DTI以及DTI量化评价脊髓损伤

使用体内DTI和DTT的方法量化评价脊髓损伤的条件是 临床前期在狨猴的纵向研究 庆应义塾大学医学院 矫形外科系 生理学教研室2012年 neuroimage 摘要 传统的MRI可以检测出出血 炎症 瘘管 脊髓萎缩 但是不能检测到脊髓损伤后的轴突瓦解 之前的研究证明了DTT可以描述狨属脊髓半切损伤后轴突的破裂 现在的研究为了确定DTT结果和轴突挫伤后功能恢复的关系 研究者分别作了狨猴损伤前后的纵向DTT 行为学 形态学的分析 通过用DTT显示纤维束与用RT97 SMI 31 抗神经纤维的抗体标记的神经元纤维相比较 研究者确定了纤维失踪最优化的 起始点是 使用 损伤部位估计纤维束数量比上脊髓损伤前数量的比例 与脊髓损伤之后功能恢复相联系 更进一步 损伤前后 和 值的纵向比较揭示了 在皮质脊髓束损伤中心的尾端损伤以及在背侧束损伤的头端 此两值降低 然后 值降低表明背侧束部分功能恢复 彩色定向 值 是被用来代表残余轴突束的再生 这些发现表明 分析可能作为一种评价脊髓损伤后轴突破坏的非侵入性检查的工具 背景介绍 众所周知 不完全脊髓损伤的患者在一定程度上可以恢复其感觉 运动功能 即使此恢复潜在的机制和功能仍旧未知 为了评价脊髓损伤的严重程度 评价损伤脊髓轴突组织病理学变化是必要的 但是在体内评价脊髓病理变化依旧极其困难 是评价脊髓损伤重要的方法 传统的 的 和 加权提供了关于脊髓损伤后几个病理的信息 包括 出血 炎症 空洞的形成 但没有关于轴突的信息 因此 为了获得详细的微观结构的信息 研究者关注了 和DTT图像技术 此技术利用了生物学组织上水分子弥散各向异性的特点 近期 几个实验组报道了DTI对于检测啮齿类动物由炎症 脱髓鞘和轴突破裂引起的损伤有用性 然而这些研究并没有真正的应用于临床条件 因为这些研究者并没有采用脊髓创伤引起的发生复杂病理变化损伤的模型 相反 他们使用了简单且清楚的化学损伤或者背根轴突切断术模型 更进一步 另外的实验组报道了研究者成功的将DTI用作临床评价人类脊髓损伤的工具 脊髓这些研究并没有被详细的组织学检查或者行为学分析确认 使用啮齿类动物脊髓损伤模型的少数 研究 揭示了一些形态学和功能恢复的联系 这些结果某些程度广泛应用于灵长类动物也是未知的 因为在皮质脊髓束通路在啮齿类和灵长类动物之间有明显神经解剖学上的不同 然而 猫的模型是接近灵长类的 结果使用此模型表现相似 从临床应用观点看 使用非人类的灵长类 模型 体内DTI和DTT与组织学和行为学分析相比较的研究 为了确定DTT结果的准确性和重要性是必需的 之前在成熟的狨属建立一个可重复的SCI模型 并且报道过人体干细胞 前体细胞移植到损伤脊髓促进了功能恢复的研究 使用这种灵长类动物模型 研究者揭示了DTT准确反映了轴突解剖状态以及在脊髓半切中轴突损伤的程度 在灵长类动物中脊髓挫伤类似于人类慢性SCI 在现阶段研究 我们做了一系类狨属脊髓创伤后的 和 并且比较了组织学检测和行为学分析的结果 研究者的发现证实了在非人类灵长类动物脊髓损伤后DTI和DTT分析是有用性 材料和方法 1 脊髓挫伤10只雌性的狨猴 280 350g 每只狨猴被饲养在单个的笼子里 宽 820mm 深610mm 高1600mm 肌注氯胺酮 50mg kg 赛拉嗪 5mg kg 用乙醚维持 手术中控制动物的脉搏 动脉血氧含量 直肠温度 在C5行椎板切除 暴露硬脊膜 重17g 高50mm处坠落使用改良后的NYU的打击器 术后放到恒温箱中 直到其温度调节系统重新建立 每天排尿两次 直到排尿反射系统重新建立 给予充分的食物和水直到它们能自己获得食物 损伤5天 100mg氨苄西林和0 02mg布托啡诺肌肉注射 核磁共振全麻 7T核磁 损伤后2 4 15获取 和 图像 为了减少来自血管和颈部脊髓运动伪影 动物被固定于特殊的线圈内以及心电图探测针依附于动物的腹侧胸椎 扫描参数 TR 3500ms TE 40ms 翻转家哦哦哦 90度 FOV 40 40mm 数据矩阵 128 128 重建图像的分辨率 0 31 0 31mm 层厚 0 94mm b值 1000S mm2弥散张量分析弥散张量和成形术分析 扩散张量的特征值代表了椭圆的三个轴向 也就是 最长值 中间值 最短值 所谓特征值 分别为 1 2 and 3 特征值 1代表为局部纤维方向 FA被普遍用来的各向异性指数 各向同性 1 2 3 且FA 0 由于各向异性增加 1 2 3 FA接近于1 扩散各向异性的方向被跟踪直达成形术停止 连续体素的翻转角度设定为5O度 研究者使用连两个感兴趣区域的方法来客观量化损伤脊髓的DTT纤维 设定两个 来跟踪整个脊髓的轴向切片的FA图像的整体轮廓 包括白质和灰质 ROI放置在损伤头端的4mm和尾端的4mm 估计DTT纤维通过 脊髓损伤前后 评价了 径向扩散 2 3 2 径向扩散 1 以及 值 在损伤中心的背侧束 和皮质脊髓束 损伤中心距头 尾端 和损伤中心头尾端 处 成像术参数 翻转角度 度 最小长度值 绘制导管方法 半径 数据源数量为5 FA彩标 红色表示高各向异性 蓝色表示低各向异性 研究增加了在损伤中心的节段 图来表明通过损伤中心椎体束的位置 如图 组织学分析损伤 后使用 多聚甲醛灌流 取出脊髓 放置在 的多聚甲醛中后固定 后固定过夜继而换成 蔗糖 冰冻切片 轴向切片 微米厚 和 染色评价髓鞘的面积 免疫组化 标记剩余轴突中的神经丝 标记正常轴突的磷酸化的神经丝 研究者计算 或者 阳性面积作为剩余轴突纤维的marker 目的是为了使用DTT检测SCI后剩余轴突与组织学方法检测轴突相比较 二 依据于DTT纤维计数比与依据于组织学纤维计数比研究者确定HSFR是在整个轴突切片范围内损伤中RT 97 SMI 31阳性面积比上在整个轴突中这些纤维的面积 确定DFER为损伤后各个时间点DTT纤维评估数量比上使用纤维示踪计数侧得SCI前DTT纤维数量 行为学评价比较啮齿类 狨猴运动是复杂的且涉及到直立和水平位置 站立 跳跃 攀爬笼子 抓笔 在现在的研究中 使用开放评价方法评价狨猴 两位观察者 盲测 SCI后每周三次直到第四周 此后每周一次 自行运动活动的测量用红外系统测量自发运动 在损伤前一个月把狨猴送到装有红外控制系统的笼子里目的是获取损伤前的数据 此后 被单独关在笼子里 宽820 深610 高1600mm 装有红外的笼子为 宽350 深500 高500 持续记录动物三维运动 每只动物每天每小时持续记录 损伤后的活动量作为损伤前数值的百分比记录 抓笔实验使用抓笔实验来评价上肢运动力量 此项评价了动物的抓握反射 当动物尝试抓取放在其面前的物品时所从事的运动 每隔两三天做一次 一天三次 最大抓取量 损伤前的百分数被记录 攀爬实验此实验室是用来评价前后肢的协调性 总之 如果把狨猴放在笼子的上端 宽400 深600 高750mm 趋向 研究者用7个位点 0 6 连评价每只狨猴在3分钟内完成以上动 一天两次 从损伤前到损伤15W后 数据分析 结果 1 T2加权和弥散加权像2 在活体动物中使用DTI示踪连续性纤维束量化3 脊髓挫伤后形态行为改变4 确定纤维示踪的最佳FA值5 运动表现和DFER的关系 依据于DTT纤维计数比与依据于组织学纤维计数比研究者确定HSFR是在整个轴突切片范围内损伤中心RT 97 SMI 31阳性面积比上在整个轴突中这些纤维的面积 确定DFER为损伤后各个时间点DTT纤维评估数量比上使用纤维示踪计数侧得SCI前DTT纤维数量 结果1 T2加权矢状位图像 损伤脊髓的损伤中心高信号强度 损伤后两周出现信号改变 15W边缘清楚 轴向 损伤脊髓的损伤中心的b 0 DWI B 0 损伤后2W 高信号强度 随时间信号强度降低 ADC图像说明损伤后2周低值 在慢性损伤中心 亚高密度 FA图像表明在损伤中心 部分为 低值 在轴向面上脊髓外周 值高 损伤脊髓的损伤中心的b 0 DWI B 0 损伤后2W 高信号强度 随时间信号强度降低 ADC图像说明损伤后2周低值 在慢性损伤中心 亚高密度 FA图像表明在损伤中心 部分为 低值 在轴向面上脊髓外周 值高 结果 活体动物中 示踪连续性的纤维束量化 Fig2不同的 值 脊髓损伤后 纤维数随时间的改变 两个 间 纤维数量估计的量化分析 在不同的 下 损伤 周后与损伤前比较纤维数量是降低的 逐渐增加 随着FA增加 DTT纤维数量降低 计数比 C的值 损伤前的值 比率的改变与数量的改变相似 随着FA值增加 DTT纤维数量降低 不同 值 脊髓损伤前后DTT纤维数量的改变 以及损伤15W后纤维数量 损伤前的比率 DFER T2轴向图像上 损伤脊髓的横截面积损伤依据时间的改变 脊髓损伤后形态学改变 HE和LFB染色白质和灰质有明显损伤 在损伤中心显示出了空洞的形成 在损伤中心 和 阳性区域的面积减少 脊髓损伤 后 的尾端以及DC的头端SMI 31以及RT97阴性 表明了上下行通路的的瓦勒变性 在放大的图中 神经丝组织被脂肪细胞所取代 在损伤中心 和 处 以及CST4C处 以及 阳性面积减少 不同 值的 与 阳性 比较 揭示了最佳 值为 HSFRofRT97 52 1 HSFRofSMI 31 56 9 DFERwithFA 0 40 53 7 运动表现和 的关系 行为学分析 A 开放空间的等级评价 B 攀爬实验 自行运动实验 抓笔实验 损伤后运动能力逐渐降低 之后逐渐恢复 与行为学分析值之间的比较 与DEFR都有强烈的相关性 除了H 6 通过DTT描述脊髓损伤后轴突的裂解 蓝色 损伤前 绿色 损伤后2周 黄色 4周 红色 15周 CST 损伤后2W损伤中心的尾端 FA 明显降低 但是整个15w的观察并没有增加 相反 在背侧束 损伤后2周 损伤中心的尾端FA和 值明显降低 表2 讨论 当前研究有两个主要发现 第一个 DTt在非人类的灵长类动物中客观量化了脊髓挫伤后的一系列改变并且梵音了动物的运动行为 第二 脊髓损伤后不同束的轴突降解通过使用正确的ROI设置的特殊椎体束弥散张量分析同时被描述 1 使用DTT量化分析脊髓损伤的剩余纤维先前的研究表明了DTT对于描述脊髓异常是有效的 包括炎症和变性异常 肿瘤 动静脉畸形 以及创伤 然而 关于DTT分析的主要问题仍旧存在 DTT使用像素的大小比横断面轴突的大小还要大 后者仅几个微米 此偏差使得解释什么是被DTT图像描述变得困难 然而 先前关于DTT的研究表明了FA和 值相关 在中枢神经系统中不仅与髓鞘有关 而且与轴突的密度和直接都相关 此外 Lehmannetal 2010 表明了这些值与轴突总数仍相关 最后为了应用 数据作为 临床检验的基准 证明体内 和行为学数据的相关性是必要的 因此 研究者做了损伤脊髓的形态学和 对比研究 使用三种方法得了精确的分析 研究对纤维束使用了两次 此方法的有点是其避免了假阳性纤维的检测 使用单 检测纤维的数量 其中包括随着 纤维的横向纤维或者短线纤维 是增加的 然而 纤维是由纵向纤维束组成的 因此 其更可能比短纤维或者横向纤维通过两个 研究者关注 纤维计数 在检测SCI的 和ADC中遇到了困难 这些值的测量存在着极差的重复性 值在脊髓 骨 椎体 椎板 和脑脊液中有重要的不同是得对于整个脊髓获得精确值有困难 因此 研究者 纤维估计 其比 和 更稳定以及具有重复性 即使在 有轻微的差异 进一步 从 分析数据更容易因为两个 是被需要的 相反 为了得到更精确的值 对于整个颈髓的FA值和 值的分析需要更多 的设定 依赖于FA值 FA值越低 DTT纤维数量越高 因此 对于检测损伤脊髓长轴方向的各向异性的差别 来确定最佳FA值是必要的 有几篇文章关于DTT的最佳 值 报道在成人大脑中对于 可跟踪性最适合的值为 另一方面 使用FA 0 40大鼠外周神经系统中 的值 在损伤中心FA值的恢复与运动和感觉功能的恢复参数密切相关 在大脑中跟踪癫痫症和肿瘤最佳的 值为 综上所述 存在的数据表明 值是可以依据靶组织的的位置和病理变化而改变的 研究者认为 各向异性的程度是重要的 当评价残余轴突时 并且对于观察此 值是理想的工具 依据形态学的发现 研究者发现当 时 接近于 的值 因此 确定FA 0 40为最佳值 3 研究者确定了DFER和运动功能参数之间有重要的关系 除了bar grip实验结果 bar grip实验结果和DFER之间极差的联系性可能是由于手指挛缩 这肯能导致增加了bar grip结果 图4 尽管有差异 这三种方法允许研究者证实了DTT对于准确评价脊髓损伤有意义 研究者推测出发现DTT纤维计数在SCI慢性期增加的现象有两种可能的解释 1 来自于白质可逆性损伤的自发恢复 然而在体内研究DTT研究确定此可能性是不可能的 因为我们不能滥杀动物 在体内DTT研究被报道纤维计数增加 但是没有做形态学检测 2 第二个可能性是髓鞘残骸的清除 瓦勒变性期间 中枢神经系统中 髓鞘清除发生比在外周神经体统中要慢 这可能削弱了获得椎体束的准确性能 由于在急性期部分容积效应 并且这是当前研究所限制的 研究者用T2轴向图像在不同的时间点量化了损伤脊髓的横向面积 然而 在这些不同的时间点这些区域没有明显差别 表1C 这些发现证明在DTT的纤维计数中脊髓萎缩没有影响 2 一系列特殊通路FA值的改变代表了脊髓损伤后轴突的变性在现在的研究中 研究者通过检测SCI后FA值改变成功在上行和下行通路中描述了瓦勒变性 先前的研究使用了形态学分析和几只动物模型证明了FA的改变与瓦勒变性高度相关 Cohen Adadetal 在猫的脊髓半切损伤模型中观察到了瓦勒变性 Zhangetal 在大鼠模型中使用背根切除术 DeBoyetal证明整个脊髓的瓦勒变性在局部炎症和脱髓鞘损伤期间 Kozlowskietal 2008 证明在大鼠模型中背侧束横断脊髓的瓦勒变性 然而 没有研究是关于在不同通路中瓦勒变性的一些列改变 包括脊髓挫伤后的上下行通路 这与临床脊髓挫伤相似 尤其在非人类灵长类动物中 MoriandZhang 2006 列出了FA值降低的三个原因 增加 1型 降低 2型 1 2型的复合 3型 脱髓鞘和轴突损伤导致了各向异性的降低 先前动物研究证明了脱髓鞘导致了1型以及轴突损伤2型FA值降低 FA和 不能和轴突的密度和直径一样反应髓鞘的程度 在现在的研究中 研究者在损伤正中 损伤的头端 以及尾端检测了一系列的FA 以及 值 通过设定特殊通路的ROIs 并且发现在FA 以及 值改变的不同模式 依赖于通路 研究者确认了在损伤中心发生的 降低以及 增加 表明了挫伤的脊髓引起了髓鞘和轴突严重的损伤 相反 沿着通路在皮质脊髓束损伤的尾端和背侧束损伤的头端 仅有 降低 表明了 轴突的裂解而不是髓鞘裂解的发生 损伤持续两小时 导致了瓦勒变性 进一步 在皮质脊髓束 降束 在损伤的尾端FA值降低 到15周没有恢复 然而在背侧束 升束 在损伤的头端FA值降低表明了SCI后15周部分恢复 这些发现证明了脊髓损伤后内源性潜在的修复依赖于每个通路 这个概念与之前使用啮齿类动物的研究是一致的 在CST比DC相比较 显示了SCI后低潜能的内源性修复 SMI 31阳性区域的丢失比LFB染色更能敏感的反应轴突的瓦解 DeBoyetal 2007 Zhangetal 2009 一旦损伤的轴突脱磷酸化 在猴模型中损伤后6h到3周细胞凋亡出现 此外 少量SMI 31以及RT 97阳性面积被检测当瓦勒变性和食菌作用后脊髓空洞发生 真名了轴突再生的发生或者一些轴突在损伤后存活 在DC和CST中损伤中心轴向和径向扩散率 在损伤后4周并未改变 但是损伤后15周增加 之前的研究表明在ADC横向和纵向增加 ADC是大鼠脊髓挫伤5周后的证据 相反在损伤中心的FA值在研究未改变 甚至在损伤15周之后亦是 这些数据表明了在损伤15周后 没有各向异性的结构 如轴突 仅有来源于水分子的高扩撒性 形态学的发现证明了损伤15周后CST和DC损伤中空洞的发生 在瓦勒变性期间髓鞘残骸的清除率也导致了径向和轴向的高扩散率 在SCI急性损伤期分散的T 高信号强度被归因于出血或者炎症 由于出血和炎症一直减退 髓内的高信号强度的T2加权像的面积减少 在慢性期 狨属的脊髓损伤表明T2加权像的高信号强度 更进一步 之前的研究表明了脊髓损伤后水肿在损伤1周达到了高峰 之后减少 然而在SCI的慢性期囊腔空洞形成显著 显示最作为非限制性同向性扩散的血管源性水肿 已经被认为增加了ADC并且导致了低估白质束扩散各向异性 Ellingsonetal 2008 报道横向ADC从挫伤后2天道第5周开始增加 在研究中 随着脊髓损伤后15周T2信号增加 进一步说 值在急性期较低 图 并且