摘要

越來越多的證據(jù)表明，腦血管功能障礙在阿爾茨海默病(AD)的發(fā)病機制中起著至關(guān)重要的作用，然而，對野生型和 AD 模型小鼠的精確腦血管系統(tǒng)的系統(tǒng)比較研究還很少。本文利用圖像優(yōu)化方法分析顯微光學切片斷層掃描(MOST)數(shù)據(jù)，生成了跨尺度的全腦三維圖譜，在亞微米分辨率，從大血管到最小的毛細血管，對于野生型小鼠和轉(zhuǎn)基因(app/ps1)AD小鼠模型，覆蓋了整個血管系統(tǒng)。結(jié)果表明，海馬齒狀回(DG-ml)分子層的主要血管在不同腦區(qū)的血管構(gòu)型中，直徑和分支角度均發(fā)生突變，呈梳狀分布。通過定量分析，發(fā)現(xiàn)AD小鼠海馬的平均血管直徑、體積分數(shù)和分支角度全面減少，其中 DG-ml 損害最為明顯。此外，虛擬內(nèi)窺鏡顯示AD小鼠血管腔的不規(guī)則形態(tài)學特征，可能是血流損害影響因素。研究結(jié)果證明了高分辨率多尺度評價腦血管的能力，并強調(diào)了研究海馬微循環(huán)對于理解AD發(fā)病機制的重要性。

來源：BioArt微信公眾號

2019年12月10日，中科院上海藥物研究所蔣華良、高召兵和章海燕三個課題組合作在National Science Review雜志上發(fā)表了題為High-resolution mapping of brain vasculature and its impairment in the hippocampus of Alzheimer’s disease mice 的研究論文，報道了首個轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠的高精度全腦血管網(wǎng)絡(luò)圖譜，結(jié)果顯示AD模型小鼠腦內(nèi)特別是海馬區(qū)的血管系統(tǒng)顯著受損，提示血管損傷在AD病理過程中的2019年12月10日，中科院上海藥物研究所在National Science Review雜志上發(fā)表研究論文，基于MOST技術(shù)，報道了首個轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠的高精度全腦血管網(wǎng)絡(luò)圖譜。重要性之前遠未充分認識，為發(fā)展高效AD治療藥物及干預手段指出了新的方向。

全腦血管網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑尤其是微循環(huán)系統(tǒng)的高精度解析是獲得這項研究成果的前提條件。在此之前，實現(xiàn)全腦尺度高分辨率成像、低信噪比影像數(shù)據(jù)增強、高空間復雜度三維圖像數(shù)據(jù)的可視化和量化分析等方面依然面臨諸多挑戰(zhàn)。在該項工作中，研究團隊應(yīng)用華中科技大學駱清銘教授團隊發(fā)展的原創(chuàng)MOST技術(shù)，首次在0.35 × 0.35 × 1.00微米分辨率水平上獲取了APP/PS1轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠（Tg-AD）的全腦數(shù)據(jù)集，再應(yīng)用團隊自己發(fā)展的算法對預處理后圖像進行優(yōu)化，構(gòu)建了包含從直徑幾十微米的大血管到小于2微米的毛細血管的完整小鼠全腦跨尺度3D血管圖譜（圖1）。

圖1. 正常C57BL/6小鼠全腦及海馬血管分布。（A）正常C57BL/6小鼠全腦血管可視化；（B）經(jīng)海馬冠狀面血管網(wǎng)絡(luò)的最大值投影（用顏色表示血管體積密度）；（C）右側(cè)海馬血管構(gòu)筑顯示等間距的海馬血管呈耙式分布；（D）垂直于海馬縱軸的截面顯示海馬橫行血管的走勢。

通過系統(tǒng)定量分析AD模型與野生型小鼠的腦血管網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)在AD模型小鼠中海馬血管的平均血管直徑、血管體積分數(shù)（單位體積組織內(nèi)的血管容積）均顯著降低。進一步對海馬不同亞區(qū)的比較分析揭示了齒狀回分子層（DG-ml）的平均血管直徑、血管長度密度（單位體積組織內(nèi)的血管長度）及血管體積分數(shù)的降低程度最為顯著（圖2）。

此外，對單枝血管分支模式的量化分析結(jié)果說明，除了血管的變細、減少外，AD模型小鼠血管分支角度顯著變小，導致單枝海馬血管的血液灌注面積減少。采用研究團隊首創(chuàng)的虛擬血管內(nèi)窺技術(shù)，該研究還進一步揭示了AD模型與野生型小鼠在血管官腔內(nèi)壁粗糙度、分支節(jié)點平滑度上均有顯著差異（見圖3）。上述研究結(jié)果證明了腦血管系統(tǒng)以及海馬微循環(huán)在AD病理過程中的重要角色。

圖3. WT小鼠(A)和Tg-AD小鼠(B)的單枝海馬血管的虛擬血管內(nèi)窺圖像對比

為開展此項研究，中科院上海藥物所組建了包括計算機圖像處理、神經(jīng)藥理學、藥物研發(fā)等多專業(yè)背景的交叉學科研究團隊，聚焦微血管高精度圖譜的構(gòu)建與分析，發(fā)展了針對冠狀面數(shù)據(jù)進行背景校正、噪聲抑制、對比度增強的高效圖像優(yōu)化算法，搭建了快速高精度三維渲染、微結(jié)構(gòu)形態(tài)學量化分析軟硬件平臺，實現(xiàn)了TB級別規(guī)模（萬億字節(jié)，20000×30000×12000Voxels）的三維圖譜數(shù)據(jù)挖掘。

該研究中發(fā)展的高分辨率跨尺度的可視化及定量分析能力不僅適用于小鼠腦血管研究，還可用于其他具有更大空間尺度的大鼠、猴以及人類的腦血管研究，有助于跨尺度綜合分析腦相關(guān)疾病和血管系統(tǒng)損傷的相關(guān)性。

研究中所涉及的成像儀器

該研究中使用的神經(jīng)元全腦三維成像系統(tǒng)對應(yīng)的儀器為基于MOST技術(shù)的BioMapping1000型設(shè)備，是獲取大尺寸生物組織高分辨三維結(jié)構(gòu)信息的理想工具，是武漢沃億生物有限公司在購買了華中科技大學駱清銘教授團隊MOST技術(shù)相關(guān)專利后，進行商品化后的儀器。其外觀及參數(shù)如下：

基于MOST技術(shù)的Bio Mapping1000儀器外觀展示