《科学·进展》：我们首次有了大脑神经炎症可视化的成像技术！

随着全球老龄化的进程的加快，阿尔茨海默病、帕金森病和多发性硬化等神经退行性疾病，已成为老龄化社会急需解决的重大健康议题[1-3]。

越来越多的研究结果表明，小胶质细胞和星形胶质细胞的持续激活引起的慢性神经炎症，强烈影响神经退行性病，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，开发针对神经胶质细胞的疗法，以抑制炎症反应，延缓或逆转疾病的进展[4-6]。

基于以上愿景，如何实现对脑内胶质细胞炎症反应进行持续监测，并以此提供诊断神经退行性疾病的生物标志物成为了热门话题。

近日，由西班牙UMH-CSIC神经科学研究所的Silvia De Santis和Santiago Canals领衔的研究团队，在著名期刊《科学·进展》上发表了一篇开创性研究成果。

他们成功实现了运用磁共振成像技术，记录体内小胶质细胞、星形胶质细胞的激活反应[7]。这一研究成果，让我们首次有了大脑神经炎症可视化的成像技术。

论文首页截图

鉴于神经系统疾病活检取样的困难，到目前为止，神经系统疾病的诊断主要依靠CT、MRI和PET等影像学技术。

目前，诊断神经炎症的“金标准”是基于18-kDa的正电子发射扫描（PET）检查。不过，由于不同个体结合基因型的不同、PET检查过程中的辐射暴露、空间分辨率低和对小结构成像能力差等问题，极大地限制了其使用和推广[8]。

而弥散加权磁共振成像（dw-MRI）捕捉脑实质中水分子的随机运动的成像原理，使其具有独特的无创、高空间分辨率的体内脑微观结构的成像能力。

有研究人员根据这一特性，围绕MRI序列展开了一系列研究，不过目前的设计主要针对白质和轴突，无法区分这些结构分别来自哪种类型的细胞。由于不同种类的神经退行性疾病机制各异，涉及特定的细胞群，不同类型的细胞群在疾病的病因和进展中发挥着的特异性的作用，因此实现成像的细胞种类特异性是至关重要的。

然而，到目前为止，还没有一项技术能实现对体内小胶质细胞和/或星形胶质细胞特异性成像。

已有的研究通过将先进的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，测量特定组织间隙，甚至细胞类型的扩散特征[9]。

基于以上的想法，Santis团队利用小胶质细胞和星形胶质细胞形态学知识，开发了一套新的磁共振成像序列，通过构建微观结构的多室组织模型，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。

下面我们来看一下科学家们是如何巧妙地实现了这一想法。

首先研究人员根据小胶质细胞和星形胶质细胞的组织学形态，建立了以相应的球体（sphere）大小和棒状（stick）分支为基础的灰质扩散模型。

简单来说，激活状态下的小胶质细胞呈“阿米巴样”，其模型为小球体和棒状分支，小球体模拟dw-MRI时小胶质细胞胞体中的水弥散程度，径向分支的棒状结构模拟小胶质细胞发出分支的弥散参数；大球体模拟激活状态下的星形胶质细胞。

小胶质细胞灰质扩散模型（上）和星形胶质细胞灰质扩散模型（下）

最后通过采集并分析表示胶质细胞大小的集球体半径（sphere radius），表示胶质细胞发出分支的棒子体积分数（stick fraction），表示炎症发生或消退期间发出分支数量的棒子弥散程度（stick dispersion），以及表示炎症发生或消退期间胶质细胞数量的组织体积分数（tissue fraction）等参数，以区分灰质中的小胶质细胞和/或星形胶质细胞激活与否。

模型参数确定以后，科学家们利用组织免疫化学染色和dw-MRI，对这个模型进行了比较验证。

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

[4].Janus C, Pearson J, McLaurin J, et al. A beta peptide immunization reduces behavioural impairment and plaques in a model of Alzheimer's disease. Nature. 2000;408(6815):979-982. doi:10.1038/35050110

[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, Cerdán Cerdá 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