脑组织间液与脑细胞外间隙的生理参数测量方法

专利名称：脑组织间液与脑细胞外间隙的生理参数测量方法
技术领域：
本发明涉及一种分子在脑组织间液与细胞外间隙的生理参数的测量方法，具体来说，它是涉及用测量对比剂在脑细胞外间隙的脑组织间液中的浓度变化的方法，来确定脑组织间液与脑细胞外间隙的生理参数，进而了解对比剂的扩散、流动与清除等情况。
背景技术：
脑组织间液(“组织间液”，interstitial fluid,后简称ISF)是存在于脑细胞外间隙(“细胞外间隙”，extracellular space，后简称ECS)中的液体。脑ECS是指存在于脑间质组织中、细胞膜之间的不规则且相互连通的狭窄空隙，有学者也称之为组织通道(tissue channel)。Nicholson 认为，脑 ECS、脑 ISF 和细胞外基质(extracellular matrix, ECM)共同构成了脑细胞微环境(brain extracellular microenviroment，BEM)，在保证脑细胞间电信号传导的稳定性，形成细胞与血液之间物质转运通道，以及神经突触重塑过程中发挥关键作用。因此，对脑ISF及脑ECS的各项生理参数的研究是认识神经活动规律的重要课题。然而，关于脑ECS的解剖结构以及脑ISF的流动性等生理学指标的定量测量与分析仍然是当今微循环研究领域中的难题。早期，由于标本制作和后处理的技术限制， 电镜下几乎看不到脑ECS。后来，依靠新技术的开发和应用，人们逐渐认识到脑ECS的存在。应用RTI-TMA技术(一种以四甲基铵离子TMA为示踪剂的实时离子导入技术)，测量出脑ECS约占脑容积的20%，间隙宽度在38 64nm，且间隙宽度可变。在目前的脑ECS 的测量方法中，离子导入(Real-time Iontophoresis, RTI)与压力引射法(Real-time pressure ejection, RTP) ^^^ (Radioactive tracer method) (Integrative optical imaging, 101)因技术成熟,应用较多。离子导入与压力引射法通过在脑内插入两个离子选择性微电极(一个释放离子， 一个接收离子)，实时监测脑组织某一区域两点间的离子扩散情况，根据离子在该脑区ECS 中的运动描述出脑ECS的结构特点。但离子导入与压力引射法只能测量某固定较小区域内 (如60μπι至IOOym范围内)脑ECS中某些特定离子(如钾离子、钙离子等)的扩散。放射性示踪法，即是在脑组织内注射放射性物质，通过在不同时间点切取不同部位的脑片，进行放射性剂量检测，以获取物质的扩散数据。但放射性示踪法必须在每个测量时间点处死一只动物，且只适用于体积较大的脑(如狗脑、猴脑)。集成光学成像法，则是将荧光物质导入脑内，在荧光显微镜和高分辨率CCD照相机的帮助下，实时记录荧光物质的荧光强度变化，来分析物质的扩散。但由于荧光的穿透力较弱，集成光学成像法只适用于监测距脑表面200 μ m区域内的荧光变化。这三种方法中，除集成光学成像法可在监测物质扩散的同时，提供脑浅表组织的图像外，其余两种方法都不能实现可视化的测量。并且，这些方法对脑ISF在脑ECS中的生理参数，如流动速率、阻力、压力等方面均缺少有效测量手段。磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)是近年来最常用的成像检测技术，用这种技术来观察人体或动物解剖结构与生理功能具有实时、活体、可视、无创的优势。 MRI对比剂的使用，更加拓展了 MRI的应用范围。目前，MRI检查中主要应用两种对比剂一种是以钆喷酸葡胺(Gd-DTPA)为代表的 Tl阳性对比剂，另一种是以铁纳米微粒为代表的T2阴性对比剂。在MRI成像中，有些对比剂也可以作为一种生理性示踪剂，已有学者应用铁纳米微粒作为MRI示踪剂对脑ISF中代谢物的清除途径进行了初步研究，证实了注入脑内的铁纳米微粒经鼻粘膜处的淋巴最终进入颈部淋巴结清除出脑。然而，研究结果也显示，由于纳米颗粒铁磁性对梯度磁场的干扰，图像产生变形， 并导致了大面积的信号缺失，无法清楚显示对比剂在脑内的扩散范围。因此这种方法无法实现对脑ISF和脑ECS的准确观察和定量分析。还有研究利用磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging, DffI)进行脑 ECS的测量。这是一种用于测量水及体内其它分子的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)和组织各向异性分数(anisotropy fraction,FA)的MRI技术。该方法是基于分子扩散变化导致组织MRI图像信号改变的原理，在某一方向上施加一个扩散敏感线性梯度场，若组织内部某一位置在此方向上的扩散明显，则采集到的磁共振信号强度降低， 反之，信号强度增加。根据不同扩散敏感梯度下得到的不同MRI信号强度，可计算得到ADC 值。通过施加六个以上不同方向上的扩散敏感梯度，还可获得扩散张量特征参数，如FA。当被测的分子完全处于脑ECS中，不进入细胞内，也不发生血脑屏障的逆向转运时，ADC和FA 间接反映分子的扩散运动以及分子所处的脑ECS的形态等，如因该间隙空间的狭窄所导致的分子扩散运动受限，表现为ADC值下降，ECS的迂曲度发生改变时，则FA也将随之变化。 然而，临床常用的DWI，多选用水分子作为示踪分子，但水分子的扩散既发生在脑ECS中，也发生在细胞内。这使得计算所得的ADC值同时包括了这两部分的结果，从而无法准确描述脑ECS的性质。有报道将TMA作为M RI中射频的激发对象，通过磁共振波谱分析(Magnetic resonance spectroscopy, MRS)测量得到ADCtma，即TMA在ECS中的扩散系数，结果显示 ADCtma远远低于RTI-TMA法测量的扩散系数，仅约为后者的四分之一。并且，由于磁共振波谱分析的分辨率较低(0.5X0.5X0. 5cm3)，无法得到示踪剂在某一具体脑区(如小于 0. 2X0. 2X0. 2cm3)的扩散情况，因此，不能实现对不同脑区ECS的准确定位测量。

发明内容
为此，本发明旨在提供一种脑ISF与脑ECS的生理参数的测量方法，该方法可以利用对比剂在脑ECS中的扩散而引起的MRI信号强度变化，计算得到分子在脑ECS的扩散性能，并且可以由此了解脑ECS的解剖结构和生理学参数等指标，同时还能间接反映分子在脑ECS内因扩散而导致的分布变化与清除过程。本发明提供了一种脑ISF与脑ECS的生理参数的测量方法，该方法将被测对象的脑部置于磁共振成像环境中，向被测对象的脑ECS导入磁共振对比剂，随后在不同时刻进行磁共振成像，在得到的图像上测量对比剂在不同脑区扩散后的分布情况，及各个脑区的信号强度变化，根据该信号强度的变化来确定相应处的示踪剂浓度及浓度变化率。根据本发明所述方法的再一种具体实施方式
，所述的对比剂经立体定位穿刺导入被测对象的脑ECS。在本发明另一种具体实施方式
中，所述的对比剂为钆喷酸葡胺(Gd-DTPA)。本发明在磁共振成像时采用的是一种3D-梯度回波Tl加权成像。在本发明还一种具体实施方式
中，当对比剂的浓度处于0至ImM范围时，示踪剂在磁共振成像环境下，采用3D-梯度回波Tl加权成像方法得到的信号强度与所述示踪剂浓度之间的关系为
Γ 厂 SI-BCed =其中SI为在磁共振环境下所述示踪剂在该位置处的信号强度，Ced为所述示踪剂Gd-DTPA在该位置处的浓度，K为一个常数，其值介于300至3000之间，B为一个常数，其值介于20至200之间。本发明采用MRI技术，利用对比剂的特性，通过对比剂在该通道内组织间液中的扩散与清除而引起的图像信号变化来计算得到脑ISF及其存在通道的解剖结构和生理学参数等指标。具体来说，本发明即是通过对MRI对比剂在脑ECS的ISF中的扩散和清除等指标的观察与测量，不仅可以在活体状态下，对全脑范围内不同脑区ISF所存在的脑ECS的解剖形态学以及生理学指标进行动态监测与定量分析，还可以用来准确的判断与对比剂的分子量和/或极性相同或相类似的化学物质或药物在脑ECS的扩散与清除情况，对脑部微循环的研究提供有价值的分析数据。


以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围，其中图1是在磁共振环境下脑ECS中对比剂的浓度与MRI获得的图像信号强度之间的关系曲线；图2表示了图1所示的曲线在对比剂的浓度在0至1. OmM范围内，对比剂的浓度与MRI信号强度之间的线性关系；图3是在与图1不同的实验条件下得到的对比剂浓度与MRI信号强度的拟合曲线.
一入 ，图4是实现本发明测量方法的一种具体装置的示意图；图5显示了大鼠脑部的脑ECS导入对比剂位置的示意图；图6是在距离图5所示大鼠对比剂导入点不同位置处，对比剂沿图示方向的MRI 信号强度增量随时间的变化曲线；图7(a)至图7(e)是用图4所示的测量装置测得的大鼠脑ECS导入对比剂后不同时刻的MRI图像；图8(a)至图8(d)显示了对比剂从大鼠脑部的白质纤维区导入后，对比剂随时间扩散的MRI图像。最佳实施方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照

本发明的具体实施方式
。图1是在37°C时对比剂Gd-DTPA在琼脂糖中的浓度与MRI信号强度之间的关系曲线。从曲线中可以看出，当对比剂的浓度处于0至5mM范围时，信号强度随浓度升高而增强， 对比剂浓度与信号强度之间呈某种对应关系。在该曲线中，横坐标为对比剂的浓度，对比剂浓度的变化可以反映出脑ISF在脑ECS中的流动性；纵坐标是MRI的信号强度，本领域技术人员可以理解，这里的信号强度既可以是直接的信号强度，也可以是由信号强度换算出的其他表示信号强度的数值，如Tl值等。在本示例中，对比剂是Gd-DTPA，但对比剂也可以选用其他的无铁磁性、无神经毒性、不进入细胞且具有一定的药代动力学的物质或者化合物， 如Gd-BOPTA等Tl阳性MRI对比剂。虽然在图1所示的示例中，测量的是对比剂Gd-DTPA在琼脂糖中的浓度与MRI信号强度之间的关系，但领域技术人员可以理解，琼脂糖和脑组织都是Gd-DTPA的扩散介质， 都存在允许Gd-DTPA扩散的间隙，Gd-DTPA在这两种介质中扩散的本质，实际上都是在这种间隙中进行的扩散。所不同的是，琼脂糖间隙中充满的全部是水，脑间隙中充满的是脑脊液，而脑脊液中主要成像是水，还包括一些离子和和少量蛋白。虽然这些离子和蛋白有可能会对Gd-DTPA的信号强度有一定影响，但并不影响MRI信号强度与对比剂浓度之间存在线性关系的本质。图2是显示了对比剂Gd-DTPA在0至lmM(mM表示mmol/L)范围内，对比剂浓度与 MRI信号强度之间的线性关系，从该图中可以看出可以得到一条近似的直线，该直线方程为Cod=^-.............................. (1)其中SI为在MRI环境下对比剂在某一位置处的信号强度，Ced为对比剂Gd-DTPA在该位置处的浓度，单位为mM，K为一个常数，是这条拟合曲线的斜率，B为一个常数，表示无示踪剂导入时，MRI的信号强度。表1提供了四个实验的数据，表明K值和B值受磁场强度、MRI成像序列、对比剂、 对比剂浓度区间等因素的影响。这四个实验是将处于不同浓度区间内的对比剂注入琼脂糖中，在不同的磁场强度或成像序列下，测量MRI信号强度的分布。通过对信号强度进行对比剂的定量计算时，应根据实验的具体条件进行线性拟合，确定方程(1)中的K值和B值。表 权利要求
1.一种脑组织间液与脑细胞外间隙的生理参数的测量方法，该方法包括 将被测对象的脑部置于磁共振成像环境中；将磁共振成像的对比剂导入所述被测对象的脑细胞外间隙中的脑组织间液内； 测量所述被测对象脑部中所述对比剂在磁共振成像环境下的获得的图像上的信号强度；根据被测对象脑部所述示踪剂的信号强度确定相应的对比剂的分布、浓度及浓度变化率。
2.如权利要求1所述的脑组织间液与脑细胞外间隙的生理参数的测量方法，其中所述对比剂经穿刺导入所述被测对象的脑细胞外间隙的脑组织间液内。
3.如权利要求1所述的脑组织间液与脑细胞外间隙的生理参数的测量方法，其中所述的磁共振成像采用的是一种3D-梯度回波Tl加权成像。
4.如权利要求1所述的脑组织间液与脑细胞外间隙的生理参数的测量方法，其中所述的对比剂为Gd-DTPA。
5.如权利要求4所述的脑组织间液与脑细胞外间隙的生理参数的测量方法，其中，当所述对比剂的浓度处于0至ImM范围时，被测对象脑部的一个位置处，所述对比剂在磁共振环境下的信号强度与所述对比剂浓度之间的关系为 SI-B其中SI为在磁共振环境下所述对比剂在该位置处的信号强度， Ced为所述对比剂在该位置处的浓度， K为一个常数，其值介于300至3000之间， B为一个常数，其值介于20至200之间。
全文摘要
本发明提供了一种脑组织间液(ISF)与脑细胞外间隙(ECS)的生理参数的测量方法，它可对物质在脑ECS内的脑ISF中的扩散、流动和清除等生理参数进行测量的方法。该方法包括步骤将被测对象的脑部置于磁共振成像仪器中，向被测对象的脑ISF导入磁共振成像对比剂，随后测量对比剂在MRI成像图像上的信号强度，根据该信号强度确定相应处的对比剂的分布，以及各个脑区的对比剂浓度与浓度变化率。本发明通过对比剂在MRI设备上的图像信号变化，测量脑ISF在脑ECS中的扩散、流动与清除的性能，还可以测量脑ISF和脑ECS的解剖结构和生理学参数等指标。
文档编号A61K49/00GK102238908SQ200980126605
公开日2011年11月9日 申请日期2009年12月7日 优先权日2009年12月7日
发明者韩鸿宾 申请人:北京大学第三医院