分享:
分享到微信朋友圈
X
基础研究
基于MRI示踪技术大鼠颅内结核性肉芽肿ECS变化机制初探
朱一聪 明洁 李锦 努尔比耶姆•阿布力克木 和清源 谈瀚博 姜涛 王刚 古丽米热•依力哈木 江育达 姜春晖 刘文亚 王云玲 王俭

本文引用格式:朱一聪, 明洁, 李锦, 等. 基于MRI示踪技术大鼠颅内结核性肉芽肿ECS变化机制初探[J]. 磁共振成像, 2026, 17(7): 102-109. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2026.07.013.


[摘要] 目的 通过卡介苗建立Sprgue-Dawley(SD)大鼠脑结核性肉芽肿模型,探讨脑结核肉芽肿细胞外间隙(extracellular space, ECS)改变及示踪剂代谢过程。材料与方法 选取40只SD大鼠,随机选取30只采用立体定位法向大鼠尾状核注射卡介苗菌悬液建立脑结核肉芽肿模型,其余10只同样部位注射生理盐水设为生理盐水对照组。建模4周后行MRI扫描观察肉芽肿形成情况,对形成结核肉芽肿模型组及生理盐水组的大鼠以钆-二乙烯三胺五乙酸(gadolinium-diethylene triamine pentaacetic acid, Gd-DTPA)为示踪剂进行示踪MRI扫描;将符合入组标准的结核肉芽肿组大鼠10只(经病理证实颅内生成结核肉芽肿)、生理盐水组大鼠8只进行示踪成像图像ECS参数(有效扩散系数D*、容积比率α、清除速率K及半衰期T1/2)测量。比较两组大鼠的ECS参数测量结果,分析ECS的变化及其机制。结果 1×106 CFU/mL卡介苗菌悬液建立脑结核肉芽肿模型至建模4周,大鼠结核肉芽肿形成率56.7%(17/30)。实验结果表明,与生理盐水组相比,脑结核肉芽肿模型组在多个ECS 参数上出现显著变化:肉芽肿模型组清除速率(K)小于生理盐水组(K:P=0.006),而扩散系数(D*)、半衰期(T1/2)与容积占比(α)均大于生理盐水组(D*P=0.024;T1/2:P=0.011;α:P=0.029)。结论 利用剂量为1×10⁶ CFU/mL的卡介苗菌悬液可建立SD大鼠脑结核肉芽肿模型。肉芽肿区域ECS因细胞坏死和基质重塑导致通道结构简化,使示踪剂扩散更快、范围更宽;同时因肉芽肿壁结构引流局部受阻,导致示踪剂停留时间增加。MRI示踪法可以监测病理状态下ECS的形态和功能变化,为经ECS给药治疗提供理论依据。
[Abstract] Objective To establish a brain tuberculous granuloma model in Sprague-Dawley (SD) rats through BCG vaccination, and investigate the changes in the extracellular space (ECS) of brain tuberculous granulomas and the tracer distribution and clearance.Materials and Methods Forty SD rats were used. Thirty rats were randomly selected to establish a brain tuberculosis granuloma model by stereotactic injection of BCG suspension into the caudate nucleus of the rats, while the remaining ten received saline injections at the same site to serve as the control group. Four weeks after modeling, MRI scans were performed to observe granuloma formation. Rats in the tuberculosis granuloma model group and the saline group underwent tracer-based MRI scans with gadolinium-diethylene triamine pentaacetic acid (Gd-DTPA) as the contrast agent. Ten rats in the tuberculosis granuloma group meeting the inclusion criteria (intracranial tuberculosis granulomas confirmed by pathology) and eight rats in the saline group were used for parameter measurement on tracer-based imaging (effective diffusion coefficient D*, volume fraction α, clearance rate constant K, and half-life T1/2). The ECS parameters of the two groups were compared to analyze changes in the ECS and its mechanism.Results A brain tuberculosis granuloma model was established using 1×106 CFU/mL BCG suspension, and four weeks after modeling, the formation rate of tuberculosis granulomas in rats was 56.7% (17/30). Experimental results showed that compared with the saline group, the brain tuberculosis granuloma model group exhibited significant changes in multiple ECS parameters: the clearance rate (K) in the granuloma model group was lower than that in the saline group (K: P = 0.006), while the diffusion coefficient (D*), half-life (T1/2), and volume fraction (α) were all higher than those in the saline group (D*: P = 0.024;T1/2:P = 0.011;α: P = 0.029).Conclusions A brain tuberculosis granuloma model in SD rats can be established using a BCG bacterial suspension at a dose of 1×106 CFU/mL. Due to cell necrosis and matrix remodeling, the ECS structure in the granuloma area is altered, allowing tracers to diffuse faster and over a wider range. However, the structural barrier of the granuloma wall obstructs local drainage, leading to prolonged tracer retention. MRI tracer techniques can effectively monitor the morphological and functional changes of the ECS under pathological conditions, providing a theoretical basis for drug delivery via the ECS.
[关键词] 大鼠;脑结核肉芽肿;细胞外间隙;磁共振成像示踪;中枢神经系统
[Keywords] rat;granuloma of brain tuberculosis;extracellular space;magnetic resonance imaging tracer;central nervous system

朱一聪 1   明洁 2   李锦 3   努尔比耶姆•阿布力克木 1   和清源 4   谈瀚博 4   姜涛 1   王刚 1   古丽米热•依力哈木 1   江育达 1   姜春晖 1   刘文亚 1   王云玲 1   王俭 1*  

1 新疆医科大学第一附属医院影像中心,乌鲁木齐 830011

2 新疆医科大学附属肿瘤医院影像中心,乌鲁木齐 830011

3 昌吉回族自治州人民医院超声科,昌吉 831100

4 北京大学医学部医学技术研究院 神经调控智能计算与脑病治疗北京市重点实验室,北京 100191

通信作者:王俭,E-mail: jeanw1265@163.com

作者贡献声明::王俭设计本研究的方案,对稿件的重要内容进行了修改;朱一聪起草和撰写稿件,获取、分析和解释本研究的数据;明洁、李锦、努尔比耶姆•阿布力克木、姜涛、和清源、谈瀚博、王刚、古丽米热•依力哈木、江育达、姜春晖、刘文亚、王云玲获取、分析和解释本研究的数据,对稿件的重要内容进行了修改。王俭获得国家自然科学基金新疆联合基金项目资助。全体作者都同意发表最后的修改稿,同意对本研究的所有方面负责,确保本研究的准确性和诚信。


基金项目: 国家自然科学基金新疆联合基金项目 U1903121
收稿日期:2025-12-22
接受日期:2026-06-08
中图分类号:R445.2  R-332 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2026.07.013
本文引用格式:朱一聪, 明洁, 李锦, 等. 基于MRI示踪技术大鼠颅内结核性肉芽肿ECS变化机制初探[J]. 磁共振成像, 2026, 17(7): 102-109. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2026.07.013.

0 引言

       结核病是由结核分枝杆菌引起的一类古老而严重的传染性疾病。尽管全球范围内持续推进防控措施,但其对公共健康的威胁依然突出。在一度被新型冠状病毒感染(coronavirus disease 2019, COVID-19)短暂超过之后,结核病依旧回到全球传染病致死原因的首位[1]。脑结核瘤是由于结核杆菌经血流播散进入脑实质,引起的肉芽肿性炎症反应[2]。目前治疗往往依照肺结核的用药思路,由于利福平、异烟肼等抗结核药物难以透过血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)进入中枢神经系统,而简单增加剂量又可能导致肾损伤及其他全身不良反应,而使治疗效果受到限制[3, 4]

       研究表明,经脑间质系统扩散药物可有效绕开BBB,使药物直接渗入脑组织并达到病灶部位,从而显著提高治疗效率[5]。细胞外间隙(extracellular space, ECS)是分布于脑细胞之间及细胞与血管之间的纳米级微腔结构,构成脑细胞生存的直接微环境,也是药物在脑内递送与发挥作用的关键物理空间[6]。静脉注射是治疗中枢神经系统疾病的常用方式,却因药物难以穿透BBB疗效有限,国外使用鞘内注射抗结核药物的方式可绕过BBB,但反复注射会增加医源性感染风险[7, 8, 9]。相比之下,通过ECS进行脑实质注射,能精准给药至病灶区,且药物在肉芽肿病灶区停留时间久,能够有效发挥作用[10]。因此监测疾病发生后ECS结构变化,不仅有助于更清晰地了解疾病发生机制,更能为经ECS给药提供理论指导。基于MRI示踪技术为实现这一目标提供了可行路径:将 Gd-DTPA注入大鼠脑ECS并动态观察其在脑内的扩散、分布及清除过程,可据此构建生物数学模型,为ECS给药策略提供理论基础[11]。此外,MRI对比剂Gd-DTPA已被用于神经成像,以及药物代谢变量测量,如药物输送效率评估及靶向药物输送的分布[12]。Gd-DTPA被认为是一种生物惰性良好、热稳定性高的造影剂,不会对脑实质造成损害,也不会引起核磁图像失真和变形[13]。近期研究进一步确定了在T1加权三维磁化准备快速梯度回波序列(T1 weighted three dimensional magnetization prepared rapid acquisition gradient chose quences, T1WI 3D MP-Rage)中,Gd-DTPA浓度与MRI信号之间的线性对应关系,证实该方法能够实现示踪剂扩散参数的定量测量[14]。目前,该技术已被应用于胶质瘤、脑缺血、隐球菌感染等大鼠模型的ECS研究[15, 16, 17],但关于脑结核肉芽肿的ECS特征尚无报道;同时,与近年来示踪MRI在肿瘤与多种非肿瘤性中枢神经系统疾病中取得的研究进展相比,相关感染性疾病的ECS探索仍较为缺乏。本研究采用基于示踪剂的MRI技术,定量评价示踪剂与间质液(interstitial fluid,ISF)在结核肉芽肿大鼠脑内的扩散过程,分析结核肉芽肿中ECS结构和ISF引流的变化,为ECS治疗结核肉芽肿提供理论依据。

1 材料与方法

       本研究严格按照《中国实验动物使用指南》实施,并通过新疆医科大学实验动物伦理委员会批准(审批号:IACUC-20210115-07)。实验动物包括成熟(8周龄,200~250 g)雄性Sprgue-Dawley(SD)大鼠(n=40),将大鼠随机分为卡介苗感染模型组(n=30)、生理盐水组(n=10)。所有大鼠均的饲养环境均为:温度(22±2)℃,湿度50%±10%,12 h/12 h明暗周期。自由摄食饮水。

1.1 结核肉芽肿模型建立

       使用舒泰(注射用盐酸替来他明盐酸唑拉西泮,50 mg/mL,法国维克有限公司)与盐酸赛拉嗪(0.05 mg/mL,吉林省敦化市圣达动物药品有限公司)按1∶1比例配制的混合麻醉剂,以0.02 mL/100 g的剂量经臀部肌肉注射对SD大鼠进行麻醉。随后将动物随机分为两组:结核肉芽肿模型组(n=30)、生理盐水组(n=10)。麻醉后剔除大鼠颅顶毛发,碘伏消毒,于双侧内眦连线与正中矢状线交点处切开皮肤,逐层分离至暴露前囟。将大鼠固定于立体定位仪(美国,Stoleting),依据《大鼠脑立体定位图谱》定位尾状核坐标(前囟前1.0 mm,中线右3.0 mm, 深度 4.0~5.0 mm),并于该处钻孔。利用微量注射器(25 µL,上海安亭微量注射器厂)将10 µL 1×106 /mL浓度的卡介苗菌悬液(新疆疾病预防控制中心提供)以1 µL/min速率缓慢注入大鼠尾状核,注射针留置10 min,再以1 mm/min缓慢退针。对照组以相同操作注入等体积(10 µL)0.9%氯化钠注射液(国药集团新疆制药有限公司)。

1.2 颅内结核感染情况MRI检测

       SD大鼠于建模4周后通过德国西门子Skyra 3.0 T MRI设备、15通道膝关节线圈使用T2WI 脂肪抑制(fat suppression, FS)、T1WI、磁敏感加权成像(susceptibility-weighted imaging, SWI)序列扫描监测建模情况。扫描序列与参数:T2WI FS(TR 3120 ms;TE 97 ms;FA 120°;层厚2 mm;分辨率256×256)、SWI(TR 29 ms;TE 20 ms;FA 15°;层厚0.66 mm;分辨率223×256)、T1WI 3D MP-RAGE(TR 1830 ms;TE 2.99 ms;TI 900 ms,FA 9°;层厚0.43 mm;分辨率512×512)。根据影像学表现,怀疑结核肉芽肿形成的大鼠T2WI FS显示类圆形或条片状高信号、SWI显示类圆形或条片状低信号、T1显示类圆形或条片状低信号(图1)。

图1  28 d雄性大鼠脑模型磁共振成像序列。T2WI FS序列病灶显示片状高信号(1A);磁敏感加权成像(SWI)序列病灶显示片状低信号(1B);T1WI 3D MPRAGE序列病灶显示片状低信号(1C);T1WI 3D MPRAGE增强(1D)。
Fig. 1  Magnetic resonance imaging sequence of brain models in 28-day-old male rats. T2-weighted FS sequence shows patchy hyperintense lesions (1A); Short-wave intensity (SWI) sequence shows patchy hypointense lesions (1B); T1-weighted 3D MPRAGE sequence shows patchy hypointense lesions (1C); T1-weighted 3D MPRAGE contrast-enhanced sequence (1D).

1.3 MRI示踪扫描

       本研究对结核肉芽肿模型组及对照组大鼠进行了示踪MRI扫描。如前所述进行麻醉。在注射示踪剂前,采用T1WI 3D MP-RAGE序列进行预扫描,所得图像记为T0时点。预扫描后,使用自动给药系统(保定雷弗流体科技有限公司,TFD03)及2 µL微量注射器(上海安亭微量注射器厂),将2 µL 10 mmol/L的Gd-DTPA溶液以0.2 µL/min的速度微量注射至大鼠尾状核。注射完成后留针10 min,以防止示踪剂沿针道反向渗出,并缓慢旋转拔针[18]。随后将大鼠以俯卧位固定于扫描仪内进行注射后扫描,采集注射后15、30、45、60、80、100、120、150、180及240 min T1WI 3D MP-RAGE序列图像,依次记录为T1至T10时点的图像。为有效控制运动伪影、保证图像质量,在扫描期间每间隔2 h补充注射半剂量的麻醉剂,检测并观察大鼠基本生命体征[直肠温度计监测肛温,加热毯维持大鼠体温在(38±0.5)℃]。

1.4 入组图像采用标准

       纳入标准:(1)经病理证实鼠脑内形成结核肉芽肿的T1WI 3DMP-Rage示踪图像且从T0至T10时刻扫描完整的图像;(2)进针侧脑实质内可见类圆形、结节状、片状长T1长T2异常信号影;(3)病灶最大直径≥3 mm。排除标准:(1)不能明确诊断卡介苗感染;(2)T1WI 3D MP-Rage图像显示示踪剂反流的图像(沿针道方向出现线样或条片状高信号,同时信号形态与针道走行一致,则判定为示踪剂反流);(3)注射点有气泡(若图像中注射点区域出现圆形或类圆形极低信号区,则判定为气泡所致伪影);(4)图像存在运动伪影。最终模型组10只、生理盐水组8只大鼠图像数据被采用入组。

1.5 ECS扩散参数测量

       检查完成后由一名放射医师(具有35年经验的主任医师)与两名在读硕士研究生(分别具有5年经验的主治医师和3年经验的初级技师)进行分析、判读,分析图像过程中不同时间节点图像确定感兴趣区(region of interest, ROI),采用相同层面,使用冠、矢、轴三切面确定层面及ROI中心,并由两名研究生共同讨论确定绘制,所有图像由两位研究人员在不知晓分组的情况下独立勾画。使用北京市神经调控智能计算与脑病治疗重点实验室韩鸿宾等研发的大鼠2.1版在体脑ECS图像处理系统(NanoDetect Analyze System)对ISF扩散与ECS结构参数进行检测分析[19]。首先选取ROI(即在各个时刻图像中人工勾画ROI,勾画时每一层均需包全大鼠整个大脑,并且将得到的兴趣区域三维坐标写入与该时刻鼠脑文件在同一目录下的文档中),以该区域内的平均像素强度作为MRI信号强度值。在完成基于互信息的图像配准后,将注射后图像与基线图像进行对比。随后,通过包括刚性变换、相似度测量、高阶插值与自适应随机梯度下降优化在内的预处理流程,从预扫描图像中逐一减去各注射后图像。最终,系统生成水平面、矢状面及冠状面的后处理MR图像,通过测量处理后ROI内的信号强度,计算得出信号强度的增量值。根据信号强度的变化实时计算ECS中Gd-DTPA的浓度,得到扩散系数(D)、体积分数(α)、清除速率(K),以及半衰期(T1/2)[18]。其中扩散系数(D)是示踪剂在脑ECS内表观扩散系数,它是根据时间t时示踪剂扩散到r区的浓度计算的,其中t为扫描时间,r为扩散半径,即扫描时间段内示踪剂从注射原点扩散至任意位置的距离。体积分数(α)定义为细胞外分子扩散的细胞外容积占组织总容积的比例。清除速率(K)衡量示踪剂在ECS内被清除的速率[20]。由于示踪剂在脑内的扩散符合指数式衰减,因此半衰期(T1/2)亦可用来描述采集全程示踪剂在ECS内的清除速率。

1.6 病理检查

       MRI扫描结束后处死大鼠,于生物安全柜内取出脑组织,经10%甲醛固定48~72 h后进行脱水、石蜡包埋并制成病理切片,随后行HE染色。最终在显微镜下对病灶组织的病理变化进行观察与评估。

1.7 统计学分析

       本研究使用SPSS 27.0进行统计分析,经正态性(Shapiro-Wilk检验)、方差齐性检验(Levene检验),符合正态分布者用均数±标准差表示,不符合正态分布或方差不齐者则用中位数(第25百分位数,第75百分位数)表示。两组样本的有效扩散系数(D*)、容积分数(α)、清除速率(K)及半衰期(T1/2)均数比较采用独立样本t检验,若数据不符合正态分布或方差不齐,则用Mann-Whitney U检验。P<0.05为差异有统计学意义。为评估差异的实际大小,本研究同时报告效应量指标:对于独立样本t检验,计算Cohen's d,其中d≥0.80表示大效应;对于Mann-Whitney U检验,计算r值,其中r≥0.50表示大效应。

1.8 一致性分析

       从最终入组的模型组(10只)和生理盐水组(8只)中随机选取5只模型组大鼠和5只生理盐水组大鼠(共10只),选取注射后30 min(T2时点)的图像进行一致性分析。采用组内相关系数(intra-class correlation coefficient, ICC)评价观察者内及观察者间的一致性,模型选择双向混合效应、绝对一致性。ICC≥0.80认为一致性良好。

2 结果

2.1 动物模型建立及图像质量筛选结果

       模型组30只大鼠至建模后4周,共有17只(56.7%)大鼠脑MRI出现异常改变;其中7只大鼠图像由于病灶最大直径<3 mm或出现示踪剂回流以及扫描点伪影剔除,经筛选10只大鼠图像符合ECS参数测量要求,可用于ECS参数测量及分析。生理盐水组10只大鼠图像中,1只注射点存在气泡,1只在扫描中死亡,其余8只示踪剂注射良好,图像质量较佳,可用于ECS参数测量与分析。

2.2 一致性分析结果

       一致性检验结果显示观察者内ICC值为0.88(95% CI:0.82~0.93),观察者间ICC值为0.87(95% CI:0.80~0.92)均大于0.80,组内及组间一致性良好。

2.3 ECS扩散参数分析

       肉芽肿模型组清除速率(K)小于生理盐水组,而扩散系数(D*)、半衰期(T1/2)与容积占比(α)均大于生理盐水组。独立样本t检验模型组与生理盐水组T1/2、α、D*、K四个参数P值分别为0.011、0.029、0.024、0.006。效应量分析表明,T1/2的效应量r=0.59,α的Cohen's d=1.31,D*的Cohen's d=1.31,K的r=0.63,均达到“大效应”水平,提示两组间的差异具有较大的实际意义。肉芽肿模型组和生理盐水组的ECS参数及统计结果如表1图2所示。随时间的引流情况,扩散水平如图3所示。

图2  组间扩散参数的统计分析。2A~2D依次为半衰期(T1/2)、容积分数(α)、有效扩散系数(D*)、清除速率(K)统计分析;Granuloma为肉芽肿模型组;Control为生理盐水组。*表示P<0.05;**表示P<0.01。
Fig. 2  Statistical analysis of diffusion parameters between groups. 2A to 2D represent the statistical analysis of half-life (T1/2), volume fraction (α), effective diffusion coefficient (D*), and clearance rate (K), respectively. Granuloma is the granuloma model group; Control is the saline group. * indicates P < 0.05; ** indicates P < 0.01.
图3  两组大鼠ECS扩散系数的二维和三维绘图(标尺=5 mm)。3A:肉芽肿模型,二维映射显示肉芽肿扩散范围增加;3B:生理盐水组,生理盐水组扩散范围减少;3C:肉芽肿模型,三维映射显示肉芽肿模型扩散水平增加;3D:生理盐水组,生理盐水组扩散水平减少。ECS:细胞外间隙。
Fig. 3  Two-dimensional and three-dimensional plots of the ECS diffusion coefficients for the two groups of rats (scale = 5 mm). 3A: Granuloma model, the two-dimensional mapping shows an increase in the diffusion range of the granuloma; 3B: Saline group, the diffusion range of the saline group decreases; 3C: Granuloma model, the three-dimensional mapping shows an increase in the diffusion level of the granuloma model; 3D: Saline group, the diffusion level of the saline group decreases. ECS: extracellular space.
表1  脑结核肉芽肿模型组和生理盐水组的ECS参数
Tab. 1  ECS parameters in the brain tuberculosis granuloma model group and saline control group

2.4 病理结果

       镜下观:鼠脑右侧脑实质内存在由上皮样细胞与朗汉斯巨细胞构成的肉芽肿结构,周围伴有淋巴细胞局灶性聚集及少量反应性增生成分。病灶内可见钙化灶形成,局部脑组织呈现充血与水肿改变(图4)。

图4  脑结核肉芽肿镜下病理图像。镜下(HE ×40)脑实质内可见肉芽肿形成,周围淋巴细胞浸润,灶状钙化(4A);镜下(HE ×100)大脑皮层软脑膜下可见血管扩张、充血,淋巴细胞浸润(4B);镜下(HE ×200)大脑实质(灰质)内可见灶状钙化,周围淋巴细胞浸润(4C)。
Fig. 4  Microscopic pathological image of granuloma in brain tuberculosis. 4A: Granuloma formation with surrounding lymphocyte infiltration and focal calcifications is observed in the cerebral parenchyma (HE ×40). 4B: Vascular dilation, congestion, and lymphocyte infiltration are observed in the subdural layer of the cerebral cortex (HE ×100); 4C: Focal calcifications with surrounding lymphocyte infiltration are visible in the cerebral parenchyma (gray matter) (HE ×200).

3 讨论

       本研究通过建立大鼠脑内结核性肉芽肿模型,结合T1WI 3D MP-RAGE序列动态监测示踪剂扩散特征定量分析肉芽肿模型及对照组大鼠的ECS参数。研究发现ECS的结构与功能在结核肉芽肿微环境中发生显著改变具体表现为半衰期(T1/2)延长,容积占比(α)、扩散系数(D*)升高及清除速率(K)下降,反映了该区域结构改变组织液流动的受阻现象。近年来,MRI 示踪成像技术为量化 ECS 扩散参数提供了新手段,但其在结核性肉芽肿中的应用尚未深入,本研究揭示了MRI示踪法能提供疾病状态下ECS改变相关信息,为经ECS给药理论提供依据。

3.1 结核颅内感染 ECS 改变

       研究表明[21, 22],结核肉芽肿的形成是动态演变过程。期间免疫细胞被募集并聚集,细胞外基质重组会压迫并分隔局部ECS。Gd-DTPA在ECS中的扩散行为可间接反映其功能状态,此行为受间隙宽度以及基质构成等多种因素的共同调控。因此,明确ECS扩散参数变化可能有助于深入了解脑结核肉芽肿的机制和病理变化。本研究发现脑结核肉芽肿模型组与生理盐水组相比,ECS多个参数均出现显著改变。这些变化共同指向一个核心的病理生理现象:在结核肉芽肿形成的区域,ECS实际上形成了一个扩散加快、引流受阻的异常微环境。这一现象与中枢神经系统结核的典型病理特征高度吻合--包括密集的炎性浸润、上皮样细胞结节、朗格汉斯巨细胞形成、纤维包裹、坏死灶及血管周围充血等。这些结构性改变从周围对神经组织形成挤压,最终导致肉芽肿区域的ECS发生显著的结构重塑[23]。扩散实验可量化ECS的扩散系数(D*)、容积占比(α)、示踪剂清除速率(K)及半衰期(T1/2)四个关键参数,这些参数随着细胞增殖、细胞肿胀等发生改变。扩散系数(D*)和容积占比(α)的升高,直观反映出ECS物理结构发生变化。本研究发现,在示踪剂可到达的坏死水肿区,扩散系数(D*)和容积占比(α)均高于生理盐水组。推测在该区域内,细胞溶解和组织崩解可能导致局部ECS结构相对简化、屏障减少,这可能是D*和α升高的潜在原因[24]。已有研究指出[25, 26],结核肉芽肿中的细胞外基质并不是静止的支架,而是在基质金属蛋白酶及其抑制因子的动态调控下持续重塑。过度的胶原沉积与纤维化进程,可能是导致ECS扩散功能改变的关键分子机制。此外,肉芽肿内部的血管改变(如血管周围炎性浸润和血管受压)也可能影响血管周围间隙的引流功能,从而干扰ISF的流动与清除效率。本研究观察到清除速率(K)下降与半衰期(T1/2)延长,正提示肉芽肿区域的ISF引流功能已明显受损。近年来,脑脊液与ISF的交换机制——即类淋巴系统被证明在多种脑疾病中发挥重要作用[27, 28, 29]。该系统是大脑清除代谢废物的关键途径,其功能主要依赖于星形胶质细胞终足上的水通道蛋白-4介导的血管周围ISF流动[30]。基于这一理论框架,我们推测在结核性炎症环境中,肉芽肿周围的血管被炎性细胞浸润和纤维组织包裹,这种病理改变压迫甚至阻塞血管周围间隙,从而中断类淋巴引流的关键通路,这可能是示踪剂清除速率(K)下降、半衰期(T1/2)延长的潜在机制之一[2, 24]。另一方面,结核肉芽肿与实体瘤类似,存在间质液压升高的现象,这种高压状态不仅会压迫微血管、影响局部灌注,还会阻碍ISF依赖压力梯度进行的对流运动,造成示踪剂或药物“易进难出”,滞留时间明显延长[31, 32]。多项研究[33, 34, 35]证实ECS扩散范围改变是多种脑疾病的共同特征,ABULIKEMU等[18]采用基于示踪剂的MRI方法探究隐球菌感染大鼠的ECS病理变化,结果显示D*增加、T1/2延长,提示感染所诱发的炎症反应可能损害 ECS 的引流功能。值得注意的是,尽管结核肉芽肿与隐球菌肉芽肿在ECS参数上表现出相似的变化趋势(D*升高、T1/2延长),但两者背后的病理结构和机制可能存在差异。结核肉芽肿中D*的升高可能主要源于坏死区的细胞溶解,导致ECS通道结构简化、屏障减少,示踪剂扩散阻力降低;而隐球菌肉芽肿中D*的升高则可能与胶样囊腔的形成有关——囊腔内大量的多糖荚膜物质为示踪剂提供了额外的扩散空间,同时这些黏稠内容物也可能通过膨胀挤压周围组织,间接改变局部ECS的物理特性。上述差异提示,针对不同病原体感染所致的肉芽肿,经ECS给药策略可能需要个体化调整。本研究中肉芽肿区域同时表现出扩散系数(D*)升高(扩散加快)和清除速率(K)降低、半衰期(T1/2)延长(引流受损)。这两个变化并不矛盾,而是反映了结核肉芽肿微环境的独特特征:坏死区域ECS结构简化,使药物易于扩散进入病灶;然而,肉芽肿壁炎性细胞浸润、血管周围间隙受压及间质液压升高,共同阻碍了间质液的正常引流,导致药物滞留时间延长。

       近年来,多模态影像技术的快速发展为脑ECS研究提供了更丰富的研究视角。以18F-FDG PET为代表的分子成像技术,可通过定量检测葡萄糖代谢水平,反映肉芽肿内炎性细胞(如活化的巨噬细胞、淋巴细胞)的聚集程度与代谢活性,从而间接评估病灶的炎性负荷[36]。相比之下,MRI示踪技术则能直接量化ECS的结构参数(D*、α)与引流功能(K、T1/2),揭示间质微环境的物理特性。两种技术具有显著的互补性:PET提供的是细胞水平的代谢信息,而MRI示踪提供的是组织间隙的结构与功能信息。若能将二者结合,不仅可解析炎性活动如何重塑ECS结构,还能进一步明确代谢活跃区与ECS扩散/引流异常区的空间对应关系,为经ECS靶向给药提供更精准的定位依据。

3.2 结核肉芽肿模型建立

       在本研究中,采用卡介苗成功诱导了SD雄性大鼠脑内结核性肉芽肿的形成。该疫苗为减毒活菌制剂,由CALMETTE与GUÉRIN通过对牛分枝杆菌(M. bovis)进行连续传代培养而获得[37]。相较于雌性大鼠,雄性大鼠在存活状况及感染控制能力上相对较弱;感染结核分枝杆菌后,雄性大鼠体内菌落形成单位通常更高,炎症反应亦更强烈,致使肉芽肿体积更大,故本次实验选用雄性SD大鼠作为实验对象[38]。既往研究表明,结核分枝杆菌在人类和实验动物中均对免疫反应的诱导与效应阶段具有关键调控作用。本研究诱导的大鼠脑结核肉芽肿模型,虽能模拟人类结核肉芽肿的部分关键病理特征(如上皮样细胞聚集、朗汉斯巨细胞形成、纤维包裹及炎症浸润等),但大鼠与人类在中枢神经系统解剖结构、免疫应答强度及肉芽肿演化进程等方面仍存在一定差异。因此,该模型更适合作为探索结核肉芽肿所致ECS改变的初步机制研究工具,为后续在临床样本中验证相关发现提供理论基础。尽管如此,本研究揭示的ECS扩散参数变化规律,对于理解人类结核肉芽肿微环境、指导经细胞外间隙给药策略仍具有一定的启发价值。本研究采用直接颅内注射的感染方式,该策略不仅通过将病原体直接作用于中枢神经系统,最大程度减少了全身性干扰,还能高效诱导疾病发生,便于后续对感染进程进行动态观察。此外,借助立体定位仪实现精准的脑内定位,同时使用分体式注射泵精确控制注射体积与速率,从而显著提升了动物模型的可靠性与一致性。根据已有文献报道,此类感染模型的接种剂量通常设定在105~107 CFU/mL范围内,最佳观察时间点约为感染后4周[39]。本实验将感染剂量调整为106 CFU/mL,并构建了30只SD大鼠模型。观察发现,在建模后的4周内,大鼠出现双眼红润、烦躁不安以及食欲减退的现象。通过进一步的MRI检查和病理学分析,有17只大鼠形成了肉芽肿但仅10只入组,主要原因为示踪剂反流、注射点气泡及运动伪影等这些技术问题可能导致图像质量较差进而影响示踪剂计量减少引起测量误差。尽管如此,肉芽肿模型组10只大鼠经过严格筛选,图像经过多级严格质量控制,可以代表该疾病的特征。

3.3 局限性与展望

       (1)模型成功率较低(1×106 CFU/mL卡介苗仅部分诱导肉芽肿形成),需后续优化菌悬液浓度与接种方式,并改进注射及退针操作技术,以提高模型成功率和入组率。(2)样本量较小可能导致参数估计的精度不足且无法进行亚组分析,需扩大样本量结合病理分期对肉芽肿进行亚型分层分析和多因素设计(例如药物代谢实验)为临床转化提供更可靠的数据支持。(3)仅观察单一时间点,无法反映动态多时间点演变规律。因此未来研究有必要增设多个时间点(如1、2周)多参数(弥散加权成像、磁共振灌注成像)的MRI示踪扫描并结合影像组学方法分析,以更精确地揭示不同病理阶段ECS的变化规律。

4 结论

       本研究通过MRI示踪分析发现,结核肉芽肿可导致ECS结构简化、扩散加快,但间质液引流受阻、示踪剂滞留时间延长,这揭示了结核肉芽肿ECS结构异质性及扩散改变特征,为经ECS递药提供了理论依据。

[1]
CHEN Z, WANG T, DU J L, et al. Decoding the WHO global tuberculosis report 2024: a critical analysis of global and Chinese key data[J/OL]. Zoonoses, 2025, 5(1) [2025-12-21]. https://www.scienceopen.com/hosted-documentdoi=10.15212/ZOONOSES-2024-0061. DOI: 10.15212/zoonoses-2024-0061.
[2]
DAHAL P, PARAJULI S. Magnetic resonance imaging findings in central nervous system tuberculosis: a pictorial review[J/OL]. Heliyon, 2024, 10(8): e29779[2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38699716/. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e29779.
[3]
BELLETTATO C M, SCARPA M. Possible strategies to cross the blood-brain barrier[J/OL]. Ital J Pediatr, 2018, 44(S2): 131 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30442184/. DOI: 10.1186/s13052-018-0563-0.
[4]
PIANTINO M, KANG D H, FURIHATA T, et al. Development of a three-dimensional blood-brain barrier network with opening capillary structures for drug transport screening assays[J/OL]. Mater Today Bio, 2022, 15: 100324 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35757028/. DOI: 10.1016/j.mtbio.2022.100324.
[5]
SUN Y, SUN X P. Exploring the interstitial system in the brain: the last mile of drug delivery[J]. Rev Neurosci, 2021, 32(4): 363-377. DOI: 10.1515/revneuro-2020-0057.
[6]
ESTAÚN-PANZANO J, LOVISOTTO A, MAZZOCCO C, et al. Alzheimer's Tau seeds-induced pathology enhances hippocampal extracellular diffusion[J/OL]. Commun Biol, 2025, 8(1): 1660 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41286491/. DOI: 10.1038/s42003-025-09054-z.
[7]
GAO Y, SU J W, MA Y X, et al. Efficacy and safety of intrathecal dexamethasone combined with isoniazid in the treatment of tuberculous meningitis: a meta-analysis[J/OL]. BMC Neurol, 2024, 24(1): 194 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38858618/. DOI: 10.1186/s12883-024-03701-4.
[8]
ASHIZAWA N, KUBO R, TAGAWA R, et al. Efficacy of intrathecal isoniazid and steroid therapy in refractory tuberculous meningitis[J]. Intern Med, 2024, 63(4): 583-586. DOI: 10.2169/internalmedicine.1917-23.
[9]
中华医学会结核病学分会结核性脑膜炎专业委员会. 2019中国中枢神经系统结核病诊疗指南[J]. 中华传染病杂志, 2020, 38(7): 400-408. DOI: 10.3760/cma.j.cn311365-20200606-00645.
Medical Association Tuberculosis Branch Tuberculous Meningitis Professional Committee. 2019 Chinese guidelines for the diagnosis and treatment of central nervous system tuberculosis[J]. Chin J Infect Dis, 2020, 38(7): 400-408. DOI: 10.3760/cma.j.cn311365-20200606-00645.
[10]
ZOU J, GAO T, WANG Y, et al. Dynamic distribution and clearance of 99mTc-DTPA in brain extracellular space[J]. Beijing Da Xue Xue Bao. Yi Xue Ban, 2025, 57(3): 562-568. DOI: 10.19723/j.issn.1671-167X.2025.03.021.
[11]
王卉, 周洁, 成雨萌, 等. 脑组织通道磁示踪成像分析仪的设计与应用[J]. 磁共振成像, 2023, 14(2): 109-115, 124. DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2023.02.019.
WANG H, ZHOU J, CHENG Y M, et al. Design and application of brain tissue channel tracer-based magnetic resonance imaging analyzer[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2023, 14(2): 109-115, 124. DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2023.02.019.
[12]
YAO W W, ZHANG H W, MA Y P, et al. Comparative analysis of the performance of hepatobiliary agents in depicting MRI features of microvascular infiltration in hepatocellular carcinoma[J]. Abdom Radiol, 2024, 49(7): 2242-2249. DOI: 10.1007/s00261-024-04311-x.
[13]
REISI ZARGARI N, EBRAHIMI F, AKHLAGHI M, et al. Novel Gd-DTPA-peptide for targeted breast tumor magnetic resonance imaging[J/OL]. Biomed Pharmacother, 2024, 178: 117189 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39059353/. DOI: 10.1016/j.biopha.2024.117189.
[14]
LI K, ZHANG Y J, HE D Q, et al. Homogeneous orthogonal diffusion of drugs in the rat brain[J]. Clin Exp Pharmacol Physiol, 2019, 46(4): 398-403. DOI: 10.1111/1440-1681.13057.
[15]
ZHAO G M, CHEN H, YAN J H, et al. Efficacy of citicoline delivered via brain extracellular space against experimental acute ischemic stroke in rats[J]. Int J Med Sci, 2024, 21(7): 1274-1279. DOI: 10.7150/ijms.93482.
[16]
GUAN X P, WANG W, WANG A B, et al. Brain interstitial fluid drainage alterations in glioma-bearing rats[J/OL]. Aging Dis, 2018, 9(2): 228 [2025-12-21]. https://www.aginganddisease.org/EN/10.14336/AD.2017.0415. DOI: 10.14336/ad.2017.0415.
[17]
王刚, 努尔比耶姆·阿布力克木, 赵晶晶, 等. MRI示踪成像探讨隐球菌颅内感染大鼠脑细胞外间隙扩散变化[J]. 磁共振成像, 2023, 14(2): 103-108. DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2023.02.018.
WANG G, NUERBIYEMU ·A, ZHAO J J, et al. MRI tracer imaging explore the diffusion changes of brain extracellular space in a rat model of intracranial cryptococcal infection[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2023, 14(2): 103-108. DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2023.02.018.
[18]
ABULIKEMU N, GAO X, WANG W, et al. Mechanism of extracellular space changes in cryptococcal brain granuloma revealed by MRI tracer[J/OL]. Front Neurosci, 2022, 16: 1034091 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36605557/. DOI: 10.3389/fnins.2022.1034091.
[19]
WANG W, HE Q Y, HOU J, et al. Stimulation modeling on three-dimensional anisotropic diffusion of MRI tracer in the brain interstitial space[J/OL]. Front Neuroinform, 2019, 13: 6 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30837860/. DOI: 10.3389/fninf.2019.00006.
[20]
HAN H B, LI K, YAN J H, et al. An in vivo study with an MRI tracer method reveals the biophysical properties of interstitial fluid in the rat brain[J]. Sci China Life Sci, 2012, 55(9): 782-787. DOI: 10.1007/s11427-012-4361-4.
[21]
SÁNCHEZ-GARIBAY C, SALINAS-LARA C, GÓMEZ-LÓPEZ M A, et al. Mycobacterium tuberculosis infection induces BCSFB disruption but No BBB disruption in vivo: implications in the pathophysiology of tuberculous meningitis[J/OL]. Int J Mol Sci, 2022, 23(12): 6436 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35742886/. DOI: 10.3390/ijms23126436.
[22]
KRAUSGRUBER T, REDL A, BARRECA D, et al. Single-cell and spatial transcriptomics reveal aberrant lymphoid developmental programs driving granuloma formation[J/OL]. Immunity, 2023, 56(2): 289-306.e7 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36750099/. DOI: 10.1016/j.immuni.2023.01.014.
[23]
POH X Y, LOH F K, FRIEDLAND J S, et al. Neutrophil-mediated immunopathology and matrix metalloproteinases in central nervous system-tuberculosis[J/OL]. Front Immunol, 2021, 12: 788976 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35095865/. DOI: 10.3389/fimmu.2021.788976.
[24]
SONG L, ZHANG D, WANG H K, et al. Automated quantitative assay of fibrosis characteristics in tuberculosis granulomas[J/OL]. Front Microbiol, 2023, 14: 1301141 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38235425/. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1301141.
[25]
JHILTA A, JADHAV K, SINGH R, et al. Breaking the cycle: matrix metalloproteinase inhibitors as an alternative approach in managing tuberculosis pathogenesis and progression[J]. ACS Infect Dis, 2024, 10(8): 2567-2583.
[26]
MCMAHON M, YE S Y, PEDRINA J, et al. Extracellular matrix enzymes and immune cell biology[J/OL]. Front Mol Biosci, 2021, 8: 703868 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34527702/. DOI: 10.3389/fmolb.2021.703868.
[27]
SINCLAIR B, YASUDA C L, NICOLO J P, et al. Enlarged perivascular spaces in the basal ganglia across epilepsy subtypes[J]. Epilepsia, 2026, 67(2): 815-829. DOI: 10.1111/epi.18694.
[28]
DING J W, ZHAO C B, HAO X Y, et al. Glymphatic and meningeal lymphatic dysfunction in Alzheimer's disease: Mechanisms and therapeutic perspectives[J/OL]. Alzheimers Dement, 2025, 21(10): e70709[2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41152198/. DOI: 10.1002/alz.70709.
[29]
YAO X Y, GAO M C, BAI S W, et al. Enlarged perivascular spaces, neuroinflammation and neurological dysfunction in NMOSD patients[J/OL]. Front Immunol, 2022, 13: 966781 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36248814/. DOI: 10.3389/fimmu.2022.966781.
[30]
JIA L Y, CHEN Y, LI H Z, et al. The glymphatic system in neurodegenerative diseases and brain tumors: mechanistic insights, biomarker advances, and therapeutic opportunities[J/OL]. Acta Neuropathol Commun, 2025, 14(1): 19 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41390476/. DOI: 10.1186/s40478-025-02203-9.
[31]
DATTA M, KENNEDY M, SIRI S, et al. Mathematical model of oxygen, nutrient, and drug transport in tuberculosis granulomas[J/OL]. PLoS Comput Biol, 2024, 20(2): e1011847[2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38335224/. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1011847.
[32]
SALAVATI H, DEBBAUT C, PULLENS P, et al. Interstitial fluid pressure as an emerging biomarker in solid tumors[J/OL]. Biochim Biophys Acta BBA Rev Cancer, 2022, 1877(5): 188792 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36084861/. DOI: 10.1016/j.bbcan.2022.188792.
[33]
TØNNESEN J, HRABĔTOVÁ S, SORIA F N. Local diffusion in the extracellular space of the brain[J/OL]. Neurobiol Dis, 2023, 177: 105981 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36581229/. DOI: 10.1016/j.nbd.2022.105981.
[34]
TURECKOVA J, KAMENICKA M, KOLENICOVA D, et al. Compromised astrocyte swelling/volume regulation in the hippocampus of the triple transgenic mouse model of Alzheimer's disease[J/OL]. Front Aging Neurosci, 2021, 13: 783120 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35153718/. DOI: 10.3389/fnagi.2021.783120.
[35]
ESTAUN-PANZANO J, NANDI S, GRESIL Q, et al. Intracellular α-synuclein assemblies are sufficient to alter nanoscale diffusion in the striatal extracellular space[J/OL]. NPJ Parkinsons Dis, 2024, 10(1): 236 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39738158/. DOI: 10.1038/s41531-024-00850-8.
[36]
HIGASHIHARA M, ISHIBASHI K, TOKUMARU A M, et al. Brain PET imaging of 11C-methionine, 18F-FDG, and 18F-THK5351 in a case of lymphomatoid granulomatosis[J/OL]. Clin Nucl Med, 2022, 47(12): e749-e751 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36342805/. DOI: 10.1097/RLU.0000000000004388.
[37]
KANIPE C, BOGGIATTO P M, PUTZ E J, et al. Histopathologic differences in granulomas of Mycobacterium bovis bacille Calmette Guérin (BCG) vaccinated and non-vaccinated cattle with bovine tuberculosis[J/OL]. Front Microbiol, 2025, 16: 1571061 [2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36425039/. DOI: 10.3389/fmicb.2022.1048648.
[38]
BINI E I, MATA ESPINOSA D, MARQUINA CASTILLO B, et al. The influence of sex steroid hormones in the immunopathology of experimental pulmonary tuberculosis[J/OL]. PLoS One, 2014, 9(4): e93831[2025-12-21]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24722144/. DOI: 10.1371/journal.pone.0093831.
[39]
ZUCCHI F C, PELEGRINI-DA-SILVA A, NEDER L, et al. The contribution of a murine CNS-TB model for the understanding of the host-pathogen interactions in the formation of granulomas[J]. J Neurosci Methods, 2012, 206(1): 88-93. DOI: 10.1016/j.jneumeth.2012.02.015.

上一篇 基于多参数MR黑血血栓成像的下肢深静脉血栓分期诊断价值
下一篇 1型糖尿病认知障碍的MRI研究进展
  
诚聘英才 | 广告合作 | 免责声明 | 版权声明
联系电话:010-67113815
京ICP备19028836号-2