文献信息

近日，陆军军医大学大坪医院核医学科、陆军军医大学大坪医院放射科等单位的研究成果¹⁸F-FDG PET Combined With MR Spectroscopy Elucidates the Progressive Metabolic Cerebral Alterations After Blast-Induced Mild Traumatic Brain Injury in Rats（¹⁸F-FDG PET结合MR波谱研究大鼠轻型颅脑爆炸冲击伤损伤后进行性代谢性脑改变）在学术期刊Frontiers in Neuroscience发表。平生公司的Super Nova® PET/CT产品在论文中提供了重要的大鼠脑部PET/CT图像和定量分析。

该研究的通讯作者为陈晓教授、熊坤林教授、金榕兵教授。第一作者为李扬博士、刘凯军教授。

文献背景

大多数轻型颅脑爆炸冲击伤（mTBI）患者出现持续性神经功能障碍，常规结构磁共振成像无明显阳性改变。迫切需要开发先进的影像学方法来检测和理解爆炸诱导的mTBI的病理生理学。氟[¹⁸F]脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（¹⁸F-FDG PET）可以检测受损大脑的神经元功能和活动，而MR波谱可以提供补充信息并评估损伤后的代谢异常。本研究旨在探讨¹⁸F-FDG PET与MR波谱相结合评估冲击波诱发mTBI引起的急性和亚急性代谢性脑改变的有效性。32只成年雄性Sprague-Dawley大鼠暴露于一次冲击波中（mTBI组），32只大鼠未暴露于冲击波中（假手术组），然后在三个不同队列中进行损伤后1-3小时、1天和7天的¹⁸F-FDG PET、MRI和组织学评估。¹⁸F-FDG PET显示杏仁核和体感皮层FDG摄取短暂增加，随后从损伤后第1天到第7天逐渐恢复到基线，运动皮层FDG摄取持续增加。相反，中脑结构（下丘和上丘）的FDG摄取减少。磁共振波谱分析显示，随着时间的推移，体感皮层中的炎症标记物肌醇（Ins）、氧化应激标记物谷氨酰胺+谷氨酸（Glx）和缺氧标记物乳酸（Lac）水平显著升高，而主要渗透压细胞牛磺酸（Tau）水平在1–3 h和1天立即升高，然后在损伤后7天恢复至假手术水平，这可能是由于血脑屏障的破坏。随着时间的推移，FDG摄取增加、Ins和Glx水平升高已通过组织学分析得到证实，组织学分析显示额叶皮质小胶质细胞活化和胶质增生增加。这些结果表明，¹⁸F-FDG PET和MR波谱可以一起用于反映更全面的体内神经病理学改变，这可以提高我们对冲击波诱发mTBI后大脑复杂改变的理解。

实验方法

爆炸诱导mTBI模型所

如前所述，生物激波管（BST-I）装置用于产生爆炸伤。所有大鼠在100%氧气中，用4–5%异氟醚在诱导室中麻醉约5分钟。然后，mTBI组的麻醉大鼠被放置在俯卧位的单独笼中（一只大鼠/笼），左侧面向冲击过程中的膜方向。所有笼子均位于同一垂直面上，以确保压力暴露相等，并防止随后的二次或三次爆炸伤害。BST-I装置产生两级低强度冲击波。峰值过压值分别为139.146和364.86 kPa，持续48.41 ms。爆炸后，将大鼠从装置中取出，并将其置于笼中仰卧位。假手术大鼠进行相同的麻醉程序，并放置在BST-I装置中，不暴露于冲击波。记录mTBI和假手术大鼠的翻正反射时间。
 

PET/CT成像、重建和分析

注射¹⁸F-FDG前4∼6小时大鼠禁食。mTBI和假手术大鼠均经尾静脉注射¹⁸F-FDG，剂量为37MBq/只。摄取40分钟后，在list mode下进行静态PET扫描30分钟（350∼650keV，2.56ns），使用小动物微型PET/CT扫描仪（SuperNova,平生医疗科技有限公司）。PET扫描后，在大鼠模式下（60 kVp，500µA，暴露时间320 ms）进行三个床位的CT扫描，以进行解剖定位、衰减和散射校正。CT图像矩阵为352×352×536，体素大小为0.23×0.23×0.23 mm。重建算法为3D OSEM/MAP，2次OSEM迭代，18次MAP迭代；应用的散射、衰减和衰减校正；要求的分辨率=0.5 mm；图像矩阵=256×256×159；体素大小=0.39×0.39×0.80 mm。
 

使用PMOD软件版本3.6（瑞士苏黎世PMOD技术有限公司）对¹⁸F-FDG PET数据进行处理和分析。对于兴趣体积（VOI）分析，PMOD将PET数据记录到W.Schiffer大鼠脑模板和图谱中的58个区域。自动应用大鼠大脑定义分区的标准摄取值（SUV）进行测量。这项研究评估了58个大脑区域，如前所述，整个图谱用于全脑标准化。通过将单个感兴趣区的标准化¹⁸F-FDG摄取值除以全脑的¹⁸F-FDG摄取值，计算区域SUVw。

实验结果

在58个脑区中，从基线检查到第7天，sham和mTBI大鼠的FDG摄取有10个VOI发生显著变化，包括双侧杏仁核（F1,5=4.137，p=0.0253）、体感皮质（F1,5=13.43，p=0.0145）、运动皮质（F1,5=7.479，p=0.0410）、下丘（F1,5=38.77，p=0.0016），上丘（F1,5=16.82，p=0.0093）（图2B）。双侧VOI中FDG摄取的变化相似，因此我们将左侧和右侧VOI的SUVw合并为SUVw平均值，以在不同时间点进行比较。与假手术组相比，mTBI组在损伤后1-3小时，杏仁核（+5.97%，p=0.0103）和体感皮层（+6.82%，p=0.0245）的FDG摄取增加。随后，mTBI组的杏仁核和体感皮层的FDG摄取在损伤后1至7天逐渐恢复到基线水平，与假手术组相比，1天时体感皮层的FDG摄取量有显著差异（+6.12%，p=0.0429）（图2A、C、D）。mTBI组运动皮层的FDG摄取从损伤后1天（+3.60%，p=0.0326）增加到7天（+3.41%，p=0.0446）（图2A，E）。然而，在损伤后1–3小时，在两个中脑结构中观察到FDG摄取减少，即下丘（-17.21%，p<0.0001）和上丘（-6.75%，p=0.0094）。然后，mTBI组损伤后1至7天，上丘和下丘的FDG摄取量逐渐恢复到基线水平，与假手术组相比，下丘1天（-12.43%，p<0.0001）和7天（-7.68%，p=0.0049）和上丘1天（-5.95%，p=0.0230）的FDG摄取量存在显著差异（图2A，F，G）。

氟[¹⁸F]脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（¹⁸F-FDG PET）显示，爆炸诱导mTBI后，多个区域的脑代谢增加和减少。（A） 在爆炸后第1天，假手术大鼠（上）和爆炸大鼠（下）大脑从前到后（从左到右）的代表性轴向¹⁸F-FDG PET图像。在相应的PET图像中，黄色和黑色分别代表相对较高和较低的值。（B）FDG摄取分析显示，sham和mTBI大鼠之间有五个区域发生显著变化：（1）运动皮层，（2）体感皮层，（3）杏仁核，（4）上丘和（5）下丘。（C–G）方框图显示mTBI和假手术大鼠的这五个区域在损伤后1–3小时、1天和7天摄取FDG。Box 和 whisker plots显示中值、第一和第三个四分位数、最小值和最大值,与假手术组相比**p<0.01,*p<0.05。

结论

综上所述，研究者们首次证明¹⁸F-FDG PET和MRS联合应用可以检测爆炸诱导的mTBI在超急性、急性和亚急性损伤后阶段的脑代谢进行性变化。结合这两种成像方法可以更全面地反映冲击波诱导的mTBI后体内的神经病理学改变。这些发现为理解冲击波诱导的mTBI的病理生理学提供了有用的信息，包括炎症、胶质增生、缺氧/缺血和血脑屏障破坏。

使用设备

Super Nova^® Micro PET/CT  I代产品（平生医疗科技）

影像软件：Avatar（平生医疗科技）