《科学·进展》:我们第一次拥有了可视化脑神经炎症的影像技术！

来源：奇点蛋糕2022-09-29 16:07

基于上述设想，如何连续监测脑内神经胶质细胞的炎症反应，为诊断神经退行性疾病提供生物标志物成为热点。

随着全球老龄化进程的加快，阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化等神经退行性疾病已成为老龄化社会亟待解决的重大健康问题[1-3]。

越来越多的研究结果表明，由小胶质细胞和星形胶质细胞持续激活引起的慢性神经炎症强烈影响神经退行性疾病并促进疾病进展。因此，科学家认为，目前需要解决的主要问题是开发针对胶质细胞的疗法，以抑制炎症反应，延缓或逆转疾病的进展[4-6]。

基于上述设想，如何连续监测脑内神经胶质细胞的炎症反应，并提供神经退行性疾病的生物标志物，成为研究的热点。

近日，由西班牙UMH-CSIC神经科学研究所的西尔维亚德森蒂斯峰和圣地亚哥卡纳斯领导的研究小组在著名期刊《科学 进展》上发表了一项突破性的研究成果。

他们成功利用磁共振成像技术记录了体内小胶质细胞和星形胶质细胞的激活反应[7]。这项研究成果为我们提供了第一个可视化脑神经炎症的成像技术。

报纸首页截图

鉴于神经系统疾病活检取材困难，迄今为止，神经系统疾病的诊断主要依靠CT、MRI、PET等影像学技术。

目前，诊断神经炎症的金标准是基于18-kDa正电子发射扫描(PET)。但由于不同个体的组合基因型不同，PET检查时的辐射暴露，空间分辨率低，小结构成像能力差，其使用和推广受到很大限制[8]。

扩散加权磁共振成像(dw-MRI)基于其捕捉脑实质内水分子随机运动的成像原理，具有独特的无创、高空间分辨率的活体脑微结构成像能力。

根据这一特点，一些研究人员围绕MRI序列开展了一系列研究，但目前的设计主要集中在白质和轴突上，无法区分这些结构来自哪类细胞。由于不同类型的神经退行性疾病具有不同的机制，涉及特定的细胞群，并且不同类型的细胞群在疾病的病因和进展中发挥特定的作用，因此在成像中认识到细胞类型的特异性是至关重要的。

然而，到目前为止，还没有一种技术能够实现体内小胶质细胞和/或星形胶质细胞的特异性成像。

以前的研究将先进的dw-MRI序列与基于脑实质细胞形态学知识的数学模型相结合，来测量特定组织空间甚至细胞类型的扩散特征[9]。

基于上述思路，森蒂斯峰团队利用小胶质细胞和星形胶质细胞的形态学知识，开发了一套新的MRI序列，并通过构建微结构多室组织模型，实现了记录灰质中小胶质细胞和星形胶质细胞激活反应的能力。

让我们来看看科学家们是如何巧妙地实现这个想法的。

首先，研究人员根据小胶质细胞和星形胶质细胞的组织形态学，建立了基于相应球体大小和棒状分支的灰质扩散模型。

简单来说，激活状态下的小胶质细胞是阿米巴样的，其模型是小球和杆状分支。小球模拟dw-MRI时小胶质细胞胞体内水的弥散程度，放射状分支的杆状结构模拟小胶质细胞发射分支的弥散参数。大球体模仿激活的星形胶质细胞。

胶质灰质扩散模型(一)和星形胶质细胞灰质扩散模型(二)

最后，收集并分析参数，例如指示神经胶质细胞大小的球体半径、指示神经胶质细胞发出的分支数量的棒分数、指示在炎症开始或消退期间发出的分支数量的棒离散度、以及指示在炎症开始或消退期间神经胶质细胞数量的组织分数，以区分灰质中的小胶质细胞和/或星形胶质细胞是否被激活。

模型参数确定后，科学家们利用组织化学染色和dw-MRI对模型进行了对比验证。

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实验设计

首先，科学家们运用Iba-1+免疫组织化学染色和dw-MRI，比较分析小胶质细胞的激活反应过程。

在注射炎症诱导剂脂多糖（LPS）后的不同时间点，组织Iba-1+细胞的组织形态学分析显示，在8小时内，小胶质细胞快速反应，组织密度（process density）、细胞体积（cell size）和组织弥散程度（process dispersion）发生显著变化，并持续至24h。

当同时使用LPS和小胶质细胞耗竭剂（PLX5622），或者在LPS单独诱导的炎症反应2周自行消失后，则未检测到上述的胶质细胞形态学变化。

Iba-1+免疫组织化学染色

如下图，弥散加权磁共振成像的棒子体积分数（stick fraction），小球半径（small sphere radius）和棒子弥散程度（stick dispersion），发生了同Iba-1+细胞一致的时间依赖性变化，这种一致性说明可以使用dw-MRI捕捉体内小胶质细胞的激活反应。

dw-MRI

此外，当观察个体间的差异时，他们发现在所有测量时间点（8h和24h），MRI记录的参数与其对应的样本组织学变化之间，都存在很强的相关性，8h的相关系数r2=0.997（p=0.0026），24h的相关系数r2=0.9381（p=0.0314）。

Iba-1+免疫组织化学染色和dw-MRI相关性分析

以上结果证明了dw-MRI能够记录体内小胶质细胞激活反应，及其恢复后的特异性信号。

接下来研究人员运用GFAP免疫组织化学染色和dw-MRI，比较分析星型胶质细胞的激活反应过程。

与小胶质细胞不同的是，在LPS注射8h后，免疫组织化学染色显示星形胶质细胞的密度和形态没有发生明显变化，但24h后其体积明显增大，2周炎症反应自行消失后该现象也随之消失。而且，在注射小胶质细胞耗竭剂（PLX5622）后，星形胶质细胞体积明显增大的现象仍然存在（图C）。

dw-MRI的大球体积参数发生了同GFAP一致的时间依赖性变化（图D）。当观察个体间的差异时，他们同样发现在所有测量时间点，MRI记录的参数与其对应的样本组织学变化之间存在很强的相关性，相关系数r2=0.926（p=0.0375）。

GFAP免疫组织化学染色和dw-MRI相关性分析

一般来说，神经系统炎性疾病的病因大致可分为两类：一类是由神经元细胞自发凋亡和/或坏死诱发，进而促进神经系统的固有免疫加速疾病的进展；另一类是除神经元细胞变性以外的物质，引起脑组织的单纯炎症反应。不难看出，将伴随神经变性的炎症反应和单纯炎症反应区分开，对于发病原因的鉴别诊断具有重要意义。

随后研究人员尝试能否用他们开发的模型将二者区分开。他们将一组动物的左侧大脑半球注射神经毒素鹅膏蕈氨酸（IBO），右侧大脑半球注射生理盐水，该组动物的左侧大脑出现了神经变性，右侧大脑则作为生理状态下的自身对照。2周后进行MRI成像和NeuN免疫组织化学染色比较分析。

实验设计

实验结果表明，与LPS引起的单纯炎症反应（小胶质细胞激活）在2周后消失不同，因IBO介导的神经元变性所引起的小胶质细胞激活状态持续存在（图A），并且所引起的MRI参数也有明显不同之处。

例如，IBO处理组的dw-MRI棒子体积分数（stick fraction）和组织体积分数（tissue fraction）参数显著降低；但小球半径（small sphere radius）、小球体积分数（small sphere fraction）和棒子弥散程度（stick dispersion）明显升高（图C）。

以上结果表明，可以用dw-MRI结果中的小球体参数和组织密度参数，将单纯炎症反应和伴随神经变性的炎症反应区分开。

为了进一步验证模型的可靠性，研究人员又尝试使用神经保护剂米诺环素（minocycline）后，是否能观察到相应的组织学变化和理想的MRI参数变化。结果也非常理想，Neun染色证明了米诺环素对IBO诱导的神经元变性的保护作用，并且MRI参数组织密度也捕捉到了这种效应（图D）。

上述结果说明，dw-MRI能够区分单纯炎症反应和伴随神经变性的炎症反应。

Neun免疫组织化学染色和dw-MRI相关性分析

为了进一步探究该模型向临床应用转换的可重复性和有效性，研究人员在人体中进行了验证。

结果表明，该模型在同一受试者身上的变异系数（CoV）值在1.5-8%之间，在不同受试者之间的CoV值在2.6-15%之间，这些值均在临床常规使用的MRI测量值范围内，说明这个模型具有诊断价值。

此外，多元线性回归模型显示，组织学结果和MRI参数之间存在显著相关性（p=0.03）。

多元线性回归模型

总的来说，这个研究表明，dw-MRI在揭示伴随炎症反应的神经退行性疾病的诊断和鉴别诊断方面拥有巨大的潜力，为研究人员和患者提供了全新的、非侵入性的以神经胶质细胞为中心的MRI生物标志物，为与胶质细胞激活相关疾病的研究提供了极大地便利。

考虑到炎症是许多神经系统疾病的潜在病因，Santis团队开发的这一技术检测的胶质细胞的激活反应，有望成为一个强大的早期诊断和/或预后标志物。

参考文献：

[1].Ransohoff RM. How neuroinflammation contributes to neurodegeneration. Science. 2016;353(6301):777-783. doi:10.1126/science.aag2590

[2].Lassmann H, van Horssen J, Mahad D. Progressive multiple sclerosis: pathology and pathogenesis. Nat Rev Neurol. 2012;8(11):647-656. doi:10.1038/nrneurol.2012.168

[3].Glass CK, Saijo K, Winner B, Marchetto MC, Gage FH. Mechanisms underlying inflammation in neurodegeneration. Cell. 2010;140(6):918-934. doi:10.1016/j.cell.2010.02.016

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[5].Wilbanks B, Maher LJ 3rd, Rodriguez M. Glial cells as therapeutic targets in progressive multiple sclerosis. Expert Rev Neurother. 2019;19(6):481-494. doi:10.1080/14737175.2019.1614443

[6].Zella MAS, Metzdorf J, Ostendorf F, et al. Novel Immunotherapeutic Approaches to Target Alpha-Synuclein and Related Neuroinflammation in Parkinson s Disease. Cells. 2019;8(2):105. Published 2019 Jan 31. doi:10.3390/cells8020105

[7].Garcia-Hernandez R, Cerd n Cerd A, Trouve Carpena A, et al. Mapping microglia and astrocyte activation in vivo using diffusion MRI. Sci Adv. 2022;8(21):eabq2923. doi:10.1126/sciadv.abq2923

[8].Owen DR, Gunn RN, Rabiner EA, et al. Mixed-affinity binding in humans with 18-kDa translocator protein ligands. J Nucl Med. 2011;52(1):24-32. doi:10.2967/jnumed.110.079459

[9].Barazany D, Basser PJ, Assaf Y. In vivo measurement of axon diameter distribution in the corpus callosum of rat brain. Brain. 2009;132(Pt 5):1210-1220. doi:10.1093/brain/awp042

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