非侵入性成像技术评估脉络丛跨屏障水交换

背景介绍

脉络丛（Choroid Plexus, CP）是脑脊液（Cerebrospinal Fluid, CSF）生成的关键部位，同时也是血-脑脊液屏障（Blood-Cerebrospinal Fluid Barrier, BCSFB）的重要组成部分。脉络丛通过调节脑脊液的分泌和吸收，维持大脑的内环境稳定。然而，目前缺乏非侵入性的成像技术来评估脉络丛的功能，这限制了对BCSFB功能的深入理解。现有的方法，如示踪剂稀释法和脑脊液采集法，虽然能够间接测量脑脊液的分泌，但这些方法具有侵入性，且无法准确区分脉络丛与其他潜在来源（如血脑屏障）的贡献。

近年来，研究人员提出通过测量脉络丛到脑脊液的水流出率（kbc）来评估BCSFB的完整性。这一指标在老年小鼠和轻度认知功能障碍患者中显示出显著下降，表明其可能成为评估脉络丛功能的重要生物标志物。然而，现有的磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）技术在这一领域的应用仍然有限，且大多依赖于对比剂的使用。因此，开发一种无需对比剂的MRI技术来测量kbc，具有重要的科学和临床意义。

研究来源

本研究的论文由Xuetao Wu、Qingping He、Yu Yin、Shuyuan Tan、Baogui Zhang、Weiyun Li、Yi-Cheng Hsu、Rong Xue和Ruiliang Bai共同撰写，分别来自中国科学院生物物理研究所、浙江大学、杭州城市大学等机构。该研究于2024年发表在《Fluids and Barriers of the CNS》期刊上，题为“Relaxation-Exchange Magnetic Resonance Imaging (REXI): A Non-Invasive Imaging Method for Evaluating Trans-Barrier Water Exchange in the Choroid Plexus”。

研究流程与实验设计

1. REXI技术的开发与验证

REXI（Relaxation-Exchange Magnetic Resonance Imaging）是一种新型的、无需对比剂的MRI技术，旨在通过测量脉络丛与脑脊液之间的水交换率来评估BCSFB的功能。REXI利用脉络丛组织（如血管和上皮细胞）与脑脊液之间横向弛豫时间（T2）的显著差异，设计了三个主要模块：滤波模块、混合模块和检测模块。

• 滤波模块：通过优化的回波时间（Tef）滤除大部分脉络丛组织的磁化信号（较短的T2），同时最小化对脑脊液信号（较长的T2）的影响。
• 混合模块：在滤波后，将剩余的磁化信号存储回纵向方向，并通过不同的混合时间（Tm）允许脉络丛与脑脊液之间的水交换。
• 检测模块：使用多回波采集技术，量化交换后脉络丛与脑脊液的成分比例。

为了验证REXI的可行性，研究人员首先在尿素-水模型（Urea-Water Phantoms）中进行了初步测试。尿素-水模型是一个经典的双位点交换系统，其质子交换速率可以通过调节pH值来改变。研究人员制备了12个不同pH值（6.7和7.0）的尿素-水模型，并使用9.4 T的临床前MRI扫描仪进行实验。

2. 动物实验

在验证REXI技术的可行性后，研究人员进一步在大鼠模型中进行了实验。实验对象为8只11-12周龄的Wistar Kyoto（WKY）大鼠。实验分为两部分：扫描-重扫描实验和药物诱导的脉络丛功能障碍实验。

• 扫描-重扫描实验：旨在验证REXI在测量kbc方面的重复性。研究人员在同一会话中对每只大鼠进行了两次扫描，并计算了kbc、fshort（短T2成分的磁化分数）以及T2值的重复性。
• 药物诱导实验：通过静脉注射碳酸酐酶抑制剂乙酰唑胺（Acetazolamide），诱导脉络丛功能障碍。乙酰唑胺能够显著减少脑脊液的分泌，从而验证REXI在检测脉络丛功能障碍方面的敏感性。

主要结果

1. 尿素-水模型实验结果

在尿素-水模型中，REXI成功捕捉到了不同pH值下质子交换速率的变化。随着pH值的降低，质子交换速率显著增加，这与尿素溶液中质子交换的酸催化机制一致。此外，REXI还检测到了尿素和水质子的T2值随pH值降低而缩短的现象，进一步验证了REXI对交换过程的敏感性。

2. 大鼠实验结果

在大鼠脉络丛中，REXI显著抑制了脉络丛组织的信号，将fshort从0.44降低到0.23。随着混合时间的增加，fshort逐渐恢复到0.28，表明脉络丛与脑脊液之间存在水交换。通过双位点交换模型（Two-Site Exchange Model, 2SXM）拟合，研究人员计算出了脉络丛到脑脊液的稳态水流出率kbc为0.49 s⁻¹。扫描-重扫描实验表明，REXI在测量kbc方面具有较高的重复性（组内相关系数ICC = 0.90）。

在药物诱导实验中，乙酰唑胺显著降低了kbc，降幅达66%，进一步证明了REXI在检测脉络丛功能障碍方面的敏感性。

结论与意义

本研究首次提出并验证了REXI技术，该技术能够非侵入性地测量脉络丛与脑脊液之间的水交换率，为评估BCSFB功能提供了新的生物标志物。REXI技术的开发不仅填补了现有技术的空白，还为未来研究脉络丛在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）中的作用提供了重要工具。此外，REXI的高重复性和敏感性使其具有潜在的临床应用价值，特别是在评估脑脊液分泌异常和相关脑部疾病方面。

研究亮点

1. 创新性：REXI是一种全新的、无需对比剂的MRI技术，首次实现了对脉络丛与脑脊液之间水交换的非侵入性测量。
2. 高重复性：扫描-重扫描实验表明，REXI在测量kbc方面具有较高的重复性，ICC达到0.90。
3. 敏感性：REXI能够敏感地检测到乙酰唑胺诱导的脉络丛功能障碍，kbc降幅达66%。
4. 应用潜力：REXI技术为未来研究脉络丛在脑部疾病中的作用提供了重要工具，具有广泛的临床应用前景。

其他有价值的信息

本研究的成功不仅在于开发了REXI技术，还在于其验证过程中使用的尿素-水模型和大鼠模型。这些模型为未来类似研究提供了重要的参考。此外，REXI技术的开发也为其他基于弛豫交换的MRI技术（如REXSY）提供了新的思路，特别是在缩短扫描时间和提高空间分辨率方面。

REXI技术的提出为脑脊液动力学研究开辟了新的方向，未来有望在神经科学和临床医学领域发挥重要作用。