利用化学交换饱和转移磁共振成像对小鼠全脑寿命周期内谷氨酸进行高分辨率加权映射

《GeroScience》：High-resolution glutamate-weighted mapping of in vivo mouse brain across age with chemical exchange saturation transfer MRI

　　

摘要 哺乳动物大脑衰老涉及显著的结构、功能和代谢变化，包括谷氨酸浓度的降低。谷氨酸加权化学交换饱和转移磁共振成像为高空间分辨率映射谷氨酸分布提供了一种非侵入性方法。研究人员收集了年龄在2至23个月的健康小鼠大群组数据，在17.2T磁场下进行活体扫描，证明了谷氨酸加权化学交换饱和转移成像能够区分多个脑区，并构建了小鼠大脑中部（前囟后约-0.5至-4毫米）的谷氨酸加权化学交换饱和转移成像模板。研究发现，海马体、丘脑和下丘脑的谷氨酸加权化学交换饱和转移值随年龄增长显著降低。除海马体外，这些降低与相应脑区的体积萎缩无关，这表明谷氨酸加权化学交换饱和转移成像可作为评估整体解剖学变化的补充性神经影像学方法。该研究还证明了谷氨酸加权化学交换饱和转移成像监测较小脑亚区（如皮质和海马各层）年龄相关变化的潜力，为衰老和神经退行性疾病的纵向研究提供了有价值的工具。超高磁场磁共振扫描仪提供的高空间分辨率和灵敏度增强了测量的精确性，为未来的临床前和临床应用铺平了道路。

研究背景、问题与动机

大脑衰老伴随着复杂的结构、功能和代谢失调，其中谷氨酸作为中枢神经系统的主要兴奋性神经递质，其浓度在衰老过程中会降低。谷氨酸浓度及其代谢通路的改变与多种中枢神经系统疾病密切相关。此前已有研究利用氢质子磁共振波谱在人类和小鼠的多个脑区观察到谷氨酸浓度随年龄下降的现象。然而，能够无创、高分辨率地全脑绘制谷氨酸分布的方法对于研究正常衰老及相关神经系统疾病至关重要。化学交换饱和转移是一种能够无创映射体内特定代谢物的磁共振成像技术，其谷氨酸加权成分已被证明能够追踪大脑谷氨酸分布的变化。尽管谷氨酸加权化学交换饱和转移成像已在神经退行性疾病小鼠模型中显示出潜力，但目前尚缺乏关于健康衰老对该对比度影响的小鼠参照数据。超高磁场可显著提高化学交换饱和转移成像的敏感性和光谱分辨率。因此，研究人员利用17.2T超高场磁共振扫描仪，对大量健康小鼠进行全生命周期活体扫描，旨在填补这一空白，建立小鼠脑谷氨酸分布与衰老关系的参考基准，并评估该技术监测衰老相关微小变化的潜力。

关键技术方法概述

研究人员构建了包含19只野生型C57BL6小鼠（年龄覆盖2至23个月）的群组。所有动物均在17.2T Bruker BioSpec扫描仪上完成活体磁共振成像。核心技术方法包括：1）使用谷氨酸加权化学交换饱和转移序列（CEST-RARE）进行脑部扫描，通过特定的饱和频率偏移系列获取Z-谱，并采用水饱和偏移参考法进行B₀场校正；2）通过不对称磁化转移率计算谷氨酸加权化学交换饱和转移值，并在2.8、3.0和3.2 ppm处取平均生成谷氨酸加权化学交换饱和转移图谱；3）将谷氨酸加权化学交换饱和转移数据与T2加权解剖图像共同配准至DSURQE脑图谱模板，以便进行自动化的脑区分割和感兴趣区分析；4）利用高级归一化工具构建了涵盖小鼠中喙尾脑部（前囟后约-0.5至-4 mm）的谷氨酸加权化学交换饱和转移模板；5）运用参数统计分析（如单因素方差分析、线性回归、Fisher’s F-检验等）评估谷氨酸加权化学交换饱和转移值的区域差异和年龄效应，并对多重比较进行校正。

研究结果

谷氨酸加权化学交换饱和转移成像采集与分析的优化

研究人员整合了所有小鼠的脑图谱，构建了一个谷氨酸加权化学交换饱和转移图谱，显示了海马、丘脑和新皮质等区域可靠的谷氨酸加权化学交换饱和转移信号，而胼胝体和脑室的信号接近于零。通过评估不同重复扫描次数平均后的数据质量，研究人员确定平均4次重复扫描可在数据质量和扫描时间之间取得最佳平衡，这为后续实验设计提供了依据。

衰老小鼠全脑谷氨酸加权化学交换转移定量

对主要脑区的分析显示，谷氨酸加权化学交换饱和转移值最高的是海马体和下丘脑，显著高于新皮质。在海马亚区中，CA3区的谷氨酸加权化学交换饱和转移值显著低于CA1和齿状回。通过将小鼠按年龄（小于和大于1岁）分组进行分析，研究人员发现谷氨酸加权化学交换饱和转移值在多个脑区的分布峰值随年龄增长而左移。线性回归分析进一步证实，丘脑和下丘脑的谷氨酸加权化学交换饱和转移值随年龄增长呈显著线性下降趋势，海马体也表现出下降趋势但未达到统计显著性。重要的是，除海马体外，谷氨酸加权化学交换饱和转移信号的下降并未与相应脑区的体积减少相关联。对海马亚区的精细分析发现，CA3区是谷氨酸加权化学交换饱和转移值和体积均随年龄显著下降的主要区域，而CA1区体积缩小但其谷氨酸加权化学交换饱和转移值保持不变。新皮质亚区则未显示出显著的谷氨酸加权化学交换饱和转移年龄依赖性变化。

层特异性谷氨酸加权化学交换饱和转移分析

利用高空间分辨率，研究人员进一步评估了皮质层和海马CA1区的层特异性谷氨酸加权化学交换饱和转移信号。尽管在分析的四个皮质层中观察到谷氨酸加权化学交换饱和转移值随年龄下降的趋势，但均未达到统计显著性。在海马CA1区的四个亚层中，只有起层显示出谷氨酸加权化学交换饱和转移值随年龄增长的显著下降，而锥体层和辐射层仅显示出不显著的下降趋势，分子层则保持稳定。

讨论与结论总结

该研究追踪了小鼠全生命周期中脑中部区域的谷氨酸加权化学交换饱和转移信号。结果显示，海马体、丘脑和下丘脑等具有较高谷氨酸加权化学交换饱和转移值的脑区，在衰老过程中也呈现出谷氨酸加权化学交换饱和转移值的显著下降，而新皮质则未显示出显著的年龄依赖性。这种趋势与此前在其他动物模型中使用谷氨酸加权化学交换饱和转移或遗传代谢分析的研究结果一致。值得注意的是，谷氨酸加权化学交换饱和转移的下降似乎与年龄相关的体积萎缩无关，这表明谷氨酸加权化学交换饱和转移所指示的谷氨酸减少可能与正常衰老引起的细胞死亡和整体脑组织改变无关。研究人员推测，谷氨酸加权化学交换饱和转移可能反映了随着年龄增长而减少的谷氨酸能突触数量，但这一假设有待进一步验证。该研究证实谷氨酸加权化学交换饱和转移成像对正常衰老引起的脑变化具有敏感性，为未来的衰老、神经退行性疾病等纵向研究提供了信息。此外，研究展示了该技术测量海马亚区、皮质层和海马层等微小脑区的可能性，实现了代谢脑成像在小鼠模型中前所未有的空间分析精度。在17.2T采集的数据集将为验证更复杂的数据分析方法提供参考。研究的局限性包括部分容积效应的影响、谷氨酸加权化学交换饱和转移信号对谷氨酸浓度的特异性、pH和温度等潜在混杂因素、麻醉剂的使用、样本量以及对大脑后部等区域的覆盖不足。尽管如此，随着超高磁场扫描仪的日益普及，化学交换饱和转移磁共振成像，特别是谷氨酸加权化学交换饱和转移，有望成为临床前研究和临床诊断的有力工具。