高分辨率MRI表征5xFAD阿尔茨海默病小鼠脑中年龄依赖性的抗磁与顺磁磁化率特性

《NeuroImage》：Characterizing age-dependent diamagnetic and paramagnetic susceptibility properties in 5xFAD Alzheimer’s mouse brain using high-resolution MRI

　　

高分辨率磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）可在离体5xFAD小鼠脑中检测单个淀粉样蛋白斑块；5xFAD小鼠皮层淀粉样斑块负荷随年龄增加而增加；斑块的磁化率随年龄增长表现出更强的抗磁性和顺磁性；磁化率源分离技术揭示了被净QSM所掩盖的年龄相关变化；组织学结果显示，斑块内淀粉样蛋白与铁蛋白存在随年龄的共积累。

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是一种以进行性记忆损害和认知衰退为特征的神经退行性疾病，主要病理包括细胞外β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块沉积和过度磷酸化tau蛋白形成的神经原纤维缠结。定量磁化率成像（QSM）作为一种非侵入性磁共振成像（MRI）技术，能够测量组织磁化率，对铁、髓鞘和钙等成分敏感，已广泛用于研究神经退行性疾病。在AD进展中，Aβ聚集体为抗磁性（磁化率χ^?），铁沉积为顺磁性（χ⁺），且二者常在同一Aβ斑块内共存。然而，常规QSM只能获得净磁化率（χ=χ^?+χ⁺），无法区分亚体素内抗磁与顺磁源的各自贡献。当抗磁和顺磁源共存时，净QSM值会发生部分抵消，掩盖真实的病理变化。为克服这一局限，研究者发展了磁化率源分离方法，如DECOMPOSE-QSM。但既往研究多采用区域平均分析，难以反映单个斑块水平的空间异质性，且尚未有研究在AD小鼠模型中将分解后的抗磁和顺磁磁化率与高分辨率斑块检测相结合来评估年龄依赖性进展。因此，本研究利用高分辨率多回波梯度回波（MGRE）成像对三个年龄组的5xFAD小鼠离体脑开展系统研究。

研究人员对4、12和18月龄的雄性5xFAD小鼠（样本量分别为4、3和5）进行9.4T MRI采集，通过图像重建得到QSM，再用DECOMPOSE-QSM分解为抗磁成分磁化率（DCS）和顺磁成分磁化率（PCS），并结合自动斑块检测与免疫荧光组织学分析。研究发现，随着疾病进展，皮质斑块负荷显著增加，斑块内DCS逐渐更负（抗磁性增强），PCS逐渐更正（顺磁性增强），而常规QSM的变化幅度较小。组织学显示Aβ和铁蛋白在斑块内随年龄共积累，支持影像学观察。这些结果表明，磁化率源分离能够揭示被净QSM掩盖的病理变化，为AD进展监测提供了更敏感的定量指标，也有助于从斑块水平理解疾病机制。

关键技术方法方面，研究人员使用9.4T Bruker BioSpec系统对离体脑进行三维MGRE采集，空间分辨率为40×40×40 μm³。图像处理包括局部低秩（LLR）去噪、相位解缠、变核球谐函数伪影减少（V-SHARP）背景场去除、非线性偶极反演（NDI）生成QSM，以及DECOMPOSE-QSM（基于R₂^*的多室模型）得到DCS和PCS。脑图像通过ANTs配准到含166个脑区的模板；使用PLAQUE Aβ检测器在DCS图像上自动检测斑块，并将皮质分为斑块检出区和未检出区。组织学采用免疫荧光染色标记Aβ和铁蛋白。所有动物实验均经机构动物伦理委员会批准。

研究结果包括以下方面。组织学数据（Histological data）：4月龄小鼠Aβ染色稀疏、铁蛋白信号弱；12和18月龄时，Aβ和铁蛋白染色均显著增强并出现明显空间重叠，表明淀粉样蛋白与铁在斑块内随年龄共积累。斑块磁化率分析（Plaque susceptibility analysis）：斑块负荷从4月龄的1.1%增至12月龄的9.8%和18月龄的15.3%，且分布具有空间异质性，基底外侧杏仁核、运动相关皮层等区域负荷更高。DCS从?28.2 ppb降至?37.4 ppb，PCS从6.2 ppb升至15.2 ppb，而QSM仍以抗磁为主且变化较温和，说明抗磁与顺磁成分同步增加。区域磁化率分析（Regional susceptibility analysis）：在岛叶皮层、初级运动皮层、梨状皮层、杏仁核和基底外侧杏仁核五个兴趣区中，无论是斑块检出区、未检出区还是整体区域，DCS均随年龄下降，PCS均升高，而QSM变化不一致。统计热图显示DCS和PCS在多数区域存在显著年龄差异，而QSM仅在少数区域显著，表明DCS和PCS对年龄相关磁化率变化更为敏感。

在讨论中，研究人员认为，DCS和PCS的年龄依赖性变化与AD病理中Aβ积累和铁沉积的组织学证据一致；区域差异可能反映不同脑区的神经活动、代谢和铁含量差异。同时，磁化率源分离不能直接识别特定分子，DCS和PCS应视为组织学支持的富集性对比而非直接的分子定量。研究局限性包括高分辨率仍不足以完全分辨微小斑块、DECOMPOSE-QSM的模型假设在抗磁/顺磁混合源区域可能造成低估、以及样本量较小。研究结论为：本研究利用磁化率源分离证明了5xFAD小鼠三个年龄组之间磁化率的空间和时间差异；观察到的磁化率变化与AD进展过程中的β-淀粉样蛋白积累和铁蛋白沉积一致；与常规QSM相比，PCS和DCS能更详细地描述潜在抗磁和顺磁组织贡献；这些发现表明，QSM结合磁化率源分离为监测AD进展和定量评估脑内微结构和组成变化提供了一种有价值的非侵入性方法。