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通过化学交换敏感自旋锁定（CESL）磁共振成像技术测量啮齿动物体内2-脱氧-D-葡萄糖的脑葡萄糖代谢
《PLOS One》：Measuring cerebral glucose metabolism by chemical exchange-sensitive spin-lock (CESL) MRI of 2-deoxy-D-glucose in rodents
【字体： 大 中 小 】 时间：2026年03月28日 来源：PLOS One 2.6
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本文提出了一种基于化学交换敏感自旋锁定（CESL）MRI的2-脱氧-D-葡萄糖（2DG）代谢成像方法，用于检测大鼠脑缺血模型中的葡萄糖代谢变化，并验证其与血流和扩散MRI的关联性。该方法通过测量R1ρ值变化实现非侵入性代谢监测，具有高灵敏度和替代传统PET的潜力，适用于脑缺血及其他神经系统疾病研究。
大脑葡萄糖代谢对维持大脑功能至关重要，因为大脑是哺乳动物体内葡萄糖能量的主要消耗者[1,2]。大脑葡萄糖代谢的紊乱或中断会导致能量不足，进而引发多种脑部疾病，包括急性中风[1,3,4]。我们最近报道了利用化学交换敏感自旋锁定（CESL）磁共振成像（MRI）技术，以2-脱氧-D-葡萄糖（2DG）作为示踪剂，来量化大鼠短暂性局灶性脑缺血中风（MCAO）模型中的葡萄糖摄取和代谢情况[5]。将2DG CESL MRI与测量脑血流量（CBF）的标准MRI序列（如灌注MRI）以及测量表观扩散系数（ADC）的扩散MRI进行了比较。ADC可以反映缺血病灶的核心范围，而其与灌注MRI的差异是临床公认的半影区域的标志，半影区域被认为是恢复灌注后有可能挽救的组织[5]。在我们的研究中，我们证明了2DG CESL MRI能够准确测量缺血组织中对葡萄糖类似物的摄取和代谢情况，并精确绘制出低代谢的缺血核心区域[5
2DG CESL MRI的原理基于测量分子上的可交换质子与游离水池之间的化学交换，这一过程同样适用于D-葡萄糖和其他葡萄糖类似物[6–11]。在CESL中，通过测量旋转框架下的松弛率（R1ρ）来检测2DG质子的浓度变化；2DG质子在非水池中的浓度越高，R1ρ值增加得越明显。因此，2DG注射后R1ρ相对于基线的变化ΔR1ρ可以作为局部2DG浓度的指标。这一原理与通过化学交换饱和转移（gluco-CEST）测量葡萄糖类似，但CESL的灵敏度更高[12。
2DG在化学性质上几乎与2-脱氧-2-[18F]氟葡萄糖（FDG）相同，后者是正电子发射断层扫描（PET）中常用的代谢示踪剂。因此，2DG CESL MRI可能成为FDG-PET的替代方法，无需昂贵的放射性化学试剂，也不需要复杂的放射性核素管理。根据具体应用需求，可以考虑用另一种葡萄糖类似物3-O-甲基-D-葡萄糖（3OMG）替代2DG，因为3OMG同样可以通过CESL技术检测到，并且不会被己糖激酶代谢[13。
本文提供了一个经过实验验证的方案[5），用于在中风动物模型中利用CESL MRI测量2DG的脑摄取和代谢情况（图1）。
A) 大鼠接受90分钟的短暂性MCAO处理。手术后，立即将其转移到7 T MRI系统中进行T2加权（T2w）MRI、脑血流量（CBF）的灌注MRI、表观扩散系数（ADC）的扩散MRI，然后在注射2DG前后使用CESL MRI进行动态R1ρ成像。该图及图例已发表于 [5]，采用CC-BY-NC许可协议复制。
本文描述的方案发布在protocols.io网站上：https://dx.doi.org/10.17504/protocols.io.n92ldnoz8v5b/v1，并作为支持信息以S1文件的形式随本文提供。
所有动物实验均经过相关监管机构（柏林卫生与社会事务局）的批准。研究过程符合德国动物福利法和欧盟法规。
利用本文描述的方案，可以测量MCAO后葡萄糖类似物2DG的脑摄取和代谢情况[5。虽然我们认为该方案易于实施，但建议先使用不同浓度的2DG模拟物进行初步的CESL测量（详见支持信息S1文件）。
在结合标准血流和扩散测量的基础上进行2DG CESL MRI时，预期结果将与之前的研究一致[5：在代谢活跃的组织（例如中风对侧区域，图2）中，CESL成像期间R1ρ值会增加。然而，在代谢受损的组织（例如中风区域，图2）中，R1ρ值可能保持稳定或下降。量化时应重点关注后期的ΔR1ρ测量结果，例如最后五次扫描的平均值（图2C）。
A) 显示了病灶核心、低灌注区域、半影区域、同侧纹状体（蓝色）及对应镜像ROI（灰色）中R1ρ的平均值随时间的变化情况。阴影区域代表95%置信区间（CI）。注射器图标表示在CESL成像开始8分钟后注射2DG。B) 代表性的基线和后期（前5次及最后5次扫描的平均值）R1ρ图显示，对侧组织的R1ρ值增加，而病灶区域的R1ρ值略有下降。C) 同侧与对侧纹状体及病灶核心的R1ρ值对比显示显著差异：纹状体中的差异最明显（同侧：?1.54?±?2.62%，对侧：2.80?±?1.45%，t?=??5.27，p?=?0.00026，经过Bonferroni校正后仍显著；病灶核心中的差异也显著（同侧：?1.11?±?2.70%，对侧：3.09?±?1.10%，t?=??5.08，p?=?0.00036，经过Bonferroni校正后仍显著，Cohen’s d?=?1.47）。但在低灌注组织中的差异不显著（同侧：?1.04?±?2.76%，对侧：2.33?±?1.73%，t?=??3.84，p?=?0.0027，经过Bonferroni校正后仍显著，Cohen’s d?=?1.11），半影区域中的差异不显著（同侧：0.04?±?3.19%，对侧：0.99?±?2.55%，t?=??1.16，p?=?0.27，Cohen’s d?=?0.33）。该图及图例已发表于 [5]，经修改后复制。
我们之前的研究关注了再灌注期间脑部2DG的摄取和代谢[5。不过，通过稍作调整，该测量可以在再灌注后的任何时间点进行。由于该方案需要较高的2DG浓度，用其他葡萄糖类似物（如3OMG）替代2DG可能更为合适，这样可以避免2DG阻断己糖激酶的毒性[14，其他研究也证实了这一点[13]。这些调整应能使该方案适用于其他疾病模型和其他器官。
总之，本文描述了一种非侵入性的脑代谢成像方案。
