通过可变延迟多脉冲化学交换饱和转移磁共振成像技术（Variable delay Multipulse-Chemical Exchange Saturation Transfer MRI），在APP/PS1小鼠体内评估微波电磁场的影响

《Neurochemistry International》：Assessing Effects of Microwave Electromagnetic Field in APP/PS1 Mice by In Vivo GABA-weighted Imaging via Variable delay Multipulse-Chemical Exchange Saturation Transfer MRI

阿尔茨海默病小鼠模型经微波电磁场治疗后，通过VDMP-CEST MRI和病理验证发现其显著提升海马区GABA水平，机制涉及AQP4极化促进、Aβ沉积减少及神经元退化改善，认知功能测试显示治疗有效，证实VDMP-CEST是有效的在体GABA成像技术。

　　

刘思琪|程燕|张小蕾|沈园宇|吴硕华|陈月|史大发|庄彩玉|陈北北|钟亚志|王欣欣|文雅琪|郑新辉|贾彦龙|关继天|严根|吴仁华

中国汕头市515041，汕头大学医学院第二附属医院放射科

摘要

研究表明，电磁场（EMFs）对治疗阿尔茨海默病（AD）具有益处，但其背后的神经生理机制仍不清楚。有观点认为EMFs能够促进GABA能神经发生，而异常的GABA水平是AD进展的重要影响因素。为了在APP/PS1小鼠中实现体内GABA加权成像，我们采用了变延迟多脉冲（VDMP）-化学交换饱和转移（CEST）-磁共振成像（MRI）技术，并通过病理学验证来测量这些小鼠在微波EMF作用下的GABA水平，以探讨其治疗机制。APP/PS1小鼠接受了为期4周的微波EMF治疗。研究结果表明，微波EMF刺激显著增强了APP/PS1小鼠海马区的GABA加权信号。VDMP-CEST技术在检测GABA加权信号方面表现出较高的敏感性。ELISA检测显示，微波EMF刺激提高了海马区的GABA水平。与体外水平相比，VDMP-CEST能够准确检测到GABA加权信号的变化。病理学验证表明，微波EMF暴露通过促进AQP4极化、减少Aβ聚集和神经元退化、改善认知障碍来提升海马区的GABA水平，可能延缓AD的进展。总体而言，微波EMF治疗能够增加与GABA相关的变化，这些变化与Aβ的积累及水迷宫测试的表现改善相吻合。VDMP-CEST检测的结果与病理学证据高度一致，表明其在微波EMF治疗期间是一种有效的体内GABA加权成像方法，为监测AD中的GABA相关病理变化提供了更客观的成像依据。

引言

阿尔茨海默病（AD）由于人口老龄化而成为日益严重的健康问题[1]，目前的治疗方法仍不尽如人意[2, 3]。AD的特征是β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积和神经纤维缠结[4]。APP/PS1转基因小鼠（APP/PS1）过表达突变的人类APP和PS1基因，导致Aβ斑块形成加速[5]。电磁场（EMFs）是一种非侵入性的神经刺激技术，已被广泛应用于治疗多种疾病，包括创伤[6]、慢性疼痛[7]、癌症[8]、心血管疾病[9]、抑郁症[10]和AD[12]，但其作用背后的神经生物学机制仍不明确。

不同类型的EMFs暴露可以促进GABA能神经发生[13, 14]并增加GABA含量[15]，而微波EMF正是具有特定幅度和波形的电磁场之一[16, 17]。值得注意的是，AD患者大脑中的GABA能成分水平较低[18, 19]。越来越多的证据表明，调节GABA水平对AD的记忆障碍具有显著的治疗效果[20, 21]。因此，GABA能系统成为AD诊断和治疗的有希望的目标[22, 23, 24]。

在体内对低生理浓度且与其他代谢物共振峰重叠的GABA进行成像具有挑战性。非侵入性的体内GABA测量主要通过质子磁共振光谱（¹H-MRS）的Mescher Garwood点分辨率光谱（MEGA-PRESS）序列实现[25, 26, 27]，但该技术尚未在动物研究中得到广泛应用[28]。另一种方法是基于化学交换特性的化学交换饱和转移（CEST）MRI[29, 30, 31, 32]，CEST在AD研究中也有应用[34, 35]。具体而言，GABA的胺质质子在相对于水共振频率低2.75 ppm处共振，从而无需外源性造影剂即可实现选择性信号放大[36]。值得注意的是，GABA加权-CEST已在大鼠脑研究中得到应用，其CEST效应与脑内GABA浓度相关[37, 38]。

变延迟多脉冲（VDMP）-CEST是一种相对较新的CEST衍生技术，旨在克服区分快速交换和慢速交换质子的难题[39, 40, 41]。通过调整饱和模块中的脉冲数量和间隔，可以调节可交换质子的饱和程度[42]。在适当参数下，VDMP-CEST能够区分不同化学交换率的质子，有效解决质子池重叠问题[43]。鉴于这些优势以及GABA含有快速交换的质子（-NH₂），VDMP-CEST有望成为比传统GABA加权-CEST更具特异性的体内GABA加权成像技术。

在本研究中，我们旨在探讨VDMP-CEST是否能够在体内实现GABA加权成像，并评估通过针对GABA能系统的微波EMF干预治疗AD的可行性。为此，我们首先开发了一种基于VDMP-CEST的GABA加权成像新技术（专利申请CN116879338 B，2024年），并在体外和体内验证了该技术的成像能力，同时结合病理学验证研究了微波EMF暴露对这些小鼠GABA能功能障碍的影响。

实验部分

体外模型制备

在核磁共振（NMR）管中制备了不同浓度（3、6、9和12 mM）的GABA溶液，使用磷酸盐缓冲盐水（PBS）调节pH至7.0。为了评估其他主要脑代谢物对GABA加权CEST信号的潜在影响，管内还加入了每种代谢物20 mM的溶液（pH同样为7.0），然后将其浸入装有PBS的烧杯中。所研究的代谢物包括谷氨酸（Glu）等。

体外MRI实验

为了验证GABA加权的CEST特性并评估邻近代谢物的潜在干扰，我们进行了一系列模型实验（图2）。首先，对纯GABA溶液的分析显示，在相对于水共振频率低2.75 ppm处，CEST信号强度随浓度增加而增强，表现出良好的线性关系（R² = 0.9706），且该关系在生理范围内成立（图2A–B）。

讨论

GABA是AD的关键神经递质，因此探索针对GABA能系统的有效治疗方法非常重要。值得注意的是，EMFs能够在体外增强皮层网络的活性并促进GABA能神经发生[13]，这为AD的治疗提供了新的途径。在本研究中，我们利用VDMP-CEST独特的非侵入性成像能力，研究了微波EMF刺激的效果。

作者贡献声明

严根：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。吴硕华：撰写 – 初稿。关继天：撰写 – 审稿与编辑。沈园宇：实验研究。史大发：撰写 – 审稿与编辑。吴仁华：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。陈月：方法学设计。贾彦龙：资金筹集。郑新辉：方法学设计。程燕：方法学设计，概念构思。文雅琪：数据分析。刘思琪：撰写 – 初稿，方法学设计，实验研究，概念构思。

资金来源

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号82020108016、82411540241、82471974）、广东省科技专项基金（项目编号STKJ2021148）、湖北省自然科学基金（2022CFB960）以及襄阳市医疗卫生科技计划（2022YL15A）的支持。

利益冲突声明

作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。

致谢

作者感谢汕头大学医学院研究中心和汕头大学医学院第二附属医院转化医学研究中心提供的资源和支持。