创伤性脑损伤患者脑缺血和弥漫性缺氧的病理生理机制
胡霁云 李莉 翻译 赵双平 校对
重点：联合氧15标记的正电子发射断层扫描(15OPET)和脑组织氧测定表明，创伤性脑损伤(TBI)患者的缺氧区域存在氧扩散梯度增加。病理研究显示广泛的微血管塌陷、血管周围水肿和微血栓形成造成微血管缺血，导致局部缺氧，进而造成选择性的神经元丧失。氟18标记的氟索唑([18F]FMISO)是一种PET示踪剂，可在缺氧细胞内进行不可逆的选择性生物还原，从而显示缺氧细胞。
目的：结合[18F]FMISO和15O PET以显示TBI早期大循环和微循环缺血的受累程度、分布范围和生理特征。
研究方法：本病例对照研究包括10例重度或中度脑外伤患者，在受伤后1 - 8天内接受[18F]FMISO和15OPET检查。两组10名健康志愿者接受了[18F]FMISO或15O PET治疗。这项研究是在阿登布鲁克医院的沃尔夫森脑成像中心进行的。在[18F]FMISO和15O PET成像期间测量患者和健康志愿者的脑血流量、脑血容量、脑氧代谢(CMRO2)、氧摄取分数和脑组织氧。数据收集时间为2007年11月23日至2012年5月22日，分析时间为2012年12月3日至2016年1月6日。
主要结果和测量方法:估算缺血脑容量(IBV)和缺氧脑容量(HBV)，并比较它们的空间分布和生理特征。
结果：10例TBI患者(9男1女)中位年龄为59岁(30-68岁);2个对照组(各8名男性和2名女性)的中位年龄分别为53岁(41-76岁)和45岁(29-59岁)。与对照组相比，TBI患者的IBV中位数更高(56[9-281]vs. 1[0-11] mL;P < 0.001)， HBV更高(29[0-106]vs. 9[1-24]mL; P = 0.02)。虽然脑挫伤或者影像正常的患者大脑中均存在缺血和缺氧，但这两种病理表现的空间分布不匹配。与IBV脑组织相比，HBV脑组织的中位脑血流量(17[11-40] vs. 14[6-22]mL/100 mL/min)、脑血容量(2.4[1.6- 4.2] vs. 3.9[3.4-4.8]mL/100 mL)和CMRO2(44[27-67] vs. 71[34-88] μmOl/100 mL/min)相似，但氧摄取率显著降低(38%[29%-50%] vs. 89%[ 75%-100%]; P < .001)，CMRO2值往往与不可逆损伤密切相关。与脑组织氧仪监测的比较表明，增加[18F]FMISO捕获的阈值可能是15mmHg或更低。
结论和意义：创伤性脑损伤后的组织缺氧并不局限于结构异常的区域，也可发生大循环正常的情况下。这种生理特征与微血管缺血相一致，是神经保护策略的新靶点。
1.关键点
问题：创伤性脑损伤患者是否有明显的脑缺血和弥漫性缺氧特征?
发现：本病例-对照研究采用氧15标记和氟18标记氟索唑正电子发射断层扫描对10例TBI患者和20例对照组进行了研究，发现TBI后组织缺氧并不局限于结构异常区域，也可在发生在非常规缺血的区域。
意义：这种生理特征与微血管缺血相一致，是神经保护策略的新靶点。
以前的研究使用氧15标记正电子发射断层扫描(15O PET)来确定早期创伤性脑损伤(TBI)后脑缺血的证据。尽管其他15O PET研究发现的缺血证据不那么令人信服，但它们典型地证明了与局灶微透析相关的代谢功能障碍的证据。这种早期的生理紊乱与局部组织命运、慢性脑萎缩和临床结果的相关性得到了证实虽然tbi7后的非缺血性紊乱可归因于线粒体功能障碍，研究显示脑组织PO2(PbtO2)减少。这些PbtO2的减少与更差的结果相关，旨在优化氧气输送的干预显示了希望。这些不一致的发现最好的解释是氧从大脑微血管向间质扩散的梯度增加。以前的一项研究使用pbtO2监测和15O PET显示，在大血管缺血的情况下，缺氧区域内的氧扩散梯度增加。此外，一些研究人员已经表明，弥散屏障缺血可以用内皮细胞肿胀、血管周围水肿和微血栓(尤其是病灶周围)引起的微血管衰竭来解释。氟18标记的氟索唑([18F]FMISO)是一种缺氧PET示踪剂，可在缺氧但存活的细胞中进行不可逆的选择性生物还原，已用于中风和蛛网膜下腔出血.据我们所知，这项研究是第一次将[18F]FMISO与15O PET测量脑血流量(CBF)、脑血容量(CBV)、脑氧代谢(CMRO2)和氧提取分数(OEF)相结合的临床研究，以询问病理生理紊乱。在没有大血管缺血的情况下成像组织缺氧可以证实微血管缺血的证据。我们的目的是使用[18F]FMISO和15O PET来显示TBI后常规大血管和微血管缺血的负担、分布和生理特征。
2.方法
2.1参与者
从AddenbrOOke医院招募10例TBI患者(9男1女)，中位年龄59岁(30-68岁)。患者复苏后格拉斯哥昏迷评分中位数为7(3-12)，但需要镇静和通气来控制颅内压(见表)。患者管理包括规范驱动的治疗，目的是使颅内压小于20 mm Hg，脑灌注压大于65 mm Hg，如果可行，接受手术干预或二级药物治疗(巴比妥酸盐昏迷或中度低温[33°C-35°C])的患者见表。6个月时使用格拉斯哥昏迷量表评估预后。10名健康志愿者(8男2女)，中位年龄45岁(29-59)，接受了15O PET，另外10名健康志愿者(8男2女)，中位年龄53岁(41-76)，接受了[18F]FMISO PET(对照组)。剑桥中央研究伦理委员会和放射性物质管理咨询委员会批准了这项研究。根据《赫尔辛基宣言》获得了最近亲属的书面知情同意或咨询协议。
2.2影像学
数据收集时间为2007年11月23日至2012年5月22日。参与者使用3-T扫描仪(MagnetOm VeriO;剑桥大学沃尔夫森脑成像中心(WOlfsOn Brain Imaging Centre)。序列包括三维t1加权磁化制备的快速梯度回波(MPRAGE)、流体衰减反演恢复(FLAIR)、梯度回波和磁化率加权成像。患者接受15O PET，随后在同一疗程和扫描仪中进行[18F]FMISO PET (Advance;GE医疗系统)，在15O分娩后至少15分钟注射FMISO。
2.2.1 15O正电子发射断层摄影术
在3d模式下采集排放数据，在800mbq的15O水稳态输注20分钟后的最后10分钟，在3d模式下采集750mbq的15O一氧化碳吸入1分钟后的5分钟，并在二维模式下持续20分钟的7200mbq 15O氧稳态吸入的最后10分钟(转换为兆位，乘以2.7 × 10−11)。同时将PET和动脉示踪剂放射性浓度测量输入标准模型，计算出CBF、CBV、CMRO2和OEF的参数图.
2.2.2 [18F]FMISO正电子发射层析成像
18F]FMISO注入(300mbq)后，在三维模式下2.5小时获取PET数据。动脉血浆样本为动力学分析提供了输入功能。体素区室模型使用了不可逆的BAFPIC，这是一种基于等离子体输入函数的2组织区室模型的基函数方法。26缺氧用BAFPIC确定的参数k3绘制，该参数表示[18F]FMISO.27的组织捕获率。
2.2.3影像处理
我们使用集成图像分析网关(PETAn处理PET数据，该网关包含统计参数映射(SPM;伦敦大学学院WellcOme成像神经科学系)，Matlab (MathWOrks, Inc)和Analyze (AnalyzeDirect, Inc)。使用FMRIB软件库中的大脑提取工具，从MPRAGE中剥离颅骨和颅外软组织，提取的大脑注册到汇总的H2 15O和[18F]FMISO图像中。PET研究中与核心病变一致的脑脊液节段和CBF体素小于2.36 mL/100 mL/ min的，对无活组织的阳性预测值为0.95为了避免明显损伤区域内的伪影，分析是在原生PET空间进行的，而不是使用空间转换到标准模板。
2.2影像分析
2.2.1兴趣区分析
病灶挫伤在FLAIR上定义，并使用MPRAGE、梯度回波和敏感加权成像将其分离为核心、挫伤和周围挫伤。30病灶核心被识别为与出血和坏死组织一致的混合信号强度区域，并从后续分析中排除。挫伤被识别为与水肿一致的高FLAIR信号区域;挫伤周，挫伤周围1cm的正常组织边缘区。利用SPM8将FLAIR图像共配准到PET空间，并将共配准参数应用于感兴趣的病变区域。作为比较，在TBI患者中定义了一个正常的灰质和白质混合区域。
2.2.2缺血性脑容量
我们使用OEF评估缺血的负担及TBI以前的技术验证,我们估计一个个性化的临界OEF阈值(OEFcrit)(这等同于一个脑静脉氧含量[CvO2] 3.5毫升/ 100毫升),每个参与者使用OEFcrit=(CaO2−3.5)/ CaO2, CaO2=1.34 HbSaO2+0.0225PaO*CaO2是动脉血氧含量，Hb是血红蛋白浓度(克/ 100ml)， saO2是动脉血氧饱和度分数，paO2是动脉血氧饱和度。应用这些患者特异性OEF阈值，可以计算CVO2值低于该阈值的体素体积，从而估计缺血脑容量(IBV)。
2.2.3缺氧的大脑容量
我们使用k3值来评估组织缺氧负担，因为k3代表缺氧条件下FMISO捕获的速率常数。使用每个对照组参与者全脑内体素k3值的平均值和标准差，我们使用平均值加3个SDs计算99%以上的CI阈值。我们使用k3值高于此阈值的脑容量来计算低氧脑容量(HBV)。我们检查了HBV和IBV的体积、空间位置和不匹配
2.2.4 与PbtO2对照
对于接受pbtO2监测的参与者，监测是连续的，在整个PET过程中每5到10分钟记录一次。在传感器尖端LICOX;将[18F]FMISO的k3值与pbtO2值进行比较。
2.3统计分析
数据分析时间为2012年12月3日至2016年1月6日。使用Statview进行统计分析(版本5;SAS研究所有限公司)。除非另有说明，数据均表示为中位数(范围)。数据比较采用MannWhitney和Spearman秩相关检验和BOnferrOni校正后引用的P值(在适当的情况下)，校正后的P < 0.05认为显著。使用Dice相似性系数32来衡量IBV和HBV之间的空间重叠程度
3结果
3.1区域生理研究
即使在结构正常的区域内，生理发现也存在很大差异(见补充图)。与对照组数据相比，挫伤的CBF和CMRO2较低(P<0.01, Mann-Whitney test with BOnferrOni cOrrectiOn)，而CBV和OEF变化较大，但与对照组相似。结构正常的眼周组织和区域的cmrO2低于对照组(P<0.01，经BOnferrOni校正的Mann-Whitney检验)，而CBF、CBV和OEF与对照组相似。
3.2缺血性脑容量
与对照组相比，患者组IBV显著升高(56 [9-281]mL 对比 1 [0-11] mL;P<.001, Mann-Whitney检验)。虽然大部分的IBV接近可见病变,23%(4% - -65%)中找到cOntusiOnal和pericOntusiOnal地区,IBV也分布在正常脑组织(图1)。IBV的生理特征见图2。我们发现IBV与损伤后的天数和年龄没有关联(P=0.4 9, P=0 .34, Spearman相关秩检验)。
3.3缺氧性脑容量
HBV在患者中的中位数为29 (0-106)mL 对比 9 (1-24) mL (P=0.02, Mann-Whitney test)。IBV和HBV相关性组的变化没有达到显著性(ρ=0.61和P=0.07, Spearman秩相关检验)。这两个病理生理的组织类之间的重叠量是1ml(0-19),我们发现大量空间不匹配(相似系数,0[0 - 0.1])(图1和图3)。尽管HBV通常与病灶有关,37%(21% - -57%)位于挫伤和挫伤周围区域,在影像学正常的脑组织中也可以见到(图1和3)。图2比较了IBV和HBV组织分类、结构正常但不属于这两类组织的组织以及来自对照组的组织的生理学数据。当组成HBV内的组织与IBV内的组织进行比较时(图2)，它们显示出相似的中位数CBF(17[11-40]对比 14[6-22]mL; P=0.22)， CBV(2.4[1.6-4.2]vs. 3.9[3.4-4.8]mL/100 mL; P=0.09)和CMRO2 (44 [27-67] vs. 71 [34-88] μmOl/100 mL/min; P=0.14)，但OEF较低(38%[ 29%-50%]vs. 89%[ 75%100%];P<0.001, Mann-Whitney检验伴校正)。10例HBV组织类患者中有3例观察到tbi5不可逆损伤的15O PET阈值(37.6 μmOL/100 mL/min)以下的脑代谢，而IBV组织类患者中只有1例。HBV与损伤后天数、年龄无相关性(P=0.70、P=0.90, Spearman秩相关检验)。
3.4与PbtO2测量值对照
5名参与者的脑组织pO2均可用，PET期间的测量值为34 (16-55)mm Hg。探针尖端周围的感兴趣区域显示没有[18F]FMISO k3或OEF值超过我们的HBV和IBV阈值。
4. 讨论
通过结合15O和[18F]FMISO PET，我们证明了传统大血管脑缺血和组织缺氧的证据，可持续至TBI后1周。这两类组织的空间匹配度较差，导致HBV的体素更多地出现在病变附近。IBV和HBV体素在CBF中显示出类似的降低，但HBV组织类显示CBV和cmrO2降低的趋势，OEF显著降低。此外，HBV在不可逆损伤范围内更常表现出CMRO2值。虽然IBV识别传统大血管缺血，但HBV中OEF正常(15O PET识别)和组织PO2低(高[18F]FMISO捕获)并存是扩散屏障缺氧的典型特征，再加上低CBV，暗示微血管萎陷和缺血是潜在机制。这些发现证实了弥漫性缺氧的存在，并将其病理生理特征与大血管缺血区分开来，表明它们具有不完全的空间一致性。弥散性缺氧是未来新型神经保护策略的潜在目标。
虽然15O和[18F]FMISO PET分别用于识别缺血，我们联合了这两种示踪剂来研究TBI后的病理生理紊乱。对于[18F]FMISO PET，我们使用动力学分析来计算k3作为缺氧的衡量标准。虽然内流率常数(Ki)34经常被用来量化示踪剂在组织中的不可逆捕获或代谢，但它对示踪剂传递的变化很敏感，这是依赖CBF的。通过估计组织[18F]FMISO捕获的速率常数k3，消除了这个混淆问题，在挫伤附近低CBF的背景下，k3更适合表示在缺氧脑组织中捕获[18F]FMISO。hbv是由k3值大于来自对照数据的上99% CI值的体素总体积计算得出的。
因为在TBI后，整个大脑的排列紊乱是常见的，我们不能使用类似于缺血性中风后使用的方法，即定义增加的[18F]FMISO捕获大于对侧大脑的99% CI值。其他研究使用空间规格化和体素统计测试与对照组进行比较。这些方法不太适用于创伤性脑损伤，因为结构畸变通常较大，使得空间归一化不可靠。我们试图识别[18F]FMISO捕获明显损伤区域和正常出现区域，因此，使用原生PET空间分析，以避免此类处理技术产生的伪影。在我们的参与者中，随着[18F]FMISO捕获量的增加，缺氧脑容量与缺血性中风相似，在我们的患者中，平均HBV为mL,4例患者HBV至少占脑容量的5%。
我们移除病灶核心使用磁共振成像和排除体素,CBF还不到2.36ml/100g/min的阳性预测值为0.95不能存活的组织TBI.创伤性脑损伤之后,增加先天信号可以使连续信号消失。因为这些紊乱通常出现在正常的区域，我们检查了整个大脑，但当这些区域在使用标准的磁共振成像序列的病变附近发现时，我们强调了这些区域。挫伤外和挫伤周围区域发现的HBV平均为30 (0-75)mL, 4名参与者有大于50 mL的此类组织。
这些结果对我们理解氧输送和在临床创伤性脑损伤中的使用具有启示意义。虽然HBV和IBV显示了一些重叠，但大多数IBV体素没有显示重要的FMISO捕获。这一发现表明，至少有一些OEF超过阈值cvO2的体素能够维持组织pO2水平高于那些导致[18F]FMISO不可逆生物还原的水平。尚不清楚导致生物还原的PO2阈值,但体外数据显示, 尽管在PO2小于60mmHg时，FMISO 生物还原有一些增强；许多IBV能够耐受的PbtO2v阈值为10到20mmHg,而我们的HBV阈值可能只是组织缺氧的一个更严格的生理标记。与IBV相比，CMRO2低于先前确定的生存阈值在HBV中更常见。虽然FMISO捕获不发生在坏死组织内，这一部分可能会被定位为梗死，而HBV可能提供一个更特异的生存尖端组织标志物。
为了探讨存活脑内OEF和[18F]FMISO k3之间的关系，我们基于TBI后无损伤脑的低95% CI排除了梗死高风险体素，使用37.6 μmol/ 100 mL/min的cmrO2阈值。5在图4中，使用局部加权散点图平滑显示了个体患者的OEF和k3值之间的后续关系。6,45,46这种关联显示了患者之间的差异性，亚群显示[18F]FMISO诱捕增加，超过OEF阈值约为60%至70%，与传统缺血大体一致。我们必须强调，在大多数情况下，[18F]FMISO捕获水平低于我们的HBV阈值，相当于组织pO2水平约10至25 mmHg。
鉴于这些数据提供了正常组织和显示[18F]FMISO诱捕增加的组织之间的过渡区，显示[18F]FMISO诱捕病理水平的组织生理学特征将是有用的。尽管参与者显示整个大脑的[18F]FMISO捕获增加，但在pbtO2监测探针附近没有发现。临床上显著减少PbtO2通常报道10到15mmHg以下。PET期间记录到的最低pbtO2水平为16 mmHg.根据TBI中发生[18F]FMISO捕获的阈值，我们可以得出结论，HBV中的PO2值可能不大于10至15 mm Hg。
高OEF符合大血管缺血(IBV)标准的HBV所占比例很小(8%)。这一发现可能与我们的患者在损伤后1 - 8天接受影像学检查有关，当时常规缺血不太普遍，但病变仍有扩大的风险。这个时间点可能意味着许多组织区域表现出复杂而不同的大血管缺血和弥散性缺氧的混合物，这使得对[18F]FMISO诱捕明确的OEF阈值的检测具有挑战性。
我们对附近区域显著的[18F]FMISO波的描述值得强调。以往的PET研究显示脑挫伤内部和周围有严重的紊乱，但OEF的增加与脑缺血并不总是被确定。我们发现这些病变附近的组织是缺氧的，但不符合常规大血管缺血的标准。对这些发现的一个解释是，有研究显示TBI后广泛的微血管闭塞和血管周围水肿，与选择性神经元丢失有关。常规生理学表明，在低CBF情况下，为了维持CMRO2, OEF必须增加。然而，由于氧扩散梯度的增加，缺氧区域可能不太能够增加OEF,这可以解释尽管有证据表明低CBF和组织缺氧，但我们发现低OEF和CBV。其他的研究使用扩散张量成像来显示挫伤的扩张，在挫伤周围经常发现与细胞毒性水肿相一致的低表观扩散系数的边缘。这一发现可能是微血管衰竭的特征，是创伤性半暗带的特征，可以通过有效的治疗如高氧治疗来挽救，也可以随着挫伤的扩大而融合。
5.结论
这些结果证实了弥漫性缺氧的存在，并明确了其不同于大血管缺血的病理生理特征，表明弥漫性缺氧与大血管缺血具有不完全的空间一致性。这种生理特征与微血管缺血是一致的，重要的是这种机制也存在于结构正常的区域。这些发现需要进一步研究，并与未来神经保护策略的发展有关。
中南大学湘雅医院
重症医学科