大鼠急性脑缺血再灌注的MRI研究

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大鼠急性脑缺血再灌注的MRI研究

徐凯黄海东沈天真陈星荣

目的:研究弥散加权成像(DWI)及血流灌注成像(PWI)在大鼠大脑中动脉阻塞及再灌注过程中的动态变化以及病理学基础。材料和方法:35只SD大白鼠随机分4组,A组(5只)假手术对照组,B、C、D组(各10只)行线栓法右大脑中动脉缺血(MCAO)模型制作后,再灌注前、再灌注后不同时间点行DWI、PWI、T1WI、T2WI扫描,将检查结果与TTC染色及病理检查比较。结果:B组再灌注后DWI异常信号相对面积无明显变化(P>0.05),再灌注前后ADC值无明显改变(P>0.05)。C组再灌注7d时6只大鼠DWI见高信号,但ADC图未见异常。

D组再灌注后24hDWI异常信号面积较前增大(P<0.05),再灌注前后ADC值无明显改变(P>0.05)。D组感

兴趣区ADC值明显低于B组(P<0.05)。再灌注后B、C组CBF、CBV图基本恢复正常,MTT图显示局部血流时间延长,D组较B、C组血流恢复更不均匀、不完全,局部存在灌注缺损。结论:DWI能反映急性脑缺血再灌注后脑损伤的变化,PWI能反映再灌注后脑组织血流灌注情况。关键词磁共振成像脑缺血再灌注大鼠MRIofAcuteCerebralIschemiaReperfusioninRats

XuKai,HuangHaidong,ShenTianzhen,etal

DepartmentofRadiology,HuashanHospital,FudanUniversity,Shanghai200040

Purpose:Combinedwithpathologicalobservation,tostudythechangeofDWI,PWIintheocclusionandreperfusionoftherightmiddlecerebralarteryofrats.MaterialsandMethods:35SDratsweredividedintofourgroups,groupA(n=5)wassham-operatedforcontrolstudy,groupB,C,D(n=10foreach)experiencetheocclusionandreperfusionoftherightmiddlecerebralarterywiththread.DWI,PWI,T1WIandT2WIwereperformedatdifferenttimepointsbeforeandafterreperfusion.Theresultsofse2rialMRIwerecomparedwithTTCstainandpathologicalobservation.Results:Afterreperfusion,therewasnosignificantchangeintheabnormalsignalareaofDWIandthevalueofADCinGroupB(P>0.05).SevendaysafterbloodreperfusioninGroupC,DWIshowedabnormalsignalinsixratsbutADCmapshowednoabnormalinall10cases.InGroupD,twenty-fourhoursafterreperfusionabnormalsignalareaofDWIwaslargerthanbefore(P>0.05).ThevalueofADCintheregionofviewwasobviouslowerinGroupDthaninGroupB(P<0.05).InGroupBandC,afterreperfusion,CBF,CBVmapshowedre2coveryofperfusion,andMTTmapshowedlocaltimedelayofbloodflowinsomecases.TherecoveryofperfusioninGroupDshowedmoreinadequacyandmoreuneven,andperfusiondeficitstillcanbeseeninlocalplace.Conclusion:DWIcanreflectthechangesoftheischemiclesionafterreperfusion.PWIcanmonitorthechangesofblooddynamics.Keywords

Magneticresonanceimaging

Cerebralischemia

Reperfusion

Rats

溶栓是治疗超急性期脑梗死的有效方法,然而严重缺血组织血供恢复后由于自由基的产生,细胞内钙超载,二次兴奋性氨基酸增高,血管内皮细胞黏附分子表达增加,血脑屏障破坏等原因造成更严重的缺血-再灌注损伤[1～4],评价缺血组织损伤程度、血流灌注情况引起人们关注,本研究采用功能性MRI技术对大鼠急性脑缺血及再灌注的脑组织损伤和血流灌注状况

进行研究,进一步明确脑缺血病理损伤机制与功能性MRI表现的关系。

中国医学计算机成像杂志

Chin

Comput

Med2004;10:371～375Imag2004;10:371～375

作者单位:200040复旦大学附属华山医院放射科(徐凯,沈天真,

陈星荣);徐州市第一人民医院放射科(黄海东)

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中国医学计算机成像杂志2004年第10卷第6期

材料和方法

一、实验动物与分组

健康雄性SpragueDraley大白鼠35只,随机4组,体重280～350g。A组(5只)假手术对照组,B组

(10只)缺血2h再灌注2h、24h,C组(10只)缺血2h

积比。每组中其余4只动物行光、电镜观察,于最后一

次MRI检查后将大鼠开胸,经主动脉插管注入生理盐水100ml冲洗后,注入4%多聚甲醛溶液250ml心脏灌注固定脑组织,取脑后,2只鼠脑按照MRI扫描的层面切片,行石蜡包埋固定行HE染色行光镜观察,另2只鼠脑采用戊二醛固定,取右侧尾壳核行电镜观察。

三、统计学处理采用SPSS11.5统计软件,运用方差分析,t检验进行数据处理,P<0.05为有统计学意义。

结

果

再灌注2h、24h、7d,D组(10只)缺血6h再灌注2h、

24h。由徐州医学院动物实验中心提供。

二、实验方法

采用Longa等[5]线栓改良法建立SD大白鼠单侧大脑中动脉缺血模型。实验前24h禁食,2h禁水。大鼠用10%水合氯醛(0.3ml/100g)腹腔麻醉,仰卧固定于手术台上,颈部正中切开皮肤及筋膜,分离肌肉、神经、血管,结扎右颈总动脉、颈外动脉,在右颈总动脉近动脉分叉处向颈内动脉插入栓线,栓线进深距右颈总动脉分叉处约18～20mm,在颈内动脉根部结扎,缝合皮肤,栓线的末端留在皮肤外,再灌注时从颈内动脉抽出栓线即可。假手术组栓线进深仅为5mm。

各组动物于不同时间点行磁共振检查,采用PhilipsGyroscanIntera1.5T超导磁共振仪。大鼠麻醉后,取仰卧位头部固定于自制有机玻璃板上,鼠头置C3环形表面线圈中央,检查内容包括常规T1WI、

T2WI以及DWI、PWI。

MRI检查参数为,T1WI采用SE序列,TR500ms,TE20ms。T2WI采用TSE序列,TR1624ms,TE100ms,FOV120mm,RFOV75%。DWI

一、急性脑缺血再灌注前后鼠脑DWI及ADC值改变假手术组大鼠两侧大脑半球ADC值一致,DWI未见异常信号。B、C组再灌注前可见部分右侧尾壳核及额顶叶皮质区DWI呈高信号,ADC图呈低信号,边缘欠清楚,ADC值降低(图1,2)。再灌注后2h、24hDWI异常信号相对面积无明显变化(P>0.05),再灌注前后ADC值无明显改变(P>0.05)。C组7d时6只大鼠DWI见高信号,4只大鼠DWI表现正常,但ADC图均表现为正常。D组再灌注前可见DWI异常信号区相对面积较B组大(P<0.05),再灌注后24hDWI异常信号面积较前增大(P<0.05),再灌注前后ADC值无明显改变(P>0.05)。比较两侧感兴趣区相对ADC值,其中D组低于B组(P<0.05)(表1,2)。

二、急性脑缺血再灌注前后鼠脑PWI改变

表1再灌注前后感兴趣区相对ADC值改变

组别

B组D组

*

扫描采用EPI序列,TR1000ms,TE74ms,FOV

120mm,RFOV55%,NSA12,弥散系数b值分别为0、1000s/mm。PWI采用EPI序列,TR248ms,TE30ms,

2

再灌注前

60.2±4.352.8±4.8

*

再灌注后2h

61.2±2.453.6±5.6

再灌注后24h

61.6±5.854.7±7.0

*

每层扫描40次,FOV120mm,RFOV70%,NSA2,反

转角40°,扫描时间47s。以上所有序列均为冠状位成像,层厚2mm,层距0.2mm。完成扫描后,在工作站后处理合成ADC图、脑血流灌注参数(rCBV、rCBF、

MTT)图,测量感兴趣区的ADC值,选择缺血明显的2个层面测量DWI异常信号区及灌注缺损区占同层

两组相比P<0.05。

表2再灌注前后DWI异常信号区相对面积比的变化(%)

组别

B组D组

*

再灌注前

34.3±4.239.2±2.5

*

再灌注后2h

35.1±4.741.1±3.0

再灌注后24h

34.8±5.342.4±3.9

#

全脑面积的百分比。

缺血组每组6只动物行脑组织标本TTC染色,于最后一次MRI检查后处死动物,迅速取脑按照MRI扫描的层面切成2mm厚的脑片,置于2%的TTC溶液中,37℃避光温浴30min,然后移至10%甲醛溶液内固定24h,拍照观察梗死灶情况、图像处理与分析系统测量相应层面TTC失染区占同层全脑面积相对面

两组比较P<0.05,#组内前后比较P<0.05。

假手术组鼠脑PWI始终表现正常,缺血时B、C、

D组右大脑中动脉供血区均出现灌注缺损,其缺损相

对面积无明显差异(P>0.05),MTT图显示缺血核心较周围灌注缺损更明显。B组PWI灌注缺损区相对面积大于DWI异常信号区(P<0.05),D组PWI灌注缺损区与DWI异常信号相对面积比较统计学上无显

中国医学计算机成像杂志2004年第10卷第6期

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著性差异(表3),再灌注后B、C组CBF、CBV图示血

表3再灌注前DWI、PWI异常信号区相对面积比(%)

组别

B组D组

*

再灌注前DWI

34.3±4.239.2±2.5

再灌注前PWI

38.1±2.738.6±3.4

*

供基本恢复正常,MTT图示局部血流时间延长,D组

CBF、CBV、MTT图示血供恢复较B、C组更不均匀、不完全,局部存在灌注缺损(图3,4)。

三、急性脑缺血再灌注前后鼠脑T1WI、T2WI像改变

B组DWI与PWI相比P<0.05。

假手术组鼠脑常规T1WI、T2WI像未见异常表现。B、C组T1WI像未见异常表现,D组3只大鼠再灌注24hT1WI像出现高信号,相应大体标本断面可见出血灶。B、C组再灌注前T2WI像未示明显异常,再灌注后2h右尾壳核及额顶叶皮质区出现稍高信号,边缘

模糊,再灌注后24h高信号区范围扩大,出现明显高信号,边缘清楚,C组再灌注7d时高信号区范围缩小。D组再灌注前T2WI出现右尾壳核及额顶叶皮质

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中国医学计算机成像杂志2004年第10卷第6期

区稍高信号,边缘模糊,再灌注后2h高信号区范围扩大,信号增高,再灌注后24h出现明显高信号,较2h高信号区范围增大,边缘清楚。

四、鼠脑大体标本TTC染色

假手术组可见到两侧大脑半球呈均匀一致红染,B、D组见右侧尾壳核及额顶叶皮质区失染呈白色,其失染区与DWI异常信号区一致,无统计学差异(P>0.05)。C组见TTC失染区较B组明显减小,且颜色不均匀。D组失染区范围大于B组,两者相对面积有显著统计学差异(表4)。

五、鼠脑光镜、电镜观察

表4再灌注后24hDWI、TTC相对面积(%)

组别

B组D组

*

后高信号区可部分恢复正常,缺血2h再灌注后高信

号区面积无改变或稍变大,与文献报道一致。本实验发现B组脑缺血再灌注后高信号区面积无明显变化,而D组再灌注后高信号区面积增大。有实验表明大鼠右大脑中动脉阻塞10min后右侧尾壳核即出现DWI高信号[7],血流再通后高信号迅速消失,至72hT2WI、DWI均为正常,一般认为早期再灌注使部分可逆损伤组织修复,而坏死细胞由于数量太少以致DWI、T2WI不能显示异常信号。大脑中动脉阻塞30min再灌注后虽然DWI数小时内完全恢复正常,但12h后DWI检查再次出现高信号且于24h最明显,T2WI亦出现高信号,这种现象近年来不仅在动物实验研究中可见较多的报道,而且在人类亦见报道[7～10]。可能为线粒体内对缺血敏感的动力蛋白受到损伤导致线粒体运送系统功能不全,能量产生障碍。其他的可能机制有自由基的产生、乳酸堆积、钙离子内环境的紊乱、谷氨酸盐的释放、凋亡基因的激活等,提示某些脑缺血病人的DWI异常信号的消失或许是短暂的,需要一系列随后的MRI检查来检测病情的变化。

有人把人脑梗死后异常的ADC变化分为两个阶段:第一阶段为ADC值下降期,一般为96h以内;第二阶段ADC值开始上升并出现多变性,ADC值可以从最初的下降升至正常范围,甚至会增高。认为第一阶段的病理基础为细胞毒性水肿,第二阶段ADC值的改变可能反映了病理结果的混合表现,包括急性损伤的进展、血管源性水肿、细胞膜的破裂、部分受损细胞的坏死、崩解、消散。这些会导致细胞外容积的增加,水的扩散能力增加,从而导致ADC值假正常化或增加

。还有研究发现,对发病7～10d的患者,

DWI与ADC图提供的信息不一致,ADC值在脑梗死7～10d后通常恢复正常,而DWI到14d时仍表现为异常高信号,在最初的2～3d里DWI的信号强度主要受ADC值的影响,随着ADC的影响下降,T2对信号强度的影响逐渐增加,在本实验中C组于再灌注7d时,6只大鼠右大脑中动脉供血区可见高信号,但ADC图均表现为正常,T2WI可见明显高信号,范围较前缩小,病理可见软化灶形成,神经纤维崩解,各种炎性细胞浸润,胶质细胞增生,ADC图显示为正常可能与此有关。

[6]

PWI能灵敏反映组织血流灌注情况,本研究中B、C、D组右大脑中动脉供血区均出现灌注缺损,缺血核心灌注缺损较周围更明显。再灌注后B、C组CBF、

[11,12]

DWI34.8±5.342.4±3.9

TTC35.3±4.843.7±3.6

*

两组比较P<0.01

A组光镜、电镜观察未见异常表现;B组光镜见梗死区间质水肿,神经元出现坏死,密度减小,细胞周围间隙增宽,缺血核心与正常组织之间存在较大移行带;电镜显示神经元胞质内水肿,线粒体轻度肿胀,髓鞘变性、肿胀。C组光镜见大片正常组织结构消失,神经纤维崩解,软化灶形成,大量的炎性细胞浸润,胶质细胞增生;电镜见神经元溶解消失,胶质细胞微丝增生,正常形态的线粒体增多。D组光镜见严重的间质水肿,神经元密度明显减小,神经纤维肿胀明显,细胞坏死较B组严重;电镜见神经元崩解,髓鞘肿胀明显,线粒体明显肿胀并出现嵴断裂。

讨

论

一般认为DWI异常信号区的病理基础是由于缺血缺氧导致脑组织内钠、钾泵衰竭,细胞外间隙变小,细胞毒性水肿限制了水分子的扩散,DWI显示为高信号区[2,3]。本实验发现再灌注24h光、电镜可以见到明显的间质水肿,T2WI亦可见明显高信号,提示脑组织含水量增加,再灌注后ADC值的下降既与细胞毒性水肿有关,也与血管源性水肿有关。D组感兴趣区ADC值明显低于B组,再灌注24h光镜下见D组脑组织水肿、坏死更明显,反映了ADC值与缺血再灌注后脑损伤的严重程度有关,ADC值越低,预示脑损伤程度越重。

脑缺血再灌注后DWI高信号区随缺血时间的不同而呈现不同的改变[2,4,6,7],缺血10～30min再灌注后高信号区可完全恢复正常,缺血45～60min再灌注

中国医学计算机成像杂志2004年第10卷第6期

-375-Neurology1999;53:1528～1537

CBV示基本恢复正常,MTT示局部血流时间延长,D

组示较B组血流恢复更不均匀,不完全,局部存在灌注缺损。电镜下D组可见毛细血管基底膜断裂,管腔狭窄。在本研究中缺血2h组再灌注前可见到PWI异常区域大于DWI异常区域,再灌注后PWI示基本恢复正常,DWI异常区域无明显变化,TTC染色可见失染区累及右侧部分尾壳核及额顶叶皮质区,光镜下亦见到缺血核心与正常组织之间坏死细胞与正常细胞交织并存,形成较大移行带,而缺血6h组再灌注前DWI异常区域较缺血2h组大,PWI、DWI异常区域差别消失,再灌注后DWI异常区域较前扩大,TTC染色可见失染区累及大部分右侧尾壳核及额顶叶皮质区,大鼠缺血2h再灌注能够挽救部分缺血半暗带组织,阻止缺血损伤进一步加重,在临床工作中当PWI异常区大于DWI异常区时,进行溶栓治疗可以挽救部分缺血半暗带组织[3,13]。缺血6h再灌注超出再灌注有效时间窗,不能挽救缺血损伤脑组织。我们认为DWI能反映急性脑缺血再灌注后脑损伤的变化,PWI能反映再灌注后脑组织血流灌注情况。

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operationally

defined

by

diffusion

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