痴呆患者血脑屏障(Blood-Brain Barrier, BBB)功能测量

【1.简介】

过去十年越来越多的神经性疾病的研究都聚焦在了血脑屏障，而如今磁共振测量通透性的方法也具有可行性。而磁共振硬件和计算机算力的提升确实为这个领域开辟了很多可能性。这个研究领域的焦点已经从比较显著的通透性渗漏疾病，例如脑肿瘤和多发性硬化症，转移到慢性血管病和痴呆中更轻微的BBB破坏。但是由于轻微的血管损伤只会导致低水平的渗漏，所以目前来说运用MRI测量通透性的研究很大一部分还是聚焦于肿瘤和多发性硬化症(Multiple Sclerosis, MS)。能够检测到较低水平的渗漏，将有助于对血管性认知障碍和痴呆(vascular cognitive impairment and dementia, VCID)和阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)患者进行研究。这篇综述将集中于最近发表的用MRI检测低水平通透性水平的研究，包括研究老年人慢性疾病中发生的微小变化所带来的方法学上的困难，同时值得注意的是，这些变化与正常衰老导致的血管变化相互混杂。

【2.背景】

2.1泄漏物穿过血脑屏障

正是由于这种屏障的存在，血管与脑组织间的分子运动也受到了限制。血液与脑组织之间的一系列界面被称为神经血管单元(neuro- vascular unit, NVU)，以此强调了具有不同屏障特性的多种细胞类型参与了其中。第一个血脑界面是具有紧密连接蛋白(tight junction proteins, TJPs)的内皮细胞，下一层是由细胞外基质蛋白组成的基板/基膜，围绕着基板的是星形细胞足突与嵌入的周细胞。由于NVU有很高的电阻，除了高脂溶性物质外，带电离子很难通过血脑屏障。所以实际上，整个NVU确实有很低水平量的泄露。但是这个介于血管和脑组织的界面，相对于非脂质的分子，其实就相当于一个限制的“屏障”，所以在正常状态下，通透性是很低的。除了TJPs，还有一些载体分子可以建立传入脑组织的运输通路，同时也有一些酶可以降解这些载体分子，从而阻止血液中的物质进入大脑。对于肿瘤卒中这些会导致BBB有较大漏洞的疾病，渗漏到脑组织和脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)的大分子可以通过注入造影剂(contrast agents, CA)的CT或MRI进行观测。然而，老年痴呆患者的病理改变涉及的变化不那么剧烈，在NVU中只会产生比较轻微的渗漏。在临床常规中，这些变化通过MRI可以更好地捕捉到。

2.2小血管病中对低渗透的测量面临的挑战

2.3比较测量BBB的方法

之前有研究对痴呆患者的BBB进行过尸检调查，发现了明显的血脑屏障受损。但是这些研究的最大缺点在于研究的都是疾病的晚期。在动物实验上，由于解剖的方便，实验人员最初使用染料，例如Evans蓝，注入到血液之中，测量大脑吸收了多少。通过放射性标记的同位素，无论是快速进入大脑还是缓慢进入大脑的分子，都提供了更精确的测量方法。相对于用碳14标记的化合物，用3H标记的水可以更快速的通过BBB，从而更具有参考价值。例如用碳14标记的糖，这样一种缓慢摄取的化合物，可先静脉注射，然后在20分钟后采集血液与脑组织的样本。在不考虑反向运输的情况下，可以用单腔室的传输方程来计算和传输有关的参数。

据 道，在BBB损伤的被试中，白蛋白的比率很高。在一些活体的研究中，确实也有文献利用白蛋白的比率来反应痴呆中的BBB的损伤。虽然这些CSF的研究确实在痴呆患者中观察到了更高的白蛋白比例，但是缺少关于渗漏的局部，或者说位置信息。CT和PET影像可以为人体研究BBB渗透率提供可靠的方法支撑。CT需要碘化造影剂和相对较高的X射线剂量。另一方面，PET的研究需要放射性示踪剂来检测异常，一般用的是18F-FDG。但是很少有研究使用PET来评估BBB，因为需要制造半衰期短的同位素，而且PET成像从设备和临床来说较为复杂，这使得MRI成为研究中最有用的方法。

【3.渗透率测量的历史背景】

a)一个是动态磁化率增强的DSC-MRI，一般常用于头部，又称之为神经灌注，主要依赖的T2*W的信 改变；

b)另一种是动态对比增强的DCE-MRI，应该来说，对于临床的医生，这个模态用的会更多，除了头以外，也广泛用于肝腹部成像，也就是俗称T1增强。

一般造影剂都是钆造影剂，像常见的Gd-DTPA。由于这种打药的方式会导致肾源性的系统纤维化，所以只适用于肾功能正常的患者。最近一些研究也发现，即使是正常的肾功能患者，依然会有造影剂的残余，这让学界对这个问题更加警惕。当组织渗入Gd造影剂分子的时候，随着造影剂浓度的提升，组织的弛豫速率R1，R2*也会线性增加，即弛豫时间T1，T2*会减少。同时值得注意的是，T2*的降低，即自旋失相位也与场不均匀性有关，这也是BOLD-fMRI的成像原理。当BBB破坏不明显，或者说渗漏不明显的时候，T2*的效应会更加明显，即DSC-MRI会比DCE更加敏感。如果BBB破坏，造影剂泄漏到了血管外部空间，组织与血管的之间的磁环率差异会缩小，R2*随着造影剂浓度变化的不再显著，那么这也带来了T2*随着造影剂浓度变化解释的复杂性，不利于定量。在目前的临床应用中，DSC主要还是用来定量CBF和CBV，即血流和血容，而DCE则用来进行造影剂渗漏的测量方法。

图1：DCE-MRI方法包含5个步骤。

在数据采集阶段，我们需要选择造影剂的种类和剂量，以及什么磁共振序列进行T1-Mapping。T1和造影剂浓度通过数据进行计算。接下来我们要选择合适的药代动力学模型。Patlak模型是其中一个。最终计算出这些参数，例如Ktrans。

在造影剂注射之前，我们要想清楚，对于基线的T1数值到底要测量几次。当然如何计算T1与不同的平台，不同的序列都有关系。之前一些研究中，我们计算造影剂浓度，都假设对于Gd-DTPA这样的造影剂，R1的改变随着浓度呈现一个线性趋势，其斜率为，r1=3.7±0.2 mM-1s-1。计算渗透率的话，是依赖于药代动力学描述造影剂泄漏这个过程的一些参数。这个模型以及一些标识符 ，最开始在96年的时候由Tofts et al.进行过一个统一。经过拓展的Tofts模型如下：

这里Cp(t)反应的就是血浆中的造影剂浓度，体积占比分数为vp，Ct(t)就是我们要考虑的体素中造影剂浓度。体素中的血管外胞外空间(EES)的体积占比为ve，其余的部分就是细胞内，如图2中的黄色区域。

图2：黄色区域是细胞，EES是蓝色，可以理解为间质液，血管内是红色。

需要估计的参数有转移常数Ktrans，回流的速率常数kep，以及EES的体积占比分数ve。

从EES回流到血浆的速率常数kep=Ktrans/ve，而Ktrans是穿透BBB的转移常数，且与通透率成正比。这篇文献里，我们简单的认为Ktrans就是我们关注的通透率。Cp(t)也被称作动脉输入函数(arterial input function, AIF)，通常会在颈动脉或者矢状窦进行测量。通过红细胞压积Hct这个参数，我们可以将血管的每个体素的平均造影剂浓度Cb(t)与Cp(t)建立如下关系：

对于经过拓展的Tofts模型，做一下简化，我们可以得到如下的一些简化模型。如果我们让vp=0，我们就可以得到Tofts模型；如果设置kep=0，那么就是我们熟知的Patlak模型，

可以看出，Patlak模型假设造影剂在EES中是没有回流的，也忽略了体素与体素之间的交换。最终，如果我们假设渗透率为0，那么就有如下关系，

在这个前提下，体素中的造影剂浓度与血管内的造影剂浓度成正比。所以可以看出，通透性的测量是依赖于体素内造影剂浓度的积累的，当然这些都是由于BBB的渗漏导致的。换句话说，只要我们能够测量vpCp(t)，这些体积分数ve和vp就没啥用了，可以通过体积比来定义这两部分体积，Ktrans和kep的单位是min-1，一般在文献里Ktrans的单位是ml/100g/min，和CBF的单位是一样的。当然这些取决于造影剂浓度的定义。如果我们假设组织密度大约是1g/ml，那么1ml/100g/min大约就等于0.01 min-1。轻微的或较低的渗透率(Ktrans)就应该是在10-4到10-3min-1之间，在肿瘤里一般是10-2min-1。

当然对于不同脑区基线的弛豫速率R10(=1/T10)和R20(=1/T20)的测量肯定会影响造影剂浓度的定量，而且测量的方法也有很多。这些都会导致Ktrans计算的偏差，甚至会导致负值。另一方面由于采集的时候回波时间设置的较短，模型里没有纳入R20的影响，且R20在不同脑区的变化对于Ktrans的精确定量并不会有很显著的影响。

【4.材料与方法】

4.1文献的搜索资料查找

4.2纳入和剔除的标准

4.3数据获取与分析

我们主要选取了几个特定研究中的数据：

(a)健康对照与不同病理条件下的轻微BBB通透率测量的对比研究；

(b)试图定义最优的BBB通透性测量的方法学研究；

而做活体的研究中，比较了提供通透性测量的定量方法。当然他们也对这些方法进行了分析，从方法的层面，给予了我们未来进行此类研究的最佳选择。

【5．文献综述结果】

5.1综述文章的分类

5.2在小血管病中的轻微BBB渗透的测量

表1：利用DCE-MRI进行轻微的BBB通透率的测量。

SVD，小血管病；AD，阿尔茨海默病；BD，皮质下动脉硬化性脑病；VCI，血管认知障碍；MCI，轻度认知障碍；MS，多发性硬化症；C，对照；P，病人；FS，场强；PS，磁共振序列；ST，扫描时间；CA，造影剂；GE，梯度回波；SE，自旋回波；WMLs，白质损伤；HC，海马；FSPGR，快速破坏梯度回波；TAPIR，一种T1-mapping的序列；SER，信 增强比率；Slopesec，信 增强曲线的斜率；DSRGRE，也是梯度回波类序列，用的不多。

上标a，表示造影剂剂量单位为mL。

上标b，表示造影剂剂量单位为Ml/10 lb。

表2：健康人Ktrans值在不同研究中的变化。

CGM，大脑皮层灰质；DGM，深部灰质

表3：病人Ktrans值在不同研究中的变化。

cSVD，脑小血管病；WMH，白质高信 ；NAWM，正常表现脑白质；SIVD，皮质下缺血性血管性疾病；MI/LAC，多发和腔隙性梗死。

上标a，表示丘脑区域。

5.3 DCE-MRI数据分析方法

无模型参数和药代动力学模型两类方法，都在此综述中有涉及。在无模型参数的方法中，信 增强曲线和T1的变化得到的半定量参数被用来评估BBB的功能损伤。这些研究中，一些参数，比如信 吸收曲线的斜率，信 增强比率，T1变化率在感兴趣的ROI中进行评估。然后会利用统计学，进行对照和病人的比较。这种差异是明显的，除了2000年的一个工作。这种无模型参数的方法的好处在于不需要动脉输入函数，也不需要计算曲线下面积（注意，这两个指标在DSC里面计算CBV尤其重要，动脉输入函数的选择的好坏，直接决定了灌注参数定量的准确性）。这个方法的缺点在于，这些参数与我们的一些生理指标没有什么相关性，对于我们采集方式的变化及其敏感。

基于药代动力学模型的方法一般是Patlak模型，从而推导出生理参数。用Ktrans来表示BBB渗漏的快慢已经很广泛的用于通透性的测量。当然也有一些研究专门研究了一下vp，即血液血浆的体积分数。当然定义动脉输入函数，以及如何做T1 mapping方法有很多。变翻转角，改变延迟时间，和利用Look-locker(一种利用于肝腹部采集的门控方式)方法等等都是用来做T1 mapping的常用手段（心脏、肝脏里常用的MOLLI序列，就是非常典型的T1 mapping序列）。每个人的动脉输入函数可以通过上矢状窦或劲动脉进行测定。这种利用模型的方法好处在于计算得到的Ktrans与BBB的完整性直接相关，且在对照和病人上有显著差异。

5.4寻找更优化的DCE-MRI方法来检测轻微的BBB通透性

有5项研究 告了最佳的DCE-MRI方法来评估细微的BBB通透性。当然汇 卒中和肿瘤的BBB文献很多，也是因为易于测量。而对于细微的通透性改变，则需要更高的精度。而且在神经炎症性疾病的早期，通透性较低的时候，如果能更早发现，就便于治疗。很多研究都对这个问题，从活体到数值模拟都做了很多测试，研究的细节，方法上的一些建议，全部总结在了表4之中。

表4：不同研究确定的最优DCE-MRI方法。

TR，时间分辨率；SR，空间分辨率；SPGR，普通的扰相梯度回波；DSRGE，其实就是加了饱和脉冲的改进的一种梯度回波序列。

选择合适的药代动力学模型，采集时间，以及动态扫描的时间分辨率，数据分析时纳入仪器扫描中本身存在的漂移等问题。2016年的两项研究，分别利用Ktrans的对比噪声比(CNR)和赤池信息准则(AIC)，去讨论模型是否可行以及合理性。在模拟研究中，他们用不同级别的噪声干扰，去评估方法的鲁棒性。另外3项研究中，Patlak模型认为是最好的研究细微BBB通透性测量的药代动力学模型。采集时间和正常基线的采集时间分别控制在10-30分钟和1-4分钟。时间分辨率推荐为1.25s到一分钟这个区间。最近的一项研究提高了Ktrans和vp等参数的估计精度，利用的是一种迭代模型来分析第一次通过曲线(first pass，如果对于头部还有肾循环来的second pass)和整个数据。虽然还没有运用到脑小血管病之中，但是这个方法估计出的数值确实落在了合理的区间。

【6.讨论】

6.1采集与分析方法

双时间分辨率数据采集在渗透率测量中很有前景。在肿瘤研究中，需要高时间分辨率来捕捉造影剂的动力学信息，这样也让CBF的测量更具有可行性。但是一般这样的话，空间分辨率就会很低。但是在轻微渗透率测量的场景下，往往是低时间分辨率，来满足更好的空间分辨率和覆盖的范围，这样可以测量所有大脑结构位置的渗透率。Barnes和他的同事们认为一分钟可能是最优的扫描间隔，这样也可以有更高的K-CNR。Heye在2016年的工作，一次造影剂注射就能够定量CBF，CBV，还有白质的Ktrans和vp是DCE技术的一大进步。

仪器的信 漂移影响对于较大的Ktrans值几乎可以忽略，但是低渗透率则会导致Ktrans值的升高。这个效应与组织的类型有关，特别是在CSF。所以这样导致没法用水模进行漂移校正，且Patlak模型对低造影剂浓度敏感，所以漂移效应在Patlak模型里的影响特别显著，这样也影响了跨平台的研究比较。

使用药代动力学模型，提高BBB通透性测量的准确性有两个主要因素，一个是基于T1W的信 强度曲线去估计造影剂浓度曲线，另一个是如何确定动脉输入函数（这些其实都是灌注后处理里面，最核心的东西，现在很多比较高级的机器学习算法也参与到了其中）。最普遍的计算T1-mapping的方法就是改变翻转角，或改变不同饱和脉冲的延迟时间。这些方法可以用来计算基线的T1值，这个是我们计算造影剂浓度曲线必要的。在SPGR方法，即扰相梯度回波中，翻转角的误差会导致我们T1数值的变化。一些替代方法，比如基于Look-Locker采集和DESPOT1-HIFI则能够克服这个问题。其实在肝腹部扫描里，还是Look-Locker的门控方式更为普遍，很多场家早已经产品化了。另外就是动脉输入函数了，从上矢状窦提取的血管输入功能不受容积效应和流入伪影的影响，很容易识别。

6.2血管认知障碍

很多研究人员都利用Patlak模型去分析一些慢性血管疾病的低渗漏现象。白质通透性的测量因为白质束中有大量相邻的组织而变得容易。在NAWM中低水平的渗漏可能是由于紧密连接和内皮细胞的微量运输。此外，目前没有关于MRI的BBB测量随时间变化的稳定性研究。表2和表3可以看出，不同中心，不同时间，还是存在偏差的。至于偏差的原因，前文已经重复过多次。而通透性的阈值来区分对照和病人是完全可行的。这个在一个中心，或者一个平台做研究还可以，但是跨平台，跨中心就非常难做，很难比较。这个也是灌注后处理MRI常常遇到的问题。

表5总结了各个研究的病人与对照间的有效尺寸，公式如表格所示。

表5：不同工作中，有效尺寸通过如下公式计算，需要比较对照与病人的Ktrans值。

有效尺寸一般在0.07到1.8之间。而Taheri et al.他们的有效尺寸更高，很有可能是他们选取阈值的方法，非常强调病人与对照的区分。在组内进行观察，van de Haar et al.的几篇文献有很大的方差，也许是因为样本容量，特别是病人组的差异导致的。

对于血管认知障碍的病人，造影剂向白质的渗漏已经有很多工作得到证实。慢性血管疾病中血脑屏障的破坏与缺氧诱导的炎症有关。一种可能的情况是长期血压升高引起血管的慢性变化。这导致血管腔狭窄，限制脑血流量，并产生缺氧。这种缺氧很可能是间歇性的，如睡眠呼吸暂停，而不是长期的，如脑梗死。这得到了动物研究的支持，在动物研究中，高血压大鼠的氧水平是直接用电子顺磁共振(EPR)测量的，在人类研究中，血管性痴呆患者的大脑中发现了缺氧诱导因子。当然可能还会有其他因素的参与。最近的一项研究表明，通过弥散张量成像测量到，动脉硬化会增加大脑小动脉的游离水。

当白质异常，其通透性会发生改变，在胶质增生的白质区，如WMH（白质高信 ），通透性非常低。但是，在WMH边缘，即半暗带区域，有渗漏的增加，这也许预示着这是疾病恶化的一个值得关注的点。更重要的是，通透性的改变在NAWM也发现了。这说明即使是NAWM也有着潜在的疾病的进程的恶化。这个在DWI的一些研究中也相互佐证。

图4：红色是通透性显著升高的半暗带区域，绿色是WMH的边缘轮廓。

6.3阿尔茨海默病

2015年一项基于AD病人海马的研究，也说明了BBB通透性的改变。研究发现这种通透性的改变只存在于海马，并不是在白质。大脑淀粉样血管病患者有微出血，说明通透性增加，但尚未用MRI测量大脑的Ktrans值。对大脑淀粉样血管病患者的造影增强病灶进行定性观察已有 道。无论是高血压人群还是非高血压人群，这都是一个需要进一步研究的领域。

测量皮质灰质是一项挑战，因为皮质是一层薄薄的灰质，与CSF相连，并伴有折入白质的脑沟的并发症。所以一般我们着眼于深部灰质，像基底节和海马这样的结构比较适合。

【7.结论】