大鼠急性脑缺血_再灌注模型缺血半暗带的磁共振扩散张量成像

Diffusion tensor MR im aging in rat models of
acute cerebral ischemia and reperf usion
S U N Zhi 2hua ,Z HA N G X ue 2j un ,Z HA N G Yun 2ti ng
3
(De partment of Radiology ,General Hos pital of Tianj in Medical Universit y ,Tianj in 300052,China )
[Abstract]　Objective To study the evolvement of ischemic penumbra (IP )on diff usion weighted imaging (DWI )and diffu 2sion tensor imaging (D TI )in rat model of acute cerebral ischemia and reperf usion.Methods Twenty 2five male Wistar rats were operated to develop middle cerebral artery occlusion model.The rats were divided into ischemia group and four reperfu 2sion groups after 0.5h ,1.5h ,2.5h and 3.5h (5rats in each group )respectively.In 0.5-24h ,T2WI ,DWI and D TI were performed.The values of apparent diff usion coefficient (ADC ),average diffusion coefficient (DCavg )and f ractional anisotropy (FA )in different area of ischemia region were measured.R esults Difference of relative ADC value and relative DCavg value within 9-12h ,relative FA value within 6h between central and peripheral parts of ischemia lesions had signif 2icance (P <0.05).Difference between 2.5h and 3.5h reperf usion groups and ischemia group had no significance (P >0.05).Conclusion It had characteristic disciplinarian in changes of ADC ,DCavg and FA.The present time window of is 2chemia penumbra may be 9-12h.The time window of effective reperf usion should be lower than 2.5h.[K ey w ords]　Ischemic penumbra ;Diff usion tensor imaging ;Cerebral ischemia and reperf usion
大鼠急性脑缺血2再灌注模型缺血半暗带的
磁共振扩散张量成像
孙志华,张雪君,张云亭3
(天津医科大学总医院放射科,天津　300052)
[摘　要]　目的　研究大鼠急性脑缺血2再灌注模型缺血半暗带(IP )的扩散加权成像(DWI )和扩散张量成像(D TI )演变规
律。

方法　制作大鼠大脑中动脉闭塞缺血模型。

分为永久缺血组,0.5h 、1.5h 、2.5h 和3.5h 4个再灌注组。

在0.5～24
h 内行T2WI 、DWI 及D TI 检查,测定缺血灶不同部位的ADC 、DCavg 、FA 值,计算病侧与对侧正常组织的相对值。

结果　
缺血核心与边缘区之间9～12h 内的rADC 和rDCavg 、6h 内的r FA 有显著性差异(P <0.05)。

2.5h 和3.5h 再灌注组与
永久缺血组组间分析无显著性差异(P >0.05)。

结论　大鼠MCAO 模型缺血灶ADC 、DCavg 、FA 值具有特征性演变规律;
IP 存在时间窗为9～12h ,再灌注的时间窗应小于2.5h 。

[关键词]　缺血半暗带;扩散张量成像;脑缺血2再灌注
[中图分类号]　R445.2;R 233　[文献标识码]　A [文章编号]　100323289(2007)0620823204
[基金项目]本研究受国家自然科学基金(30370434)和天津市社会发展
科技项目(033111211)资助。

[作者简介]孙志华(1976-),女,天津人,博士,主治医师。

研究方向:
神经影像学。

E 2mail :zhihuasun @
[通讯作者]张云亭,天津医科大学总医院放射科,300052。

E 2mail :cjr.zhangyunting @
[收稿日期]2006211226 [修回日期]2007205204
磁共振扩散成像在缺血性脑血管病中的应用已越来越得到临床重视,其中扩散加权成像(diffusion weighted imaging ,DWI )可在缺血后30min 内发现病灶,已成为常规影像检查,而扩散张量成像(diff usion tensor imaging ,D TI )的应用也逐渐被认识。

本文采用大鼠大脑中动脉闭塞的急性脑缺血2再
灌注模型,探讨缺血半暗带(ischemic penumbra ,IP )的DWI 和D TI 动态演变规律。

1　材料与方法
1.1实验动物分组　实验动物为雄性Wistar 大鼠25只,体
重280～300g 。

分为永久缺血组,0.5h 、1.5h 、2.5h 、3.5h 再灌注组,每组5只。

检查时间点分别为:0.5h 、1h 、2h 、3
h 、4h 、5h 、6h 、12h 、15h 、24h 。

1.2模型制作　参照Zea 2Longa 法改进后制作大鼠大脑中
动脉闭塞缺血模型。

麻醉后,颈部正中切口,暴露分离左侧颈总动脉、颈内动脉、颈外动脉,于颈外动脉分出翼腭动脉处将其结扎。

在颈总动脉距分歧部约18mm 处用胰岛素注射针穿刺,将直径0.26mm 的尼龙线送入颈总动脉,进线18mm
后在远侧结扎颈总动脉及尼龙线。

再灌注组将线向外抽拉
15mm 左右使大脑中动脉形成再通。

以DWI 上左侧大脑中动脉供血区出现高信号作为模型制作成功的标准。

1.3扫描参数及数据处理　使用GE 1.5T TwinSpeed Infi 2uity wit h Excite I 超导型磁共振成像系统,3inch 表面线圈,轴位扫描(相当于鼠脑冠状位),层厚3mm ,层间隔0mm ,FOV 8cm ×8cm 。

T2WI (TR/TE/N EX 4000ms/102ms/2),矩阵256×256。

DWI 为单次激发EPI 脉冲序列,b 值1000s/mm 2,TR/TE/N EX 6000ms/106.5ms/4,矩阵96×96。

D TI 为13个方向的扩散权重采集,TR/TE/N EX 6000ms/93.6ms/4。

图像后处理采用GE Advantage Windows 工作站Func 2tool 2软件。

DWI 图像重建表观扩散系数(apparent diffusion coefficient ,ADC )图,D TI 重建平均扩散系数(average diff u 2sion coefficient ,DCavg )图、部分各向异性(fractional anisot 2ropy ,FA )图。

在DWI 图像上取4点兴趣区(region of interest ,ROI ),均为2mm ×2mm 。

1点为中心区,3点为边缘区,2点为1、3点的中点;4点为高信号邻近的正常信号区。

测量DCavg 、FA 值。

为避免梗死部位差异对实验结果的影响,计算时采用病变侧与正常对侧的比值,即相对ADC (relative ADC ,rADC )、相对DCavg (relative DCavg ,rDCavg )、相对FA (rel 2ative FA ,r FA )。

采用SPSS 11.0统计分析软件包进行统计学处理,以P <0.05为差异具有显著性。

2　结果
2.1大鼠脑缺血再灌注模型的DWI 、D TI 演变规律　永久缺血组及各时间点再灌注组缺血灶不同区域的rADC 、rDCavg
、
图1　永久缺血组rADC
演变趋势示意图
图2　永久缺血组rDCavg
演变趋势示意图
图3　永久缺血组r FA 演变趋势示意图
r FA 变化趋势相近:30min 即可发现1、2、3点rADC 、rDCavg
下降,但下降程度不同,1点下降最明显,其次为2、3点。

6～
9h 时rADC 、rDCavg 上升,后再度下降,4点rADC 稍低于正常,起伏不大(图1、2);9h 内1、2、3点r FA 高于正常,约9h 后下降,低于正常,4点r FA 稍高于正常(图3)。

2.2各组内不同时间点的rADC 、rDCavg 、r FA 的单因素方差分析　4点与1、2、3各点间rADC 、rDCavg 、r FA 均存在显著性差异(P <0.05);1、2、3各点间rADC 、rDCavg 、r FA 统计学结果见表1～3。

表1　各组内不同时间点rADC 的单因素方差分析结果
1点与2点间
1点与3点间
2点与3点间永久缺血组<3h <9h 3～9h 0.5h 再灌注组<3h <9h 2～9h 1.5h 再灌注组<5h <9h 3～12h 2.5h 再灌注组3h <9h 3～9h 3.5h 再灌注组
4h
<9h
4～9h
　注:表中所示时间点之内有显著性差异(P <0.05)
表2　各组内不同时间点rDCavg 的单因素方差分析结果
1点与2点间
1点与3点间
2点与3点间永久缺血组<3h <12h 3～9h 0.5h 再灌注组<5h <12h 2～9h 1.5h 再灌注组<5h <9h 3～12h 2.5h 再灌注组3h <12h 3～12h 3.5h 再灌注组(-)
<12h
6h 、9h
注:表中所示时间点之内有显著性差异(P <0.05);(-)为各时间点
均无显著性差异
表3　各组内不同时间点r FA 的单因素方差分析结果
1点与2点间
1点与3点间
2点与3点间
永久缺血组
<3h <5h <6h 0.5h 再灌注组<3h <5h <5h 1.5h 再灌注组<4h <6h <9h 2.5h 再灌注组3h 3h 、6h <6h 3.5h 再灌注组(-)
5h
<6h
注:表中所示时间点之内有显著性差异(P <0.05);(-)为各时间点
均无显著性差异
2.3永久缺血组与再灌注组组间分析　rADC 、rDCavg 组间
单因素方差分析结果类似:1、4点各组间均无显著性差异(P
>0.05),永久缺血组、0.5h 、1.5h 再灌注组与2.5、3.5h 再
灌注组的2、3点间:5～9h 、5～12h 有显著性差异(P <
0.05)。

永久缺血组与0.5h 、1.5h 再灌注组的2、3点间:3～6h 、3～9h 有显著性差异(P <0.05)。

永久缺血组与2.5h
再灌注组、3.5h 再灌注组:5h 的2、3点有显著性差异(P <
0.05)。

0.5h 与1.5h 再灌注组:4～9h 的2、3点有显著性
差异(P <0.05)。

2.5h 与3.5h 再灌注组:5h 的2点有显著性差异(P <0.05)。

r FA 组间单因素方差分析:各组的1、4点、永久缺血组与2.5h 、3.5h 再灌注组的2、3点均无显著性差异(P >0.05)。

永久缺血组、0.5h 和1.5h 再灌注组与2.5h 、3.5h 再灌注组的2、3点间:6～9h 内有显著性差异(P <0.05)。

0.5h 与1.5h 再灌注组的2、3点间:3～9h 内有显著性差异(P <
0.05)。

0.5h 、1.5h 再灌注组与2.5h 、3.5h 再灌注组2、3
点间:4h 内有显著性差异(P <0.05)。

2.4缺血灶面积变化　24h T2WI 显示缺血灶均小于30
min DWI 高信号区。

1.5h 再灌注组缺血面积变化最明显(图4),其次为0.5h 再灌注组,永久缺血组、2.5h 、3.5h 再
灌注组减小不明显(图5)。

3　讨论
3.1大鼠脑缺血再灌注模型缺血灶的DWI 、D TI 演变规律　
缺血早期,脑血流量下降导致细胞缺氧及能量代谢障碍,
直接
图4　1.5h 再灌注组缺血面积变化　A 、C 、E 为缺血30min ADC 、
DCavg 、FA 图;B 、D 、F 为缺血24h ADC 、DCavg 、FA 图。

示缺血面积
缩小,FA
图显示缺血边界不清
图5　缺血灶面积对比分析　A 、B.永久缺血组;C 、D. 1.5h 再灌注组。

A 、C 为DCavg 图;B 、D 为T2WI 示1.5h 再灌注组缺血灶减小明显,永久缺血组减小不明显
抑制Na 2K 2A TP 酶的活性,K +大量外流,Na +、Ca 2+向细胞内
流入和聚集,形成细胞内高渗状态,则大量细胞外液进入细胞内,引起细胞毒性水肿,表现为水分子扩散能力大大降低[1,2],ADC 、DCavg 减低,与本实验结果相吻合。

6～9h 时出现了ADC 、Dcavg 一过性升高,可能因鼠脑侧支循环丰富,侧支循环建立后导致血管内充血,血管的通透性增加,从而扩散受限得到一定改善。

但随着血管内皮细胞损伤,血脑屏障破坏,转变为血管源性水肿,水分子扩散持续受限,ADC 、DCavg 也就明显减低。

缺血后,反映扩散各向异性的FA 减低,提示存在神经元变性及脱髓鞘改变[3]。

本研究各组9h 内均出现了FA 升高,可能因为细胞毒性水肿导致髓鞘纤维肿胀,纤维束间隙减小,扩散的各向异性增高,FA 升高。

9h 后FA 即减低,是由于细胞结构的破坏导致组织微观结构正常顺序的丧失,造成各向异性显著降低,提示缺血已趋向于不可逆。

本研究中观察FA 变化明显不如DCavg 变化规律明显,可能为:①鼠脑皮层下中枢的往返纤维联系不如人类丰富,纤维束较少,而FA 受纤维束走行的影响大,因此变化不大;②鼠脑体积小,兴趣区选择无法判断为白质或灰质,而白质各向异性高于灰质,则会影响FA 变化。

总体观察,鼠脑急性缺血ADC 、DCavg 、FA 随时间的变化趋势经历三个阶段:①ADC 、DCavg 降低,FA 升高,提示细胞毒性水肿;②ADC 、DCavg 假性升高,FA 升高,提示侧支循环建立;③ADC 、DCavg 、FA 降低,提示血管源性水肿,缺血趋向于不可逆。

3.2缺血半暗带的DWI 、D TI 演变规律　IP 是指能量代谢保存而血供受抑制的区域[4,5]。

多数学者认为广义的IP 位于严重缺血区周围的低灌注区,处于动态变化过程,有利的条件下可转化为正常灌注区,不利的情况下转化为梗死区,提示
IP是急性脑梗死治疗的主要目标。

多种影像学检查技术(如MR扩散2灌注成像,MRS,PET等)均提示梗死边缘区存在IP,但对其存在形式和时间的表现各异[628]。

既往学者认为IP 的治疗时间窗为6h,近来多数学者认为其要长于6h[9]。

本研究发现,早期中心rADC、rDCavg比值高于边缘,提示梗死由中心向边缘进展。

1点即梗死中心区各时间点无差异,提示其大部分为坏死组织。

1、2点间3h内有差异,1、3点间12h内有差异,2、3点间3～12h内有差异,提示2、3点区存在IP,但其存在时间窗不同,靠近梗死核心区的部位IP 存在时间短(约3h),而梗死边缘区IP存在时间稍长,本研究IP的最长时间窗为12h。

r FA比值1、2点及1、3点间3h内有差异,2、3点间6h内有显著性差异,提示IP存在的时间窗最多为6h,提示FA判断IP不如DCavg敏感。

梗死周边正常信号区(4点)与对侧正常区之间有差异, ADC、DCavg值轻度减低,FA值轻度增高。

有学者称其为广义的、由损伤刺激引起的“慢性半暗带”,也可称为损伤反应区,可从缺血早期直到缺血后2周持续存在,可能与缺血区释放的炎性因子作用和炎性细胞浸润有关,但其与IP不同,不会进展为梗死灶[10]。

3.3缺血后再灌注时间对于缺血半暗带的影响　多数学者认为早期干预性再灌注的时间窗为2～3h内[10],其作用具有“两面性”:一是有效侧支循环的建立,可挽救IP;二是再灌注损伤产生的氧自由基等可以导致氧化性DNA损伤,可通过启动凋亡程序而引起细胞凋亡[11,12]。

因此这就涉及到了再灌注的有效期,即再灌注时间窗。

本研究中DWI和D TI参数的组内和组间检验显示,2.5 h和3.5h再灌注组组内分析结果大多与永久缺血组相同,其组间分析大多无差异,提示2.5h后再灌注已无太大意义,再灌注时间窗应小于2.5h。

而0.5h、1.5h再灌注组与永久缺血组、2.5h和3.5h再灌注组的2、3点间6～9h内部分有差异,说明缺血0.5h或1.5h再灌注对于缺血的恢复是有一定意义的。

另外,缺血24h与30min的面积比也显示0.5h、1.5h再灌注组缺血灶减小明显,与其他几组间有差异,而永久缺血组、2.5h和3.5h再灌注组减小不明显,三者间无明显差异,这也提示前二者再灌注恢复的IP面积大于后三者, 0.5h和1.5h再灌注是有效的。

IP的存在是再灌注时间窗的理论基础,但统计学结果显示IP持续至缺血后9～12h,而再灌注时间窗却不超过2.5 h,似乎两者存在矛盾,但这也恰恰说明再灌注的双重效果,并非否定了再灌注时间窗外IP的存在。

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