脑类淋巴系统磁共振成像的临床应用及研究进展

沈文卓，李勇刚

0 引言

类淋巴系统（glymphatic system, GS）是人脑内一个高度组织化的液体运输系统，其主要作用是通过促进中枢神经系统组织液与脑脊液进行对流交换来完成对大脑内废物的清除。最早于2012 年，ILIFF等[1]在双光子显微镜下通过荧光标记技术在小鼠脑内发现由星形胶质细胞的终足和血管壁之间形成的血管旁间隙具有清除细胞代谢废物的功能，并命名其为GS，进而证明了中枢神经系统也存在类似淋巴系统的结构。GS的发现进一步完善了神经系统的清除机制，并为许多神经退行性疾病奠定了研究基础[2]。本文将从GS 的解剖结构及循环途径、GS 的MRI 技术及其在神经系统疾病研究中的应用这三个方面进行综述，为GS 的临床MRI 研究提供参考和思路。

1 GS的解剖结构及循环途径

1.1 GS的解剖结构

血管周围间隙（perivascular space, PVS）是GS 的主要结构，是由软脑膜向外延伸伴随脑实质中各级脑动脉或脑静脉与血管周围形成的组织间隙。PVS存在于内皮细胞基底膜和胶质细胞限制层之间，允许液体通过外膜结缔组织运输，并与毛细血管基板的潜在空间相通[3]。其中胶质细胞限制层是指星形胶质细胞靠近血管周围的终足所形成的屏障，可覆盖60%～98%的脑血管[4]。而终足突起在管腔表面局部高表达水通道蛋白-4（aquaporin-4, AQP-4），这一现象被称为AQP的极化[5]。

LOUVEAU 等[6]通过对免疫荧光染色技术在大鼠脑内发现了脑膜淋巴管。脑膜淋巴管被认为参与脑间质液和免疫细胞的引流以及脑脊液吸收。对比增强MRI技术可显示人类和非人类灵长类动物中平行于上矢状窦的脑膜淋巴管[7]，皮质静脉的软膜鞘与皮质静脉壁之间的空间与沿上矢状窦的脑膜淋巴管相通，鼻侧及脑底部脑膜淋巴管参与脑脊液向颈部淋巴结的引流[8]。

1.2 GS的循环途径

在GS 中，脑脊液和组织间液有序地进行交换[1]。脑脊液从蛛网膜下腔流出，通过软脑膜动脉的PVS流入大脑，后随着血管树的分支，脑脊液通过贯穿动脉的Virchow-Robin 间隙进入脑实质。在与脑实质连接的胶质基底膜和星形胶质细胞的终足处AQP-4 高度表达，AQP-4 调节从动脉周围间隙进入组织间隙的脑脊液，进一步完成脑脊液和组织液之间的对流[5]。这一过程推动脑脊液中的代谢废物和组织液流向深静脉周围间隙，沿脑神经和脊神经的周围神经鞘、脑膜淋巴管和蛛网膜颗粒排出，进入外周淋巴循环，进而完成大脑内代谢废物的清除[1,7]。

2 GS MRI技术方法

多种MRI 技术可应用于脑GS 成像[9]。目前，关于MRI技术对于GS 的研究主要集中于啮齿动物，而人脑的GS的MRI仍是一个新兴领域。

2.1 动态增强MRI

2.1.1 鞘内注射钆对比剂的GS MRI研究

钆类对比剂（gadolinium-based contrast agent,GBCA)是MRI 常用的对比剂，鞘内GBCA 造影是在动物模型中研究GS 的常用技术。ILIFF 等[10]在大鼠鞘内注射GBCA 后，通过动态对比增强MRI 技术可视化大鼠脑内的GS，可以观察到分子大小依赖的组织液-脑脊液交换。全脑成像可以识别出垂体隐窝和松果体隐窝这两个关键内流节点，而动态对比增强MRI 可以通过定义简单的动力学参数显示脑内GS系统的对流和溶质清除[11]。在小鼠鞘内注射顺磁性对比剂钆特酸葡酸（gadoteric acid, Gd-DOTA）后，采用在体T1 mapping 技术可以在体素水平量化整个小鼠大脑中的GS 运输，发现Gd-DOTA 可从大脑引流到颈深淋巴结和下颌下淋巴结[12]。

鞘内GBCA 造影显示脑脊液在人脑中沿类似于啮齿类动物的胶质淋巴通道运输，脑脊液沿大脑动脉从蛛网膜下腔顺行流动，大脑各区域均有明显的MRI 信号增强，对比剂沿向心方向从皮层向脑深部区域扩散，其中信号增强最大的部位为大脑皮层、脑白质、边缘系统和小脑皮层[13]。鞘内GBCA造影对比剂传输的数量和速度因脑区不同而不同，在第1个成像时间点（1.8 h），基底池可见GBCA，颅内脑脊液间隙的GBCA在1～3 h内达到峰值，并在7 h后开始下降，而大脑皮层和白质区域的T1信号仍在持续增强[14]。

鞘内注射含钆对比剂后MRI可定量评价其脑内分布，但由于其具有侵入性，存在对比剂不良反应的安全风险大及GBCA 在脑内沉积等问题，只能用于动物实验，难以在临床推广应用。

2.1.2 经外周静脉注射钆对比剂的GS MRI研究

GBCA经外周静脉注射后可进入脑脊液，进而评估脑实质和脑脊液空间信号强度的短期动态变化[15]。TAOKA 等[16]通过在大鼠脑内静脉注射钆双胺发现，静脉注射高剂量GBCA（1 mmol/kg）后，第四脑室信号强度瞬间升高，而大脑皮层和小脑深部核团的信号强度峰值出现时间晚于第四脑室，但早于脑桥前池。这一过程提示GBCA 在大脑皮层和深层小脑核中的分布与血流和脑脊液有关，说明静脉注射是GBCA 进入大脑的一个潜在途径。另一项GBCA 实验通过电感耦合等离子质谱法和动态对比增强MRI测定大鼠在一天内不同时间和不同麻醉剂量下GBCA 静脉注射后脑内的钆残留浓度，大鼠脑内的GS 在睡眠时清除效率较高且麻醉可促进GS 的清除[16]。采用连续静脉增强T1 mapping 的MRI 临床研究发现，T1值的变化在夜间周期更为明显，且在小脑灰质和壳核处差值最高，这表明了睡眠可增强人类GS的清除功能[17]。静脉给药后部分GBCA会经GS循环途径排泄，由于血脑屏障的过滤作用，脑脊液中GBCA 的浓度太低，常规应用T1WI 无法检测到[18]。而T2W-3D-FLAIR序列对于液体内较低浓度的GBCA具有较高的敏感性，该技术可以改善因血脑屏障导致脑内GBCA浓度较低所致的成像效果不好的情况[19]。

17O同位素是唯一能产生MRI信号的稳定氧同位素，也可作为MRI 对比剂[20]。静脉注射20%17O 标记水（1 mL /kg）可观察对比剂在脑实质、脉络丛、脑室和蛛网膜下腔的分布。通过使用17O作为MRI对比剂来评估血脑屏障功能的方式，可观察到AQP-4 促进剂TGN-073 的作用，并显示组织液通过该系统的周转增加，这表明AQP-4 系统在间隙内产生了水梯度，促进了组织液在血脑屏障内的循环，并为正常的GS 提供了必要的水梯度[20]。

外周静脉注射GBCA 相较于鞘内注射更安全，但由于血脑屏障和血液循环的影响，GBCA在脑内的分布较少，获得的信号强度变化不明显，且信号强度干扰因素较多，并不能很精准地评估GS 的结构和功能变化。未来的研究应着眼于数学模型及新的MRI序列研究来精准反映外周静脉注射GBCA 后经GS途径代谢的比例。

2.2 扩散成像

2.2.1 扩散加权成像

调节脑脊液-组织液的交换的星形胶质细胞活动的变化是GS 功能重要组成部分，可以通过扩散加权成像（diffusion-weighted imaging, DWI）对其进行无创观察。DEBACKER等[21]通过多b值DWI来评估使用AQP-4 抑制剂后小鼠脑内星形胶质细胞终足的成像发现，ADC 值对于评价AQP-4 表达水平及细胞膜的通透性具有重要意义。

2.2.2 扩散张量成像

扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）通过探测水分子在组织中的微观扩散，间接显示组织在体内的结构完整性。但脑脊液中水分子一般在脑内沿白质纤维束的方向扩散，这导致沿着PVS 扩散水分子运动很难通过DTI 被评估和观察。但在侧脑室的体层面、外侧区域以及投射纤维的外侧区域，PVS 与主要的白质纤维成垂直关系，因此这些区域可以独立分析PVS 的扩散率。沿血管周围空间的DTI 分 析（DTI analysis along the perivascular space,DTI-ALPS）方法就是基于侧脑室附近白质的血管周围组织液运动在平行排列的髓静脉中占主导地位的假设提出的新兴技术[22]。该方法首先计算侧脑室体水平切片X、Y、Z 方向的扩散率。然后，定义ALPS指数，即侧脑室体外侧白质沿血管周围间隙的扩散率被评估为沿血管周围间隙的扩散率与垂直于主要白质纤维运行方向的扩散率的比值[22]。该指数接近1 时，表示沿着PVS 的水扩散较小；该指数越大，沿PVS 的水扩散越大。对健康志愿者、轻度认知衰退患者和阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）患者的评估显示，ALPS 指数与简易精神状态检查得分呈显著负相关，与年龄呈显著正相关，即沿PVS 的水分子扩散率越低，疾病越严重[22]。因此，DTI-ALPS指数可能是评价GS 功能的一项指标。此外DTI-ALPS 可以利用以前获得的DTI 数据，这有利于根据DTI-ALPS研究GS的回顾性研究的开展。

综上，DWI及DTI-ALPS作为便捷无创的可应用于临床的评价方法，相较于其他MRI 技术存在一定的优势。多b 值DWI 通过反映脑组织水浓度梯度及扩散变化，能间接反映GS 功能，其可靠性还需要更多的研究验证。DTI-ALPS 技术扫描区域存在限制，并且需要与磁敏感加权图像进行配准，对于不发生在侧脑室周围白质的病变存在局限性。未来还需要进一步研究能应用于全脑GS功能评估的DTI序列。

2.3 化学交换饱和转移MRI

化学交换饱和转移（chemical-exchange-saturationtransfer, CEST）MRI是一种利用氢原子交换间接测定低浓度物质与微环境性质之间的对比，获取可交换质子的溶质信息的变化的成像技术[23]。CEST-MRI技术仅需要μmol 级别的浓度便可以成像，这使得该项技术被用于人体各种含量低且难以测量的物质的成像，如机体体温、酶活性、PH 和代谢产物的含量等[24]。淋巴内容物的游离质子和大分子氨基质子间存在CEST 效应，CEST-MRI 可以以淋巴液为内源性对比剂来可视化脑内GS，CEST 效应在同侧海马的强度明显高于对侧海马，且CEST 信号异常与行为评分存在显著相关性[25]。该技术可以可视化临床MRI 序列无法观察到的GS 中各种免疫系统物质，如β-淀粉样蛋白（amyloid β, Aβ）、脂质等，这使得该技术对于研究GS 在相关神经系统疾病发病机制中的作用存在巨大临床潜力[26]。

CEST-MRI 主要用来研究GS 中蛋白等可引起CEST 效应的物质浓度变化，可用于无创评价脑炎性脱髓鞘病变及退行性疾病研究，具有无创、能定量评估的优势。未来进一步开发基于CEST 效应的MRI对比剂，将有望显著提高CEST-MRI的检测敏感度并定量反映不同类型生物标志物的浓度变化。

2.4 静息态功能MRI

研究发现，静息态功能MRI（resting state functional MRI, rs-fMRI）的低频段（＜0.1 Hz）全脑血氧水平依赖信号（global of blood oxygen level-dependent, gBOLD）与小脑底部脑脊液流入动力学存在耦合关系，两者的耦合强度可能是量化GS动力学的生物学指标。该研究发现帕金森病（Parkinson's disease, PD）患者的gBOLD-脑脊液脱耦合更为严重，且在睡眠障碍者中更为明显，较低的耦合强度可能是PD运动症状快速恶化的潜在预测指标[27]。在AD患者中，gBOLD-脑脊液耦合的强度与AD 病理学的各种因素显著相关，其中包括皮质区的Aβ 水平，研究发现大脑活动与脑脊液流动之间的联系强度较弱，且这种微弱的联系与两年后较高水平的Aβ和疾病相关行为方式有关[28]。上述研究提示gBOLD-脑脊液耦合强度或可成为非侵入性评估GS动力学的手段，同样也提示任务态fMRI等其他fMRI 技术应用于评估GS 动力学与功能的潜力，为GS的MRI研究提供新思路。

2.5 T2WI

GS功能损伤会导致脑实质的PVS扩大形成血管周围间隙扩大（enlarged perivascular spaces, EPVS），加重神经炎症，导致视神经脊髓炎谱系疾病（neuromyelitis optica spectrum disorder, NMOSD）神经功能障碍相关的GS 的改变。研究发现通过评估NMOSD 患者T2 加权图像上基底核、半卵圆中心和中脑区域的EPVS 数目的改变，可以预测NMOSD 严重程度，并评估GS的改变[29]。T2WI是临床常规成像序列，该方法通过EVPS 数目的改变来评估GS 功能与结构改变，具有简单易行、应用面广的优点，是一种易于推广的影像评价方法。

3 GS MRI在神经系统疾病研究中的应用

3.1 AD

Aβ 的聚集和过度磷酸化的tau 神经纤维缠结被认为是AD 的标志性病理特征[30]。一项以17O 为对比剂的MRI研究发现AQP-4敲除的小鼠脑内Aβ的清除时间相较于健康小鼠延迟，这表明GS可能是Aβ清除的一个重要途径[1,31]。一项通过渗透性成像评估静脉注射GBCA 进入正常脑组织的渗透的研究表明，AD患者的血脑屏障转移系数升高，提示其认知障碍的形成可能与血脑屏障渗漏有关[32]。KAMAGATA 等[33]利用无创MRI 来评估轻度认知障碍（mild cognitive impairment, MCI）与AD 的GS 的功能。研究发现，与对照组相比，在AD患者中可以观察到更高的PVS体积分数和白质中自由水的体积分数以及更低的平均ALPS 指数，这一结果反映了 PVS 的扩张、白质的间质空间中细胞外游离水的增加以及周围空间中水扩散率的降低，可能是由于GS受损导致的。

3.2 特发性正常颅压性脑积水

特发性正常颅压性脑积水（idiopathic normal pressure hydrocephalus, iNPH）是一种神经退行性疾病，具有脑室增大但颅内压维持在正常范围内的典型病理表现。iNPH 也是AD 的常见共病，这可能与其淋巴功能受损有关[34]。RINGSTAD 等[35]发现，在鞘内注射GBCA 后，健康对照组出现典型的脑脊液向心增强模式，而iNPH 患者脑白质、基底神经节、胼胝体、边缘系统和海马体中对比剂浓度在24 h 后增加，这一现象反映了iNPH患者脑内清除率降低。GBCA从蛛网膜下腔的清除减少以及脑实质持续性增强是由于iNPH 患者脑内淋巴清除减少所导致，这可能是与iNPH 患者脑内星形细胞终足的AQP-4 表达减少有关[13]。此外，DTI-ALPS 也可评估iNPH 患者的淋巴活性，无创评估患者GS的功能[36]。

3.3 PD

PD 是一种常见的神经退行性疾病，α-突触核蛋白（α-synuclein, α-Syn）清除系统受损被认为是其发病机制之一。研究发现前驱期和临床期PD 患者均存在GS 功能障碍，PD 患者的ALPS 指数与疾病严重程度升高呈负相关，且与认知障碍的下降有关[37]。PD 患者的GS 功能的受损程度随着疾病病程进展增加。PD 患者的ALPS 指数从左半球开始降低，并随着疾病进展而逐渐累积右半球，且该指数的降低与PVS 负荷增加有关。提示MRI评估PVS 附近的扩散像差可能是PD 疾病进展的一个影像学标志物，可以评估患者的运动和非运动特征[38]。

3.4 多发性硬化症

多发性硬化症（multiple sclerosis, MS）是一种慢性神经系统免疫功能障碍性疾病，MS 患者的GS 受损会导致可溶性因子的低效清除而加剧炎症和神经退行性过程，从而导致临床残疾。研究发现相较于健康对照组，MS患者的DTI-ALPS指标显著降低，且在MS患者病程的前四年内ALPS指标与更严重的临床残疾和结构性损伤有关[39]。

3.5 脑卒中

脑卒中包括出血性脑卒中和缺血性脑卒中这两种病理类型。一项动态对比增强MRI对出血性脑卒中小鼠进行评估发现，模型组小鼠的GS 对对比剂的清除较正常对比组减少[40]。缺血性脑卒中模型小鼠的动态对比增强MRI 研究发现，缺血性脑卒中后同侧的黑质和丘脑腹侧核的GS 受损，可能是导致神经退行性变的主要原因[11]。此外，研究发现，缺血性脑卒中患者的ALPS指数偏低，同时脑卒中的发生时间是影响ALPS 指数的唯一因素，即在脑卒中发生后，ALPS 指数随着卒中发生的时间增加而增加，提示GS功能的恢复[41]。因此，通过MRI技术评估GS的功能可能有助于早期预测脑卒中，并评估其预后。

3.6 脑小血管病

脑小血管病（cerebral small vessel diseases, CVSD）是脑卒中和血管性痴呆的常见病因，影像学上表现为白质高信号、腔隙、脑微出血和EPVS。一项研究基于CSVD 患者中髓静脉方向的同源性改良了ALPS 指数的计算方法即mALPS 指数。这种无创的mALPS指数与CSVD 患者中白质高信号、腔隙、脑微出血和基底节EVPS 存在相关性，提示GS 的清除功能在CSVD的发生发展中起着一定作用[42]。

3.7 脑胶质瘤

一项利用体内动态对比增强MRI和伊文思蓝染色的研究发现脑胶质瘤小鼠脑内GS 循环受损，对比剂经GS 的流入及流出高峰时间均明显延迟，且这一现象与肿瘤区域星形细胞足突AQP-4 表达水平下降有关[43]。此外，KAUR 等[44]通过动态对比增强MRI和动力学建模研究胶质母细胞瘤模型大鼠的GS 的变化，研究结果也表明模型鼠脑内GS 的流入和清除显著减少，脑脊液中的残留增加，提示胶质母细胞瘤会损伤大鼠脑内的GS，并与胶质母细胞瘤疾病进展有关。GS 可绕过血脑屏障对治疗药物的限制，是一种潜在的、有效的中枢药物递送途径。研究表明，经颈淋巴结周围的皮下注射负载吲哚菁绿的聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米颗粒，药物到达胶质瘤的效率较外周静脉给药提高44倍，且呈粒径依赖的方式[45]。

3.8 其他神经系统疾病

丛集性头痛患者的ALPS 指数低于健康组，这可能提示丛集性头痛患者的GS存在损伤[46]。有先兆性偏头痛和无先兆性偏头痛患者的ALPS 指数的差异无统计学意义，且患者的年龄、发病年龄、病程、发作频率以及头痛强度均与ALPS指数无显著相关性，这可能提示偏头痛患者无GS 功能障碍，且有先兆与无先兆患者的GS功能没有差异[47]。

上述研究表明，GS 功能障碍与诸多神经系统疾病发生发展存在密切的关系，但两者之间的因果关系仍待研究。多模态MRI 技术对于GS 结构与功能的检测与评估将为神经系统疾病发病机制、精准诊疗及疗效评价研究提供一种无创的活体影像学评估新方法。

4 结论与展望

GS 的发现是神经科学领域的一个重大进展。MRI因具有普通光学成像所不具备的优势，被广泛应用于GS的结构与功能研究。各种MRI技术均存在其优势与局限性，其中，基于T2WI、DWI及DTI-ALPS因具有无创、便捷等优势，可在临床广泛应用，而进一步优化算法模型及序列设计将有助于提高其临床应用价值。未来的研究应着重于以下几个方面：（1）建立基于多参数MRI 技术的融合预测模型，并开发新的算法模型，以提高定量评估的敏感度与特异度；（2）探索经GS 途径的药物递送与疾病治疗新方法，推动其进一步临床应用；（3）GS在各种神经系统疾病演进中的作用及其机制，探索基于GS 的临床诊疗新方向。总之，随着新的MRI 技术的应用以及从动物实验走向临床研究，GS 的MRI 将为神经系统疾病临床诊断和治疗提供新的技术平台。

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：李勇刚提出本综述的主题和设计文章框架，对稿件重要内容进行了修改，获得了江苏省卫生与健康委员会重点科研项目、江苏省研究型医院学会感染与炎症放射学会专委会科研基金项目和苏州大学苏州医学院医学+X 项目的资助；沈文卓起草和撰写稿件，获取并分析本综述的文献；全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本综述的所有方面负责，确保本综述的准确性和诚信。