Brendan J. Johnson | Megan E. Lipford | Richard A. Barcus | George W. Schaaf | Rachel N. Andrews | Jeongchul Kim | John D. Olson | Simon Deycmar | Colin A. Reed | Christopher T. Whitlow | J. Mark Cline
美国北卡罗来纳州温斯顿-塞勒姆市维克森林大学医学院病理学系，比较医学科，1 Medical Center Blvd
摘要
目的
辐射诱导的脑损伤（RIBI）部分由血管损伤引起，这会导致长期的认知能力下降。RIBI 是不可逆且逐渐加重的，因此早期识别其重要性不言而喻。磁共振成像（MRI）提供了一种非侵入性检测血管损伤的方法。
方法和材料
我们使用伪连续动脉自旋标记（pCASL）技术，评估单次全身照射（TBI）或部分身体照射（PBI；下肢免受5%辐射）对123只恒河猴（Macaca mulatta）脑血流（CBF）和脑血管反应性（CVR）的影响。其中30只为未受照射的对照组（22只雄性，8只雌性），93只接受了1.14-8.5 Gy的TBI或9-10 Gy的PBI（64只雄性，29只雌性）。雄性年龄范围为5-25岁（未受照射组中位年龄=10.1岁；受照射组中位年龄=9.9岁）；雌性年龄范围也为5-25岁（未受照射组中位年龄=18.7岁；受照射组中位年龄=9.9岁）。我们还对7-12岁年龄匹配的雄性亚组（14只对照组，46只TBI组）评估了辐射对CBF和CVR的影响。为了进一步了解辐射引起的血管变化，我们对21只动物（11只对照组，10只受照射组）的额叶和海马区进行GLUT-1染色，以检测微血管密度的差异。
结果
在7-12岁的雄性中，照射显著影响了CVR：对照组平均CVR为4.5%，而受照射组为3.6%。在所有对照组中，无论性别如何，CVR均随年龄显著下降（雄性每年下降0.17%，雌性每年下降0.36%）；而在受照射组中，CVR随年龄变化不明显。在雌性中，年龄和照射都显著影响了CVR，并观察到显著的交互作用。年龄和照射均对雄性或雌性的CBF没有显著影响。此外，在额叶或海马区未检测到辐射引起的微血管密度差异。
结论
我们的研究结果表明，猕猴的CVR随年龄增长而下降，这支持了与血管变化相关的年龄相关性神经退行性变。此外，≤8.5 Gy剂量的TBI会损害雄性猕猴的CVR，这突显了测量CVR在检测辐射诱导的血管损伤和及早干预以减轻RIBI方面的实用性。
引言
微血管损伤是辐射诱导的脑损伤（RIBI）的一个组成部分，可能对长期暴露于辐射的幸存者的认知功能造成损害。脑小血管构成了血脑屏障（BBB）和神经血管单元（NVU）的一部分，与周围脑组织共同发挥作用。脑功能的正常维持依赖于NVU和BBB的完整性；任何一者的受损都会影响脑功能，并成为RIBI的病理原因。NVU由放射敏感的内皮细胞、周细胞、平滑肌细胞以及星形胶质细胞和神经元等支持性实质细胞组成。当受到超过5 Gy的辐射时，内皮细胞会受损并发生凋亡，从而破坏血脑屏障（BBB）。此外，电离辐射还会导致星形胶质细胞肥大、血管扩张和毛细血管丢失，进一步破坏BBB并改变脑血流（CBF）。急性脑血管损伤会在暴露后的几周内引起血管渗漏、水肿、头痛和头晕。全身照射和分次全脑照射（fWBI）会导致非人类灵长类动物、啮齿动物和人类的脑血管结构和重塑的长期变化。这些变化通过毛细血管稀疏和缺氧损伤，在暴露后的几年内导致神经退行性变、认知功能障碍和痴呆。辐射对大脑的这些延迟效应是不可逆且逐渐加重的；因此，早期诊断和减轻进行性辐射损伤对于改善急性辐射暴露幸存者的生活质量至关重要。
先进的神经成像技术，包括磁共振成像（MRI），被用于评估外观正常的脑组织，以阐明辐射损伤的细胞机制。MRI已被用于检测暴露于低于10 Gy剂量的非人类灵长类动物中的血管病变，并发现了与人类放疗后出现的脑微出血一致的病变。其他研究还评估了外观正常脑组织中的血流动力学变化，发现暴露于超过1 Gy剂量的区域脑血流和血容量减少。脑血流减少与毛细血管密度降低相关，这在大鼠接受40 Gy全脑照射后先于认知功能障碍发生。尽管有这些发现，但目前尚不清楚辐射是否会影响大脑的自动调节能力和NVU对代谢需求的响应。
脑血管反应性（CVR）是指在代谢需求增加时血流的变化，是衡量血管功能的一个指标。当暴露于血管活性刺激（如CO₂）时，脑血流会增加。伪连续动脉自旋标记（pCASL）是一种MRI序列，用于在基线和高碳酸血症条件下直接测量脑血流（CBF）。通过测量CBF及其对应的ETCO₂变化，可以计算出CVR。这种局部自动调节过程由内皮细胞和平滑肌细胞介导，通过降低血管平滑肌细胞内的钙离子浓度并产生一氧化氮等分子来促进血管扩张。已知辐射会通过抑制一氧化氮的生成，急性及慢性地降低内皮依赖性的血管扩张作用。受损的CVR与认知功能障碍和神经退行性变相关，并已在人类脑肿瘤和辐射坏死区域通过血氧水平依赖性（BOLD）成像得到证实。然而，目前尚不清楚低于10 Gy的剂量对外观正常脑部的CVR有何影响。鉴于RIBI相关的潜在血管病理，我们使用免疫组化方法检测了恒河猴在10 Gy TBI或部分身体照射（PBI；下肢免受辐射）后的毛细血管密度，并使用MRI测量了CBF和CVR。我们假设10 Gy TBI或PBI会导致毛细血管密度和整体CBF及CVR的下降。
受试者
我们从ANONYMIZED FOR REVIEW机构招募了123只年龄在5至25.2岁之间的恒河猴。其中93只动物（29只雌性，64只雄性）接受了单次全身或部分身体（下肢免受5%辐射）的X射线或伽马射线照射，作为其他机构批准的急性辐射研究的一部分。人口统计信息见表I；关于辐射暴露的更多信息见...
各组的年龄分布
由于已知年龄对脑功能的影响，我们比较了未受照射和受照射动物的年龄分布。两组雄性均表现出双峰分布（图1A），7至12岁的年轻成年动物有最大的重叠（未受照射组：n=14；受照射组：n=46）。此外，未受照射和受照射的雌性之间存在显著年龄差异（p<0.0001；图1B）。
呼吸挑战结果
在整个基线期间...
讨论
本研究是首次通过影像学方法评估恒河猴年龄相关变化及辐射暴露对CVR的长期影响的研究。血管损伤和重塑是RIBI的特征，会导致辐射引起的认知能力下降。因此，使用MRI评估血管反应性可以描述损伤的发生和严重程度。虽然许多研究发现CBF下降与认知功能下降之间存在关联...
负责统计分析的作者
Brendan Johnson, brendanjohnson.bjj@gmail.com
资金声明
本研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）和国家过敏与传染病研究所（NIAID）的支持（U01 AI150578, U19 AI067798, UL1 TR001420, HHSN272201500013I）。此外，还得到了NIH培训基金（T32 OD010957, T35 OD010946）的支持。CTW报告了来自NIH、NIA、NIMH以及Michael J. Fox基金会的资助，以及来自Biogen、埃默里大学、Genentech和UpToDate的咨询费或酬金。
数据可用性声明
研究数据存储在机构数据库中，可根据请求提供给相应的作者。
参考文献
Greene-Schloesser D, Robbins ME, Peiffer AM, Shaw EG, Wheeler KT, Chan MD. 辐射诱导的脑损伤：综述。Front Oncol. 2012;2:73.
Miller KB, Mi KL, Nelson GA, Norman RB, Patel ZS, Huff JL. 电离辐射、脑血管疾病及其导致的痴呆：与太空辐射暴露相关的综述和框架。Front Physiol. 2022;13:1008640.
Nilsen LB, Digernes I, Grovik E, Saxhaug C, Latysheva A, Geier O, 等。扩散性和血管功能的反应...
利益冲突声明
作者在本研究中不存在利益冲突。
致谢
作者感谢维克森林大学转化成像计划和Cline实验室的技术人员协助获取MRI图像以及照顾实验动物。同时，我们也感谢Lisa O’Donnell、Cathy Mathis、Jean Gardin以及维克森林大学比较病理学实验室在组织学方面的专业知识和支持。特别感谢Russell O’Donnell在Visiopharm分析方面的专业知识。
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