集及分析 DCE-MRI利用了钆造影剂对信号回波的弛豫效应，选择感兴趣区域(region of interest，ROI)用于研究。在注射造影剂之前、期间和之后获取连续的T1加权图像[20]。

DCE-MRI数据分析分为半定量和定量两种方法。半定量分析常用的参数包括曲线下的初始面积、达峰时间、最大斜率和最大信号强度等。半定量分析易于操作，但难以将信号强度转变为造影剂浓度，不能准确反映病变组织内造影剂浓度的变化情况。定量分析的方法涉及更复杂的数据采集和分析过程，可以计算感兴趣区内的造影剂浓度，较半定量分析能更准确地反映生理学过程。

定量分析最简单的参数是钆浓度时间曲线下的初始面积(initial area under the gadolinium concentration time curve, IAUGC)，此外还可以拟合多个药代动力学模型对信号强度-时间曲线进行计算，以衍生出一系列定量参数用于评估，常用的有扩展的Tofts模型、单室模型和Patlak模型等[21]。常用的定量参数包括分布速率常数(distribution rate constant,Ktrans)、血管外细胞外间隙容积分数(extravascular-extracellular volume fraction,Ve)、部分血浆容积分数(fractional blood plasma volume,Vp)及再分布速率常数(redistribution rate constant,Kep)[22]。Ktrans是单位时间内对比剂从血液进入到组织间隙的转运容积，Ktrans和Ve均反映了造影剂通过血管壁的能力，即血管的通透性。Vp是血浆占据的组织体积的分数。Kep是单位时间内由血管外细胞外间隙回流至血管的造影剂量。

2.3 量化DCE-MRI评估血脑屏障通透性在老年CSVD中的应用 除了CSVD外，DCE-MRI已被用于评估血脑屏障在其它相关疾病中的通透性，包括血管性认知障碍、Binswanger病、认知障碍和痴呆、卒中、2型糖尿病和衰老[16]。下面列举近年来量化DCE-MRI评估血脑屏障通透性在老年CSVD中的应用。

Li等[23]研究了血脑屏障渗透率与CSVD总负担的相关性。在排除了症状性卒中或中-重度颈动脉狭窄、造影剂禁忌证及肿瘤后，该研究最终纳入99名(男性49.5%)体检人员,年龄(70.33±9.07)岁。该研究使用CSVD相关MRI特征作为量表评分项目，包括腔隙性脑梗死灶(长度3～15 mm)。深部脑白质Fazekas评分2分和(或)脑室周围白质Fazekas评分3分、深部或幕下CMB(每个直径≤10 mm)、基底节区血管周围间隙扩大中重度(2～4级)，并通过累计分数表示CSVD总负担，得分范围0～4分，分数越高则CSVD总负担越大。该研究数据分析采用Patlak图形方法为模型，结果参数分为血脑屏障泄漏率(Ktrans)、泄漏曲线下面积(AUC)和血浆分数(Vp)。在通过MRI图像分析后，99名受试者的量表评分如下：31人(31.31%)评0分，25人(25.25%)评1分，16人(16.16%)评2分，15人(15.15%)评3分，12人(12.12%)评4分。而CSVD影像特征分布为：腔隙性脑梗死38(38.38%)人，WMH 47人(47.47%)，CMB 24人(24.24%)，EPVS 41人(41.41%)。Spearman相关分析显示，Ktrans、AUC均与CSVD负担呈正相关。而单因素线性回归分析显示，Ktrans和AUC与CSVD负担呈正相关。而正常白质、皮层灰质和深部灰质中的血浆容积分数与CSVD负担呈负相关。在调整年龄、性别和血管危险因素后，这些关联仍然有显著意义。

正常衰老也可造成血脑屏障功能障碍。Zhang等[24]通过量化DCE-MRI检查比较了77名症状性CSVD病人(男性占60%)与39例正常对照组(男性占59%)之间的血脑屏障渗漏率和相对渗透量，2组分别进行DCE-MRI检查和结构性脑MRI(3.0T)，包括T1加权序列和T2加权液体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)序列，结果显示CSVD组存在血脑屏障功能障碍，反映了血管内皮损伤而使泄露的小分子外泄。另外，血脑屏障障碍后血浆大蛋白外渗并未显著增加，导致CSVD组渗透率结果虽高于对照组，但差异无统计学意义。不过该研究未进行纵向调查，病人均未再复查DCE-MRI，因此不能确定血脑屏障通透性是否随着时间发生变化。

3 其他评估血脑屏障通透性的方法

有研究通过使用Ga-EDTA或2-氨基-[3-11C]异丁酸为造影剂的正电子发射断层扫描评估血脑屏障泄漏[25-26]，但由于电离辐射的使用及费用成本高，空间分辨率有限，限制了它们在CSVD研究中的应用。也有研究通过使用计算机断层扫描灌注成像的方法评估血脑屏障的完整性[27]，但也有辐射剂量的风险，而且需要注射碘造影剂。

虽然有研究将DSC-MRI用于评估卒中和肿瘤的血脑屏障渗漏，由于采集时间短，建模的难度以及所研究的血管管径不同，且CSVD中血脑屏障渗漏率量级低于肿瘤，故限制了DSC-MRI的相关应用[28-29]。

动脉自旋标记(arterial spin labeling, ASL)灌注MRI使用磁性标记的水作为内源性示踪剂对脑血流进行无创测量，跨血脑屏障交换的水分子可以通过基于血管内和血管外间隙中的ASL信号分数来量化。Shao等[30]提出了一种3D弥散制备的ASL灌注MRI序列，用以标测跨血脑屏障交换的水分子，并指出在具有CSVD风险的老年人群中，该序列可无创、重现性好地测量血脑屏障的水渗透性。其评估血脑屏障功能障碍的临床价值有待进一步研究。

4 结语

越来越多的研究表明MRI在量化血脑屏障功能障碍中的优势，可用于研究老年CSVD的病理生理学研究。由于Gd类造影剂对肾功能的影响限制了DCE-MRI的部分应用，本文中描述的用于评估血脑屏障完整性的其他技术如ASL灌注成像等也可能会得到进一步的发展，但目前DCE-MRI是量化血脑屏障通透性常用的神经成像方法。