0 引言

       血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）由周细胞、平滑肌细胞、星形胶质细胞和中枢神经系统微血管内皮细胞（cerebral microvascular endothelial cell, BMEC）组成^[1]，主要功能为提供物理屏障，防止有害物质进入大脑，并通过控制营养、水和分子交换以及通过转运蛋白来清除神经元在代谢活动中产生的代谢物和神经毒素，进而维持大脑的稳态^[2]。BBB主要受星形胶质细胞和周细胞的共同调控，星形胶质细胞增生导致其端足上水通道蛋白4（aquaporin 4, AQP-4）通道逐渐丧失，从而引起水失衡^[3]。星形胶质细胞脚板和周细胞脱离对血管覆盖减少，会进一步导致BBB的破坏，可能改变神经元的信号传导，引起行为和认知功能障碍^{[4, 5]}。研究发现很多中枢神经系统疾病都与BBB功能受损相关，例如阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）^{[6, 7]}、镰状细胞病（sickle cell disease, SCD）^[8]、脱髓鞘疾病^[2]、脑小血管疾病（cerebral small vessel disease, CSVD）^{[9, 10]}和精神分裂症谱系障碍（schizophrenia spectrum disorder, SSD）^{[11, 12]}等。

       近年来，磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）方法为BBB功能研究提供了重要线索。动脉自旋标记（arterial spin labelling, ASL）是一种无创、易于使用的新型MRI脑灌注成像技术，使用磁性标记的血液水质子作为天然的内源性示踪剂，并且基于微血管内外的MRI信号差异，将ASL信号分离为血管内和血管外隔室，通过不同的扩散梯度或多个回波时间采集数据测量，以估计血管内外隔室之间BBB对水的渗透性，进而测量水交换时间（water change time, Tex）^[13]。

       目前，基于ASL的BBB评估方法正在取代基于钆（Gd）对比剂的侵入性方法，用于不同中枢神经系统疾病的研究^{[5, 13, 14]}，表明使用ASL技术可有效证明BBB功能障碍参与AD、CSVD等中枢神经系统疾病的发病机制^{[15, 16]}，但以往综述并未对其进行系统概述。因此，本综述系统总结了基于ASL的BBB评估方法在中枢神经系统疾病中的研究进展，有望为研究人员使用该评估方法研究神经系统疾病中BBB的功能损伤提供重要参考。

1 基于ASL的BBB评估技术

       目前，基于ASL技术测量BBB的评估方法主要有三种：弥散加权的动脉自旋标记（diffusion-weighted arterial spin labeling, DW-ASL）、相位对比动脉自旋标记水提取（water extraction with phase-contrast arterial spin tagging, WEPCAST）和扩散制备的伪连续动脉自旋标记（diffusion-prepared pseudo-continuous arterial spin labeling, DP-pCASL）。

1.1 DW-ASL

       DW-ASL是通过分离体素中的毛细血管成分和组织成分标记的血液水质子信号，随后可以估计毛细血管和组织成分之间的水交换率（water exchange rate, KW）^[5]。KW表示水的毛细血管渗透性表面积与容积的比率^[14]。通过应用不同的扩散加权在两个分量之间产生不同的比率，通过将信号拟合到理想方向来估计潜在的KW^[5]。KW测量的准确性可能受到动脉通过时间和动脉血信号贡献的影响^[17]。基于体素内非相干运动（intravoxel incoherent motion, IVIM）可与DW-ASL相结合，根据血液水的分数描绘伪水渗透系数^[5]。

       DW-ASL使用水质子作为内源性示踪剂，由于水在毛细血管内的扩散速率比组织中快，且通过水通道蛋白进行传输，运输速度快，因此与传统的对比增强MRI相比，KW具有更好的准确性和稳定性，且可能会在疾病进展的早期阶段对BBB功能障碍进行更直接和更灵敏的评估^{[18, 19]}。但DW-ASL因为扫描时间长和信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）低，不太适合临床使用，目前用于临床上的研究也较少^[5]。

1.2 WEPCAST

       WEPCAST是2018年^[20]开发出的一种基于ASL的非侵入性MRI技术，通过使用长标记后延迟（post labeling delay, PLD）（年轻人使用3500 ms，老年人使用4000 ms）和背景抑制测量上级矢状窦（superior sagittal sinus, SSS）中的ASL信号变化，进而测量水提取率（water extraction rate, E），E和总体脑血流量（cerebral blood flow, CBF）一起可通过PS=-ln（1-E）f获得BBB的水渗透率表面积（the permeability surface product, PS）^{[5, 8]}。

       WEPCAST测量的整体E引起的SSS信号变化等于信号平均值，从而可以改善SNR，并且该技术可重复性好^[21]。然而，其使用相对较长的PLD可能部分抵消SNR增益，且数据处理比较复杂，需要手动或半自动的感兴趣区（region of interest, ROI）识别，该过程可能会给后续的数据拟合过程带来误差，从而导致最终结果出现偏移^[5]。

1.3 DP-pCASL

       目前，基于ASL的BBB评估方法，应用最广泛的是DP-pCASL，可用于定量测量BBB中的KW，主要使用小扩散加权，基于近似100倍的扩散系数差异来区分来自毛细血管和脑组织隔室的ASL信号，KW是基于两室（毛细血管/组织）单程近似（single-pass approximation, SPA）模型来进行定量的^[14]。目前该技术广泛用于AD^{[22, 23]}、脱髓鞘疾病^[24]、CSVD^{[10, 25]}、SSD^[11]的研究中，以证明BBB功能障碍与疾病的相关性，帮助临床医生进行更好的诊断与治疗。

       DP-pCASL能够定量测量CBF值，与传统ASL技术相比具有更高的SNR，但其扫描时间相对较长，对脑白质灌注评估的SNR值低。由于不同患者的生理和病理状态、标记血到达脑组织的时间不一样，需要个性化设计PLD时间^{[26, 27]}。

2 基于ASL的BBB评估方法在中枢神经系统疾病的应用

2.1 DW-ASL在AD中的应用

       AD好发于老年人，其典型特征是认知功能障碍、日常功能进行性丧失^[28]。AD有两个主要的神经病理学标志：一是细胞外淀粉样蛋白-β（amyloid-beta, Aβ）积聚，二是由聚集和高磷酸化Tau蛋白组成的细胞内神经纤维缠结（neurofibrillary tangles, NFTs）^[6]。此外，越来越多的研究表明BBB完整性的丧失可能先于认知功能下降和神经变性^[6]，因此BBB功能障碍被认为是AD最早的微血管体征之一。

       DW-ASL方法对于评估AD中的BBB完整性至关重要，TIWARI等^[29]通过对小鼠进行DW-ASL扫描，发现在卒中后90 min（再灌注后30 min），KW显示BBB通透性无明显变化；卒中后两天，KW显示BBB通透性明显中断，表明在卒中条件下BBB渗透性的改变与KW值有关。FUJIMA等^[30]通过对41例脑白质病变患者进行DW-ASL扫描，前瞻性地分析了492个ROI，发现进行性白质病变的KW显著高于非进行性白质病变，这表明DW-ASL技术提供的信息有助于不同程度脑白质病变患者的临床评估。FORD等^[16]开发了一种改进的DW-ASL序列，用于定量渗透性成像，并评估了30名无痴呆症状的成年人全脑和特定区域的KW，研究发现年龄与KW值呈负相关（大脑皮层r=-0.55，P=0.006,大脑白质r=-0.48，P=0.012，海马体r=-0.44，P=0.02，眶额叶皮层r=-0.49，P=0.012，前皮质r=-0.55，P=0.006），表明BBB功能损伤随年龄的增加而加快；大脑皮层的KW值高于大脑白质，表明大脑皮层的水交换更多；还发现KW值倾向随着白质高信号（white matter hyperintensity, WMH）负荷量的增加而降低，这表明BBB功能障碍和灌注减少可能在WMH的发生中起着关键作用。

       由于该技术扫描时间长、SNR低和其他MRI技术的不断提升，DW-ASL近三年用于临床上的研究较少，未来可以通过不断的技术改进，将其逐渐应用于脱髓鞘疾病、脑小血管病等其他中枢神经系统疾病的研究中，以期阐明相关疾病的发病机制与BBB功能之间的关系，进而开发出针对相关疾病的新疗法。

2.2 WEPCAST在中枢神经系统疾病中的应用

2.2.1 AD

       WEPCAST使用水质子作为示踪剂，可以更好地评估AD在不同分子水平上引起的BBB功能破坏。LIN等^[31]提出了一种新的单延迟WEPCAST方法，证明了其可能是评估神经和精神疾病中BBB功能受损的新技术。LIN等^[32]将WEPCAST用于33名轻度认知功能障碍（mild cognitive impairment, MCI）患者和22名健康对照，进行了一项比较研究，发现MCI患者的PS值（即BBB通透性）高于对照组，因为与认知正常的受试者相比，MCI患者的BBB表现出对小分子（如水）的通透性增加；PS和情景记忆之间存在显著的负相关（β=-0.0108，P=0.011），和语言功能之间呈负相关趋势（P=0.053）；还发现BBB对水的通透性与AD中的脑脊液（cerebral spinal fluid, CSF）Aβ和ptau有关。PREIS等^[33]研究也表明AD痴呆患者海马体的BBB破坏，可溶性血小板衍生生长因子受体β（soluble platelet-derived growth factor receptor beta, sPDGFR β）和可溶性Aβ之间的关联，进一步强调了将BBB功能障碍与可溶性Aβ水平进行联系，从而研究其潜在病理生理机制。WEPCAST对AD的研究为BBB功能破坏和AD之间的相关性提供了早期证据，并且表明了BBB对小分子的渗透性对认知功能的影响更大。

       由于WEPCAST技术的限制，其应用于AD中的研究较少，未来可以通过进一步的技术改进对AD与BBB渗透性之间的关系进行深入研究，并将该技术逐渐应用于脑肿瘤等疾病的研究，还可以通过收集AD不同时期的纵向数据，来探索BBB功能破坏是否可以预测认知功能下降。

2.2.2 SCD

       SCD是一种遗传学血液病，主要是由β珠蛋白中的单个氨基酸基因突变引起的，导致镰状血红蛋白产生，称为血红蛋白S（hemoglobin S, HbS），可形成聚合物，导致红细胞（red blood cell, RBC）变形为镰刀形，从而导致溶血、贫血、内皮损伤和功能障碍以及血管闭塞^[34]。在SCD中，血管内皮细胞暴露于无细胞血红蛋白，其可触发这些内皮细胞的活化并导致粘附分子表达增加和过度炎症反应^[35]。这种内皮损伤可能会导致水分子进入血管周围间隙或间质液中，从而破坏BBB^[8]。近年来，随着功能MRI技术的不断发展进步，研究者们对利用WEPCAST来研究SCD的兴趣渐浓。

       KHAIBULLINA等^[36]通过对SCD小鼠模型进行观察，发现脑氧化应激与BBB缺血/缺氧性损伤有关，而脑氧化应激在SCD病理生理学中发挥作用^[37]，这为SCD与BBB功能损伤具有相关性提供了证据。LIN等^[38]发现SCD患者的CBF明显升高，但总氧输送量无显著差异；使用了四种不同校准模型测定SCD儿童患者的脑稳态，其中三种模型发现氧提取分数（oxygen extraction fraction, OEF）和脑氧代谢率（cerebral metabolic rate of oxygen, CMRO2）降低，而另一种模型则出现了相反的结果，该研究证实了儿童与成人的OEF和CMRO2变化相似。LIN等^[8]对26名儿童[21名SCD患者和5名具有镰状细胞性状（sickle cell trait, SCT）的患者]进行WEPCAST扫描，研究发现，与SCT参与者相比，SCD参与者中的BBB通透性更高；具有更严重表型的SCD参与者的BBB通透性破坏更严重；BBB的破坏与血红蛋白浓度降低、血细胞比容降低和HbS分数升高等血液学症状相关。WEPCAST在SCD中的应用，为BBB功能障碍可能是SCD的潜在发病机制提供了证据，并为临床研究者研究SCD的发病机制提供了新的方向。

       WEPCAST只能研究全脑的BBB渗透性，不能对部分区域的BBB渗透性进行研究，因此在SCD方面的研究较少，未来可以将该技术联合遗传学，进一步对SCD进行深入研究。目前WEPCAST对于SCD的研究主要基于儿童，未来可以将其应用到成人的研究中，以阐明儿童和成人SCD关于BBB损伤的机制是否相同。

2.3 DP-pCASL在中枢神经系统疾病中的应用

2.3.1 AD

       AD主要有Aβ积聚和NFTs两个主要的神经标志物，而BBB是参与Aβ清除的关键结构，BBB功能受损，会限制Aβ的清除^{[32, 39]}。DP-pCASL可以帮助确定KW是否与AD的生物标志物有关。GOLD等^[22]使用DP-pCASL技术扫描了40名认知正常的老年人，发现认知正常老年人的多个脑区KW与CSF中Aβ-42浓度水平呈正相关（全脑：R2=0.250，P=0.002；额叶：R2=0.248，P=0.002；顶叶：R2=0.307，P<0.001；楔前叶：R2=0.212，P=0.004），表明了较低的KW与较低的脑Aβ和较高的AD风险相关。该研究证明了DP-pCASL序列计算的KW可能是BBB清除Aβ的潜在指标，但并未表明KW与认知功能、执行功能之间的关系。ZACHARIOU等^[23]对47名健康老年人进行DP-PCASL扫描，结果表明在额顶叶脑区，KW与认知表现呈正相关，反映了BBB具有蛋白质清除功能；在基底节区域，KW与认知表现呈负相关，可能与血管功能障碍和/或血管相关组织损伤有关。SHAO等^[40]通过使用DP-pCASL对不同年龄认知正常的受试者进行研究，发现62岁之后的受试者，BBB KW开始显著下降，这表明随着年龄的增长，BBB的功能会自然衰退；KW具有性别差异，且在老年者（62~92岁）中更明显，表现为男性的平均KW比女性低14.7%，这表明男性可能更容易受到潜在认知能力下降的影响。PAPPAS等^[41]研究发现全脑的KW与执行功能呈正相关（R²=0.269，P=0.014），即执行功能的表现随着KW的增加而变好，更高的KW与更快的执行速度相关，但KW与记忆力无显著相关性（R²=0.071，P=0.200）。DP-pCASL在AD中的应用阐明了BBB与年龄、认知功能、执行功能之间具有显著相关性，这为BBB与认知功能相关性的研究提供了新的方向，为未来研究神经退行性疾病和其他脑部疾病的BBB功能提供了基础。

       目前DP-pCASL技术针对AD的研究大都是基于横断面研究，未来可以收集AD不同时期的纵向数据，观察BBB功能损伤是否能够引起认知功能障碍。还可以将其与其他技术进行联合研究，如动态对比增强（dynamic contrast-enhanced, DCE）MRI，进一步探索AD的BBB功能与执行功能和记忆力之间的关系。

2.3.2 脱髓鞘疾病

       中枢神经系统脱髓鞘疾病是一类神经细胞相对保持完整，而髓鞘损伤脱失的疾病^[42]。常见的脱髓鞘疾病包括多发性硬化（multiple sclerosis, MS）、视神经脊髓炎谱系疾病（neuromyelitis optic spectrum disorder, NMOSD）、髓鞘少突胶质细胞糖蛋白抗体相关疾病（myelinoligodendrocyte glycoprotein-IgG associated disorders, MOGAD）、急性播散性脑脊髓炎（acute disseminated encephalomyelitis, ADEM）等^[42]。大量淋巴细胞穿过BBB参与MS早期阶段的发病，并且皮质的BBB功能障碍与MS晚期阶段中的灰质萎缩相关^[2]。在NMOSD发作时，BBB通透性增加导致循环的AQP-4自身抗体进入中枢神经系统，从而引起星形胶质细胞的细胞毒性，进而分泌白介素6（interleukin-6, IL-6）进一步介导BBB破坏^[2]。

       WENGLER等^[43]研究发现，与健康受试者相比，MS患者的PS显著减低，且病灶周围区域的PS也显著减低，表明BBB上水质子交换数量增加，从而导致BBB稳态破坏。TAGGE等^[44]研究发现MS患者经毛细血管的水交换减少，可能与BBB的代谢活动减低相关。铁参与氧气运输、线粒体呼吸、氧化磷酸化以及神经递质合成和代谢，是正常大脑发育的必需矿物质，在大脑早期发育过程中，铁向脑组织的转运增加，反映了少突胶质细胞成熟和髓鞘形成对铁的巨大需求^[45]。因此，在脑组织中保持足够的铁浓度是重要的，缺乏会导致神经行为功能障碍，超负荷会导致脱髓鞘及轴索损伤^[46]。脑铁摄取主要通过BBB内皮细胞上铁转运蛋白1（transporter protein 1, FPN1）进行调节，以维持脑内铁稳态^[47]。UCHIDA等^[24]使用DP-pCASL技术对儿童进行研究，将脑铁沉积的变化率称为Δ磁化率值，将BBB中的KW值量化为KW/CBF值，然后将二者绘制成散点图进行观察，发现该散点图符合S形曲线模型；从每个解剖区域的S形曲线中提取拐点的KW/CBF值，叠加到定量磁化率成像（quantitative susceptibility mapping, QSM）上，结果表明越容易发生脑铁蓄积的解剖区域，其S形曲线拐点处的KW/CBF值越低，表明脑铁动力学和BBB功能之间相互作用的区域异质性，可以为正常大脑发育过程中系统的BBB功能提供证据。基于ASL技术评价脱髓鞘疾病的BBB功能，很大程度上帮助研究者理解该类疾病的病理生理机制，有助于临床医生为患者制订合理的治疗方案和监测治疗效果。

       DP-pCASL技术在脱髓鞘疾病中的应用，主要是针对MS的研究，未来可以增加对NMOSD、MOGAD的研究，进而可以对比三者在同一技术下BBB功能之间的联系和区别。

2.3.3 CSVD

       CSVD是指任何损害小动脉、小静脉和脑毛细血管的病理过程^[48]。常染色体显性遗传性脑动脉病（cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy, CADASIL）是CSVD最常见的单基因类型，主要是由NOTCH 3基因突变引起的伴有皮质下梗死和白质脑病，病理特征为非动脉粥样硬化和非淀粉样弥漫性血管病，主要累及中小型穿透动脉和软脑膜动脉^[49]。CADASIL的大多数患者不会联合脑血管病危险因素，这一独特的病理生理机制使CADASIL成为研究CSVD的理想模型，其影像学表现可用于CSVD的诊断和病因学研究^[25]。BBB完整性的丧失，导致神经毒素进入大脑而引起离子失衡、血管周围的炎症反应^[4]，最终可能导致白色纤维脱髓鞘而促进SVD的进展。虽然在CADASIL中已经充分证明了脑血管结构和血流动力学的异常，但BBB的异常仍然存在争议^[25]。

       DP-pCASL可以在早期检测到KW的变化，因此其可以在BBB功能障碍进展的早期阶段提供一个更直接和更灵敏的评估。SHAO等^[50]研究表明KW可以提供可靠的BBB功能生物标志物，以在SVD的临床试验中跟踪疾病进展和治疗效果。YING等^[51]研究表明BBB功能障碍可能在CSVD的不同亚型之间存在很大差异，并且通过DP-pCASL测量的KW和DCE可以帮助描述CSVD不同亚型之间的BBB功能障碍的异质性。LI等^[10]对9例杂合HTRA 1突变相关CSVD患者和24例CADASIL患者进行DP-pCASL扫描，发现CADASIL患者和杂合子HTRA1突变相关CSVD患者的KW降低，这表明二者都存在BBB功能障碍；与CADASIL组相比，杂合HTRA1突变相关CSVD组显示全脑内KW降低，这表明两种遗传性CSVD的BBB功能障碍程度可能不一致。LING等^[25]使用DP-pCASL技术对CADASIL患者和健康者进行对比研究，发现CADASIL患者在所有ROI处的KW均降低，KW降低与患者MRI病变负荷增加和功能依赖性相关，进一步证明BBB功能障碍可能是遗传性CSVD的常见病理生理机制。

       目前使用DP-pCASL技术研究CADASIL疾病，无法确定其BBB的KW下降的具体机制，可能与星形胶质细胞损伤引起的AQP-4表达模式和功能异常有关，也可能与BBB功能障碍引起的间质液增加有关。未来可以通过联合其他功能MRI技术增加对该疾病的研究，如DCE、自旋标记下的T2弛豫（T2-relaxation-under-spin-tagging, TRUST）。BBB功能障碍是否导致CSVD疾病进展尚不清楚，未来可以对CSVD不同发病时期进行DP-pCASL扫描收集相应的KW进行纵向研究，来回答该问题并推动该领域继续向前发展。

2.3.4 SSD

       SSD是一种严重的精神病理学形式，但是目前对其的大脑发病机制知之甚少。BBB是调节大脑完整性的一个重要结构，主要的作用是通过功能性神经血管单元维持大脑的稳态^[2]。尸检研究支持SSD中的BBB损伤，特别是内皮细胞和星形胶质细胞亚成分^[52]。一项Meta分析显示BBB功能损伤可能会导致严重的精神功能障碍^[53]。然而，由于只进行了BBB功能的间接测量，未进行直接测量导致难以直接评估SSD患者的BBB功能障碍，因此对假定的BBB异常临床相关性的了解有限。BBB受损通常使用DCE-MRI进行评估，然而该技术在SSD首次发作或慢性疾病患者中未发现显著异常^[52]。

       最近先进的DP-pCASL技术利用水质子来检测脑毛细血管和神经元间室之间的KW值，进而可以更灵敏地检测到早期以及慢性SSD的BBB功能损伤。GOLDWASER等^[11]通过对44名SSD患者和37名健康对照者（healthy controls, HC）进行DP-pCASL扫描研究，发现SSD患者与HC相比，其全脑KW和外周内皮功能显著降低，表明SSD可能改变神经血管机制；SSD的KW降低最明显的位置位于右顶叶，并且阴性症状的严重程度与右顶叶/角回和右上级放射冠（连接右额顶叶区域的一条束）的KW减少密切相关，证实了阴性症状的解剖特异性，并表明了神经血管水交换异常可能是一个至关重要的联系。这项研究表明神经血管功能障碍可能是开发SSD的新治疗方法的关键。

       DP-pCASL提供了一个检测SSD疾病的非侵入性的方法，通过KW监测BBB功能，但是其用于SSD的研究较少，未来可以对该疾病进行深入研究，以表明BBB功能障碍与SSD的相关性，还可以将该技术用于抑郁症、双相情感障碍等精神疾病的研究中，以用于分析该技术在不同疾病中的差异性。

3 小结与展望

       三种基于ASL的BBB评估方法可有效评估KW或E或PS，帮助研究者更好地了解中枢神经系统疾病中BBB损伤的病理生理机制，并为BBB与疾病之间的相关性提供证据支持，以期为不同中枢神经系统疾病研究出新的治疗方案。特别是DP-pCASL技术的开发及其衍生技术的应用，为评估BBB提供了不错的结果，显著提升了其在临床领域的应用价值和使用潜力。这些基于ASL的BBB评估方法，最大的挑战是缺乏测量KW的金标准，这是在同一种疾病中区分几种不同方法的关键。如果研究结果与BBB完整性相关，则应加强建立KW或Tex与BBB完整性之间联系的理论或实验支持。目前基于ASL的BBB评估方法应进一步改进，以实现更高的图像SNR和重复可靠性。这些序列当前应用于中枢神经系统疾病的BBB功能障碍研究较少，或者主要应用于儿童，未来可以将其逐渐应用于其他神经系统疾病的研究，如脑血管疾病、帕金森等，以了解其与BBB之间的关系。现在的研究方法主要基于横断面研究，未来可以加大纵向研究去了解BBB功能障碍在疾病进展过程中的作用。因此，基于ASL的BBB评估方法对中枢神经系统疾病的病理生理机制研究、诊断、治疗及预后判断具有重要临床意义，值得深入研究。