腦膠質(zhì)瘤動物模型的構(gòu)建和MRI研究進展

李 穎（綜述） 馬 林（審校）

腦膠質(zhì)瘤動物模型的構(gòu)建和MRI研究進展

李 穎（綜述） 馬 林（審校）

腦腫瘤；神經(jīng)膠質(zhì)瘤；腫瘤，實驗性；磁共振成像；疾病模型，動物；大鼠，Wistar；綜述

膠質(zhì)瘤是發(fā)生于神經(jīng)外胚層的腫瘤，是最常見的腦內(nèi)原發(fā)腫瘤之一，早期難以發(fā)現(xiàn)，惡性膠質(zhì)瘤呈浸潤性生長，手術(shù)切除容易復(fù)發(fā)，某些類型的膠質(zhì)瘤對放療不敏感，對化療產(chǎn)生耐藥現(xiàn)象[1,2]，惡性膠質(zhì)瘤患者中位生存期仍短于1年[3]，預(yù)后較差。因此，對于膠質(zhì)瘤的診斷和治療仍然是一個難題。人腦膠質(zhì)瘤動物模型的構(gòu)建對探討腦腫瘤的發(fā)生、發(fā)展機制和促進臨床研究深入發(fā)展至關(guān)重要，而MRI為腦膠質(zhì)瘤模型的評價和相關(guān)動物實驗的定量、定性分析提供了可靠的方法。

1 膠質(zhì)瘤模型的研究概況

膠質(zhì)瘤模型的建立一般需符合以下條件：①腫瘤的生長特性與人腦惡性膠質(zhì)瘤的生長特性相近，并且是膠質(zhì)源性的腫瘤細胞；②實驗動物經(jīng)濟，模型制作簡單，支持大規(guī)模實驗；③腫瘤生長較迅速，模型制作時間短，生存期可標準化；④對治療的反應(yīng)與人膠質(zhì)瘤相似[4]。目前國際公認的常用于制作膠質(zhì)瘤模型的動物主要有Wistar大鼠、SD大鼠、裸鼠等[5]。目前常見的鼠膠質(zhì)瘤模型包括誘發(fā)模型、移植模型和轉(zhuǎn)基因模型。

1.1 誘發(fā)模型 誘發(fā)模型包括病毒誘發(fā)模型和化學誘發(fā)模型，是通過病毒或化學等外部因素誘發(fā)膠質(zhì)瘤形成，對于腫瘤發(fā)生機制的研究有一定的幫助。病毒誘發(fā)模型由腺病毒等誘發(fā)，操作復(fù)雜，成本高，周期較長，應(yīng)用相對較少。最早的化學誘導模型是1939年Seligman等利用甲基膽蒽制成丸劑植入小鼠腦內(nèi)，誘發(fā)出腦膠質(zhì)瘤和肉瘤[6]。烷化劑尤其是甲基亞硝基脲和乙基亞硝基脲有很高的中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤誘發(fā)率，至今還在運用的C6、9L和P949等膠質(zhì)瘤動物模型均是用上述類似的方法誘導的[6,7]。

1.2 移植模型 移植瘤模型主要分為實體瘤接種和細胞系接種。根據(jù)接種部位的不同又分為皮下接種和原位接種。實體瘤接種主要包括小塊組織接種法和組織漿接種法，成瘤率低，盡管操作簡單，但是定位粗糙，無法進行定量實驗。細胞系接種相對常見，比較成熟的細胞系包括C6、9L、CNS-1等。原位接種的位置一般在額葉或尾狀核區(qū)的腦實質(zhì)內(nèi)，其中最常見的原位移植模型是C6膠質(zhì)瘤模型，接種于皮下的膠質(zhì)瘤模型主要接種對象是免疫缺陷動物，包括裸鼠和SCID小鼠，是把人腦膠質(zhì)瘤體外細胞系移植到免疫缺陷小鼠，與人膠質(zhì)瘤的同源性較好，但是由于移植瘤的異位生長，對研究膠質(zhì)瘤在腦內(nèi)的生物學特性有一定的局限性[8]。

大鼠C6膠質(zhì)瘤細胞系是經(jīng)N2亞硝基甲脲誘發(fā)的大鼠腦膠質(zhì)瘤細胞，細胞腦內(nèi)種植可以產(chǎn)生與N2亞硝基甲脲直接誘導相似的生物學特性，具有無限傳代的優(yōu)點。目前大鼠腦C6膠質(zhì)瘤模型通常采用立體定向技術(shù)定位于大鼠尾狀核，此種方法操作簡便，可重復(fù)性好，成瘤周期短，成瘤率高，所建模型穩(wěn)定性和可靠性好，病理學特點接近人腦膠質(zhì)瘤，是一種較為理想的膠質(zhì)瘤動物模型[9]。Wistar大鼠大腦皮層腦膠質(zhì)瘤動物模型的腫瘤性狀更接近于人，而SD大鼠的腫瘤生物學性狀類似轉(zhuǎn)移瘤，且有自愈傾向，穩(wěn)定性較差。雌、孕激素能夠影響腦膠質(zhì)瘤的發(fā)生[10]，因此一般選用雄性Wistar大鼠作為腦膠質(zhì)瘤模型制作的接種對象。

大鼠C6膠質(zhì)瘤肉眼觀察可見腫瘤與腦組織分界較為清晰，呈魚肉狀，周圍腦組織腫脹，中線受壓向?qū)?cè)移位，切面可見腫瘤內(nèi)出血和壞死。常規(guī)HE染色發(fā)現(xiàn)C6膠質(zhì)瘤細胞核分裂象顯著，呈浸潤性生長，與正常組織分界不清，腫瘤內(nèi)部出現(xiàn)壞死灶，壞死灶與腫瘤細胞相間分布，見圖1。C6腦膠質(zhì)瘤的生物學行為、影像學特征、組織病理及免疫組化特點與人腦膠質(zhì)瘤相似，能夠較好地用于腦膠質(zhì)瘤的相關(guān)研究。但膠質(zhì)瘤細胞來源于大鼠，與人膠質(zhì)瘤的生物學特性不完全一致，并且在免疫治療研究中存在缺陷[11]。

圖1 雄性Wistar大鼠C6膠質(zhì)瘤大體標本示右側(cè)尾狀核可見類圓形腫瘤，與腦實質(zhì)分界清晰，呈魚肉狀，周圍可見水腫區(qū)，中線向?qū)?cè)移位（A）；C6膠質(zhì)瘤細胞呈浸潤性生長，核分裂象顯著（HE, ×400, B）

1.3 轉(zhuǎn)基因模型 轉(zhuǎn)基因動物模型是通過基因工程將外源性基因?qū)胨拗魅旧w基因組內(nèi)，使外源性基因在動物體內(nèi)得以表達。轉(zhuǎn)基因膠質(zhì)瘤模型具有分子病因?qū)W研究價值，對研究腫瘤分子生物學的發(fā)生機制有重要作用。然而其在模型制備方面有較高的技術(shù)要求，成本高，耗時相對較長。已知的轉(zhuǎn)基因模型有通過轉(zhuǎn)導病毒癌基因制備的轉(zhuǎn)基因星形細胞瘤模型、多形性膠質(zhì)母細胞瘤模型等。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷發(fā)展，必將有更多的轉(zhuǎn)基因動物膠質(zhì)瘤模型問世。

2 MRI在動物膠質(zhì)瘤模型中的應(yīng)用

2.1 MRI應(yīng)用于動物膠質(zhì)瘤模型的發(fā)展概況 影像技術(shù)應(yīng)用于鼠膠質(zhì)瘤模型之前，鼠膠質(zhì)瘤的研究主要采取離體方式，需要處死動物，工作量大，測量誤差大，重復(fù)性差，而且難以動態(tài)觀察腫瘤的變化。隨著MRI等影像技術(shù)的發(fā)展和動物模型成像技術(shù)的逐漸成熟，MRI檢查能夠在體觀察鼠腦膠質(zhì)瘤的生長和變化，研究其對各種因素的反應(yīng)，對于研究腫瘤的發(fā)病機制、診斷和治療等都有重要意義。

由于膠質(zhì)瘤模型的實驗動物一般為大鼠、小鼠，對于MRI的成像清晰度、信噪比均有較高的要求，所以目前應(yīng)用膠質(zhì)瘤模型研究的MRI儀通常具有較高的場強，如3.0T MRI儀和4.7T、7.0T動物MRI儀，通常采用小視野的線圈如腕線圈、小型膝關(guān)節(jié)線圈或?qū)Ｓ脛游锞€圈。專用小動物線圈費用昂貴，難以普及。腕線圈、小型膝關(guān)節(jié)線圈則較為常見，簡單易得，但是專用動物線圈能達到更好的成像效果[12]。4.7T、7.0T MRI主要應(yīng)用于大鼠、小鼠等小型動物，具有圖像清晰、信噪比高、成像穩(wěn)定等優(yōu)勢[13]，但實驗成本較高，目前國內(nèi)引進的數(shù)量極少，在成像技術(shù)等方面還不夠成熟，有待進一步探索。目前3.0T MRI應(yīng)用于膠質(zhì)瘤模型的檢測最為多見，配合小視野線圈或?qū)Ｓ脛游锞€圈也能取得較好的成像效果[14,15]。

2.2 膠質(zhì)瘤動物模型的MRI表現(xiàn) MRI可以幫助確定膠質(zhì)瘤模型的建立，并能從體積變化、形態(tài)學、血流動力學等方面為研究提供幫助，MRI對于膠質(zhì)瘤模型的常用檢查方法包括常規(guī)平掃和增強掃描、擴散加權(quán)成像（DWI）、擴散張量成像（DTI）、MRI波譜技術(shù)（MRS）、灌注加權(quán)成像（PWI）和三維動脈自旋標記（3D-ASL）等。

2.2.1 MRI常規(guī)掃描 平掃腫瘤多呈類圓形或橢圓形，T1WI對腫瘤顯示欠佳，多呈等或稍長T1信號，邊界不清，T2WI呈高信號。腫瘤呈浸潤性生長，壓迫同側(cè)腦室，中線結(jié)構(gòu)向?qū)?cè)移位。瘤周可見水腫，呈更高信號，與人腦膠質(zhì)瘤信號變化相仿。因此，T2WI更容易鑒別腦組織、腫瘤組織和水腫。T1WI釓噴替酸葡甲胺增強掃描腫瘤早期呈明顯均勻強化，隨著腫瘤增大，逐漸出現(xiàn)壞死等現(xiàn)象。T1WI增強掃描有利于測量腫瘤的體積，見圖2。Blanchard等[16]利用MRI和HE染色對F98鼠腦膠質(zhì)瘤進行測量，認為增強T1WI及HE染色測量結(jié)果無顯著差異。張冬等[17]認為，增強T1WI和HE染色測量結(jié)果呈線性正相關(guān)，表明增強T1WI測量的腫瘤體積具有較高的準確性。容積成像掃描序列T1-3D-FSPGR和后處理軟件的聯(lián)合應(yīng)用，可以直接得到腫瘤體積，使體積測量更為精確[18]。MRI在體的測量結(jié)果可以真實地反映腫瘤大小，更加適用于進行縱向研究如腫瘤動物模型的生長觀察和藥物治療效果評價，是目前應(yīng)用最多的MRI序列。

圖2 雄性Wistar大鼠C6膠質(zhì)瘤模型。大鼠右側(cè)尾狀核區(qū)見類圓形長T2為主的異常信號（箭），邊界較清晰，周圍可見輕微水腫（A）；增強掃描右側(cè)尾狀核區(qū)可見橢圓形異常強化（箭），信號尚均勻，腫瘤邊界清晰（B）

2.2.2 DWI DWI可以顯示病變的微觀結(jié)構(gòu)變化，是目前唯一能在活體上進行分子擴散測量與成像的技術(shù)。人腦內(nèi)膠質(zhì)瘤的表觀擴散系數(shù)（ADC）值與細胞密度之間具有高度負相關(guān)性[19]。大鼠腦膠質(zhì)瘤DWI表現(xiàn)與病理改變一致，ADC值隨著生存期的改變發(fā)生動態(tài)變化。鼠膠質(zhì)瘤HE染色觀察，初期腫瘤細胞異型性明顯，數(shù)目較多，但腫瘤細胞間隙稍寬，故DWI通常表現(xiàn)為稍高信號（圖3），ADC值下降不明顯，隨著腫瘤生長，細胞數(shù)越密實，ADC值下降越明顯。ADC值越低，往往代表腫瘤惡性程度越高。后期腫瘤內(nèi)部出現(xiàn)出血、壞死等，水分子擴散能力增加，DWI表現(xiàn)為中心不均勻信號減低，ADC值又逐漸升高。因此，采用DWI進行定性和定量研究，有助于了解膠質(zhì)瘤模型的病理分級和腫瘤組成成分，并且為MRI研究該腫瘤模型的動態(tài)變化提供思路。

圖3 雄性Wistar大鼠C6膠質(zhì)瘤模型。腫瘤移植后第7天，DWI示大鼠右側(cè)尾狀核區(qū)呈類圓形高信號（箭，A）；ADC圖示腫瘤區(qū)ADC值略低于對側(cè)正常腦組織，1為腫瘤區(qū)域，2為對側(cè)正常組織（B）

2.2.3 DTI DTI是以擴散加權(quán)成像為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種成像方法，它借助水分子擴散的方向信息，定性、定量分析神經(jīng)纖維的細微變化，直觀地顯示腦腫瘤與白質(zhì)纖維束之間的關(guān)系。目前DTI研究分為2個方向：一是擴散張量纖維束示蹤成像（diffusion tensor tractography, DTT），二是定量研究。DTI可以在活體內(nèi)評價大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)，顯示腦白質(zhì)纖維束的三維空間結(jié)構(gòu)及其與腫瘤之間的關(guān)系。定量研究中DTI的主要參數(shù)有各向異性分數(shù)（FA）、相對各向異性、ADC、平均擴散率等，其中FA值最常用，它表示各向異性成分與整個擴散張量之比，其值為0～1，0代表完全各向同性擴散，1則代表完全各向異性擴散[20]。DTT圖和FA圖聯(lián)合使用可以顯示纖維束的變形、移位、浸潤和中斷。

在大腦膠質(zhì)瘤模型研究中，DTI主要有3個方面的作用：第一，可以幫助區(qū)分膠質(zhì)瘤與腫瘤周邊的正常組織。多項研究表明，DTI可以幫助判斷對周圍白質(zhì)的浸潤程度[21,22]，由于腫瘤病變組織內(nèi)軸突排列異常，腫瘤細胞微結(jié)構(gòu)破壞及侵襲作用可以導致神經(jīng)纖維髓鞘結(jié)構(gòu)丟失，引起FA值降低[23]。FA值可以幫助判斷膠質(zhì)瘤的惡性程度。第二，通過后處理軟件，重建大腦的白質(zhì)纖維束，顯示腫瘤與毗鄰的皮質(zhì)纖維束之間的關(guān)系，明確腫瘤對白質(zhì)纖維束的損害程度。Jain等[24]在大鼠C6膠質(zhì)瘤模型中成功重建了胼胝體、運動區(qū)和扣帶回的纖維束，清晰地顯示了膠質(zhì)瘤引起的白質(zhì)纖維束移位、中斷和破壞，見圖4。第三，DTI可以幫助鑒別膠質(zhì)瘤模型的腫瘤復(fù)發(fā)和放射性壞死[25]。

2.2.4 MRS MRS是目前唯一無創(chuàng)傷地顯示組織代謝、生化變化、化合物分析的影像學方法，對于膠質(zhì)瘤的定性診斷、腫瘤成分的定性和定量檢測、生存期預(yù)測及膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)和放療反應(yīng)的鑒別等方面都起著十分重要的作用。大鼠腦C6膠質(zhì)瘤模型在MRS上的表現(xiàn)與人腦膠質(zhì)瘤極為相似，常用來作為研究動物膠質(zhì)瘤MRS的模型。大鼠C6膠質(zhì)瘤模型MRS常表現(xiàn)為膽堿（Cho）升高，N-乙酰天門冬氨酸（NAA）、肌酸（Cr）降低，Cho/Cr、Cho/NAA明顯升高，NAA/Cr降低[26]，可以出現(xiàn)lac峰和Lip峰，lac峰的出現(xiàn)可能與腫瘤內(nèi)部缺氧產(chǎn)生乳酸有關(guān)，Lip峰的出現(xiàn)提示壞死，代表膠質(zhì)瘤的惡性程度較高。與臨床MRI波譜相比，動物MRI波譜成像需要更高的技術(shù)要求和成像條件，除設(shè)定合適的成像參數(shù)外，體素位置的選擇和飽和帶的設(shè)立也至關(guān)重要，動物專用線圈及高場強MRI可以幫助穩(wěn)定波譜基線，得到更為清晰可靠的波譜圖像。

圖4 雄性Wistar大鼠C6膠質(zhì)瘤模型，腫瘤移植后第7天。DWI示右側(cè)尾狀核區(qū)呈類圓形高信號（A）；FA圖示右側(cè)尾狀核腫瘤區(qū)FA值明顯低于對側(cè)正常腦組織（B）；DTT圖示右側(cè)尾狀核區(qū)白質(zhì)纖維束缺損、中斷，左側(cè)白質(zhì)纖維束略向左側(cè)移位（箭，C）。1為腫瘤

2.2.5 MR灌注成像 目前主要應(yīng)用于灌注成像的方法為PWI和3D-ASL。與PWI相比，3D-ASL操作簡便，但空間分辨率略低，對于動物模型的小病灶定位及定量分析不夠準確。常用的判斷指標有：局部腦血容量（rCBV），反映組織內(nèi)毛細血管和大血管床容積；局部腦血流量（rCBF），反映組織內(nèi)的血流速度；平均通過時間（MTT），反映對比劑通過某一區(qū)域的平均時間。動物模型的膠質(zhì)瘤血管生成以比正常腦組織更高的血管密度和更大的血管管腔為病理學特征，引起腫瘤內(nèi)的血容量增加。膠質(zhì)瘤動物模型早期的灌注曲線明顯較對側(cè)正常腦組織灌注曲線高，血容量明顯增加，表現(xiàn)為明顯的高灌注[27]。隨著晚期壞死和囊變的出現(xiàn)，壞死及囊變區(qū)域rCBV明顯減低。

3 總結(jié)

建立穩(wěn)定可靠的膠質(zhì)瘤動物模型是進行各種膠質(zhì)瘤相關(guān)實驗研究的基礎(chǔ)，膠質(zhì)瘤動物模型對于研究膠質(zhì)瘤的發(fā)生機制、生物學行為、治療方法及療效評價等有重要意義。根據(jù)研究目的不同，選用相應(yīng)適合的膠質(zhì)瘤動物模型更利于研究的順利進行。飛速發(fā)展的MRI檢查技術(shù)應(yīng)用于膠質(zhì)瘤動物模型，為膠質(zhì)瘤的動物實驗研究提供了更多可能，同時也為人類攻克膠質(zhì)瘤等疾病做出了巨大貢獻。

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R739.41；R445.2

2014-03-19

2014-04-28

（責任編輯 張春輝）

解放軍總醫(yī)院放射科 北京 100853

馬 林 E-mail: cjr.malin@vip.163.com

10.3969/j.issn.1005-5185.2014.05.019