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【VISQUE应用案例】活体荧光实时成像技术研究小鼠脑部血管与血流变化

2020-11-23
作者:Biotimestech-Geo

年龄相关的脑血流量减少被认为会引起认知恶化、引发衰老,尽管相关机制尚不清楚。为了研究衰老与脑血液流动和血管变化之间的关系,作者使用吲哚青绿(ICG)获得了年轻(2个月大)和老年(12个月大)小鼠的荧光图像。首先,作者发现,老年小鼠大脑中的血流量低于年轻小鼠,老年小鼠的软脑膜动脉弯曲更多,软脑膜动脉连接比年轻小鼠少。第二,通过Western blotting技术,作者确定胶原蛋白与弹性蛋白(与脑血管壁扩张性有关)的比值随着年龄的增长而增加。软脑膜动脉结构和成分的年龄相关变化,以及观察到的血流参数变化,表明脑血管结构和扩张性的年龄相关变化可能导致脑血流改变。

脑血管在维持脑灌注以满足正常脑功能的动态需要方面起着重要作用。年龄相关的脑血管退行性变,可能会降低血流和干细胞的神经细胞分化的能力,从而导致认知能力下降。通过各种成像方法,研究人员发现,啮齿动物、非人灵长类动物和人类的脑血流(CBF)随着年龄的增长而显著下降。Knox和Oliveira(1980)报道了3个月和24个月大鼠从软脑膜延伸到白质的皮质条带中类似数量的小动脉。然而,最近发现衰老动物皮层表面的小动脉密度比年轻成年动物低近40%,这表明表层血管、还有可能包括皮层血管系统都受到老化的影响。然而,只有少数报道涉及老年大脑软脑膜动脉血流和血管系统。


使用吲哚青绿(ICG)荧光示踪剂可以显著提高成像评价的信噪比。动力学信息显示在ICG快速静注给药后的,如充盈和冲洗模式,增强了对实验动物和人类深部器官和组织血流的检测。最近的一项研究还表明,结合近红外ICG荧光成像和分子动力学的时间序列分析,可以作为测量脑血流的工具。ICG还可以根据血流动力学的差异,准确可靠地识别视野内的动脉和静脉。因此,使用基于ICG的光学成像提供了两个好处:估算血流动力学以及提供血管的二维图像。在作者之前的研究中,作者比较了软脑膜动脉树,并用ICG测量了不同品系小鼠脑内的动脉血流量和缺血损伤脑内的CBF。


在本研究中,作者使用ICG动力学来评估年轻(2个月大)和老年(12个月大)小鼠的皮质CBF。作者还观察了这些小鼠的皮质软脑膜动脉树,并用ICG强度来研究大脑皮质动脉血管的变化。最后,作者比较了年轻和老年小鼠大脑中动脉(MCAs)和上矢状窦(SSS)的血流量,并用ICG成像来评估年龄相关的变化。




Fig. 1.2月龄和12月龄小鼠脑血流参数的比较。
(A) 两半球的典型CBF图。典型感兴趣区域(ROI)表示为1个半球上的灰色虚线圆圈。(B) 比较两组间每个ROI的血流参数平均值。各组间各项指标差异有显著性。数据表示平均值的平均值±标准误差(学生t检验,**p<0.01,**p<0.001)。缩写:a.u.,任意单位;BFI,血流指数;MTT,平均通过时间。



Fig. 2.软脑膜血管随年龄的变化。
(A) 2月龄和12月龄小鼠软脑膜动脉的时间序列叠加图像。12月龄小鼠软脑膜动脉主干弯曲,小分支不明显。在原始图像之间显示黄色框中轮廓区域的放大倍数。(B) 两组间脑动脉分支连接数及终点有显著性差异。数据表示平均值的平均标准误差(学生t检验,***p<0.001)。(C) 软脑膜动脉的明胶印墨血管造影。中间的两幅图像是用黄色框勾勒出的区域的放大倍数。12月龄小鼠软脑膜动脉的主要分支呈弯曲状,类似于(A)中的吲哚青绿图像(白色箭头)。(为了解释本图中对颜色的引用,请参考本文的web版本。)



Fig. 3.软脑膜动脉的组成。
(A) Western blot分析显示大脑皮层中A-平滑肌肌动蛋白(SMA)、弹性蛋白和胶原的表达。12月龄小鼠皮质α-SMA和弹性蛋白表达降低,胶原表达增加。(B) 软脑膜动脉的相对成分。12月龄小鼠皮质醇中胶原与弹性蛋白的比值增加。数据表示平均值(SEM)的平均值±标准误差(学生t检验,***p<0.001)。(C) CD31免疫组化实验显示体感皮层有微血管。比例尺=10 mm。
(D) 两组间二维微血管密度的比较。数据表示平均值±SEM(学生t检验)。




Fig. 4.体感皮层三维微血管长度密度的“空间球”法。
(A) 幼鼠体感皮层微血管的代表性低倍(×4)图像。浅蓝色线是体感皮层感兴趣的区域。红色框表示(B)和(C)的高功率图像的位置。(B和C)不同组织深度的典型放大空间球区域。我们发现大脑半球和毛细血管的交叉点在交叉点(红色十字)。(D) 各组间三维微血管长度密度的比较。数据表示平均值的平均值±标准误差(学生t检验)。(为了解释本图中对颜色的引用,请参考本文的web版本。)



Fig. 5.  2个月和12个月龄小鼠的单像素动力学。
(A) 尾静脉注射吲哚青绿(ICG)后采集的时间序列图像。所选像素用彩色正方形表示(红色和蓝色:大脑中动脉的第一个分支点[MCA];紫色和绿色:上矢状窦[SSS])。(B) ICG快速静注后每个像素的ICG动力学。(C) MCA的展开图,显示从(B)开始的感兴趣的时间窗口(0-6秒)。时间轴上显示Tarrival和Tmax(用于计算Trising、双头箭头)。Imax在荧光强度轴上显示。双头箭头表示各组在第一个MCA分支点的ICG动力学的Tmax差异。第一个MCA分支点的ICG动力学展开图显示了各组间的Tmax差异(2个箭头)。(为了解释本图中对颜色的引用,请参考本文的web版本。)



Fig. 6.2月龄和12月龄小鼠大脑中动脉(MCA)和上矢状窦(SSS)血流图谱类型及血流参数比较。
(A) 黄色小圆圈表示MCA和SSS的第一个分支点处的感兴趣区域(ROI)。(B) MCA和SSS的代表性血流图。在选定的MCA和SSS区域测量血流参数。(C) 比较两组间每个ROI的血流参数平均值。各组间MCA中的Trising、Imax、血流量指数(BFI)和平均转运时间(MTT)有显著差异。数据表示平均值的平均值±标准误差(学生t检验,**p<0.01,***p<0.001,###p<0.001)。(为了解释本图中对颜色的引用,请参考本文的web版本。)

结论:

本研究用ICG成像观察了幼年和老年小鼠软脑膜血管和血流的差异。在老年小鼠的大脑中发现了更多弯曲的软脑膜动脉和较慢的血流。作者对皮质血管组成的分析也表明,年长的老鼠有更硬的血管。作者认为,这些数据是第一次在体动态测量软脑膜小动脉血流和老化形态学的记录。此外,这些数据表明,年龄相关的软脑膜动脉形态和功能改变可能是导致CBF老化恶化的一个因素。

本文以题为“Age-related changes in pial arterial structure and blood flow in mice” 发布在国际著名期刊Neurobiology of Aging上。论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0197458015004650?via%3Dihub

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