楊岸超，石 林,，王 秀，劉煥光，張 鑫，張建國(guó)※

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科,北京 100050； 2.北京市神經(jīng)外科研究所功能神經(jīng)外科研究室,北京 100050)

隨著功能神經(jīng)外科在我國(guó)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的患者接受了腦深部電刺激(deep brain stimulation，DBS)治療[1]。當(dāng)前DBS技術(shù)存在的一個(gè)重要問(wèn)題就是其在磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)磁場(chǎng)中的安全性[2-3]。DBS電極在MRI射頻磁場(chǎng)中會(huì)接收射頻能量并產(chǎn)熱，進(jìn)而引起周圍腦組織熱損傷，這是植入DBS裝置的患者進(jìn)行MRI掃描的主要風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。本研究通過(guò)對(duì)超高場(chǎng)強(qiáng)MRI(7.0T)掃描后DBS電極周圍腦組織進(jìn)行蛋白印跡雜交檢測(cè)(western-blot)及實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈反應(yīng)(quantitative polymerase chain reaction,QPCR)檢測(cè)，測(cè)定了熱損傷標(biāo)記分子熱激蛋白70(heat shock protein-70,HSP-70)的相對(duì)含量，進(jìn)而評(píng)估了超高場(chǎng)強(qiáng)MRI下DBS電極對(duì)周圍組織熱損傷的情況，探討了DBS設(shè)備與MRI的兼容性問(wèn)題。

1 資料與方法

1.1一般資料 所有實(shí)驗(yàn)符合北京實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理中心關(guān)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用及保護(hù)的規(guī)定(審批號(hào)：SYXK 2010-0141)。體質(zhì)量2.5～4.0 kg的雄性新西蘭白兔24只(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供)，隨機(jī)分為電極植入組和穿刺對(duì)照組，每組各12只。

1.2DBS植入 電極植入組動(dòng)物在烏拉坦(1 mg/kg)麻醉下行DBS植入(DBS設(shè)備由清華品馳公司提供，型號(hào)G101)，電極尖端置于左側(cè)丘腦腹后核(MRI掃描確認(rèn)電極位置，位置偏差明顯者再次手術(shù)調(diào)整電極位置，圖1)，DBS電極帽固定，頭部皮下留適量導(dǎo)線，刺激器置于左側(cè)肋弓下旁正中，多余導(dǎo)線“之”字形固定于刺激器表面(防止多余導(dǎo)線進(jìn)入MRI線圈)。穿刺對(duì)照組僅行DBS電極同位點(diǎn)穿刺，保留10 min后拔出。常規(guī)縫合傷口。

1.3MRI掃描 所有動(dòng)物行7.0T MRI掃描，序列為自旋回波(spin echo,SE)序列、梯度回波(gradient recalled echo,GRE)序列及反轉(zhuǎn)恢復(fù)(fluid attenuation inverse recovery,FlAIR)序列，重復(fù)掃描3次，保證掃描時(shí)間超過(guò)25 min，掃描特異吸收率(specific absorption rate,SAR)在0.28～2.80 W/kg。

1.4分子生物學(xué)檢測(cè) MRI掃描24 h后注射過(guò)量麻醉劑處死動(dòng)物并取腦，行針道周圍組織western-blot及QPCR檢測(cè)，測(cè)定針道周圍組織內(nèi)HSP-70的變化，比較電極植入組及穿刺對(duì)照組HSP-70變化差異。具體方法同文獻(xiàn)[6]。

左圖為冠狀位圖像，右圖為矢狀位圖像，白色箭頭示穿刺針道，黑色箭頭示電極

2 結(jié) 果

2.1HSP-70的western-blot檢測(cè)結(jié)果 電極植入組穿刺道周圍組織中HSP-70相對(duì)水平為0.167～0.170(0.168±0.001)，穿刺對(duì)照組為0.172～0.175(0.173±0.006)電極植入組與穿刺對(duì)照組HSP-70水平的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.751,P>0.05)(圖2)。

(A)，蛋白電泳條帶灰度圖示HSP-70及參考蛋白β-actin的灰度條帶。(B)，HSP-70相對(duì)含量的柱狀圖，G1與G2差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。G1：電極植入組，G2：穿刺對(duì)照組。HSP-70:熱休克蛋白-70；β-actin：參考蛋白

2.2HSP-70 mRNA的QPCR檢測(cè)結(jié)果 QPCR結(jié)果顯示電極植入組穿刺道周圍組織中HSP-70的mRNA相對(duì)含量為0.777～0.820(0.793±0.019),穿刺對(duì)照組為0.760～0.798(0.777±0.024)。結(jié)果顯示,電極植入組與穿刺對(duì)照組HSP-70 mRNA水平無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(t=0.332，P>0.05)(圖3)。

3 討 論

HSP-70是細(xì)胞中可被熱損傷誘導(dǎo)的敏感分子，在多個(gè)研究中HSP-70被視作熱損傷標(biāo)志物以評(píng)估熱損傷程度[7-8]。本研究通過(guò)western-blot和QPCR方法對(duì)熱損傷敏感分子HSP-70及其mRNA進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果提示DBS電極周圍HSP-70水平與單純穿刺機(jī)械損傷組的HSP-70水平相比，差異并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由此可以推論，本實(shí)驗(yàn)中7.0T MRI掃描的射頻磁場(chǎng)并未引起DBS電極周圍出現(xiàn)明顯的熱損傷改變。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與很多其他檢測(cè)超高場(chǎng)強(qiáng)MRI掃描后DBS設(shè)備或?qū)w溫度變化的實(shí)驗(yàn)研究相符[9]。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否說(shuō)明DBS設(shè)備在磁場(chǎng)中未產(chǎn)熱并且是安全的呢？首先，很多研究業(yè)已證明在射頻磁場(chǎng)中DBS電極會(huì)吸收射頻能量而出現(xiàn)溫度升高[3,10-13]，但溫度升高范圍與很多因素有關(guān)，如射頻線圈的種類、射頻磁場(chǎng)強(qiáng)度及SAR值、掃描時(shí)間、導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的位置、導(dǎo)體的電物理學(xué)屬性等[2,14]，因此不同實(shí)驗(yàn)條件下DBS電極或?qū)w溫度變化也有很大差異，但通過(guò)適當(dāng)控制重要的參數(shù)，如掃描序列、導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的位置、使用低SAR掃描等，DBS設(shè)備及導(dǎo)體的溫度變化并不明顯。Carmichael等[15]的研究發(fā)現(xiàn)1.5T和3.0T磁場(chǎng)引起DBS電極的溫度變化均很小(0.1～0.5 ℃)，Ideta等[16]報(bào)道1.5T及3.0T MRI掃描引起鈦合金假體溫度升高0.4 ℃，Shrivastava等[9]報(bào)道了9.4T MRI射頻磁場(chǎng)中DBS設(shè)備出現(xiàn)0～5 ℃的溫度變化。本實(shí)驗(yàn)采用的很多參數(shù)參照了上述研究，如使用常規(guī)SE、GRE及FLAIR掃描序列、使DBS設(shè)備位于射頻線圈外、使用國(guó)際要求的頭部線圈等，因此很有可能本實(shí)驗(yàn)DBS設(shè)備的發(fā)熱量與上述研究相類似。其次，HSP-70分子作為熱損傷敏感蛋白，被用于檢測(cè)熱損傷。有實(shí)驗(yàn)證明采用的誘導(dǎo)型HSP-70在細(xì)胞溫度超過(guò)39 ℃時(shí)才開(kāi)始被合成，正常細(xì)胞中HSP-70水平極低[7]。本實(shí)驗(yàn)顯示電極植入組與穿刺對(duì)照組HSP-70水平差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，很有可能是DBS電極周圍組織的溫度并未超過(guò)39 ℃。

G1與G2差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。G1：電極植入組，G2：穿刺對(duì)照組

本實(shí)驗(yàn)中未使用MRI溫度測(cè)量設(shè)備對(duì)DBS電極溫度的實(shí)時(shí)變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此未來(lái)還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，并采用更多的參數(shù)組合對(duì)MRI引起的DBS電極產(chǎn)熱問(wèn)題進(jìn)行研究，以輔助制定植入DBS設(shè)備的患者進(jìn)行超高場(chǎng)強(qiáng)MRI掃描的規(guī)范。

[1] 張建國(guó),馬羽,劉煥光.腦深部電刺激術(shù)在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國(guó)神經(jīng)精神疾病雜志,2009,35(7):385-387.

[2] Rezai AR,Baker KB,Tkach JA,etal.Is Magnetic Resonance Imaging Safe for Patients with Neurostimulation Systems Used for Deep Brain Stimulation?[J].Neurosurgery,2005,57(5):1056-1062.

[3] Mohsin SA,Sheikh NM,Saeed U.MRI-induced heating of deep brain stimulation leads[J].Phys Med Biol,2008,53(20):5745-5756.

[4] Chhabra V,Sung E,Mewes K,etal.Safety of magnetic resonance imaging of deep brain stimulator systems:a serial imaging and clinical retrospective study[J].J Neurosurg,2010,112(3):497-502.

[5] Henderson JM,Tkach J,Phillips M,etal.Permanent neurological deficit related to magnetic resonance imaging in a patient with implanted deep brain stimulation electrodes for Parkinson′s disease:case report[J].Neurosurgery,2005,57(5):E1063.

[6] Zhang LY,Yam GH,Tam PO,etal.An alphaA-crystallin gene mutation,Arg12Cys,causing inherited cataract-microcornea exhibits an altered heat-shock response[J].Mol Vis,2009,15:1127-1138.

[7] Kostal V,Tollarova-Borovanska M.The 70 kDa heat shock protein assists during the repair of chilling injury in the insect,Pyrrhocoris apterus[J].PLoS One,2009,4(2):e4546.

[8] Anbarasi K,Kathirvel G,Vani G,etal.Cigarette smoking induces heat shock protein 70 kDa expression and apoptosis in rat brain:Modulation by bacoside A[J].Neuroscience,2006,138(4):1127-1135.

[9] Shrivastava D,Abosch A,Hanson T,etal.Effect of the extracranial deep brain stimulation lead on radiofrequency heating at 9.4 Tesla (400.2 MHz)[J].J Magn Reson Imaging,2010,32(3):600-607.

[10] Rezai AR,Finelli D,Rugieri P,etal.Neurostimulators:potential for excessive heating of deep brain stimulation electrodes during magnetic resonance imaging[J].J Magn Reson Imaging,2001,14(4):488-489.

[11] Larson PS,Richardson RM,Starr PA,etal.Magnetic resonance imaging of implanted deep brain stimulators:experience in a large series[J].Stereotact Funct Neurosurg,2008,86(2):92-100.

[12] Elwassif MM,Kong Q,Vazquez M,etal.Bio-heat transfer model of deep brain stimulation-induced temperature changes[J].J Neural Eng,2006,3(4):306-315.

[13] Rezai AR,Finelli D,Nyenhuis JA,etal.Neurostimulation systems for deep brain stimulation:in vitro evaluation of magnetic resonance imaging-related heating at 1.5 tesla[J].J Magn Reson Imaging,2002,15(3):241-250.

[14] Shellock FG,Cosendai G,Park SM,etal.Implantable microstimulator:magnetic resonance safety at 1.5 Tesla[J].Invest Radiol,2004,39(10):591-599.

[15] Carmichael DW,Pinto S,Limousin-Dowsey P,etal.Functional MRI with active,fully implanted,deep brain stimulation systems:safety and experimental confounds[J].Neuroimage,2007,37(2):508-517.

[16] Ideta T,Yamazaki M,Kudou S,etal.Investigation of radio frequency heating of dental implants made of titanium in 1.5 tesla and 3.0 tesla magnetic resonance procedure:measurement of the temperature by using tissue-equivalent phantom[J].Nihon Hoshasen Gijutsu Gakkai Zasshi,2013,69(5):521-528.