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通過定量光學相干斷層血流成像評估年齡相關的腦部血管和血流的變化
大量研究表明在人或動物逐漸衰老的過程中伴隨著大腦血管結構和功能的改變，這可能是導致大腦血流循環(huán)受損和神經變性的風險增加的原因之一，這與如阿爾茲海默癥，帕金森等衰老相關的腦部疾病的發(fā)生有關。因此探究腦部血流及微血管在衰老過程中的變化是十分重要的一環(huán)，目前幾乎沒有能呈現(xiàn)這種變化的方法，因此在本研究中研究者取得了巨大的突破，作者使用三維（3-D）定量光學相干斷層掃描血管造影（OCTA）來檢查年齡在16個月的老年小鼠和2個月大的年輕小鼠的大腦，并記錄和分析體感皮層的腦血管和血流動力學的特征差異。定量指標包括皮質血管形態(tài)，腦血流灌注量（CBF）和毛細血管流速。結果表明，與年輕小鼠相比，老年小鼠軟腦膜動脈彎曲度增加14%，毛細血管密度降低15%，血流量降低33%。最重要的是，此研究shouci量化了隨年齡增長毛細血管速度和血流的不均勻性的變化，結果顯示年輕小鼠毛細血管平均速度增加21%（p<0.05），老年小鼠的腦部毛細血管血流不均勻性增加19%（p≤0.05）。在這個成像平臺上，先進的OCTA算法能夠對毛細血管速度進行精確的定量評估。這一方法為研究血管老化提供了一種有前途的神經系統(tǒng)疾病血管影像學工具，這為研究與年齡相關的神經退行性疾病的病理生理學因素提供了新的思路。讓我們看看此研究是怎樣量化這些年齡相關的血管及血流指標吧。
動脈曲折度
圖一中a和b分別顯示了年輕小鼠的血管造影照片和老年小鼠的血管造影照片，圖中血管大部分是從皮層表面（深度為50μm的平面）獲得的脈狀血管網絡，為圖1（c）中的紅線和綠線之間的部分，圖1（c）為斷層切面圖像。血管曲折指數（VTI）用于評估血管的曲折度，定義為弧弦比（Hutchins等人，1978年），即彎曲的血管長度（弧度）與直線距離的比值。在此分析中，選擇MCA和ACA節(jié)段，稱為小動脈吻合（AAA），以比較年輕小鼠和老年小鼠的血管的曲折度。從年輕組的9個細分AAA中測得的平均VTI值圖1（d）為1.19±0.07，而老年組圖1（e）為1.36±0.09。老年小鼠中AAA的VTI比年輕組的VTI高14％（P <0.01）圖1（f），表明年長小鼠的側支血管更曲折。
圖一：大腦側支動脈血管的曲折度比較。（a）和（b）分別是獲得的年輕和老年小鼠的血管造影照片圖像（c）為掃描血流的橫截面顯示，（c）中的綠線標記皮質表面，而紅線和黃線分別位于距皮質表面50和300μm的深度處。在血管造影（a）和（b）上，MCA和ACA之間選定的AAA段用假色突出顯示。顏色代表計算出的VTI值，如顏色條所示。如（d）年輕小鼠和（e）老年小鼠所示，每組總共測量了9個AAA節(jié)段。（f）年輕小鼠和老年小鼠之間的VTI比較。
2.毛細血管密度
通過OCTA血管造影定性地揭示了年輕小鼠和老年小鼠之間毛細血管密度的差異，通過血管面積密度（VAD）進行量化，其定義為血管所占面積的百分比。與光學顯微圖像相比圖2（a）， 2（b），僅顯示較大的表面小動脈，而OCTA血管造影照片圖2（c）， 2（d）揭示了直至毛細血管水平的高分辨率腦微血管網絡。比較血管造影照片，很明顯，年長的小鼠的血管灌注分布不均勻，可以看到局部的毛細血管灌注稀疏圖2（d）。在老年小鼠中VAD的分布更加'不均圖2（f）與年輕小鼠相比圖2（e）。頻率直方圖分布進一步顯示，年輕小鼠的VAD數量高于老年小鼠圖2（g），統(tǒng)計評估顯示，在p <0.01（0.34±0.08）時，年老小鼠（0.34±0.08）的VAD值比年輕小鼠（0.40±0.05）降低了15％，具有統(tǒng)計學意義圖2（h）。
圖二：腦部毛細血管密度的比較。（a和b）分別為顱窗內2.5 mm×2.5 mm區(qū)域內的年輕小鼠和老年小鼠的明場顯微圖像。（c和d）分別對應于（a和b）的OCTA血管造影照片。（d）中的紅色箭頭指出了這只動物中可能存在的區(qū)域毛細血管稀疏現(xiàn)象。（c和f）分別是年輕小鼠和老年小鼠的顏色索引編碼的VAD圖。（g）年輕小鼠（紅色）和老年小鼠（藍色）的VAD頻率直方圖分布。（h）年輕小鼠和老小鼠之間的VAD比較。（每組N = 8只動物）。
3.穿透性小動脈的腦血流測量多普勒技術與OCTA的聯(lián)合應用顯示了老年小鼠的雙向血流速度圖
圖3（a），圖中穿透性小動脈（PA）直接從軟腦膜血管網中通過血液，垂直向下到皮層組織，并通過上升的小靜脈（RV）返回軟腦膜血管網絡。圖3（b）為3-D數據集的三D血流圖像，圖3（c）為血流的橫截面的投影。在圖3（c）中，在xz平面上的PA和RV軸向速度投影可以看作是綠色和紅色點。我們比較了年輕小鼠和老年小鼠在單位區(qū)域（1 mm*1mm ）內PA和RV的平均速度，流量面積以及總流量的差異。對于平均速度測量，結果顯示無論是年輕的動物還是年老的動物，其小動脈速度都大于小靜脈速度。年輕組和老年組之間在穿透血管速度方面沒有統(tǒng)計學上的顯著差異。通常，小靜脈的流通面積大于小動脈。結果顯示相比年輕動物在老年組中，PA的平均流量減少了35％（p <0.05），RV的流量減少了32％（p <0.05）。PA總流量有33％的統(tǒng)計學顯著性降低（p <0.01），而RV總流量有31％的統(tǒng)計學顯著性降低（p <0.01）。另外，在每只動物中PA和RV總流量之間沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異。
圖三：CBF和PA / RV參數比較。（a）年輕和老年小鼠的雙向軸向速度圖。彩色條表示所顯示的圖的RBC軸向血流。（b）圖為（A）中白色方形區(qū)域內的下降血管和上升血管的3D可視化。（c）來自（b）的投影，位于皮質表面下方約50μm的xy平面上。綠點和紅點分別代表所選xy平面內的下降小動脈和上升小靜脈。（c）中顯示的綠色和紅色點是小動脈和小靜脈流的橫截面。（d），（e）和（f）單位區(qū)域（1 mm）中的平均速度，流量面積和總流量值的比較。
4.毛細管平均速度和異質性
年輕小鼠的OCTA血管造影照片圖4（a）和老年小鼠OCTA血管造影照片圖4（b）在每個血管造影照片上劃定兩個區(qū)域以進行測速評估，一個區(qū)域靠近MCA，另一個區(qū)域靠近ACA。圖中顯示了兩個選定區(qū)域的測速圖，年輕小鼠為圖4（c）， 4（d）和老年小鼠為圖4（e）， 4（f）。每個測速圖在3-D組織體積內包含約40,000個頻率信號。定量顯示，年輕小鼠的毛細血管內血流平均速度為1.11±0.17 mm / s，老年小鼠為1.34±0.23 mm / s（取自兩個區(qū)域的平均值）。因此，在p <0.05的差異水平下，老年組的平均毛細血管速度比年輕組的高21％圖4（g）。年輕小鼠和老年小鼠速度異質計算為0.44±0.07毫米/秒和分別0.52±0.08毫米/秒，年輕小鼠相比年老小鼠毛細管速度異質性相差19％（p ≤ 0.05）圖4（h）。
圖四：毛細管流速和異質性定量。（a和b）分別為年輕和老年小鼠的血管造影照片。紅色和綠色方塊分別表示在MCA和ACA位置進行測速的區(qū)域。（c–f）毛細管速度圖，是通過從皮質表面以300μm深的平面對3-D頻率信號進行投影而生成的。彩色條代表RBC速度（0?3 mm / s）。（g）年輕小鼠和老年小鼠之間的毛細管平均速度比較。（h）年輕老鼠和老年小鼠之間的毛細管速度異質性比較。通過上面的結果我們可以看到OCTA技術能夠提供足夠的空間分辨率來評估毛細血管血流，并對其信息進行量化分析，此外還具有足夠的穿透深度，可以在微創(chuàng)或無創(chuàng)的條件下成像腦部深層微血管，而減少對周圍腦組織的損害。這些新的優(yōu)勢已經打破了傳統(tǒng)血流檢測設備的局限性，并提供了更多的指標來進行病理生理學研究，相信隨著此技術的不斷發(fā)展更精確的成像水平和數據分析將能探索更多腦部微循環(huán)相關疾病的奧秘。
參考文獻
Li Y, Choi WJ, Wei W, et al. Aging-associated changes in cerebral vasculature and blood flow as determined by quantitative optical coherence tomography angiography. Neurobiol Aging.
2018;70:148-159. doi:10.1016/j.neurobiolaging.2018.06.017