基于MRI的類淋巴系統(tǒng)研究進展＊

1.汕頭大學醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院放射科 (廣東 汕頭 515000)

2.汕頭市中心醫(yī)院放射科 (廣東 汕頭 515000)

3.廣東藥科大學附屬第一醫(yī)院放射科 (廣東 廣州 510000)

徐 亮1,# 陳源鋒2 賈巖龍1 林佳特3 丘金銘1 吳仁華1,*

在顱外器官及組織中，淋巴系統(tǒng)起到清除異物、啟動免疫應答等重要作用。傳統(tǒng)解剖學觀點認為中樞神經(jīng)系統(tǒng)并不存在包含內(nèi)皮結(jié)構(gòu)的淋巴管道。因此，針對有關(guān)顱腦代謝產(chǎn)物是通過何種途徑進入循環(huán)這一問題，長期以來一直備受討論。筆者現(xiàn)從以下幾個方面闡述類淋巴系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)研究進展。

1 類淋巴系統(tǒng)

1.1 類淋巴系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)與構(gòu)成 2012年，Iliff等[1]將熒光示蹤劑注射到小鼠小腦延髓池中，借助雙光子激光掃描顯微鏡實時觀測，發(fā)現(xiàn)蛛網(wǎng)膜下腔內(nèi)的腦脊液沿動脈旁間隙進入腦實質(zhì)，同時腦實質(zhì)液體沿靜脈旁間隙流出，進一步敲除小鼠水通道蛋白4(Aquaporin 4，AQP4)基因模型發(fā)現(xiàn)上述液體的流動速率顯著減弱，示蹤劑的清除效率減少了70%。隨后，Iliff等[1]又將可溶性β淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)注入小鼠紋狀體，發(fā)現(xiàn)Aβ可從上述血管間隙途徑清除。這與外周淋巴系統(tǒng)具有相似功能，故將此命名為類淋巴系統(tǒng)，其工作模式見圖1[2]。

腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)沿大腦表面動脈及穿支小動脈走行的血管周圍間隙經(jīng)星形膠質(zhì)細胞終足上的AQP4介導流入腦實質(zhì)，隨后在腦實質(zhì)內(nèi)CSF與組織液(interstitial fluid，ISF)進行交換營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物，最后以整體流的形式運輸至靜脈的血管周圍間隙并流出大腦。以往研究證明，類淋巴系統(tǒng)可選擇性地從中樞神經(jīng)系統(tǒng)中清除某些代謝產(chǎn)物，如可溶性Aβ、tau蛋白、乳酸等，這可能與星形膠質(zhì)細胞終足間隙大小約20nm有關(guān)。同時，類淋巴系統(tǒng)還能運輸載脂蛋白E脂質(zhì)等[3]。

1.2 類淋巴系統(tǒng)的功能調(diào)節(jié) 類淋巴通路功能的生理調(diào)節(jié)受多方面的因素影響。從蛛網(wǎng)膜脈絡(luò)叢不斷產(chǎn)生的CSF的單向流動是類淋巴系統(tǒng)的重要影響因素。這種單向流動促使CSFISF完成交換并借此清除腦代謝廢物如可溶性蛋白Aβ等[3]。Iliff等[4]結(jié)扎鼠單側(cè)頸內(nèi)動脈，抑制與心臟周期相關(guān)的皮質(zhì)穿透動脈的搏動，導致淋巴CSF示蹤劑流入腦組織受損。相反，給予小鼠多巴酚丁胺時，發(fā)現(xiàn)穿透動脈搏動指數(shù)增加并且腦脊液示蹤劑進入大腦的速率明顯增加。借助超快磁共振技術(shù)，Kiviniemi等[5]發(fā)現(xiàn)心臟周期相關(guān)的脈動性負責將動脈周圍CSF從Willis環(huán)離心推向皮質(zhì)背側(cè)表面，這項研究還確定了呼吸周期相關(guān)的脈動性使得靜脈周圍CSF向心性運動，以及與極低頻率血管運動振蕩相關(guān)的流體動力學。Kyrtsos等[6]研究發(fā)現(xiàn)，動脈管壁硬化使得腦實質(zhì)內(nèi)CSF-ISF的交換顯著減少，而心率增高可減少腦實質(zhì)內(nèi)Aβ沉積。Ju等[7]發(fā)現(xiàn)阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥患者CSF中的Aβ水平較正常人下降。

綜上，類淋巴系統(tǒng)的功能受到多種生理因素調(diào)節(jié)，這些生理因素的功能減退均會影響類淋巴系統(tǒng)CSF-ISF完成液體交換及代謝廢物清除，從而參與了各種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生。

2 類淋巴系統(tǒng)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)系

往期研究表明，類淋巴系統(tǒng)與以下疾病包括但不限于阿爾茲海默病(alzheimer's Disease，AD)、帕金森、小血管疾病、糖尿病、創(chuàng)傷性腦損傷和中風有關(guān)[2]。AD是由tau和Aβ蛋白沉積、積累引起，Aβ異常折疊及tau蛋白的異常磷酸化使它們以斑塊的形式聚集在大腦神經(jīng)元的神經(jīng)根和突觸周圍，導致神經(jīng)傳導減慢和神經(jīng)毒性最終引發(fā)學習、記憶功能不可逆性減退[8]。類淋巴系統(tǒng)的損傷可能是這些廢物沉積在神經(jīng)元的主要原因之一。Peng等[9]發(fā)現(xiàn)老年AD小鼠的CSF流入大腦的容量明顯減少，ISF的清除效率降低及明顯的Aβ沉積，揭示了類淋巴系統(tǒng)功能受到抑制。創(chuàng)傷性腦損傷會誘導軸突損傷，導致tau蛋白異常釋放到腦ISF、CSF中，從而顯著影響類淋巴系統(tǒng)功能的運作[10]。急性缺血性中風和蛛網(wǎng)膜下腔出血亦會嚴重損害類淋巴系統(tǒng)功能[11]，Gaberel等[12]用對比增強MRI在鼠缺血性中風模型和蛛網(wǎng)膜下腔出血模型中證實了以上結(jié)論。Raz等[13]用碘對比劑CT掃描發(fā)現(xiàn)血栓摘除術(shù)中出現(xiàn)了碘對比劑外滲，并且有較多殘留于腦實質(zhì)中，這表明急性缺血性腦卒中極大影響了類淋巴系統(tǒng)的功能。受篇幅限制，類淋巴系統(tǒng)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)性本文將不一一詳述。

上述表明，類淋巴系統(tǒng)與諸多中樞系統(tǒng)疾病相關(guān)，但其功能的障礙究竟是諸多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的原因還是結(jié)果亦或兩者互為因果，仍是亟待解決的問題。

3 MRI在腦類淋巴系統(tǒng)的研究進展

以往研究類淋巴系統(tǒng)的經(jīng)典技術(shù)是光學成像技術(shù)，尤其是雙光子顯微技術(shù)(two-photon microscopy)，這一技術(shù)的優(yōu)點是具有相對出色的空間分辨率，但是受限于其低穿透深度，使得雙光子顯微技術(shù)僅適用于對大腦皮層小區(qū)域成像。由于該局限性，研究人員越來越多地應用MRI研究類淋巴系統(tǒng)。隨著磁共振成像技術(shù)的迅猛發(fā)展，MRI空間分辨率相應提高，除了使用造影劑外，MRI圖像的對比度可以很容易被諸多成像序列和不同參數(shù)改變。此外，不同的磁共振成像方法可以捕捉淋巴系統(tǒng)的不同信息從而提供了多個圖像多種信息。最為重要的是，MRI非侵入性的特點對人體和動物的影響是目前現(xiàn)代醫(yī)學檢查技術(shù)手段中最小的，因此最為適合用于人體研究。最近Taoka等[14]總結(jié)了目前用于類淋巴系統(tǒng)的MRI技術(shù)，如圖2所示。

2013年，Iliff 等[15]給大鼠鞘內(nèi)注射順磁性造影劑后，用動態(tài)對比增強磁共振成像(dynamic contrast- enhanced MRI，DCE-MRI)觀察大鼠腦內(nèi)CSF-ISF的交換，使得動脈旁腦脊液流入得以可視化并發(fā)現(xiàn)分子大小依賴的CSF-ISF交換。同時，得益于MRI的實時全腦成像技術(shù)，垂體和松果體凹部的兩個關(guān)鍵內(nèi)流節(jié)點也得以被發(fā)現(xiàn)。此外，可利用DCE-MRI定義一些簡單的流體動力學參數(shù)表征CSF-ISF的交換。Absinta等[16]在2017年利用釓布醇(gadobutrol)和釓磷維塞(gadofosveset)兩種釓基造影劑的不同化學性質(zhì)，采用高分辨率3D頭顱T1-MPRAGE序列(magnetization prepared rapid acquisition of gradient echoes)、有限T2-FLAIR(limited T2-weighted fluid attenuation inversion recovery)、T1黑血技術(shù)及T1-SPACE序列和病理學證實了人和靈長類動物硬腦膜內(nèi)淋巴管的存在。這為對腦膜淋巴管非侵入性的研究提供了可能性。

圖1 類淋巴系統(tǒng)工作模式[2]。periarterial space：動脈周圍間隙；perivenous space：靜脈周圍間隙；AQP4：水通道蛋白4；astrocyte：星形膠質(zhì)細胞；astrocyte foot：星形膠質(zhì)細胞終足；periarterial influx：動脈流入；perivenous efflux：靜脈流出。

圖2 評估淋巴系統(tǒng)/神經(jīng)流體動力學的MRI方法[13]。ASL：動脈自旋標記；DCE：動態(tài)對比增強；DSC：動態(tài)磁化率對比；GBCA：基于釓的造影劑；IVIM：體素內(nèi)非相干運動；SLIP：空間標記反轉(zhuǎn)脈沖；4D：四維。

Gaberel等[12]給小鼠枕大池注射DOTA-Gd后，用DCE-MRI發(fā)現(xiàn)在蛛網(wǎng)膜下腔出血及缺血性腦卒中模型中，病變部位的動脈流入途徑被阻斷，說明小鼠類淋巴系統(tǒng)的功能受到嚴重影響。2020年Mestre等[17]利用3D快速成像、DCE-MRI、DWI、腦脊液池成像等多種MRI成像技術(shù)輔以雙光子成像技術(shù)證實了中風后早期腦水腫是由于缺血性擴散性去極化及缺血血管收縮引起，這些導致了血管周圍間隙明顯增大，相比健側(cè)，血管周圍腦脊液流入速度增加了一倍，揭示了類淋巴系統(tǒng)血管周圍間隙內(nèi)的CSF快速流入是中風后早期腦水腫主要來源，這一重大發(fā)現(xiàn)完善并修正了以往腦水腫發(fā)展的概念，為后續(xù)臨床治療提供了新思路。

大腦中血管周圍間隙(virchow-robin space，VRS)是類淋巴系統(tǒng)的重要組成，且在常規(guī)MRI圖像可以清晰顯示。Liu等[18]最近用3.0T常規(guī)序列對32名特發(fā)性癲癇進行掃描分析，發(fā)現(xiàn)特發(fā)性癲癇組的VRS數(shù)量和體積明顯高于正常對照組，并且發(fā)作持續(xù)時間和可見VRS計數(shù)以及體積呈顯著正相關(guān)。Niazi等[19]對14名輕度認知障礙患者(mild cognitive impairment)進行3T-T2WI檢查，再運用由Matlab設(shè)計的定制定量程序自動識別腦MR圖像中擴大的血管周圍間隙，發(fā)現(xiàn)相對于正常對照組，MCI患者的VRS顯著增大，密度增大。因此，血管周圍間隙在類淋巴系統(tǒng)中起到重要作用，與腦內(nèi)各類疾病均有關(guān)聯(lián)，提示這可能是一項行之有效的分子影像標志物切入點。

雖然MRI在研究類淋巴系統(tǒng)特別是無創(chuàng)性評估全腦功能方面顯示出巨大的潛力，但如何運用正確的數(shù)學模擬類淋巴系統(tǒng)仍是一項巨大的挑戰(zhàn)。目前常見的數(shù)學建模有多室動力學框架模型[20]、最優(yōu)質(zhì)量傳輸框架模型[21]以及利用DTI外流信息建模的模型[22]。這些模型均有其局限性還需要更多的工作繼續(xù)彌補完善。

4 創(chuàng)新型MRI技術(shù)的應用

化學交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer，CEST)磁共振成像提供了一種依靠氫質(zhì)子交換間接測量低濃度物質(zhì)和微環(huán)境性質(zhì)的對比機制[23]?？山粨Q氫質(zhì)子的化合物經(jīng)飽和脈沖作用下達到飽和狀態(tài)，飽和的可交換氫質(zhì)子經(jīng)化學交換轉(zhuǎn)移到自由水池，導致自由水信號降低，通過檢測自由水信號的變化，間接獲取具有可交換質(zhì)子的溶質(zhì)信息(即信號變化)。CEST的特點是使用了內(nèi)源性標記物，無需注射外源性造影劑即可產(chǎn)生對比效果。不同于MRS，CEST技術(shù)可檢測的化合物濃度遠低于MRS，僅需要微摩爾級別的物質(zhì)濃度便能夠有效成像。這項新興的潛在核磁共振技術(shù)可以用于人體的諸多成像，以檢測機體體溫、pH、酶活性和代謝物含量(葡萄糖、谷氨酸、肌酸、肌醇)[24]。Donahue等[25]借助酰胺質(zhì)子(amide proton transfer，APT)化學交換飽和轉(zhuǎn)移及MRI技術(shù)觀察乳腺癌患者的淋巴水腫情況，并對間質(zhì)蛋白進行定量，發(fā)現(xiàn)MRI技術(shù)和CEST技術(shù)均可有效評估乳腺癌患者的淋巴功能障礙，且CEST技術(shù)更加顯著。Chen等[26]取活體豬淋巴液發(fā)現(xiàn)其在1.0ppm處相對自由水約有32% CEST效應，后對SD大鼠采取頸深淋巴結(jié)結(jié)扎處理，發(fā)現(xiàn)術(shù)后隨著時間的延長，腦實質(zhì)中淋巴液CEST(Lymph-CEST)效應逐漸增強，并與其行為學改變具有一致性。Lym-CEST技術(shù)可以可視化淋巴中存在的各種免疫系統(tǒng)內(nèi)容物，如脂質(zhì)、淀粉樣β蛋白等，這些均是目前可用的臨床磁共振序列無法測及的，這使得它對于探索類淋巴系統(tǒng)在疾病發(fā)病機制中的作用具有巨大的臨床潛力。

5 結(jié)論與展望

類淋巴系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)是神經(jīng)科學領(lǐng)域的一次重大發(fā)現(xiàn)。發(fā)展至今，MRI相關(guān)技術(shù)具有傳統(tǒng)光學顯微成像所不具備的優(yōu)點，成為新一代類淋巴系統(tǒng)應用研究的主力軍。筆者著重羅列了核磁共振成像相關(guān)技術(shù)在類淋巴系統(tǒng)中相關(guān)研究的貢獻，這些研究均顯示出類淋巴系統(tǒng)在眾多腦部疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，但類淋巴系統(tǒng)功能障礙是諸多神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病的原因還是結(jié)果亦或兩者互為因果，仍是后續(xù)醫(yī)學工作和研究者們待解決的主要問題。與此同時，類淋巴系統(tǒng)的數(shù)學建模尚需相當程度的工作。相信假以時日，隨著未來一層層相關(guān)奧秘的揭開，這些長期困擾人類的疑難疾病將逐步迎刃而解。

致謝

徐 亮：本文初稿的主要書寫者及進度統(tǒng)籌人；陳源鋒：本文的指導者，承擔部分資料的收集，文章初次校稿人；賈巖龍：部分資料的收集，文章初次校稿人；林佳特：部分資料的收集，文章前言及背景書寫者；丘金銘：部分資料的收集，文章初稿最后校對；吳仁華：文章的指導者，文章終稿的審閱人；基金支持者。

本綜述的順利完成，離不開導師吳仁華教授和課題組各位師兄師姐的細細指導，因此在此忠心感謝吳仁華教授及陳源鋒等師兄師姐的耐心指導與幫忙！特別感謝在最終校稿時，吳仁華教授及陳源鋒、丘金銘三維對本論文的認真核對和錯誤指出。同時，特別感謝中國CT和MRI編輯部人員的認真負責、高效率的校稿及對問題的耐心解答！最后，感謝國家自然基金(82020108016)及國家自然基金(31870981)提供的支持！