人类脑脊液-间质液交换的定量评估

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Quantitative assessment of flow between cerebrospinal and interstitial fluid compartments in humans

　　

摘要：根据类淋巴系统（glymphatic system）理论，脑脊液（Cerebrospinal fluid, CSF）灌注入脑的间质空间以支持废物清除，但该流量的强度及间质液（Interstitial fluid, ISF）在人类中的外流途径仍不明确。为实现流量量化，研究人员应用了隔室模型方法，并结合鞘内注射钆（gadolinium, Gd）对比剂后获取的系列定量磁共振成像（Magnetic resonance imaging, MRI）数据。使用此方法，研究人员在对疑似特发性正常压力脑积水（idiopathic normal pressure hydrocephalus, iNPH）的患者中估计CSF到ISF的流入为 45 ± 20 mL/h。组织特异性贡献为：皮层灰质 34 ± 14 mL/h，白质 11 ± 6 mL/h，皮层下灰质 0.4 ± 0.3 mL/h，这表明CSF灌注主要发生在蛛网膜下腔附近的表浅区域。流入量与整个颅脊系统总流出量之间缺乏相关性（r = 0.03, P = 0.91），表明ISF重新循环回CSF而非通过独立途径排出颅脊系统。在健康老年个体中使用静脉注射钆对比剂进行的独立实验支持了ISF到CSF的再循环，即推测穿过血脑屏障的对比物质随后出现在蛛网膜下腔，从而实现了对ISF到CSF流量的定量。这些发现为研究人类脑内清除提供了一个定量框架，并支持蛛网膜下腔再循环作为一个重要的外流途径。

一、 研究背景与目的

中枢神经系统（CNS）稳态被认为依赖于类淋巴系统，该系统促进脑脊液（CSF）在间质空间（ISF）中的流动，以清除潜在的废物。类淋巴系统功能的紊乱被认为与多种人类神经系统疾病相关。然而，类淋巴理论在人类中的关键参数，特别是CSF与ISF之间交换的流量大小，以及ISF的主要清除途径，仍然缺乏量化数据。传统的测量CSF动力学的方法不足以直接评估体内CSF-ISF的交换。尽管利用鞘内注射对比剂和系列MRI的研究已证实人类存在CSF到ISF的流动，但其规模和主要清除通路仍然知之甚少。本研究旨在建立一个基于定量MRI的方法，以量化人类鞘内和静脉注射钆对比剂后的CSF-ISF交换，从而为理解人类脑清除机制提供定量基础。

二、 研究方法概述

本研究基于两个独立队列的数据。鞘内注射研究：招募了14名因疑似特发性正常压力脑积水（iNPH）而接受检查的患者（平均年龄77±5岁）。在完成脑脊液动力学检查后，通过腰椎穿刺针鞘内注射0.25 mMol的钆对比剂（Gadovist?）。随后在注射后约3、5、7和22小时进行系列高分辨率T1定量MRI扫描。静脉注射研究：招募了55名健康老年人（平均年龄76±4岁）。静脉注射0.1 mMol/kg的钆对比剂（Dotarem?），并在注射后约0.5、2.7和3.2小时进行定量MRI扫描。对于静脉注射数据，还进行了快速的动态对比增强MRI以获取血管输入函数和估计血管容积分数。

图像处理涉及使用FreeSurfer进行大脑结构分割，并将不同时间点的图像进行配准。通过测量T1弛豫时间的变化，计算出脑脊液和脑组织中的钆浓度。研究人员开发了隔室模型来分析这些浓度-时间曲线。对于鞘内数据，模型估计了CSF到ISF的流入率（q_CSF→ISF）和ISF容积分数（v_e）。模型将脑组织和相邻的蛛网膜下腔CSF区域配对，以解释对比剂在CSF中不均匀的时空扩散。对于静脉数据，模型进行了调整，以估计从ISF到CSF的流出率（q_ISF→CSF），并考虑了从血液到组织的轻微渗透。

三、 研究结果

1. 鞘内注射量化CSF-to-ISF流入

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  总体与区域流入量：隔室模型估计显示，总的CSF-to-ISF流入为45 ± 20 mL/h。皮层灰质的贡献最大（34 ± 14 mL/h，ISF容积分数23 ± 4%），其次为白质（11 ± 6 mL/h），皮层下灰质贡献极小（0.4 ± 0.3 mL/h）。总流入率显著超过了iNPH患者中报道的CSF生成率（27 mL/h，P < 0.001）。
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  空间与时间相关性：观察到大脑皮层钆的摄取空间模式与CSF相似但存在延迟，且相邻时间点的CSF浓度与后续扫描的皮层灰质浓度之间存在强空间和时间相关性，支持了CSF和ISF之间的有效物质转移。
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  再循环与系统清除：通过连续性方程分析，估算出至少有40%的ISF流出是通过再循环回到蛛网膜下腔CSF的。对注射22小时后系统中剩余对比剂总量的分析，估计出整个颅脊系统的总流出率约为40 ± 17 mL/h（排除两名椎管内-颅内沟通不良的受试者为34 ± 10 mL/h）。重要的是，CSF-to-ISF流入率与颅脊系统总流出率之间无显著相关性（r = 0.03, P = 0.91），这表明CSF-ISF交换与整个系统的净清除是解耦的。

2. 静脉注射量化ISF-to-CSF流出

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  支持再循环的证据：在静脉注射实验中，注射后0.5小时的脑组织ISF钆浓度与3小时的蛛网膜下腔CSF浓度相关（r = 0.43, P = 0.001），这与ISF和CSF之间的交换一致。
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  流出率估计：应用调整后的隔室模型，在包含所有受试者（N=55）的全样本中，得到的ISF-to-CSF流出估计为29 ± 74 mL/h，ISF容积分数为27 ± 6%。由于信噪比较低，估计值范围很宽。在选取脑组织钆摄取高于中位数的亚组（N=27）中，估计的流出率为58 ± 36 mL/h，ISF容积分数为24 ± 6%，估计的稳定性有所改善。这些结果为ISF流入CSF的再循环提供了支持性证据。

四、 讨论与结论

本研究通过鞘内和静脉注射钆对比剂的定量MRI实验，互补性地探究了人类CSF和ISF之间的交换。研究量化了CSF-to-ISF流入，其规模与CSF生成率相当，且主要流向皮层灰质。流入量与颅脊系统总清除率无关，表明CSF-ISF交换与CSF生成是两个解耦的过程。连续性方程分析和静脉注射实验结果共同支持了一个再循环清除模型：相当一部分（至少40%）流入ISF的CSF会重新循环回蛛网膜下腔CSF，而不是通过一个独立的功能性通路直接排出颅腔。静脉注射实验观察到的从ISF到CSF的净转运进一步支持了这一再循环模型。

这些发现为研究人类脑清除提供了一个定量框架，并支持将蛛网膜下腔再循环作为一个重要的外流通路。

研究人员提出，可能存在两条嵌套的CSF通路。第一条通路调节颅脊系统的总体周转，其流入来自CSF生成，流出主要通过直接从蛛网膜下腔吸收，在运输废物和调节颅内压方面起关键作用。第二条通路涉及CSF和ISF之间的局部交换，其流入随后再循环回蛛网膜下腔CSF，其主要目的是清除皮层的废物并将其运回蛛网膜下腔CSF。这两条通路的周转率大小相似但彼此独立，为不同子系统功能障碍导致不同病理生理学结果提供了可能。

本研究的局限性包括：无法完全区分交换是由整体流还是扩散驱动；鞘内注射研究在仰卧位进行，可能无法反映日常生理状态；研究对象为疑似iNPH的老年患者和健康老年人，推广到更年轻、更健康的人群存在不确定性；模型中未包含血脑屏障渗漏这一潜在ISF流出途径，可能导致CSF-to-ISF流入估计值略偏低。

总之，鞘内和静脉MRI对比剂实验为量化人类CSF-ISF交换提供了互补的见解。研究建立的方法可用于探究衰老和神经退行性疾病中脑清除功能受损的机制。该论文发表于《Proceedings of the National Academy of Sciences》。