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方法：27例cSVD患者分别接受了动态磁敏感增强和动态对比增强MRI以评估CBF和BBB通透性（包括渗漏率和渗漏量）。结构MRI用来分割外观正常的白质（NAWM）和WMH。使用Pearson相关分析探索在NWMH和WMH区域内BBB通透性与CBF的相关性。 结果：我们发现在靠近WMH的病灶周围区域处，CBF降低了2.2 mL/min/100 g（p<0.01），BBB每mm的渗漏量增加0.7%（p<0.01）。在NAWM和WMH中，较低的CBF值与较高的BBB渗漏量相关（-0.53<r<-0.40, p<0.05）。在病灶周围区域也观察到这种相关性，且相关性变得更强（p=0.03）。 结论：BBB损伤和低灌注出现在WMH和NAWM中，并且两者是相关的。BBB和CBF量均受神经血管单位（NVU）的调节，这种联系可能是由于NVU的生理调节所致。这暗示着在CSVD早期可能存在着NVU（神经血管单位）整体功能紊乱。本文发表在Neurology杂志。
背景： 脑小血管疾病（cSVD）是由多种病因引起的多种病理改变的综合征，它主要影响脑内的小动脉、微动脉、小静脉、微静脉和毛细血管。MRI可见的脑白质高信号（WMH）是cSVD的常见影像特征。既往研究发现包括低灌注、血脑屏障（BBB）通透性增加等几种机制与WMH相关。 BBB通透性和脑血流量都由神经血管单元（NVU）调控。该单位主要由神经和血管细胞组成，包括内皮细胞、基底层、星形胶质细胞及其端足、神经元、中介神经元及其轴突、周细胞和平滑肌细胞。NVU的主要功能是神经血管偶联，即通过调节血液循环中的能量代谢物、营养物质和氧气的供应来保证大脑活动的能量需求。 BBB功能障碍和脑灌注不足之间的相关性已经在阿尔茨海默病中证实。然而，目前尚不清楚这种关系是否在cSVD同样存在。因此，本研究旨在评估cSVS患者的BBB通透性和CBF，试图探索它们之间的相关性，以及它们与WMH和WMH周边区域的相关性。 方法： 研究人群：研究人群来自于一个针对早期BBB损伤研究的大型cSVD队列（n = 77）。 入组标准为：①发生首次腔隙性卒中，②被诊断为轻度血管认知功能障碍（VCI）。尽管VCI是慢性症状，而腔隙性卒中是急性事件，但这被认为是老化和血管性危险因相关的cSVD最重要的2种临床表现。研究纳入了2013年4月至2014年12月期间来自马斯特里赫特大学医学中心和Zuyderland医学中心的患者。从该队列中，我们选择了所有接受过动态对比增强（DCE）MRI和动态磁化率对比（DSC）MRI的患者（n = 27，69 ± 12岁，63%为男性，54%患高血压，19%患糖尿病，81%患高胆固醇血症，19%为吸烟者，BMI为26.4 ±4.0）。 成像方案： 所有参与者均使用32通道的头部线圈进行MRI扫描成像（3.0T，Achieva TX;Philips Healthcare，Best，Netherlands）。 结构影像：主要包括T1加权序列（TR/TI/TE = 8.3/800/3.8 ms; FOV 256 × 256 × 160 mm3; voxel 1.0 mm3）。和T2加权液体衰减反转恢复（FLAIR）序列（TR/TI/TE = 4.800/1.650/299 ms; FOV250 × 256 × 180 mm3; voxel 1.0 mm3）。 DCE-MRI：使用双时间分辨率的DCE-MRI序列进行动态成像，该序列由2个积分饱和恢复梯度召回序列组成，主要差异在于动态扫描间隔和空间分辨率。第一个序列（DSI 3.2秒，TR/TE = 5.6/2.5 ms，翻转角30°，FOV 256 × 200 × 50 mm 3，体素2 × 2 × 5 mm3，SENSE因子2，29次图像扫描，包括9个造影前扫描，持续时间1:33分钟）在造影剂注射（钆布醇，0.1 mmol/kg，肘前静脉注射，速率3 mL/s，然后用20 mL生理盐水冲洗）期间进行扫描，用来测量由于造影剂早期循环阶段引起的快速信号变化。使用第二个序列（DSI 30.5秒，TR/TE = 5.6/2.5 ms，翻转角30°，FOV 256 × 256 × 100 mm3，体素 1 × 1 × 2 mm3，SENSE因子2，45次图像扫描，包括3个预造影扫描，持续时间22:53分钟）组织中造影剂的缓慢外渗进行采样。由于脑室周围区域是cSVD患者最敏感的区域，因此，两个序列在空间上与脑室周围区域重叠。动态成像前，采用了原始脑组织的T1图急性标测，以便将对比增强信号强度时间序列转换为组织浓度。 DSC-MRI：DCE-MRI扫描后，进行DSC-MRI扫描。采用与DCE-MRI相似的注射造影剂参数，使用3D梯度回波序列（principles of echo-shifting with a train of observation，PRESTO）获得75次图像扫描，在第11个时间点开始时注射造影剂（DSI 1.56秒，TR/TE 20/30ms，翻转角8°，FOV 240 × 190 × 105 mm3，voxel 1.9 × 1.9 × 3.5 mm3，持续时间1:57分钟）。 图像数据分析： 通过将钆剂注射后的DCE和DSC-MRI图像与钆剂注射前的DCE-MRI图像对齐进行头动校正（FSL v5.015）。在下文中，解释了DCE-MRI 11 -13和DSC-MRI 11的定量测量的计算。 DCE-MRI分析：DCE-MRI数据分析包括药代动力学建模和直方图分析。使用Patlak图解法计算Ki的体素值。选择上矢状窦中作为血管输入函数。由所有Ki值计算直方图，并进行噪声扣除。简而言之，基于Ki直方图的负尾计算噪声分布。减去噪声分布得到正Ki直方图，用来反映可测量的BBB泄漏率。通过量化直方图曲线下的剩余面积计算泄漏量（vL），并将泄漏率Ki计算为包括所有体素经噪声校正直方图的平均值。在本文中，vL表示BBB渗漏的空间范围，Ki表示BBB渗漏的速率。 DSC-MRI：使用基于体素的方法计算CBF。CBF通过使用块循环奇异值分解算法计算，其中将低于最大奇异值10%以下的奇异值设置为零。选择大脑前动脉作为用于血流评估的动脉输入函数。为了进一步避免颅内大血管的影响，排除>10%脑血流值的体素。 感兴趣区（ROI）分析和测量： 将T1加权图像和FLAIR图像与注射造影剂前的DCE-MRI图像进行配准。随后，使用Freesurfer将白质从灰质中分割出来，使用半自动方法将WMH从外观正常的WM（NAWM）中分割出来，随后由两名专业的神经科学家进行视觉检查。由此产生了3个ROIs：NAWM（外观正常的白质）、WMH和GM。对于空间分析，通过在WMH区域使用5个逐渐扩张的2 mm宽的Mask进行分割，将NAWM分为5个病灶周围区域（图1）。对于所有ROIs，计算Ki、vL和CBF平均值。耦合系数（α）定义为BBB渗漏测量值与CBF之间的回归斜率，对5个WMH周围区域分别进行计算。  统计分析： 使用回归分析评估每个WMH周围区域的 BBB渗漏（Ki和vL）和CBF的绝对值。此外，通过计算Pearson相关系数（r）和耦合系数（α）研究BBB渗透与CBF之间的关系，并根据年龄和性别进行调整。对NAWM、GM和WMH进行所有相关性分析。如果在NAWM中观察到BBB渗漏值与CBF之间存在显著相关性，则使用线性回归法研究耦合系数（α）与距WMH距离的函数关系。以p<0.050作为统计学显著的标准。所有统计分析均使用SPSS软件（版本22，IBM，Armonk，NY）进行。 结果： 表1展示了所有cSVD患者的所有ROIs的CBF、BBB渗漏量vL和BBB泄漏率Ki的平均值，图2示例展示了cSVD患者CBF和BBB渗漏率Ki的标测图。图3展示了WMH病灶周围区域的CBF、BBB渗漏量vL和BBB渗漏率Ki的平均值。 表1. 所有cSVD患者的所有ROIs的CBF、BBB渗漏量vL和BBB泄漏率Ki的平均值
图2. 脑血流量和BBB渗漏率标测图 BBB渗漏 WMH的BBB渗漏量vL显著高于NAWM（平均值[95% C] 6.5 [1.3, 11.7]%，p = 0.016）。WM的BBB渗漏量vL显著高于GM（NAWM: 14.2 [11.1, 17.2]%; MWH: 20.7 [15.3, 26.0]%，p<0.001）（表1）。WM的BBB渗漏率Ki高于GM（NAWM: 0.8 [0.4, 1.1] × 10-4min-1, p<0.010; WMH: 1.0 [0.5, 1.5] × 10-4min-1, p<0.010）。在WMH的病灶周围区域，仅观察到BBB渗漏量vL的线性关系，而BBB渗漏率Ki无显著线性关系。越靠近WMH边界，渗漏量vL每mm增加约0.7%（95%CI 1.0%, 0.4%, p<0.01）。 脑血流量 WMH的CBF显著低于NAWM(平均值[95% C] -20.4 [-25.2, -15.6] mL/min /100g, p <0.001)。WM的CBF显著低于GM(NAWM:-32.2 [-35.8, 28.6] mL/min /100g, p<0.001; WMH: -52.6 [-57.4, -47.8], p<0.001)。在病灶周围区，每靠近WMH外缘1mm，CBF值下降2.2(95%CI 2.0, 2.4, p<0.01) mL/min/100g。  对于WMH（即，0 mm）和随着与WMH的距离增加的正常外观白质中的病灶周围区的 (A)CBF、（B）BBB渗漏量和（C）BBB泄漏率。绘制每个病灶周围区域平均值的相应回归线。随着与WMH距离的增加，CBF值呈线性增加（y = 58.5 + 2.2x，p<0.01），BBB渗漏量呈线性减少（y = 46.1-0.7x，p<0.01）。未观察到病灶周围区域的BBB渗漏率存在显著线性关系（p = 0.69）。 脑血流量与BBB通透性的关系 表2显示了脑内不同区域BBB渗漏测量值和CBF的Pearson相关系数r和耦合系数α。NAWM和WMH中较高的BBB渗漏量vL与较低的CBF相关（图4）。NAWM和WMH中较高的渗漏率Ki与较低的CBF相关（图4）。 对于WMH的病灶周围区域，观察到与NAWM中发现的更大的BBB泄漏量vL和更高的泄漏率Ki与更低的CBF的类似关系。泄漏率Ki和CBF之间的耦合系数α随着靠近WMH每mm增加0.17 × 10-6 1/(mL × 100 g)(p = 0.03)，泄漏量vL和CBF之间的耦合系数α没有观察到显著的相关性。   讨论 在这项纳入了症状性cSVD患者的研究中，我们探索了BBB通透性和CBF的关系。研究发现BBB破坏和CBF降低在WMH区域内或WMH病灶附近最强，在距离WMH较远时变得不那么明显。此外，研究还发现，在NAWM和WMH中，BBB破坏（渗漏率和渗漏量增加）与CBF呈负相关关系，这种关系在靠近WMH的组织区域最强。 在WMH中，观察到比NAWM和GM更严重的BBB破坏（更高的渗透率和渗漏量）。在WMH附近，BBB渗漏量似乎最大。这与先前研究中观察到的在WMH区域内BBB通透性增加一致。并表明在NAWM中，随着越来越接近WMH，BBB受损程度越来越大。WMH的扩张主要发生在其边界处。总之，目前研究表明BBB损伤可能发生在WMH形成之前的。这一结果符合以下假设，即BBB渗漏可能导致血管周围水肿所引起的WM损伤：BBB通透性增加可能导致血源性物质的积累，引起血管周围水肿，进而引起脑细胞中毒，最终导致白质脱髓鞘，正如在WMH中所观察到的。 WMH的CBF平均值比NAWM低26%，这表明WMH病变中存在低灌注的现象。这与既往在脑白质疏松症患者中使用DSC-MRI的研究一致。本研究结果还表明WMH病灶周围存在CBF减少的现象，在距离WMH外边界更远的区域CBF逐渐恢复正常。因此，即使在影像学表现正常的WM区域内，在WMH附近的脑组织的生理学也是异常的，这与既往发现WMH形成前存在CBF降低的纵向研究一致。CBF调节受损涉及一种通过微血管的血管壁结构改变的可能的病理生理学机制，包括小动脉管腔变窄和血管壁增厚。血管壁的结构改变可通过影响血管的舒缩功能而影响血流动力学，最终导致远端供血区域低灌注。这些区域最容易受到血液供应减少的影响，并可能出现结构性脑损伤。 在本研究中，我们发现两种BBB渗漏测量方法（即：渗漏量和渗漏率）与所有脑组织区域内的CBF呈负相关关系，即较强的渗漏值与较低的CBF相关。在距WMH较远的病灶周围区域，这种联系变得较弱。在下文中，我们提出了几项原因来解释本研究的结果。 如果仅考虑正常老化过程中血管本身（即没有调节机制和细微的BBB损伤），则理应存在正相关关系，因为CBF降低将导致造影剂供应减少，并因此导致造影剂泄漏减少。我们提出了几种可能解释BBB渗漏和CBF之间负相关关系的机制。首先，较低的CBF会产生更低的剪切力，这有助于紧密链接的低表达，因此可能导致BBB具有更高的通透性。第二，较低的CBF可能导致低氧，低氧会诱发多种机制的激活，包括BBB通透性增加，从而避免脑组织受到低氧的损伤。 我们的研究提示BBB破坏和CBF降低之间存在相关性，但是尚不能做出任何因果推断。尽管如此，目前的研究仍然表明两者都参与了cSVD的病理生理学。BBB和CBF都由NVU调控。BBB破坏和CBF降低之间的联系表明NVU中的某一个功能性的缺陷都可能影响NVU中其他的元素。这提示着在cSVD中NVU的早期的整体损伤，并且与其他研究一致，这些研究表明NVU的多种成分，包括细胞外基质、血管平滑肌细胞和周细胞，均可能在cSVD中被破坏。此外，鉴于随着与WMH的距离越近，BBB损伤和CBF降低之间的关联强度越大，我们认为NVU损伤可能与WM结构性损伤有关。最近的研究也提出了一个类似的观点，即NVU的损伤是一个病理循环，最终导致包括WM损伤在内的级联损伤。9未来的研究应进一步研究NVU中高度复杂的机制，并以纵向方式研究BBB渗透性和脑灌注不足，以进一步确定它们之间的因果关系。未来的干预措施可能旨在抵消cSVD的功能丧失，以保留WM。此外，BBB和CBF的测量指标可以作为定量的神经影像学生物标志物来检测这些干预措施的有效性。研究还表明，BBB损伤和CBF降低可能与早期整体NVU损伤背景下的WM变性有关。 需要更多的研究来进一步确定BBB破坏和CBF降低之间的确切联系。这种联系同样意味着我们可以选择任意一个作为目标（BBB损伤或低灌注）进行间接地cSVD的治疗。例如，BBB完整性的维持可以通过控制血管危险因素来更好地控制血管状况（例如高血压，可以使用抗高血压药物或戒烟来控制）。 在本研究中，采用了一种专用技术来测量BBB的细微渗漏。DCE-MRI序列包括快速序列和慢速序列，分别用于测量造影剂的进入、准确评估血管输入功能和脑组织中造影剂的缓慢外渗。此外，本研究的另一个优势是进行了空间病灶周围分析，显示了WMH周围的外观正常WM区域的功能变化。 本研究也有一定局限性。首先，本研究是一项探索性研究，研究人群不多，因此，应谨慎解释我们的结果。尽管如此，本研究在使用MRI研究BBB损伤和CBF减少之间的可能关系方面显示了有前景的结果。未来研究这两种机制之间的相关性应该纳入更多的受试者。第二，对于对比度增强MRI，不同的血管被用来作为血管输入函数，尽管这是对每个方法最好的选择。不同血管输入功能对BBB通透性和CBF之间的联系的影响应该进一步研究。第三，本研究人群的CBF水平似乎高于既往文献，这可能是由用于确定CBF绝对值的不同测量或分析方法引起的。然而，我们使用了Haar等人研究中描述的方法，我们的结果与之相当。此外，我们对整个研究人群使用了相同的方法，得出的相关性不依赖于CBF值的大小。第四，耦合系数α的确定是基于多名参与者的BBB渗漏测量值和CBF之间的回归分析，这表明CBF较低的参与者存在更严重的BBB损害。本研究所观察到的BBB和CBF之间的相关性表明涉及NVU的生理调节机制可以补偿供氧或代谢物缺乏。然而，本研究尚未证实同一受试者的BBB通透性和低灌注是否真正动态耦合，仍然需要纵向队列进一步探索。最后，因为我们选择了轻度认知障碍的患者，一些患者可能存在一些早期阿尔茨海默病病理，这可能混淆了我们的结果。然而，我们基于广泛的神经心理学评估、患者病史、MRI体积异常（即：明显的海马萎缩）进行了患者的筛选与排除。 结论： 本研究证实了cSVD患者中存在神经血管单元功能障碍，主要表现为BBB破坏和脑灌注不足，以及它们在WM和WMH病灶周围区的关系。BBB渗漏和CBF降低的联系可能暗示着在cSVD中NVU的早期总体恶化。未来关于cSVD中WMH的研究应考虑NVU损伤背景下的多种功能障碍。 |
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