阿尔兹海默病小鼠模型的磁共振影像学分析

朱 皓，高 凯，张连峰，2

(1.中国医学科学院，北京协和医学院，医学实验动物研究所，卫生部人类疾病比较医学重点实验室，北京 100021;2.国家中医药管理局人类疾病动物模型三级实验室，北京 100021)

阿尔茨海默病(Alzheimer's disease，AD)是一种在世界范围内老年人高发病率的神经退行性变性疾病，其基本的病理学改变是脑组织中老年斑、神经原纤维缠结以及神经元的丢失［1］。AD病人临床上主要表现为记忆力障碍、认知功能减退。由于目前阿尔茨海默病发现时多为中、晚期，此时缺乏根本有效的治疗方法，治疗将更为困难，因此对阿尔茨海默病的早期诊断、提高诊断的敏感性和准确性显得尤为重要。但到目前为止，在AD病理发展过程中得到的研究结果也不是很一致［2－4］。转基因动物模型的发展，使得人们可以短时间内在动物模型上纵向研究MRI标志物与病理发展的关系。

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技术以其高组织对比度、可任意方向成像、无颅骨伪影干扰等特点，为提高AD诊断的敏感性和特异性提供了方法。特别是近年来高场强(≥7.0 T)MRI的出现以及飞速发展的磁共振功能成像技术，如扩散加权成像(diffusion-weighted imaging，DWI)、扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)等的应用，为阿尔茨海默病的早期诊断研究提供了条件［5，6］。

本研究利用7.0 T高场磁共振成像技术，分别对不同年龄的小鼠痴呆模型(APP/PS1转基因小鼠)进行了磁共振常见参数T2弛豫时间、扩散加权成像中的表观扩散系数(apparentdiffusion coefficient，ADC)值［5］以及扩(弥)散张量成像中的各向异性分数(fractional anisotropy，FA)值［6］等参数变化，为进一步利用磁共振技术来研究AD进行了探索。

1 材料和方法

1.1 实验动物及设备

本实验采用 1、3、5、7、9和 11个月龄的健康雄性AD转基因小鼠模型APPswe/PSENldE9每个月龄各6只及同龄雄性野生型(wild type，WT)小鼠每个月龄各6只;实验动物由本实验室提供(SCXK(京)2009-0007)。

利用本实验室的Varian 7.0 T磁共振成像设备(Varian，Palo Alto，CA)进行图像扫描。本实验方案已经得到中国医学科学院医学实验动物研究所实验动物使用与管理委员会的批准，批准号为ILAS-GC-2012-001。

1.2 MRI图像扫描

扫描前采用1.5%～2%异氟烷和氧气混合气体对小鼠进行吸入麻醉(Visualsonics，Canada)。当小鼠完全麻醉后，将小鼠俯卧位固定于扫描床上。用Varian 7.0 T/160 mm磁共振仪，选用小鼠头颅线圈接收，依次进行小鼠大脑横断位快速自旋回波(Fast Spin Echo，FSE)序列 T2加权成像(T2weighted imaging，T2WI)扫描，多回波自旋回波(multiple spin echo，MSE)序列扫描并进行后处理获得 T2map，扩散加权成像(DWI)序列以及扩散张量成像(DTI)序列的扫描。

(1)FSE-T2WI扫描参数如下:TR=2 500 ms，TE=60 ms，ETL=8，FOV=20 mm ×20 mm，层厚/间距(Thk/Gap)=0.8mm/1.0mm，采样矩阵(matrix)=256×512;重复次数 (NEX)=4。

(2)MSE-T2map 扫描参数:TR=2 000 ms，TE=10 ms、20 ms、30 ms、40 ms、50 ms、60 ms、70 ms、80 ms，FOV=20 mm ×20 mm，层厚(Thk)=0.8 mm，采样矩阵(matrix)=256×256，重复次数(NEX)=2。

(3)DWI扫描参数:TR=2 000 ms，TE=37 ms，扩散梯度持续时间(δ)=5 ms，扩散梯度间隔(Δ)=15 ms，扩散敏感系数(b)值 ={13.242 6，120.043，398.604，848.925}/s/mm2，FOV=20 mm×20 mm，层厚(Thk)=0.8 mm，采样矩阵(matrix)=256 ×256，重复次数(NEX)=4。

(4)DTI扫描参数:TR=2 000 ms，TE=36 ms，［Gx，Gy，Gz］=［1，1，0］，［1，0，1］，［0，1，1］，［-1，1，0］，［0，-1，1］和 ［1，0，-1］。扩散敏感系数(b)值=1 000 s/mm2，FOV=20 mm ×20 mm，层厚(Thk)=0.8 mm，采样矩阵(matrix)=192×192，重复次数(NEX)=4。

1.3 参数测量及统计

T2弛豫时间、ADC值以及FA值的测量是利用系统自带的VnmrJ 3.1软件对相应序列采集到的图像进行拟合。在拟合图像上手动画出感兴趣区(region of interest，ROI)，本实验选择大脑皮层和海马两个部位，在每个部位分别取3个大小均等的ROI进行统计。数据采用SPSS 13.0统计软件进行分析，各脑区的 T2弛豫时间、ADC值和FA值用平均数±标准差表示，组间比较采用 t检验。用 P＜0.05表示差异的显著性。

2 结果

2.1 AD转基因小鼠模型的动态磁共振图像分析

AD转基因小鼠APP/PSl在4月龄出现行为学变化，5月龄开始出现老年斑［7］。用磁共振 T2WI图像对不同月龄小鼠进行分析。结果显示1、3、5和7月龄AD转基因小鼠活体脑组织的T2WI成像未见明显低信号区。9月龄AD转基因小鼠顶叶皮层及海马区可见少量点状低信号区(图1(a))，11月龄时点状低信号增多(图1(b))。对照组(WT)各月龄小鼠脑组织内均未见明显点状低信号区(图1(c)和(d))。说明 T2WI图像可显示 APP/PS1转基因小鼠模型后期变化，而不能显示早期病理改变。

2.2 AD转基因小鼠模型的T2弛豫时间对比分析

用MSE-T2map对不同月龄小鼠顶叶皮层和海马区的T2弛豫时间进行分析，结果显示，在1、3、5月龄APP/PSl转基因小鼠和对照组皮层和海马的T2弛豫时间无明显差异。而从7月龄到9月龄，APP/PSl转基因小鼠皮层和海马的T2弛豫时间有减小的趋势，但是随着年龄增加反而有所上升，与对照组的差异并没有统计学意义(图2)。

图1 小鼠脑组织的T2加权图像Fig．1 T2WI analysis of the mouse brains

2.3 AD转基因小鼠模型的ADC值对比分析

利用DWI序列对不同月龄小鼠顶叶皮层和海马区的ADC值进行了对比分析，图4结果显示在3～5月龄 APP/PSl转基因小鼠顶叶皮层和海马的ADC值开始出现下降趋势;而从7月龄，APP/PSl转基因小鼠顶叶皮层和海马的ADC值明显减小(图3和图4)，并与对照组有显著性差异(P≤0.05)。

图2 小鼠T2弛豫时间测定Fig．2 T2relaxation time determination of the mouse brains．

图3 7月龄小鼠ADC图像。Fig．3 ADC images of 7-month old mice．

2.4 AD转基因小鼠模型的FA值对比分析

利用DTI序列对不同月龄小鼠顶叶皮层和海马区的FA值的进行了对比分析，图5为 DTI重建后的FA图像，图5和图6结果显示从5月龄开始APP/PSl转基因小鼠顶叶皮层和海马区的FA值明显减小，并与对照组有显著性差异(P≤0.05)。

3 讨论

目前临床对AD的研究主要集中在海马容积等形态学测量上，而AD的病理学表现可能在形态学改变之前已经出现，因此对AD脑组织微观变化的研究显得尤为重要。

APP/PS1小鼠是本实验室构建的双转基因AD小鼠模型，是目前能比较好的反映人类AD病理进程的一种模型，该模型的特点是在4月龄时开始出现行为学变化，5月龄开始出现老年斑，7月龄后出现大量老年斑的沉积［7］。利用该模型进行磁共振研究，可以反映不同病理发展时期的影像特点。

图5 5月龄小鼠FA图像。Fig．5 FA images of the 5-month old mice．

本实验利用高场强(7.0 T)对 1、3、5、7、9 和 11个月龄的健康雄性AD转基因小鼠(APP/PS1)进行磁共振扫描。在 T2WI图像中，9和11月龄该模型小鼠的顶叶皮层和海马区在发现有稀疏的点状低信号影，这表示Aβ淀粉样斑块中富集铁质，铁质具有顺磁性，它会造成局部磁场不均匀，这种不均匀的局部磁场将会导致磁共振信号降低，因而会在T2WI图像上表现为黑色的低信号点。有研究表明FSE-T2WI和梯度回波序列(gradient echo，GRE)-WI都可以体现这种斑块和周围组织的对比［8，9］，相比较而言FSE是在90°射频激发脉冲后施加多次180°射频反转脉冲产生的多次自旋回波信号，并且对每个回波独立地进行相位编码，按一定规律排列于K空间。由于多个紧邻的180°脉冲，从而使得磁化率不同所致的相位作用减少，所以FSE的磁化效应较低，对于早期铁离子沉积较少的Aβ淀粉样斑块的敏感度较高。而WI受磁场不均匀的影响较大，因此对Aβ淀粉样斑块的敏感度相对较低［9］。

图4 小鼠ADC值测定Fig．4 ADC value determination of the mouse brains

图6 小鼠FA值测定Fig．6 FA value determination of the mouse brains．

对T2弛豫时间的测量结果进行分析，7～9月龄APP/PS1小鼠的T2弛豫时间逐渐减小的趋势。可以推测的是在早期Aβ淀粉样斑块开始形成时期，老年斑中铁的含量相对较少，还不会对T2弛豫时间产生一定的负性作用，随着小鼠月龄的增加，脑组织中的Aβ的沉积越来越明显，Aβ淀粉样斑块中的铁含量也逐渐增多，理论上Aβ与铁的共同作用会造成T2弛豫时间的缩短［11］。但还有其它因素会影响T2弛豫时间，如形态的改变、炎症以及脑脊液(CSF)空间的扩张带来的在MR图像中的部分容积效应会使T2弛豫时间增大［12］。在本实验中，9～11月龄APP/PS1小鼠的T2弛豫时间又有所增大，但依然小于对照组，验证了对于 APP/PS1模型小鼠，T2弛豫时间受多重因素影响，并且与正常对照组无显著性差异。并且在临床研究中，AD患者的T2弛豫时间变化也没有统一的结论［2，12］。因此顶叶皮层和海马区的T2弛豫时间并不能作为该模型在这2个脑区出现病理改变的早期诊断参数。

扩散加权成像(DWI)反映的是水分子在脑组织中的扩散速率［5］。一般来说，水分子在脑组织中扩散行为的改变直接反映了脑组织微观结构的改变，常用表面扩散系数(ADC)来刻画水分子的扩散能力，即扩散速率越快，ADC值越大。本实验中在3～5月龄APP/PSl转基因小鼠顶叶皮层和海马区的ADC值开始降低但和对照组无明显差异。而7～11月龄，APP/PSl转基因小鼠顶叶皮层和海马区的ADC值明显减小，并与对照组有显著性差异(P≤0.05)。推测ADC值下降的原因是由于Aβ淀粉样斑块形成后，导致神经胶质增生，而活化的胶质细胞所分泌的一些大分子物质，导致了组织的粘度增加，水分子扩散能力下降。同时，星形胶质细胞和小胶质细胞的体积和数目的增多，对水分子的扩散也会造成阻碍。Mueggler等［13］分析 APP23小鼠脑组织ADC值在早期(5月龄)没有明显变化的原因是早期脑内的Aβ淀粉样斑块是以弥散型的斑块为主，这种斑块所导致的胶质增生还不是很明显，所以ADC值变化不大。而到老龄(23月龄)APP23小鼠脑内的 Aβ淀粉样斑块是以致密型的斑块为主，能导致明显的胶质增生和神经胶质炎症反应，这是该小鼠ADC值减少的主要原因。

扩(弥)散张量成像(DTI)对脑白质结构的微观变化(比如脱髓鞘，轴突丧失，神经胶质过多)和神经纤维走向的变化十分敏感［6］，因此可用来对AD脑白质病理变化的机制进行更深入的探讨，各向异性分数(FA)体现水分子扩散的方向依赖程度，即水分子在沿着神经纤维的方向上扩散较快，而在垂直于神经纤维的方向上扩散较慢。当水分子以各向同性扩散(球形扩散)时，FA=0;扩散的各向异性程度越大，FA值越接近1。它是显示白质纤维束是否损伤及损伤程度的敏感指标，其值越高提示组织具有更好的方向性和更好的纤维束的黏合程度［14］。本实验中5～11月龄的APP/PSl转基因小鼠顶叶皮层和海马的FA值明显减小，并与对照组有显著性差异(P≤0.05)。推测原因可能是，发病早期的轴索膜或髓鞘破坏和脱失造成神经纤维密度降低，以及胶质增生，因而水分子的扩散更趋向于各向同性，因此FA值降低。

本实验利用磁共振成像技术对 1、3、5、7、9 和11个月龄的健康雄性APPswe/PSENldE9小鼠脑组织顶叶皮层和海马的微观病变进行定量研究，发现T2WI能够在9月龄发现呈点状低信号的 Aβ淀粉样斑块，但与对照组相比T2弛豫时间在整个研究过程中无明显差异，不能作为早期检测AD病变的参数。利用功能磁共振成像技术中的扩散加权成像(DWI)和扩(弥)散张量成像(DTI)中的参数 ADC值和FA值，分别发现顶叶皮层和海马从7月龄(ADC值)，甚至5月龄(FA值)开始，与对照组有显著性差异(P≤0.05)。本实验结果表明7.0T高场强MRI能够显示病变出现早期(5月龄)AD转基因小鼠APP/PS1顶叶皮层及海马FA值的明显改变，揭示了高场强MRI能够显示AD病变出现早期小鼠顶叶皮层及海马FA值的明显改变，FA值对早期痴呆病临床诊断具有一定的参考价值。

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