钾酸给药后急性谷氨酸相关信号变化的时序分辨GluCEST MRI检测

《Journal of the Neurological Sciences》：Time-resolved GluCEST MRI of acute glutamate-related signal changes following kainic acid administration

　　

Donghoon Lee|Do-Wan Lee|Hyunju Ryu|Yeon Ji Chae|Chul-Woong Woo|Hind Binjaffar|Jung-Hyun Choi|Robert E. Lenkinski|Dong-Cheol Woo

阿联酋富查伊拉高等技术学院健康科学学院，邮政信箱1626号

摘要

背景：谷氨酸功能失调是癫痫发作和癫痫发病机制中的关键因素，但目前能够实时捕捉体内谷氨酸相关变化的无创成像技术仍较为有限。本研究旨在利用谷氨酸加权化学交换饱和转移磁共振成像技术，分析马钱子酸诱发急性癫痫发作后海马区谷氨酸相关信号的变化规律。

方法：通过腹腔注射马钱子酸在大鼠体内诱发急性癫痫发作。使用7.0 T磁共振成像系统，在基线状态、注射后立即以及注射后1小时、3小时和5小时分别进行时间分辨的GluCEST磁共振成像检测。通过3.0 ppm处的磁化转移率不对称性来量化海马区的GluCEST对比度，并采用线性混合效应模型进行分析。

结果：在基线状态及注射后立即时，各组海马区的GluCEST对比度没有差异。而癫痫发作组在注射后1小时开始出现GluCEST对比度显著升高，3小时达到峰值，5小时时仍保持较高水平，且存在显著的组别与时间交互作用。

结论：时间分辨的GluCEST磁共振成像技术能够揭示急性癫痫发作后海马区谷氨酸相关信号的延迟且持续的变化，这为研究体内癫痫发作相关的代谢动态提供了重要手段。

引言

癫痫是全球范围内最为常见的慢性神经系统疾病之一，患者会反复出现癫痫发作，同时常常伴随严重的功能障碍和其他并发症[1]、[2]、[3]。尽管许多癫痫综合征的确切病因尚未明确，但癫痫通常与离子通道功能异常、兴奋性和抑制性神经递质传递失调以及神经元放电频率增加有关[4]。此外，细胞内神经化学介质的异常也会加剧或延长癫痫发作[5]、[6]。

在这些神经化学介质中，谷氨酸是中枢神经系统中最主要的兴奋性神经递质，对神经元的兴奋性以及癫痫的发病机制起着关键作用。谷氨酸能信号传导的功能失调与癫痫发作的产生及癫痫发病机制密切相关[7]、[8]、[9]。先前的研究表明，谷氨酸受体表达异常、谷氨酸与谷氨酰胺的循环受阻以及谷氨酸转运功能障碍都可能导致神经元过度兴奋，进而引发兴奋性毒性并诱发癫痫发作[9]、[10]、[11]。这些由谷氨酸介导的机制在急性癫痫发作期间尤为活跃，既会导致即时的神经元功能障碍，也会促进长期的癫痫发病过程。

马钱子酸是一种常用的实验模型，可用于诱发急性癫痫发作和癫痫持续状态，它能引发快速且不断发展的兴奋性毒性和神经化学反应，尤其是在海马区——这一区域在癫痫发作的起始和扩散过程中起着关键作用[12]。基于马钱子酸诱发的癫痫发作常被用于实验模型中诱导癫痫发病，随后可能发展为慢性癫痫。由于癫痫发病机制以及与癫痫发作相关的代谢变化本质上都是动态过程，因此对谷氨酸相关变化进行纵向且时间分辨的分析，有望比仅通过横断面测量获得更深入的癫痫病理进展认知[13]。

尽管有大量证据表明癫痫存在谷氨酸功能失调现象，但目前能够实时监测体内神经元介导的代谢反应的无创神经成像技术仍然有限，尤其是在捕捉随时间变化的动态变化方面。虽然结构成像和功能成像技术的进步提升了病变检测和神经网络特征分析的能力，但它们对于与癫痫发作相关的快速神经化学变化的敏感度较低[14]、[15]。为了无创地检测体内的谷氨酸相关代谢变化，化学交换饱和转移磁共振成像技术应运而生，这是一种先进的分子成像技术，其图像对比度来源于可交换溶质质子与周围水分子之间的磁化转移[16]、[17]。尤其是谷氨酸加权的化学交换饱和转移成像技术，相比质子磁共振波谱技术，具有更高的谷氨酸相关信号变化检测灵敏度以及更好的空间分辨率[18]、[19]、[20]。

此前针对癫痫的GluCEST磁共振成像研究已经发现，癫痫相关颞叶结构中的谷氨酸加权对比度存在区域特异性异常。在无器质性改变的颞叶癫痫患者中，GluCEST成像技术能够定位癫痫病灶，表明癫痫发作的颞叶区域存在GluCEST对比度异常[19]。更近期的研究则发现，无论是无器质性改变的癫痫还是药物难治性局灶性癫痫，海马区及邻近的内侧颞叶结构，包括下托核和海马头，的GluCEST信号都会增强[21]、[22]、[23]，并且进一步研究表明，GluCEST对比度的不对称性有助于定位颞叶癫痫的病灶[24]。这些研究结果都体现了GluCEST成像技术对癫痫相关代谢紊乱的检测敏感性，同时也表明海马区及邻近的内侧颞叶结构是GluCEST成像技术研究的重点区域。不过，以往的研究大多侧重于病灶定位或横断面的组间比较，较少关注癫痫发作后谷氨酸加权信号变化的时间演变规律，因此急性癫痫发作后GluCEST信号变化的动态过程至今仍未得到充分研究。

本研究旨在利用GluCEST磁共振成像技术，分析马钱子酸诱发急性癫痫发作后海马区谷氨酸相关信号的时间依赖性变化。通过检测急性发作后不同时间点的GluCEST信号动态变化，本研究试图明确与急性癫痫发作相关的谷氨酸相关改变的时间特征，同时探讨GluCEST磁共振成像技术作为无创成像方法在研究早期癫痫发作相关代谢动态方面的应用价值。

章节节选

动物准备

所有动物实验均获得了蔚山大学动物护理与使用委员会的批准，实验操作遵循美国国立卫生研究院发布的《实验室动物护理与使用指南》进行。本研究使用的动物为雄性Wistar大鼠（7周龄；初始数量n=15；体重为250–300克；来源为韩国平泽的Orient Bio公司）。这些大鼠被单独饲养在受控的环境条件下（12小时光照-黑暗周期，上午8:00开启照明；环境温度）

结果

图1显示了五个时间点（注射前、注射后立即、注射后1小时、3小时和5小时）的组平均MTR_asym（%）光谱随频率偏移的变化情况。在基线状态时（a），CTRL组和KA-SZ组的MTR_asym光谱在整个频率偏移范围内高度相似，且在约2–3 ppm区域存在一个较大的峰值。注射后立即时（b），尽管3 ppm附近的平均GluCEST值在各组之间存在轻微差异，但并无

讨论

本研究利用GluCEST磁共振成像技术，分析了马钱子酸诱发急性癫痫发作后海马区谷氨酸相关变化的时间依赖性规律。主要研究发现是，马钱子酸处理会导致海马区的GluCEST对比度出现延迟且持续的升高，这种升高在注射后1小时开始变得显著，3小时达到峰值，5小时时仍保持较高水平，而在基线状态及注射后立即时则未观察到显著差异。这些变化结果也得到了组别与时间交互作用显著的统计学支持

结论

本研究通过时间分辨的GluCEST磁共振成像技术，分析了马钱子酸诱发急性癫痫发作后海马区谷氨酸相关信号的变化情况。虽然GluCEST对比度并非专门用于检测谷氨酸含量的指标，但观察到的变化与海马区内谷氨酸相关信号的相对升高是一致的。这些研究结果进一步证明了GluCEST磁共振成像技术作为一种无创成像方法，在研究实验性癫痫发作过程中谷氨酸相关动态变化方面的应用价值

CRediT作者贡献说明

Donghoon Lee：论文撰写——初稿撰写、数据可视化、结果验证、研究指导、方法设计、正式数据分析、研究概念构建。Do-Wan Lee：论文撰写——初稿撰写、数据可视化、结果验证、研究指导、资源协调、项目管理、资金获取、正式数据分析。Hyunju Ryu：论文撰写——初稿撰写、软件应用、资源协调、正式数据分析、数据整理。Yeon Ji Chae：方法设计、实验实施、正式数据分析。Chul-Woong Woo：数据可视化、结果验证、实验研究、数据整理

资金支持

本研究得到了韩国国家研究基金会基础科学研究计划的支持，该计划由韩国科学信息通信技术部资助（项目编号为RS-2022-NR072368和RS-2026-25484170），同时还获得了韩国教育部的资助（项目编号为RS-2022-NR075072）。