磁共振血管成像揭示Townes镰状细胞病小鼠脑血管异常：狭窄与闭塞的动态追踪研究

本研究首次通过无标记磁共振血管成像（MRA）纵向追踪Townes镰状细胞病（SCD）小鼠脑血管病变，发现其存在与人类SCD卒中患者相似的动脉狭窄与闭塞现象，为SCD脑血管并发症的动物模型可靠性提供了关键证据。

　　

Highlight

MRA identifies arterial lesions in mice with SCD（磁共振血管成像技术在镰状细胞病小鼠中发现动脉病变）

Introduction

镰状细胞病（SCD）是全球最常见的遗传性血液疾病，每年有超过50万新生儿患病[1]。在脱氧过程中，血红蛋白聚合成纤维，使红细胞变形、僵化并呈镰刀状，导致严重疼痛发作、缺血和器官损伤等并发症。尽管镰化现象主要发生在毛细血管后微静脉和脱氧管道中，但卒中是由携带氧合血液的大动脉损伤引起的毁灭性并发症。若无治疗和疾病修饰疗法，约11%的儿童和25%的成人SCD患者会发生伴有神经症状的显性卒中，如突发性无力、言语困难、癫痫发作和协调能力丧失[2]。此外，高达37%的儿童在14岁前会经历通过磁共振成像（MRI）证实的无声卒中，这可能损害认知能力[3]。

磁共振血管成像（MRA）是一种广泛使用的无创成像技术，用于可视化血流和评估血管，可检测SCD中增加卒中风险的状况。MRA利用流动相关增强现象：重复射频脉冲抑制静止背景组织（显示为暗色），而未抑制的流动血液保留高信号强度。该信号可解读为血管的空间填充图像，提供血管几何形状的信息。在临床环境中，MRA可详细可视化脑血管异常，如狭窄、闭塞和与烟雾病综合征相关的异常侧支血管[4]。MRA在确认SCD脑血管疾病的存在和范围方面至关重要，特别是在经颅多普勒流速升高的个体中[5]。

Townes人源化SCD小鼠模型广泛用于临床前研究。它们通过将人血红蛋白基因（α、β和γ，包括β^S-珠蛋白）敲入小鼠并使其鼠血红蛋白基因缺失而生成。二十年前创建的纯合子镰状细胞病（SS）Townes小鼠已被用于研究SCD的多种病理，如神经认知障碍、慢性溶血性贫血、脾肿大、炎症、器官损伤和寿命缩短[6,7]，我们曾用这些小鼠证明加速的弹性蛋白和胶原损伤以及病理性大动脉重塑[8]。然而，关于这些小鼠的脑血管和卒中相关并发症的信息仍存在空白。SS Townes小鼠已显示表现出神经认知缺陷和海马及小脑的神经病理变化，随年龄和贫血加重，与人类SCD患者相似[9]。此外，SS小鼠表现出血管内皮异常以及海马和大脑皮质的白质变化，这些与行为、学习和记忆缺陷以及步态、平衡和步态适应性异常相关[10,11]。其他研究记录了脑微血管病变的证据，其中一项研究显示，老年SS Townes小鼠与对照小鼠相比，表现出脑毛细血管红细胞速度增加、脑毛细血管扩大和皮质微梗死频率更高[12,13]。

虽然卒中主要是一种神经学诊断，但我们的重点是SCD导致的动脉重塑和损伤，这些分别通过狭窄或动脉瘤导致缺血性或出血性卒中，而这些在Townes小鼠中仍较少探索。这些小鼠是否经历卒中一直存在争议。在此，我们旨在为这一SCD关键并发症提供有价值的见解。我们先前证明SS Townes小鼠组织蛋白酶K表达增加，这与颈总动脉弹性层断裂、胶原降解和外向扩张性重塑相关[8]。在该研究中，通过MRA在3月龄SS小鼠中检测到颈总动脉横截面积较大，但存在变异性。最近，我们通过MRA成像显示，在2月龄时早期骨髓移植比在4月龄时晚期移植更有效预防SS小鼠的镰状细胞介导的动脉扩张[14]。在这些检查过程中，我们发现了许多指示Townes人源化小鼠模型颈动脉和脑动脉狭窄的MR异常，与SCD患者的观察相似。请注意，我们未进行任何诱导这些小鼠卒中的干预，如大脑中动脉（MCA）闭塞、光活化血栓形成模型或诱导MCA或颈动脉闭塞[[15], [16], [17]]。我们呈现案例研究和小鼠存活/疾病信息，涉及通过MRA识别的狭窄和异常与死亡率或其他观察到的并发症的结果。我们的发现旨在提供令人信服的证据，证明Townes小鼠存在可能导致卒中或神经损伤的狭窄和收缩。

Animal model

我们在佐治亚理工学院建立了一个Townes镰状细胞小鼠群落（B6;129-Hbatm1(HBA)Tow Hbbtm2(HBG1,HBB*)Tow/Hbbtm3(HBG1,HBB)Tow/J），最初购自Jackson实验室。该人源化镰状细胞疾病小鼠模型包含三种基因型：纯合子β-珠蛋白S突变（SS）、同窝杂合子（AS）和同窝正常纯合子（AA）。动物饲养在气候控制的房间中，遵循12小时光暗周期，并允许自由获取食物和水。所有动物程序均经佐治亚理工学院机构动物护理和使用委员会批准（协议A100026）。

Results

在我们纵向研究评估1至7月龄小鼠颈动脉形态测量的过程中，扫描的18只SS小鼠（10雄性和8雌性）中，注意到若干血管异常和意外死亡。这些小鼠包括在小鼠性别、扫描时间、MR发现和死亡原因摘要中（表1）。三只SS小鼠在1月龄时间点错过了扫描。还扫描了具有AA（n=15）和AS（n=14）基因型的同窝对照。

Case 1: middle cerebral artery occlusion and hyperintense brain lesion in SS mouse

一只1月龄SS雌性小鼠出现癫痫发作。在出现癫痫症状当天进行MRI扫描，显示大脑左半球有一个大的高信号区域，跨越多个连续冠状切片（图1A–D）。将冠状切片映射到Allen小鼠脑图谱[18]表明受影响区域为左初级和辅助体感区（图1E）。血管造影显示左大脑中动脉（MCA）闭塞，其远端分支无血流（图1F，箭头）。该小鼠在扫描后两天被发现死亡。尸检显示大脑左半球有一个苍白色区域，与MRI上的高信号区域一致（图1G）。组织学分析（H&E染色）证实该区域有细胞坏死、细胞核固缩和细胞损失，与梗死一致（图1H）。

Case 2: persistent internal carotid artery occlusion as the mouse aged

一只1月龄SS雄性小鼠的脑扫描（图2A–D）显示右侧有黑色流动血液（箭头），左侧缺失（虚线框）。颈内动脉（ICA）起源处的闭塞持续到3、5至7月龄。这表现为左颈内动脉（ICA）分叉处闭塞，如MRA所示持续存在（图2E–H）。尽管如此，该小鼠的脑扫描未显示高信号区域，并存活到计划终点7月龄。然而，该小鼠在7月龄时表现出体重减轻和驼背，并被安乐死。尸检未显示明显异常。

Case 3: persistent common carotid artery stenosis as the mouse aged

一只1月龄SS雄性小鼠具有正常T1加权脑扫描（图3A–C），通过MRA检测到右颈总动脉中下段有一个狭窄段（图3D）。右颈总动脉的狭窄在3月龄和5月龄时持续存在（图3E，F）。右颈总动脉的3D重建和管腔面积测量使我们能够量化狭窄百分比，在1、3和5月龄时分别为51%、46%和43%。该小鼠在5月龄扫描后两天被发现死亡。尸检显示大脑右半球有一个小苍白色区域，与MRI上的高信号区域不一致。组织学分析（H&E染色）显示该区域有细胞坏死和细胞损失，与梗死一致（图3G）。

OTHERS: SS mice with other abnormalities in their carotid arteries

我们重点介绍这三只个体小鼠，但我们在另外两只SS小鼠中观察到其他较轻的异常。有趣的是，一只具有正常T1加权脑扫描的SS雄性小鼠（图4A–D）在1月龄时左颈总动脉迂曲增加，并在3、5和7月龄时持续存在（图4E–H）。请注意，在5月龄时，由于小鼠在MRI中定位不够靠内，未捕获动脉基部。另一只在1月龄时具有正常脑扫描的SS雄性小鼠在3月龄时表现出右颈总动脉狭窄，在5月龄时消失。该小鼠存活到计划终点7月龄。

Discussion

本研究的目的是使用磁共振成像方法提供证据，证明镰状细胞疾病介导的颈动脉和脑动脉变化、狭窄和闭塞可能导致镰状细胞疾病小鼠的卒中并发症。时间飞跃法MRA，一种血流成像技术，提供了一种非侵入性方法，可在同一小鼠中随时间评估动脉疾病进展，无需造影剂。据我们所知，这是首篇呈现Townes SCD小鼠脑血管异常案例系列的报告，这些异常与人类SCD患者的卒中并发症相似。我们展示了三例SS小鼠的案例：案例1，MCA闭塞伴有癫痫发作和大脑T1加权高信号病变；案例2，持续性ICA闭塞和侧特异性动脉大小差异；案例3，随年龄增长颈总动脉持续性狭窄。这些发现表明，Townes SCD小鼠确实