Abstract
Purpose
在阿尔茨海默病（AD）的动物模型中，类淋巴系统的活性受损。我们使用基于弥散技术的沿血管周围间隙的弥散张量成像分析（DTI-ALPS）评估AD患者的人类淋巴系统的活性。
Materialsandmethods
获取31例患者的弥散张量图像以计算侧脑室平面的x，y和z轴的扩散率。我们分别评估了沿血管周围间隙以及投射纤维和联络纤维的扩散率，以获得沿血管周围间隙的扩散率指数（ALPS-index），并将其与简易精神状态检查（MMSE）评分做相关分析。
Results
我们发现沿投射纤维和联络纤维的扩散率之间存在显著负相关。我们还观察到ALPS-index显示的沿血管周围间隙的扩散率与MMSE得分之间存在显著正相关，表明沿血管周围间隙的水扩散率与AD严重程度相关。
Conclusion
类淋巴系统的活性可以用弥散图像评估。在DTI-APLS上沿血管周围间隙的较低扩散率似乎反映了类淋巴系统的损害。该方法对于评估类淋巴系统的活性可能是有用的。
Introduction
类淋巴系统是大脑中最近发现的涉及脑脊液（CSF）沿血管周围间隙运动的废物排出系统。该系统促进可溶性蛋白清除，包括淀粉样蛋白-β（Aβ）和代谢产物，并促进葡萄糖、脂质、氨基酸和神经递质的分布。在该系统中，脑脊液和间质液（ISF）通过脑脊液沿血管周围间隙的松散纤维基质流入而互换。脑脊液从蛛网膜下腔向深部动脉周围间隙流入是由动脉搏动、血管的缓慢运动，呼吸运动和脑脊液压力驱动的。随后，脑脊液通过星形胶质细胞终足的水通道蛋白P4（AQP4）转运到脑实质。脑脊液进入脑组织的运动驱动ISF流出与组织向围绕深静脉周围间隙的对流，然后ISF在静脉周围间隙被收集。液体经过静脉周围间隙排出脑外，进入颈淋巴系统。在动物实验中，鞘内注射示踪剂已研究了类淋巴系统的这些活动。然而，由于注射包括基于钆的对比剂（GBCM）的示踪剂，该方法对人是侵入性的，因此，尚未有用于评估人的类淋巴系统的方法。
本研究的目的是评估一种非侵入性方法的可行性，该方法是我们创造的“沿血管周围间隙弥散张量成像分析（diffusiontensorimageanalysisalongtheperivascularspace，DTI-ALPS）”，通过使用弥散图像来评估人脑中的类淋巴系统的活性。在这种方法中，我们通过使用弥散张量法（Fig.1）测量扩散率来评估水分子在血管周围间隙方向上的运动。在侧脑室体部水平，髓静脉垂直于脑室壁延伸，血管周间隙的方向与髓静脉相同，即左右方向（x轴）。在该区域的平面上，投射纤维在头足方向上延伸，主要邻近于侧脑室，而代表本研究中的联络纤维的上纵束（SLFs）在投射纤维外部沿前后方向延伸。在SLF之外，皮层下纤维主要在皮层下区域沿左右方向延伸。因此，在该区域中，血管周围间隙延伸方向垂直于投射纤维和上纵束。该区域血管周围间隙和主要纤维的这种构型允许几乎独立地分析沿血管周围间隙的扩散率，因为主要纤维束并不平行于血管周围间隙的方向。当沿左右方向（x轴）发生组织学变化时，它将同样影响投射纤维和联络纤维。因此，当在两个纤维束上都观察到这种变化时，可以安全地说这种变化至少部分来自血管周围间隙的病理变化，即类淋巴系统。
由于动物实验研究报道AD中类淋巴系统活性受损，因此我们通过阿尔茨海默病（AD）、轻度认知障碍（MCI）和不同严重程度的主观认知障碍（SCI）患者的弥散张量研究来分析不同程度类淋巴系统活性。
Materialsandmethods
我们研究了31例患者（14例男性和17例女性；年龄51-89岁；平均75岁；中位76岁），包括16例AD、9例MCI和6例SCI[简易精神状态检查（MMSE）范围12-30]。我们获得了进行影像学研究机构的伦理审查委员会的许可。在对程序进行了充分说明之后，所有患者或其家属获得了影像学研究的书面知情同意。AD和MCI的临床诊断基于《精神疾病诊断和统计手册-IV》标准和认知状态检查，SCI的诊断依据建议的ReisbergSCI标准。所有受试者都是右利手。对所有受试者进行MMSE检查。
弥散成像通过使用3.0-T临床扫描仪（MagnetomVerio,SiemensAG,Erlangen,Germany）获得。DTI参数设置为b=0，b=和b=s/mm2（Echoplaner,TR=ms，TE=89ms，MPG=30directions，FOV=mm，matrix=94×94，slicethickness=3mm），此外还扫描常规形态学图像。
弥散参数图是使用dTV.II.13k+软件（广岛市立大学信息科学研究生院生物医学信息科学系）生成的。该软件可创建弥散张量的计算图像，其中包括颜色编码的各向异性分数（FA）图和扩散率图，此外，该软件还能够计算每个图像上的x轴，y轴和z轴方向的扩散率。使用此功能，我们使用DTI-ALPS方法进行分析，该方法用于评估在侧脑室体部水平层面上沿血管周围间隙方向的扩散率，与投射纤维和联络纤维的扩散率相比（Fig.1a）。在该水平上，血管周围间隙的方向垂直于侧脑室壁，因此在轴向平面上大部分在左右方向（x轴）上。该方向还垂直于投射纤维（主要在z轴上）和联络纤维（主要在y轴上）的方向（Fig.1d）。因此，在投射/联络纤维的区沿x轴的扩散率将至少部分代表沿血管周围间隙的扩散率。在侧脑室体部水平平面的颜色编码FA图上，我们在左侧大脑半球的投射纤维区（Fig.1c中的蓝色）、联络纤维区（Fig.1c中的绿色）和皮层下纤维区（Fig.1c中红色）放置直径为5毫米的球形感兴趣区（ROI）。对于每个区域，我们计算了x轴、y轴和z轴方向的扩散率，并将它们与受试者的MMSE分数相关，以获得相关系数和P值。在本研究中，我们仅在左半球获得了测量值，因为所有受试者都是右利手，并且SLF足够厚可以将ROI放置在左侧。我们应用协方差分析（ANCOVA）评估回归曲线斜率的统计差异。
（Fig.1沿血管周围间隙的弥散张量图像分析（DTI-ALPS）方法的概念。a.注射对比剂冠状面脑的X线片，显示在侧脑室体部水平处层面（白色框）上脑实质血管水平延伸。b.侧脑室体部水平层面轴位SWI表示脑实质血管横向延伸（x轴）。c.SWI（b）上叠加DTI彩色显示投射纤维（z轴：蓝色）、联合纤维（y轴：绿色）和皮层下纤维（x轴：红色）的分布。在投射纤维（投射区）、联合纤维（联合区）和皮层下纤维（皮层下区）区放置三个ROI，以测量三个方向（x，y，z）的扩散率。d.表示血管周围间隙（灰色圆柱体）方向与纤维方向之间关系的示意图。请注意，血管周间隙的方向垂直于投射纤维和联合纤维。）
此外，我们还计算了一个指数，我们将其称为ALPS指数（ALPS-index），以评估个体病例的类淋巴系统的活性。该指数由垂直于组织中主导纤维的两组扩散率值之比提供，即投射纤维区中x轴扩散率（Dxproj）与联络纤维区中x轴扩散率（Dxassoc）的平均值与投影纤维区中y轴扩散率（Dyproj）和联络纤维区中z轴扩散率（Dzaccoc）的平均值的比值，如下：ALPSindex=mean(Dxproj,Dxassoc)/mean(Dyproj,Dzassoc).
在投射纤维区中，主要纤维沿z轴方向延伸，x轴和y轴均垂直于主要纤维。类似地，在联络纤维区中，优势纤维沿y轴方向延伸，x轴和z轴均垂直于优势纤维。两个区（Dxproj和Dxassoc）的x轴扩散率与垂直于它们的扩散率（Dyproj和Dzassoc）之间水分子行为的主要差异是血管周围间隙的存在。我们还将此ALPS-index与MMSE得分做相关分析。我们分别对b=和b=s/mm2数据集进行了上述分析。Results
MMSE与三个区（投射、联络、皮层下）的三个方向（x、y、z）的扩散率之间的相关性的相关系数和统计显著性（表示为*）如Fig.2所示。在投射区的b=s/mm2数据集中，我们发现沿血管周围间隙方向（x轴）的扩散率与MMSE得分之间存在显著正相关（r=0.40，p=0.），而沿投射纤维方向（z轴）显示与MMSE得分显著负相关（r=-0.62，p=0.），前后方向（y轴）的扩散率与MMSE评分没有相关性（r=-0.24，p=0.20）。同样在联络区的b=s/mm2数据集中，我们发现沿血管周围间隙（x轴）的扩散率与MMSE得分之间存在显著正相关（r=0.50，p=0.），而沿联络纤维（y轴）扩散率显示与MMSE得分显著负相关（r=-0.55，p=0.）。头足方向（z轴）上的扩散率与MMSE得分没有相关性（r=-0.10，p=0.58）。在皮层下区三个方向的扩散率与MMSE评分之间未发现统计学上的显著相关性。Fig.2CorrelationbetweendirectionaldiffusivityandMMSEscores
对于b=s/mm2的测量，除沿投射纤维（z轴）的扩散率外，其它扩散率和MMSE得分之间未发现统计学上的显著相关性，其在投射纤维区出与MMSE分数呈显著负相关性（r=-0.48，p=0.）。使用ANCOVA分析，在b=s/mm2图像的投射纤维区x轴和z轴的回归线的斜率（p0.）以及在b=s/mm2图像联络纤维区x轴和y轴的回归线的斜率（p0.）在统计上存在显著差异。
评估ALPS-index，在b=s/mm2数据集上，ALPS-index与MMSE得分之间存在显著正相关（r=0.46，p=0.）。而在b=s/mm2的测量上，ALPS-index和MMSE得分之间没有统计学上的显著相关性（r=0.29，p=0.）（Fig.3）。Fig.3CorrelationbetweenALPS-indexandMMSEDiscussion
类淋巴系统由Nedergaard等人于年首次提出，它是脑内脑脊液通过脑血管周围间隙和间质间隙的废物清除途径系统。Peng等人的最新报告指出在AD小鼠模型中类淋巴运输受到抑制。他们报告说Aβ通过类淋巴途径循环。齐聚可能限制Aβ的分布，可溶性Aβ低聚物，一种毒性更大的Aβ形式，也可能导致类淋巴功能障碍。在大量Aβ沉积之前，长期暴露于蛛网膜下腔CSF中的Aβ可能会抑制类淋巴管运输。载脂蛋白E4（apoE4）是AD的一个主要遗传危险因素。然而，apoE4如何影响AD的发作和进展尚待确定。最近的一项实验报告表明，类淋巴液转运系统有助于脉络丛/CSF衍生的人apoE向神经元的输送。AQP4的血管周定位可促进类淋巴系统的活性。小鼠实验研究表明，AQP4依赖的类淋巴途径是驱动可溶性Aβ清除的重要清除系统。在小鼠中，Aβ沿血管周围途径清除，与野生型小鼠相比，AQP4敲除小鼠Aβ清除减少了55-65％。关于尸检人脑组织的最新报告显示，血管周AQP4的定位独立于年龄与AD状态显着相关。
通过动物实验中的示踪剂研究可以观察到类淋巴系统。Iliff等人研究表明，随荧光示踪剂注入小脑延髓池脑脊液中标记脑脊液后，脑脊液会迅速沿着皮层软脑膜动脉进入大脑。首次使用双光子显微镜在小鼠体内表征了类淋巴系统的动力学。除荧光材料外，GBCM鞘内注射在以后的动物研究中也用作示踪剂。鞘内注射GBCM后进行全脑成像的实验性大鼠研究，可以鉴定出垂体和松果体凹处的两个关键流入结点。但是，除了几个精心设计的研究和事故报告以外，还没有进行鞘内注射示踪剂人体试验。仅将GBCM注射到脑脊液中可导致苍白球和齿状核的T1高信号，强烈提示类淋巴系统参与苍白球或齿状核的钆剂沉积现象。Naganawa等人观察到在静脉注射GBCM后4h，重T2加权FLAIR图像上血管周间隙和CSF间隙的增强；但是，还没有建立通过MRI追踪静脉注射GBCM的方法。此外，即使建立了评估活人类淋巴系统的示踪剂方法，对类淋巴系统的示踪剂研究也需要花费数小时来追踪示踪剂在大脑中的分布，并且实时监控类淋巴系统的活动是不可能。因此，需要使用除示踪剂研究以外的监测方法来评估类淋巴系统。当前研究中使用的DTI-ALPS方法使用弥散图像，其可在几分钟内获取，并且可能具有随时监测类淋巴系统状态的潜力。
DTI-ALPS方法可用于评估在侧脑室体部水平层面上沿血管周围间隙方向的扩散率，与投射纤维和联络纤维方向相比。髓动、静脉是脑实质血管并伴随血管周间隙，这是类淋巴系统的主要引流途径。目前仍很难在MR图像上看到细微的髓动脉，但是，可以使用3-T扫描仪和高分辨率成像协议（例如磁化率加权成像（SWI））来显示细微的髓静脉。在进行当前评估之前，我们检查了正常大脑的SWI和彩色编码的FA图像，并查找了由SWI上的髓静脉代表的血管周间隙形态和相互垂直的主要白质纤维束。我们发现，在侧脑室体部水平，血管周围间隙沿左右方向（x轴）延伸，投射纤维沿头足（z轴）方向延伸，联络纤维沿投射外侧的前后（y轴）方向延伸。
我们目前的研究结果表明MMSE得分与沿投射纤维和联络纤维的扩散率之间存在显著负相关，这一结果可以解释为AD或MCI导致投射或联络纤维中的白质变性。此外，一项基于DTI的图谱分析对AD病例中的30个主要脑白质纤维束进行了研究，结果表明联络纤维束的平均、轴向和径向扩散率均增加，而投射纤维束的轴向和径向扩散率则有所提高，其解释为在AD病例中这些纤维束组织密度降低。相反，我们目前的研究表明，沿血管周间隙的扩散率与MMSE评分之间存在显著正相关，表明在投射或联络纤维优势区中，在血管周围间隙方向的水扩散率受损与AD严重性相关。我们的结果与大鼠实验提示AD中的类淋巴系统活性受损一致。我们使用两个不同的b值进行了此评估，包括b=s/mm2作为标准b值和b=s/mm2作为较高的b值。为了确保更好的信噪比，我们没有选择很高的b值，例如b=s/mm2。在b=s/mm2的情况下，与b=s/mm2的情况相比，上述观察结果更为明显，例如ALPS-index与MMSE之间的正相关。由于当b值较低时，来自具有较高动力的水分子的影响将占主导地位，因此在较低b值（b=s/mm2）的测量下，血管周围间隙内水分子的较高扩散率或动力可能会产生较大影响。b=和b=s/mm2之间差异的另一个可能原因是，在b=s/mm2的测量中获得了较高的信噪比。
我们计算了ALPS-index，以评估个体病例的类淋巴系统的活性。在该指数中，我们假设投射纤维和联络纤维区的x轴扩散率（Dxproj和Dxassoc）与垂直于它们的扩散率（Dyproj和Dzassoc）之比表示水沿血管周间隙方向扩散的影响，其反映个体病例的类淋巴系统活性。当该比率接近于1时，这意味着水沿血管周围间隙扩散的影响最小，并且较大的比率表示沿血管周围间隙较大的水扩散率。在我们的结果中，在b=s/mm2数据集上，ALPS-index与MMSE得分之间存在显著正相关，这表明ALPS-index可用于评估类淋巴系统的活性。这个结果还表明，只有MMSE得分较低病例才发现较低的ALPS-index。这可能表明患有重度AD的患者几乎无一例外地有类淋巴系统受损。另一方面，MMSE得分较高的患者ALPS-index的变异性很大。在某些患有轻度AD的病例或在MCI和SCI病例中，可能还有其他未知因素会损害类淋巴系统。
我们当前的研究有几个局限性。目前，我们的软件只能计算x，y和z轴上的扩散率，它们是作为扩散张量的分量而获得的：Dxx、Dyy和Dzz。因此，沿侧脑室体部平面侧脑室外部的区域是唯一可以独立评估沿血管周围间隙方向扩散率的区域。在血管周间隙不在x、y或z轴方向上延伸的区域和血管周间隙与主要纤维束方向平行的区域中，对沿着血管周间隙的扩散率进行单独评估是不可能。另一个局限性是ROI是手动放置的，这可能是我们测量的主观因素，但是我们试图尽可能客观地放置ROI。受试者较少和这项研究是在单个机构中进行是另外的局限性。此外，我们没有考虑任何其他生理状态，包括大脑的灌注或搏动。但是，我们用b=和b=s/mm2进行了扩散成像，因为预计该较高的运动梯度会抵消相当宏观的生理状态。
总之，我们使用DTI-ALPS方法的结果表明，沿血管周间隙的扩散率与MMSE评分之间存在显著正相关，表明与AD，MCI或SCI严重性相关的水扩散率受损。因此，沿血管周围间隙的较低扩散性或较低的ALPS-index似乎反映了类淋巴系统的损害。DTI-APLS方法可用于评估类淋巴系统的活性，ALPS-index可用于评估个体影响类淋巴系统活性的条件。
原文出处:
TaokaT,MasutaniY,KawaiH,etal.EvaluationofglymphaticsystemactivitywiththediffusionMRtechnique:diffusiontensorimageanalysisalongtheperivascularspace(DTI-ALPS)inAlzheimer’sdiseasecases.JpnJRadiol,,35(4):-.
DOI：10./s---z
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