復旦大學Nature子刊：電場響應磁共振探針定位難治型癲癇模型致癇灶
本文來自微信公眾號：X-MOLNews
癲癇是常見的神經系統疾病，影響全世界約1%人口，其特徵是異常神經元電活動而導致長期和不可預測的癲癇發作。約三分之一癲癇患者不能通過藥物來控制發作，被稱為難治性癲癇。與普通癲癇患者相比，難治型癲癇患者的死亡率、遭受物理創傷和心理障礙的風險顯著增加。手術切除致癇灶是治療難治性癲癇最有效的方法，但準確定位致癇灶是實施手術干預的前提。
腦電圖是定位致癇灶的金標準，通過監測異常神經元放電定位致癇灶。然而，顱內腦電存在空間分辨率低、靈敏度不足、觀察範圍有限、費用高昂等缺點。此外，顱內電極插入不可避免地造成腦組織創傷。作為臨牀定位致癲灶最主要的影像技術，磁共振成像（MRI）通過組織結構異常發現致癇灶，還具有無創、無檢測深度限制、分辨率高等優勢。然而，約30%難治性癲癇患者在磁共振成像上未表現出結構異常，導致其失去手術治療機會。全世界範圍內，目前僅有不到1%的癲癇患者最終實現了手術治療。因此，開發高特異性、高信噪比的磁共振探針是定位“隱匿型”致癇灶的迫切需求。
2020年9月28日，復旦大學藥學院李聰教授聯合復旦大學附屬華山醫院神經外科毛穎教授等在Nature Biomedical Engineering 雜誌上發表了題為“An electric-field-responsive paramagnetic contrast agent enhances the visualization of epileptic foci in mouse models of drug-resistant epilepsy”（電場響應順磁性造影劑可視化耐藥小鼠癲癇模型致癇灶）的研究論文，報道了一類基於膠束結構的電場響應型磁共振探針。在小鼠局灶性癲癇模型中，該探針能夠主動跨越血腦屏障進入病灶區域。癲癇發作引發的腦電場變化會觸發探針結構破壞，並伴隨T1加權磁共振信號顯著性增強。該探針實現了急性和自發性小鼠癲癇病灶的準確定位，且T1磁共振信號增強與小鼠腦電強度正相關。該探針為增加難治型癲癇患者手術治療機會，為研究癲癇相關腦疾病提供新的可視化技術。
圖1. 電場響應磁共振探針的結構及響應機制。(a) 目標探針由順磁性共聚物（外殼）包裹小粒徑氧化鐵團簇（內核）組成。(b) 由於距離依賴的磁共振諧調效應（distance-dependent magnetic resonance tuning，MRET），超順磁氧化鐵團簇的強磁矩導致空間相鄰順磁性基團的T1加權磁共振信號淬滅（OFF狀態）。電場影響下，超順磁和順磁基團之間空間距離增加，順磁性基團T1加權磁共振信號逐漸恢復（ON狀態）。
該工作首先構建了一類具有膠束結構的電場響應探針。該探針呈“核-殼”狀球形結構，內核為小粒徑氧化鐵簇，外殼標記有順磁性基團和電流響應基團。在初始狀態，順磁基團受到空間相鄰超順磁基團影響，其電子自旋漲落速率受到抑制，T1信號處於淬滅狀態。在外電場作用下，電流響應基團帶上正電荷，靜電斥力導致探針結構破壞，順磁性基團受氧化鐵超順磁磁場影響減弱，電子自旋漲落速率加快，T1信號開啓，從而實現電流信號響應性。注射後，探針首先靶向病灶血管內皮細胞高表達的低密度脂蛋白受體相關蛋白1（LRP1），繼而通過LRP1介導轉胞吞作用跨過血腦屏障進入病灶。在異常腦電刺激下，探針T1信號顯著性提高，進而指示癲癇病灶（圖1）。
圖2. 電場響應探針T1磁豫率與電場強度與通電時間正相關。（a）探針在外電場（200 μA）作用0 h、2 h及8 h後的TEM圖像。比例尺= 50 nm和20 nm（嵌入圖）。（b）探針在外電場（200 μA）作用0 h、2 h及8 h後的水合粒徑。（c）探針在不同通電時間和通電強度下的T1加權磁共振圖像。（d）探針的T1弛豫率隨外電場施加時間和強度的變化。
正常情況下，目標探針呈球形結構，在外加200 μA強度電場作用2 h後，探針體積逐漸膨脹併發生破裂。通電8 h後，探針幾乎完全降解，氧化鐵團簇分散（圖2a）。水合粒徑結果顯示，隨着外加電場作用時間增加，探針水合粒徑逐漸增大（圖2b）。探針T1加權磁豫率（r1）與電場作用時間成正比。在200 μA電場作用30 min、2 h和8 h後，探針弛豫率分別升高9.2%、33.6%和57.2%，達到6.4、7.8和9.2 mm-1 s-1（圖2c和d）。探針磁豫率還與電場強度正相關。外加電場強度從100 μA逐漸增加至200 μA及500 μA後，探針的r1值分別升高22.0%、33.6%和43.9%（通電2小時）。
圖3. 電場響應探針示蹤急性期小鼠模型癲癇病灶。（a）急性期癲癇模型小鼠及假手術模型小鼠顱骨腦電圖。（b）急性期癲癇模型小鼠18F-FDG PET成像，箭頭指向為低信號強度的癲癇病灶區域。（c）尾靜脈注射具有相同Gd3+濃度（0.06 mmol/kg）的EM（電場響應探針），CM（參比探針）或Gd3+-DTPA之前及之後相應時間點的冠狀位MR圖像。箭頭指向癲癇病灶。
針對活體研究，研究者首先構建了急性期癲癇小鼠模型。顱骨腦電顯示同側海馬有高頻率、低電壓的節律性放電。而假手術組僅可見基線腦電信號（圖3a）。發作間期18F-FDG PET成像顯示模型鼠同側海馬攝取低，提示該區域可能有神經元的損傷或丟失（圖3b）。將急性期癲癇小鼠模型隨機分為三組，分別尾靜脈給予釓劑量相同（0.06 mmol/kg）的電場響應探針EM、電場不響應探針CM或臨牀廣泛使用造影劑Gd3+-DTPA，另設一假手術模型組作為陰性參比。如圖3c所示，尾靜脈注射EM 30 min後，癲癇小鼠同側海馬T1W MR信號明顯增強，注射2 h後逐漸擴展至整個海馬。參比Gd3+-DTPA組中，注射30 min後在同側大腦也可見到輕微的T1W MR信號增強，這可能是由於癲癇病灶部位BBB完整性受損造成。而注射CM後，並未發現病灶部位MR信號明顯的增強。T1磁共振信號強度定量統計結果表明，注射後2 h後EM在癲癇病灶中MR信號強度升高了29.1%，顯著高於參比探針CM（13.2%，P = 0.012）。小分子Gd3+-DTPA代謝較快，在注射後30 min，病灶區域T1W MR信號增強最多，達9.2%。
圖4. 電場響應探針示蹤慢性自發性癲癇小鼠模型病灶。（a）慢性自發性癲癇小鼠模型的顱骨腦電圖。（b）慢性自發性癲癇小鼠模型18F-FDG PET成像，箭頭指向為低信號強度的癲癇病灶區域。（c）尾靜脈注射具有相同Gd3+濃度（0.06 mmol/kg）的EM，CM之前及之後相應時間點的冠狀位MR圖像。箭頭指向癲癇病灶。
慢性自發性癲癇小鼠模型與臨牀顳葉癲癇患者具有相似的組織病理學、腦電圖和行為學特徵。顱骨腦電顯示同側海馬出現明顯的高壓同步尖峯波和孤立/突發性尖峯（圖4a）。發作間期18F-FDG PET顯示癲癇病灶側有明顯的低代謝區（圖4b）。活體MR成像結果顯示，在尾靜脈給電場響應探針1 h後，可觀察到同側海馬有明顯的T1W MR信號增強（19.4%），並在2 h達到最大值（21.5%），同時對側海馬也未檢測到明顯MR信號（圖4c）。對比CM組，在注射後2 h同側海馬的MR信號增強率（11.2%）低於EM組（P = 0.016）。以上結果表明，該電場響應探針EM可通過對慢性期自發癲癇小鼠模型發作間期的神經元放電響應來定位癲癇病灶。
圖5. 癲癇小鼠模型腦電功率與電場響應探針MR信號增強正相關。（a，b）急性和慢性期癲癇小鼠腦部不同位點腦電圖及腦電地形圖。（c，d）急性和慢性癲癇小鼠尾靜脈注射電場響應探針2 h後，冠狀位T1W-MR圖像和偽彩圖。（e，f）在急性和慢性期小鼠癲癇模型中，各ROI中的T1信號強度增加百分比與腦內EEG相對功率呈正相關。
研究者繼續研究致癇灶放電強度與探針磁共振信號增強之間的關係。首先，他們搭建了一套腦電圖儀，焊制小鼠顱骨電極，將2個參比電極固定在小鼠小腦部位，四個記錄電極分別位於同側海馬、對側海馬、同側額葉、對側額葉。將模型鼠置於透明鼠籠中，攝像頭記錄它們的行為學，同時記錄它們的腦電信號。圖5a-b顯示，在急性期間，EEG波譜記錄到同側海馬（ROI 3）有明顯的棘波，該區域的EEG相對功率比對側海馬及額葉高1.2–3.0倍。類似的，在慢性癲癇小鼠模型中，癲癇病灶區的EEG可觀察到高電壓尖峯波，其EEG相對功率比其他三個部位高1.5–2.1倍。腦電地形圖同樣顯示，不論是急性或是慢性癲癇模型ROI 3區域的腦電功率最高。癲癇小鼠模型的T1W MR圖像顯示，電場響應探針注射後2 h 後ROI3的信號增強程度最高（圖5c和d）。通過繪製探針注射2 h後癲癇病灶的T1強度變化和相應的EEG功率，可以發現二者存在一定的線性關係（圖5e和f），慢性期的線性關係較急性期擬合程度更高。以上研究進一步證實了電響應探針信號增強在急性和慢性癲癇小鼠模型中定位癲癇病灶的可行性。
總結
本工作報道了一類電場響應性T1W磁共振造影劑，該探針通過對癲癇病灶神經元異常放電區域進行定位，有望實現“隱匿性”癲癇病灶的無創示蹤，為擴大難治型癲癇患者人羣手術治療機會提供了新技術。該電場響應探針具有以下3點優勢：（1）將不可見的腦神經元異常電信號轉變為可視且直觀的影像信號，提高術前定位致癇灶的操作性；（2）可在癲癇發作間期實現致癇灶定位，提高臨牀操作便利性；（3）用於T1磁共振成像，與臨牀結構、功能磁共振影像無縫匹配，提高診斷準確性。
圖6. 電場響應磁共振探針定位難治性癲癇病灶示意圖。探針首先通過LRP1介導轉胞吞作用跨血腦屏障進入病灶。病灶區域過度神經元放電觸發探針破裂，探針磁共振信號顯著升高，實現癲癇區域的高信噪比定位。
該項目得到了國家自然科學基金（項目編號：81771895; 81971598; 81725009; 81501120）、上海市“腦與類腦智能基礎轉化應用研究”市級科技重大專項（項目編號：2018SHZDZX01）等項目的資助。復旦大學藥學院李聰教授和復旦大學附屬華山醫院神經外科毛穎教授為本文的共同通訊作者。復旦大學藥學院博士生王聰、華山醫院碩士生孫琬冰和華山醫院放射科張軍主任醫師為共同第一作者。研究團隊還得到了浙江大學醫學院田梅教授和張宏教授，中科院上海藥物研究所高召兵研究員，帝國理工學院化學系Nicholas J. Long教授的幫助。
An electric-field-responsive paramagnetic contrast agent enhances the visualization of epileptic foci in mouse models of drug-resistant epilepsy
Cong Wang, Wanbing Sun, Jun Zhang, Jianping Zhang, Qinghua Guo1, Xingyu Zhou, Dandan Fan, Haoran Liu, Ming Qi, Xihui Gao, Haiyan Xu, Zhaobing Gao, Mei Tian, Hong Zhang, Jianhong Wang, Zixuan Wei, Nicholas J. Long, Ying Mao, Cong Li
Nat. Biomed. Eng.,2020, DOI: 10.1038/s41551-020-00618-4
【來源：詩萊健康】
聲明：轉載此文是出於傳遞更多信息之目的。若有來源標註錯誤或侵犯了您的合法權益，請作者持權屬證明與本網聯繫，我們將及時更正、刪除，謝謝。 郵箱地址：[email protected]