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通过定量光学相干断层血流成像评估年龄相关的脑部血管和血流的变化

2022-05-06作者:浏览次数:8  来源:北京心联光电科技有限公司
通过定量光学相干断层血流成像评估年龄相关的脑部血管和血流的变化
大量研究表明在人或动物逐渐衰老的过程中伴随着大脑血管结构和功能的改变,这可能是导致大脑血流循环受损和神经变性的风险增加的原因之一,这与如阿尔兹海默症,帕金森等衰老相关的脑部疾病的发生有关。因此探究脑部血流及微血管在衰老过程中的变化是十分重要的一环,目前几乎没有能呈现这种变化的方法,因此在本研究中研究者取得了巨大的突破,作者使用三维(3-D)定量光学相干断层扫描血管造影(OCTA)来检查年龄在16个月的老年小鼠和2个月大的年轻小鼠的大脑,并记录和分析体感皮层的脑血管和血流动力学的特征差异。定量指标包括皮质血管形态,脑血流灌注量(CBF)和毛细血管流速。结果表明,与年轻小鼠相比,老年小鼠软脑膜动脉弯曲度增加14%,毛细血管密度降低15%,血流量降低33%。最重要的是,此研究首次量化了随年龄增长毛细血管速度和血流的不均匀性的变化,结果显示年轻小鼠毛细血管平均速度增加21%(p<0.05),老年小鼠的脑部毛细血管血流不均匀性增加19%(p≤0.05)。在这个成像平台上,先进的OCTA算法能够对毛细血管速度进行精确的定量评估。这一方法为研究血管老化提供了一种有前途的神经系统疾病血管影像学工具,这为研究与年龄相关的神经退行性疾病的病理生理学因素提供了新的思路。让我们看看此研究是怎样量化这些年龄相关的血管及血流指标吧。
  1. 动脉曲折度 
图一中a和b分别显示了年轻小鼠的血管造影照片和老年小鼠的血管造影照片,图中血管大部分是从皮层表面(深度为50μm的平面)获得的脉状血管网络,为图1(c)中的红线和绿线之间的部分,图1(c)为断层切面图像。血管曲折指数(VTI)用于评估血管的曲折度,定义为弧弦比(Hutchins等人,1978年),即弯曲的血管长度(弧度)与直线距离的比值。在此分析中,选择MCA和ACA节段,称为小动脉吻合(AAA),以比较年轻小鼠和老年小鼠的血管的曲折度。从年轻组的9个细分AAA中测得的平均VTI值图1(d)为1.19±0.07,而老年组图1(e)为1.36±0.09。老年小鼠中AAA的VTI比年轻组的VTI高14%(P <0.01)图1(f),表明年长小鼠的侧支血管更曲折。

图一:大脑侧支动脉血管的曲折度比较。(a)和(b)分别是获得的年轻和老年小鼠的血管造影照片图像(c)为扫描血流的横截面显示,(c)中的绿线标记皮质表面,而红线和黄线分别位于距皮质表面50和300μm的深度处。在血管造影(a)和(b)上,MCA和ACA之间选定的AAA段用假色突出显示。颜色代表计算出的VTI值,如颜色条所示。如(d)年轻小鼠和(e)老年小鼠所示,每组总共测量了9个AAA节段。(f)年轻小鼠和老年小鼠之间的VTI比较。

2.毛细血管密度
通过OCTA血管造影定性地揭示了年轻小鼠和老年小鼠之间毛细血管密度的差异,通过血管面积密度(VAD)进行量化,其定义为血管所占面积的百分比。与光学显微图像相比图2(a), 2(b),仅显示较大的表面小动脉,而OCTA血管造影照片图2(c), 2(d)揭示了直至毛细血管水平的高分辨率脑微血管网络。比较血管造影照片,很明显,年长的小鼠的血管灌注分布不均匀,可以看到局部的毛细血管灌注稀疏图2(d)。在老年小鼠中VAD的分布更加'不均图2(f)与年轻小鼠相比图2(e)。频率直方图分布进一步显示,年轻小鼠的VAD数量高于老年小鼠图2(g),统计评估显示,在p <0.01(0.34±0.08)时,年老小鼠(0.34±0.08)的VAD值比年轻小鼠(0.40±0.05)降低了15%,具有统计学意义图2(h)。


图二:脑部毛细血管密度的比较。(a和b)分别为颅窗内2.5 mm×2.5 mm区域内的年轻小鼠和老年小鼠的明场显微图像。(c和d)分别对应于(a和b)的OCTA血管造影照片。(d)中的红色箭头指出了这只动物中可能存在的区域毛细血管稀疏现象。(c和f)分别是年轻小鼠和老年小鼠的颜色索引编码的VAD图。(g)年轻小鼠(红色)和老年小鼠(蓝色)的VAD频率直方图分布。(h)年轻小鼠和老小鼠之间的VAD比较。(每组N = 8只动物)。

3.穿透性小动脉的脑血流测量多普勒技术与OCTA的联合应用显示了老年小鼠的双向血流速度图
图3(a),图中穿透性小动脉(PA)直接从软脑膜血管网中通过血液,垂直向下到皮层组织,并通过上升的小静脉(RV)返回软脑膜血管网络。图3(b)为3-D数据集的三D血流图像,图3(c)为血流的横截面的投影。在图3(c)中,在xz平面上的PA和RV轴向速度投影可以看作是绿色和红色点。我们比较了年轻小鼠和老年小鼠在单位区域(1 mm*1mm )内PA和RV的平均速度,流量面积以及总流量的差异。对于平均速度测量,结果显示无论是年轻的动物还是年老的动物,其小动脉速度都大于小静脉速度。年轻组和老年组之间在穿透血管速度方面没有统计学上的显着差异。通常,小静脉的流通面积大于小动脉。结果显示相比年轻动物在老年组中,PA的平均流量减少了35%(p <0.05),RV的流量减少了32%(p <0.05)。PA总流量有33%的统计学显著性降低(p <0.01),而RV总流量有31%的统计学显著性降低(p <0.01)。另外,在每只动物中PA和RV总流量之间没有发现显著差异。


图三:CBF和PA / RV参数比较。(a)年轻和老年小鼠的双向轴向速度图。彩色条表示所显示的图的RBC轴向血流。(b)图为(A)中白色方形区域内的下降血管和上升血管的3D可视化。(c)来自(b)的投影,位于皮质表面下方约50μm的xy平面上。绿点和红点分别代表所选xy平面内的下降小动脉和上升小静脉。(c)中显示的绿色和红色点是小动脉和小静脉流的横截面。(d),(e)和(f)单位区域(1 mm)中的平均速度,流量面积和总流量值的比较。

4.毛细管平均速度和异质性
年轻小鼠的OCTA血管造影照片图4(a)和老年小鼠OCTA血管造影照片图4(b)在每个血管造影照片上划定两个区域以进行测速评估,一个区域靠近MCA,另一个区域靠近ACA。图中显示了两个选定区域的测速图,年轻小鼠为图4(c), 4(d)和老年小鼠为图4(e), 4(f)。每个测速图在3-D组织体积内包含约40,000个频率信号。定量显示,年轻小鼠的毛细血管内血流平均速度为1.11±0.17 mm / s,老年小鼠为1.34±0.23 mm / s(取自两个区域的平均值)。因此,在p <0.05的差异水平下,老年组的平均毛细血管速度比年轻组的高21%图4(g)。年轻小鼠和老年小鼠速度异质计算为0.44±0.07毫米/秒和分别0.52±0.08毫米/秒,年轻小鼠相比年老小鼠毛细管速度异质性相差19%(p ≤ 0.05)图4(h)。


图四:毛细管流速和异质性定量。(a和b)分别为年轻和老年小鼠的血管造影照片。红色和绿色方块分别表示在MCA和ACA位置进行测速的区域。(c–f)毛细管速度图,是通过从皮质表面以300μm深的平面对3-D频率信号进行投影而生成的。彩色条代表RBC速度(0〜3 mm / s)。(g)年轻小鼠和老年小鼠之间的毛细管平均速度比较。(h)年轻老鼠和老年小鼠之间的毛细管速度异质性比较。通过上面的结果我们可以看到OCTA技术能够提供足够的空间分辨率来评估毛细血管血流,并对其信息进行量化分析,此外还具有足够的穿透深度,可以在微创或无创的条件下成像脑部深层微血管,而减少对周围脑组织的损害。这些新的优势已经打破了传统血流检测设备的局限性,并提供了更多的指标来进行病理生理学研究,相信随着此技术的不断发展更精确的成像水平和数据分析将能探索更多脑部微循环相关疾病的奥秘。

参考文献
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
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