隨著全球老齡化的進程的加快，阿爾茨海默病、帕金森病和多發性硬化等神經退行性疾病，已成為老齡化社會急需解決的重大健康議題[1-3]。
越來越多的研究結果表明，小膠質細胞和星形膠質細胞的持續激活引起的慢性神經炎症，強烈影響神經退行性病，並促進疾病進展。因此，科學家認為目前需要解決的主要問題是，開發針對神經膠質細胞的療法，以抑製炎症反應，延緩或逆轉疾病的進展[4-6]。
基於以上願景，如何實現對腦內膠質細胞炎症反應進行持續監測，並以此提供診斷神經退行性疾病的生物標誌物成為了熱門話題。
近日，由西班牙UMH-CSIC神經科學研究所的Silvia De Santis和Santiago Canals領銜的研究團隊，在著名期刊《科學·進展》上發表了一篇開創性研究成果。
他們成功實現了運用磁共振成像技術，記錄體內小膠質細胞、星形膠質細胞的激活反應[7]。這一研究成果，讓我們首次有了大腦神經炎症可視化的成像技術。
鑒於神經係統疾病活檢取樣的困難，到目前為止，神經係統疾病的診斷主要依靠CT、MRI和PET等影像學技術。
目前，診斷神經炎症的“金標準”是基於18-kDa的正電子發射掃描(PET)檢查。不過，由於不同個體結合基因型的不同、PET檢查過程中的輻射暴露、空間分辨率低和對小結構成像能力差等問題，極大地限製了其使用和推廣[8]。
而彌散加權磁共振成像(dw-MRI)捕捉腦實質中水分子的隨機運動的成像原理，使其具有獨特的無創、高空間分辨率的體內腦微觀結構的成像能力。
有研究人員根據這一特性，圍繞MRI序列展開了一係列研究，不過目前的設計主要針對白質和軸突，無法區分這些結構分別來自哪種類型的細胞。由於不同種類的神經退行性疾病機製各異，涉及特定的細胞群，不同類型的細胞群在疾病的病因和進展中發揮著的特異性的作用，因此實現成像的細胞種類特異性是至關重要的。
然而，到目前為止，還沒有一項技術能實現對體內小膠質細胞和/或星形膠質細胞特異性成像。
已有的研究通過將先進的dw-MRI序列與基於腦實質細胞形態學知識的數學模型相結合，測量特定組織間隙，甚至細胞類型的擴散特征[9]。
基於以上的想法，Santis團隊利用小膠質細胞和星形膠質細胞形態學知識，開發了一套新的磁共振成像序列，通過構建微觀結構的多室組織模型，實現了記錄灰質中小膠質細胞和星形膠質細胞激活反應的能力。
下麵我們來看一下科學家們是如何巧妙地實現了這一想法。
首先研究人員根據小膠質細胞和星形膠質細胞的組織學形態，建立了以相應的球體(sphere)大小和棒狀(stick)分支為基礎的灰質擴散模型。
簡單來說，激活狀態下的小膠質細胞呈“阿米巴樣”，其模型為小球體和棒狀分支，小球體模擬dw-MRI時小膠質細胞胞體中的水彌散程度，徑向分支的棒狀結構模擬小膠質細胞發出分支的彌散參數;大球體模擬激活狀態下的星形膠質細胞。
小膠質細胞灰質擴散模型(上)和星形膠質細胞灰質擴散模型(下)
最後通過采集並分析表示膠質細胞大小的集球體半徑(sphere radius)，表示膠質細胞發出分支的棒子體積分數(stick fraction)，表示炎症發生或消退期間發出分支數量的棒子彌散程度(stick dispersion)，以及表示炎症發生或消退期間膠質細胞數量的組織體積分數(tissue fraction)等參數，以區分灰質中的小膠質細胞和/或星形膠質細胞激活與否。
模型參數確定以後，科學家們利用組織免疫化學染色和dw-MRI，對這個模型進行了比較驗證。
實驗設計
首先，科學家們運用Iba-1+免疫組織化學染色和dw-MRI，比較分析小膠質細胞的激活反應過程。
在注射炎症誘導劑脂多糖(LPS)後的不同時間點，組織Iba-1+細胞的組織形態學分析顯示，在8小時內，小膠質細胞快速反應，組織密度(process density)、細胞體積(cell size)和組織彌散程度(process dispersion)發生顯著變化，並持續至24h。
當同時使用LPS和小膠質細胞耗竭劑(PLX5622)，或者在LPS單獨誘導的炎症反應2周自行消失後，則未檢測到上述的膠質細胞形態學變化。
此外，當觀察個體間的差異時，他們發現在所有測量時間點(8h和24h)，MRI記錄的參數與其對應的樣本組織學變化之間，都存在很強的相關性，8h的相關係數r2=0.997(p=0.0026)，24h的相關係數r2=0.9381(p=0.0314)。
Iba-1+免疫組織化學染色和dw-MRI相關性分析
以上結果證明了dw-MRI能夠記錄體內小膠質細胞激活反應，及其恢複後的特異性信號。
接下來研究人員運用GFAP免疫組織化學染色和dw-MRI，比較分析星型膠質細胞的激活反應過程。
與小膠質細胞不同的是，在LPS注射8h後，免疫組織化學染色顯示星形膠質細胞的密度和形態沒有發生明顯變化，但24h後其體積明顯增大，2周炎症反應自行消失後該現象也隨之消失。而且，在注射小膠質細胞耗竭劑(PLX5622)後，星形膠質細胞體積明顯增大的現象仍然存在(圖C)。
dw-MRI的大球體積參數發生了同GFAP一致的時間依賴性變化(圖D)。當觀察個體間的差異時，他們同樣發現在所有測量時間點，MRI記錄的參數與其對應的樣本組織學變化之間存在很強的相關性，相關係數r2=0.926(p=0.0375)。
GFAP免疫組織化學染色和dw-MRI相關性分析
一般來說，神經係統炎性疾病的病因大致可分為兩類：一類是由神經元細胞自發凋亡和/或壞死誘發，進而促進神經係統的固有免疫加速疾病的進展;另一類是除神經元細胞變性以外的物質，引起腦組織的單純炎症反應。不難看出，將伴隨神經變性的炎症反應和單純炎症反應區分開，對於發病原因的鑒別診斷具有重要意義。
隨後研究人員嚐試能否用他們開發的模型將二者區分開。他們將一組動物的左側大腦半球注射神經毒素鵝膏蕈氨酸(IBO)，右側大腦半球注射生理鹽水，該組動物的左側大腦出現了神經變性，右側大腦則作為生理狀態下的自身對照。2周後進行MRI成像和NeuN免疫組織化學染色比較分析。
實驗設計
實驗結果表明，與LPS引起的單純炎症反應(小膠質細胞激活)在2周後消失不同，因IBO介導的神經元變性所引起的小膠質細胞激活狀態持續存在(圖A)，並且所引起的MRI參數也有明顯不同之處。
例如，IBO處理組的dw-MRI棒子體積分數(stick fraction)和組織體積分數(tissue fraction)參數顯著降低;但小球半徑(small sphere radius)、小球體積分數(small sphere fraction)和棒子彌散程度(stick dispersion)明顯升高(圖C)。
以上結果表明，可以用dw-MRI結果中的小球體參數和組織密度參數，將單純炎症反應和伴隨神經變性的炎症反應區分開。
為了進一步驗證模型的可靠性，研究人員又嚐試使用神經保護劑米諾環素(minocycline)後，是否能觀察到相應的組織學變化和理想的MRI參數變化。結果也非常理想，Neun染色證明了米諾環素對IBO誘導的神經元變性的保護作用，並且MRI參數組織密度也捕捉到了這種效應(圖D)。
上述結果說明，dw-MRI能夠區分單純炎症反應和伴隨神經變性的炎症反應。
Neun免疫組織化學染色和dw-MRI相關性分析
為了進一步探究該模型向臨床應用轉換的可重複性和有效性，研究人員在人體中進行了驗證。
結果表明，該模型在同一受試者身上的變異係數(CoV)值在1.5-8%之間，在不同受試者之間的CoV值在2.6-15%之間，這些值均在臨床常規使用的MRI測量值範圍內，說明這個模型具有診斷價值。
此外，多元線性回歸模型顯示，組織學結果和MRI參數之間存在顯著相關性(p=0.03)。
