左 龍 雷易鳴 閆軍浩 劉會(huì)坡 袁 蘭 蒲小平 韓鴻賓

(北京大學(xué)第三醫(yī)院放射科 磁共振成像設(shè)備與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

?

·實(shí)驗(yàn)研究·

基于腦局部給藥的藥物分布與清除大鼠模型的建立*

左 龍 雷易鳴①閆軍浩②劉會(huì)坡③袁 蘭④蒲小平⑤韓鴻賓**

(北京大學(xué)第三醫(yī)院放射科 磁共振成像設(shè)備與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

目的 應(yīng)用磁共振分子探針示蹤技術(shù)，研究大鼠深部腦組織間隙(interstitial space，ISS)內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與腦組織液引流的規(guī)律。結(jié)合多孔介質(zhì)經(jīng)典擴(kuò)散方程，建立大鼠腦局部給藥的藥物分布與清除動(dòng)力學(xué)模型。 方法 24只SD大鼠隨機(jī)分為尾狀核、丘腦、中腦黑質(zhì)3組(n=8)。將細(xì)胞外示蹤劑惰性分子探針釓噴酸葡胺(gadolinium-diethylenetriaminepentaacetic acid，Gd-DTPA) 2 μl分別導(dǎo)入三個(gè)腦區(qū)細(xì)胞外間隙，利用磁共振成像(MRI)動(dòng)態(tài)采集探針在大鼠腦ISS內(nèi)的分布與清除過(guò)程。通過(guò)圖像后處理獲取ISS內(nèi)示蹤分子在大鼠全腦分布的最大分布容積比(Vdmax%)及半衰期(t1/2)。應(yīng)用經(jīng)典擴(kuò)散方程，測(cè)量ISS有效擴(kuò)散系數(shù)(D*)、清除率(k’)與局部迂曲度(λ)。結(jié)合上述結(jié)果及經(jīng)典擴(kuò)散方程，建立大鼠腦組織間隙內(nèi)藥代動(dòng)力模型。 結(jié)果 示蹤分子在大鼠不同腦區(qū)ISS內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)分布區(qū)域、清除速率各不相同。尾狀核Vdmax%和t1/2大于丘腦和黑質(zhì)(P=0.000)。黑質(zhì)區(qū)D*小于尾狀核、丘腦(P=0.021)，黑質(zhì)ISS內(nèi)迂曲度最大(P=0.280)。丘腦局部k’大于尾狀核和黑質(zhì)區(qū)域(P=0.000)。 結(jié)論 釓噴酸葡胺(Gd-DTPA)在大鼠深部腦組織內(nèi)分布呈分區(qū)特征，各分區(qū)內(nèi)藥物的分布與清除速率各不相同。腦局部給藥需考慮腦內(nèi)ISS的解剖分區(qū)以及各個(gè)腦分區(qū)的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與腦組織液流動(dòng)參數(shù)特征。

組織間液； 細(xì)胞外間隙； 示蹤劑； 擴(kuò)散

腦局部給藥可繞過(guò)血腦屏障(blood-brain barrier，BBB)的阻礙，是微創(chuàng)治療腦病的新希望[1]。然而局部治療藥物在腦組織間隙(interstitial space，ISS)內(nèi)的分布與清除過(guò)程的計(jì)算一直是腦局部給藥領(lǐng)域的難題[2]。為此本課題組建立了基于MRI分子示蹤技術(shù)的ISS成像系統(tǒng)，突破了以往腦組織間隙的測(cè)量技術(shù)的局限性[3]，通過(guò)向ISS內(nèi)導(dǎo)入磁性分子探針釓噴酸葡胺(Gd-DTPA)在MRI上“點(diǎn)亮”ISS內(nèi)的水分子，實(shí)現(xiàn)了在全腦尺度腦組織間液(interstitial fluid，ISF)引流過(guò)程的動(dòng)態(tài)觀察[4，5]，使探測(cè)腦深部組織ISS內(nèi)組織液的引流情況成為可能。同時(shí)，可三維顯示ISS內(nèi)分子探針在全腦的分布與清除過(guò)程，對(duì)于ISS內(nèi)水溶性藥物的轉(zhuǎn)運(yùn)將提供更直接的參考。因此，本研究利用MRI分子探針示蹤技術(shù)專門對(duì)尾狀核(CPu)、丘腦(T)和黑質(zhì)(SN)等腦深部核團(tuán)區(qū)的ISS引流與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律進(jìn)行研究。上述3個(gè)腦區(qū)是腦卒中、帕金森病的好發(fā)部位，具有非常重要的臨床意義。我們的前期研究已經(jīng)證實(shí)這3個(gè)腦區(qū)的微觀擴(kuò)散參數(shù)不同[6]。本研究進(jìn)一步對(duì)上述3個(gè)腦區(qū)內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與腦組織液在全腦范圍內(nèi)的分布與清除過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究與定量分析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多孔介質(zhì)內(nèi)物質(zhì)的經(jīng)典擴(kuò)散方程，探討建立腦ISS內(nèi)藥物分布與清除的動(dòng)力學(xué)模型。

1 材料與方法

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得到北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)(Approval No. LA 2009-008)。

1.1 Gd-DTPA溶液和瓊脂糖凝膠體模的配制

用生理鹽水將Gd-DTPA釋至10 mmol/L。將瓊脂糖粉末(0.3 g)溶解于100 ml生理鹽水中，混合物水浴加熱直至粉末溶解?；旌衔锸覝叵吕鋮s至凝膠形態(tài)。在恒溫水域裝置中，使其保持37 ℃，在0.3%瓊脂糖凝膠體模上進(jìn)行自由擴(kuò)散系數(shù)(D)的測(cè)量。

1.2 MRI掃描序列、體模研究和自由擴(kuò)散參數(shù)的測(cè)量

1.2.1 MRI掃描序列 在3.0T磁共振機(jī)(Magnetom Trio，Siemens Medical Solutions，Erlangen,德國(guó))上，采用腕線圈采集大鼠顱腦快速采集磁化準(zhǔn)備梯度回波序列(magnetization-prepared rapid gradient-echo，MP-RAGE)T1加權(quán)圖像。掃描參數(shù)如下：脈沖重復(fù)時(shí)間(TR)1500 ms，回波時(shí)間(TE)3.7 ms，翻轉(zhuǎn)角12°，反轉(zhuǎn)時(shí)間(TI)900 ms，視野(FOV)267 mm，體素0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm，矩陣512×512，平均次數(shù)2，相位編碼步數(shù)96。每只大鼠的掃描時(shí)間約為290 s。

1.2.2 體模研究測(cè)量自由擴(kuò)散參數(shù) 瓊脂糖凝膠體模是標(biāo)準(zhǔn)的生物滲透組織的代表，示蹤劑在其中的擴(kuò)散可以被認(rèn)為是自由擴(kuò)散。注射Gd-DTPA前應(yīng)用MP-RAGE序列對(duì)其進(jìn)行掃描。在10 min以內(nèi)將2 μl Gd-DTPA溶液(10 mmol/L)注入瓊脂糖凝膠體模中心，等待5 min以防回流。注射示蹤劑Gd-DTPA后，每0.5 h進(jìn)行MRI掃描來(lái)記錄擴(kuò)散過(guò)程。

1.3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 實(shí)驗(yàn)使用24只年齡相近，體重250～300 g的雄性SD大鼠。大鼠隨機(jī)分成3組，每組8只，在不同部位注射藥物：①尾狀核組(對(duì)照《大鼠腦立體定位圖譜》確定前囟前1.0 mm，中線右3.5 mm，深4.5 mm)；②丘腦組(前囟后2.0 mm，中線右2.0 mm，深5.5 mm)；③黑質(zhì)組(前囟后4.8 mm，中線右1.9 mm，深8.5 mm)。

1.3.2 MR預(yù)掃描 大鼠通過(guò)腹腔內(nèi)注射戊巴比妥、乙醇、水合氯醛、硫酸鎂和丙二醇(0.3 ml/kg)的復(fù)合物進(jìn)行麻醉，操作過(guò)程中通過(guò)補(bǔ)充注射維持麻醉狀態(tài)[0.2 ml/(kg·h)]。用直腸溫度計(jì)測(cè)量中心溫度，檢查過(guò)程中用電熱墊使體溫維持在(38±0.5)℃。大鼠俯臥位行MRI掃描(具體參數(shù)見(jiàn)1.2.1)，以獲得基本的參考圖像，確定穿刺部位。

1.3.3 向鼠腦中注射Gd-DTPA測(cè)量腦ISS的擴(kuò)散參數(shù) 注藥前的MRI掃描用以測(cè)量穿刺的路徑和深度，確保穿刺的準(zhǔn)確性。刮去大鼠頭頂皮膚，并以酒精消毒。從雙耳區(qū)至兩眼間線區(qū)，沿正中矢狀縫切開(kāi)，剝離骨膜和肌肉，暴露前囟。將大鼠固定于立體定位儀(Lab Standard Stereotaxic-Single，Stoelting Co，美國(guó))，并根據(jù)3組不同的定位鉆孔。將10 μl的微量注射器立體定位后(深度4.5 mm)，在10 min以內(nèi)以0.2 μl/min的速率向3組不同位點(diǎn)手動(dòng)推入10 mmol/L Gd-DTPA，等待5 min以防止其沿針頭回流。在確認(rèn)每只大鼠的注藥部位無(wú)誤后，迅速將其置于MRI機(jī)中掃描。

1.3.4 MR掃描及圖像后處理 注射Gd-DTPA后，在15、30 min及其后每小時(shí)用MP-RAGE序列對(duì)每只大鼠進(jìn)行掃描(成像序列及參數(shù)見(jiàn)1.2.1)。使用以矩陣實(shí)驗(yàn)室軟件(Matrix & laboratory，MATLAB)為基礎(chǔ)自主研發(fā)(未公開(kāi))的軟件對(duì)注藥前后獲得的MR圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。所有注藥后的MR圖像經(jīng)自動(dòng)剛性變換、相似性測(cè)量、高階內(nèi)插以及自適應(yīng)隨機(jī)梯度下降優(yōu)化后，與預(yù)掃描的圖像進(jìn)行減影。通過(guò)在感興趣區(qū)(region of interest，ROI)中設(shè)定種子點(diǎn)和閾值獲得“明亮區(qū)域”與示蹤劑的出現(xiàn)有關(guān)。應(yīng)用該軟件我們得到一套新的，層厚為1 mm的，包含軸位、冠狀位和矢狀位的MR處理后圖像。經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)和減影后，用信號(hào)強(qiáng)度增量(ΔSI)對(duì)處理后MR圖像靶區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，將所得數(shù)值用于鼠腦ISS擴(kuò)散參數(shù)的進(jìn)一步計(jì)算。

1.3.5 腦ISS擴(kuò)散參數(shù)的計(jì)算 采用以修正的擴(kuò)散方程和標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法為基礎(chǔ)的算法計(jì)算擴(kuò)散參數(shù)：迂曲度λ=(D/D*)1/2，自由擴(kuò)散系數(shù)(D)及有效擴(kuò)散系數(shù)(D*)分別是某種給定分子在自由媒介及腦ISS中的擴(kuò)散系數(shù)，而λ表示ISS局部結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散的阻礙作用。采用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法擬合技術(shù)，求解D*和k’。數(shù)值最小化計(jì)算采用單純的下行計(jì)算方法。

1.3.6 腦ISS物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)宏觀分布與清除參數(shù)的計(jì)算 采用自主研發(fā)的圖像后處理軟件提取感興趣區(qū)內(nèi)高于背景噪聲2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的所有像素作為Gd-DTPA的分布區(qū)域，采用遍歷算法得到每只鼠腦最大分布容積比(Vdmax%)。再將從每個(gè)鼠腦提取的Gd-DTPA分布區(qū)域進(jìn)行可變性向量場(chǎng)(deformable vector field，DVF)配準(zhǔn)，映射到基于互信息配準(zhǔn)算法重建得到的標(biāo)準(zhǔn)鼠腦上，對(duì)不同腦區(qū)的Vdmax采用不同的偽彩色標(biāo)記。最后對(duì)3組不同腦區(qū)的Vdmax占全腦的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。根據(jù)時(shí)序MR掃描圖像上每個(gè)像素的濃度-時(shí)間曲線，可以計(jì)算得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)Gd-DTPA的總量(Gdsum)。Gd-DTPA在腦內(nèi)的清除符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，即Gdsum=e-kt，k是清除速率常數(shù)，與半衰期的關(guān)系為t1/2=ln(2/k)。

2 結(jié)果

2.1 示蹤分子經(jīng)ISS分布動(dòng)態(tài)過(guò)程的MRI表現(xiàn)

在ISS內(nèi)導(dǎo)入Gd-DTPA分子探針后，注藥點(diǎn)周圍局部腦組織在MRI上表現(xiàn)為高信號(hào)。隨著腦ISS內(nèi)水分子的擴(kuò)散及ISF的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)入的Gd-DTPA濃度逐漸稀釋，表現(xiàn)為增強(qiáng)區(qū)域范圍擴(kuò)大，信號(hào)強(qiáng)度下降(圖1)。在3個(gè)腦區(qū)中，尾狀核ISS內(nèi)示蹤分子的分布區(qū)域最為廣泛，在2 h后，示蹤分子可達(dá)到同側(cè)大腦額、顳、頂區(qū)的皮層，并最終引流入蛛網(wǎng)膜下腔。相比之下，丘腦及中腦黑質(zhì)的強(qiáng)化區(qū)局限于其解剖分區(qū)而并未向遠(yuǎn)處分布。

圖1 注射Gd-DTPA前后的冠狀位鼠腦MRI表現(xiàn)。強(qiáng)化開(kāi)始出現(xiàn)于注藥后0.5 h，不同部位強(qiáng)化范圍不同，并且信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間衰減。A-尾狀核；B-丘腦；C-中腦黑質(zhì)Figure 1 Coronal views of the rat brain at times before and after Gd-DTPA injection. The images showed the initial gradual enhancement at 0.5 h after injection, and different scopes of enhancement at different structures with enhancement decaying with time. A: caudate putamen; B: thalamus; C: substantia nigra.

2.2 不同腦區(qū)ISS內(nèi)藥物的分布與清除

尾狀核Vdmax%大于丘腦和黑質(zhì)(9.61%±1.36% vs. 2.30%±0.63% & 3.27%±0.72%,F=102.724,P=0.000, LSD test,t=7.32, 6.35，P均=0.000)。尾狀核區(qū)t1/2大于丘腦和黑質(zhì)[(1.46±0.24) h vs. (0.81±0.03) h & (0.68±0.24) h,F=27.956,P=0.000, LSD test,t=0.66, 0.79，P均=0.000](圖2)。

2.3 ISS內(nèi)擴(kuò)散參數(shù)、平均迂曲度和微觀清除率的比較

圖2 鼠腦ISF流動(dòng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析。A：Gd-DTPA分布容積比-時(shí)間變化曲線；B：Gd-DTPA含量-時(shí)間擬合曲線；C：Gd-DTPA的Vdmax%比較；D：t1/2的比較。CPu：尾狀核；T：丘腦；SN：中腦黑質(zhì)；**P<0.01，***P<0.001Figure 2 Statistical analysis of ISF parameters in rat brains. A: Gd-DTPA volume of distribution ratio-time curve; B: Gd-DTPA amount-time fitting curve; C: Vdmax% comparisons; D: half life time (t1/2) comparisons. CPu: caudate putamen; T: thalamus; SN: substantia nigra. **P<0.01, ***P<0.001.

經(jīng)計(jì)算，在37 ℃瓊脂糖凝膠中，示蹤分子探針的D為5.18×10-4mm2/s。黑質(zhì)D*小于尾狀核和丘腦[(2.06±1.01)×10-4mm2/s vs. (3.33±0.69)×10-4mm2/s & (3.37±0.45)×10-4mm2/s,F=5.034，P=0.021, LSD test,t=1.18，1.21，P=0.016，0.014]。黑質(zhì)λ最大，而尾狀核和丘腦之間無(wú)顯著差異(2.46±0.87 vs. 1.63±0.43 & 1.56±0.21,F=4.567,P=0.280,LSD test,t=0.83, 0.90,

P=0.024, 0.016)(圖3)。丘腦k’大于尾狀核和黑質(zhì)[(1.55±0.39)×10-4/s vs. (0.65±0.11)×10-4/s & (0.88±0.25)×10-4/s,F=17.169，P=0.000，LSD test,t=0.90, 2.01,P=0.000, 0.001](圖3)。

圖3 鼠腦ISS擴(kuò)散參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析。A：有效擴(kuò)散系數(shù)(D*)；B：迂曲度(λ)；C：清除率(k’)。CPu：尾狀核；T：丘腦；SN：中腦黑質(zhì)；*P<0.05，**P<0.01Figure 3 Statistical analysis of ISS diffusion parameters in rat brains. A: effective diffusion coefficient (D*); B: tortuosity (λ); C: local clearance rate (k’). CPu: caudate putamen; T: thalamus; SN: substantia nigra. *P<0.05, **P<0.01.

3 討論

本研究結(jié)果表明，對(duì)于導(dǎo)入到ISS內(nèi)的藥物而言，腦組織間隙存在一個(gè)分區(qū)的引流系統(tǒng)，每個(gè)ISS分區(qū)內(nèi)藥物的分布范圍、流動(dòng)速度和清除過(guò)程均不相同。盡管都位于腦的深部區(qū)域，且彼此鄰近，但尾狀核、丘腦和黑質(zhì)區(qū)的ISS內(nèi)的物質(zhì)的部分并不溝通，在各自獨(dú)立的引流區(qū)內(nèi)分布，并且內(nèi)部藥物轉(zhuǎn)運(yùn)的速度也各不相同。尾狀核區(qū)ISS內(nèi)示蹤分子的分布范圍最大，在2 h左右，擴(kuò)散至同側(cè)大腦額、顳、頂區(qū)的皮層，并最終引流入蛛網(wǎng)膜下腔。相比之下，丘腦及中腦黑質(zhì)的強(qiáng)化區(qū)局限于其解剖分區(qū)。

腦組織間隙由細(xì)胞周圍基質(zhì)、組織液、組織通道共同組成。其中組織液是神經(jīng)細(xì)胞獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、轉(zhuǎn)運(yùn)各類代謝與活動(dòng)所需能量與代謝廢物的直接場(chǎng)所，其內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的基本方式包括擴(kuò)散和團(tuán)流運(yùn)動(dòng)[7]。擴(kuò)散是由于濃度梯度為動(dòng)力的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式，而團(tuán)流或者對(duì)流運(yùn)動(dòng)是以壓力梯度為動(dòng)力的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式。本研究中采用的Gd-DTPA是一種具有極性的水溶性細(xì)胞外示蹤分子探針，相對(duì)分子質(zhì)量為938.00，可縮短鄰近2.41～2.44 ?范圍內(nèi)的水分子中的氫原子核的進(jìn)動(dòng)頻率，進(jìn)而在MRI上表現(xiàn)為高信號(hào)。

與以往報(bào)道的對(duì)流增強(qiáng)給藥(convection-enhanced delivery，CED)給藥方式不同，本研究并沒(méi)有采用持續(xù)加壓的給藥方式，我們采用了單次微小劑量局部給藥，這種給藥方式只提供了藥物在ISS內(nèi)的擴(kuò)散濃度梯度，藉此，所導(dǎo)入的惰性磁敏感分子探針Gd-DTPA在ISS內(nèi)也可以向遠(yuǎn)處擴(kuò)散分布。因此，我們證實(shí)只要藥物的極性和大小合適，在ISS內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)分布并不一定需要外部壓力的輔助，只依靠濃度梯度一樣可以使藥物在ISS內(nèi)得以向遠(yuǎn)處分布[8]。同時(shí)，本研究結(jié)果也表明，藥物經(jīng)腦ISS在腦內(nèi)的分布是呈現(xiàn)分區(qū)分布特征的，因此，必須根據(jù)藥物靶區(qū)的位置來(lái)選擇藥物導(dǎo)入的原始點(diǎn)。換言之，在腦內(nèi)的某個(gè)ISS腦區(qū)內(nèi)，即使形成局部的濃度梯度，甚至持續(xù)施加壓力，形成壓力梯度，也無(wú)法使藥物擴(kuò)布到其他鄰近的ISS分布區(qū)域。

對(duì)于單個(gè)ISS分區(qū)而言，藥物在其內(nèi)的分布還與該ISS分區(qū)的結(jié)構(gòu)特征，如迂曲度、空間占比有關(guān)，其內(nèi)ISF的流動(dòng)速度也與ISF的黏度、溫度有關(guān)[9]。當(dāng)然，神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞、血管內(nèi)皮的細(xì)胞膜及其表面的基質(zhì)成分共同構(gòu)成了ISS的空間框架，這個(gè)空間內(nèi)部或周圍的所有成分都可能影響ISF的引流速度[10]。已有報(bào)道在神經(jīng)元電興奮活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致局部水分子擴(kuò)散速率下降[11]，睡眠或麻醉狀態(tài)下中腦ISS內(nèi)代謝產(chǎn)物的清除較清醒狀態(tài)下明顯增快[12]。上述研究都顯示ISF的流動(dòng)速度與ISS內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與腦神經(jīng)元的興奮活動(dòng)有關(guān)。

星形膠質(zhì)細(xì)胞是ISF流速的重要影響因素[13]。AQP4是表達(dá)于星形膠質(zhì)細(xì)胞、BBB、血腦脊液屏障表面的膜蛋白[14]，ISS中的水通過(guò)AQP4的運(yùn)輸進(jìn)出星形細(xì)胞，并導(dǎo)致細(xì)胞的腫脹或萎縮，最終導(dǎo)致ISS體積或ISF流速的變化[15]。

細(xì)胞外基質(zhì)是腦細(xì)胞微環(huán)境的重要組成部分[16]。細(xì)胞外基質(zhì)分子可以增加ISS的迂曲度，使得ISS不再是自由介質(zhì)[17]，比如，其中的透明質(zhì)酸的水合作用可影響ISS的寬度[18]。另外，細(xì)胞外基質(zhì)帶負(fù)電的大分子會(huì)影響陽(yáng)離子和陰離子物質(zhì)成分的轉(zhuǎn)運(yùn)[19]。

血管對(duì)ISF的影響是多方面的。首先，血管周邊的ISS尺度較大，且動(dòng)脈搏動(dòng)是促成ISF流動(dòng)的重要因素，這使得血管周圍的ISF是腦內(nèi)清除代謝廢物的重要途徑[20]。其次，血管滲透性對(duì)ISF容量存在明顯影響，從而也間接影響著ISF的流動(dòng)速度和其內(nèi)水分子的擴(kuò)散速度[3]。

雖然腦ISS分區(qū)以及不同ISS分區(qū)內(nèi)ISF流速差異的機(jī)制尚不清楚，但本研究顯示的腦ISS內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的位置依賴性不僅揭示了一種全新的腦分區(qū)系統(tǒng)，也為局部給藥技術(shù)的優(yōu)化提供一個(gè)實(shí)用的參考以及數(shù)學(xué)建模的平臺(tái)[5，8]。

本研究動(dòng)態(tài)觀察了惰性分子探針Gd-DTPA在腦內(nèi)的分布代謝與清除的過(guò)程，并根據(jù)傳統(tǒng)藥代學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，選取Vdmax%和半衰期2個(gè)基本參數(shù)來(lái)表述藥物在ISS內(nèi)的分布與清除過(guò)程。由于本研究中3個(gè)腦區(qū)內(nèi)的藥物整體清除過(guò)程都呈單指數(shù)衰減，因此，我們應(yīng)用半衰期來(lái)表述藥物在不同腦ISS分區(qū)內(nèi)的清除過(guò)程。在各個(gè)ISS腦分區(qū)內(nèi)，藥物在任一位置的濃度動(dòng)態(tài)變化也可計(jì)算得到。另外，利用經(jīng)典擴(kuò)散方程，我們還可以對(duì)腦內(nèi)任一位置的藥物分布與清除進(jìn)行精準(zhǔn)定量分析。在此，我們只提出一個(gè)基于經(jīng)典擴(kuò)散方程的改良藥物在ISS某個(gè)腦區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散方程。

幾十年來(lái)，采用傳統(tǒng)給藥途徑進(jìn)行絕大多數(shù)腦病治療藥物的臨床試驗(yàn)結(jié)果令人沮喪[21]，比如，經(jīng)傳統(tǒng)的口服或靜脈內(nèi)給予神經(jīng)保護(hù)藥治療缺血性卒中已被證明無(wú)效，這一類耗費(fèi)巨資的項(xiàng)目流產(chǎn)的原因被廣泛而深入地討論，但結(jié)合本研究的結(jié)果，我們認(rèn)為以往所選用的不適當(dāng)?shù)慕o藥途徑是問(wèn)題的核心和關(guān)鍵。

利用上述模型，本課題組在前期的研究工作中，成功計(jì)算出胞二磷膽堿(citicoline，CDPC)在ISS內(nèi)的給藥濃度和有效劑量，并依據(jù)惰性藥物Gd-DTPA的分布清除過(guò)程，推演出CDPC在腦內(nèi)的動(dòng)態(tài)分布與清除的近似過(guò)程，評(píng)價(jià)了其在離體培養(yǎng)中的神經(jīng)保護(hù)效果，較常規(guī)給藥途徑發(fā)揮了更高效的神經(jīng)保護(hù)作用[5]。藥物在ISS發(fā)揮作用的方式、作用位點(diǎn)、入胞與否，需進(jìn)一步深入探索。因此，本研究提供的參考系統(tǒng)對(duì)其他水溶性小分子藥物或脂溶性小分子藥物在ISS內(nèi)的分布代謝過(guò)程的指導(dǎo)價(jià)值均有待進(jìn)一步的研究證實(shí)。

本研究中所采用的MRI示蹤法可提供全腦尺度范圍內(nèi)ISS內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)，也將有助于我們進(jìn)一步深入研究腦微環(huán)境的結(jié)構(gòu)、功能，包括記憶、情感等高級(jí)腦功能。

1 Blumling Iii JP,Silva GA.Targeting the brain: advances in drug delivery.Curr Pharm Biotechnol,2012,13(12):2417-2426.

2 Lonser RR,Sarntinoranont M,Morrison PF,et al.Convection-enhanced delivery to the central nervous system.J Neurosurg,2014 Nov 14:1-10. [Epub ahead of print]

3 Iliff JJ,Wang M,Liao Y,et al.A paravascular pathway facilitates CSF flow through the brain parenchyma and the clearance of interstitial solutes, including amyloid β.Sci Transl Med,2012,4(147):147ra111.

4 韓鴻賓.應(yīng)用磁共振成像技術(shù)定量測(cè)量活體大鼠腦細(xì)胞外間隙的擴(kuò)散參數(shù).北京大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2012,44(5):770-775.

5 Han H,Li K,Yan J,et al.An in vivo study with an MRI tracer method reveals the biophysical properties of interstitial fluid in the rat brain.Sci China Life Sci,2012,55(9):782-787.

6 Han H,Shi C,Fu Y,et al.A novel MRI tracer-based method for measuring water diffusion in the extracellular space of the rat brain.IEEE J Biomed Health Inform,2014,18(3):978-983.

7 Abbott NJ.Evidence for bulk flow of brain interstitial fluid: significance for physiology and pathology.Neurochem Int,2004,45(4):545-552.

8 Han H,Xia Z,Chen H,et al.Simple diffusion delivery via brain interstitial route for the treatment of cerebral ischemia.Sci China Life Sci,2011,54(3):235-239.

9 Hopkins AM,Desimone E,Chwalek K,et al.3D in vitro modeling of the central nervous system.Prog Neurobiol,2014 Nov 22.pii: S0301-0082(14)00123-3.

10 Sykova E,Nicholson C.Diffusion in brain extracellular space.Physiol Rev,2008,88(4):1277-1340.

11 Tsurugizawa T,Ciobanu L,Le Bihan D.Water diffusion in brain cortex closely tracks underlying neuronal activity.Proc Natl Acad Sci U S A,2013,110(28):11636-11641.

12 Xie L,Kang H,Xu Q,et al.Sleep drives metabolite clearance from the adult brain.Science,2013,342(6156):373-377.

13 Sykova E,Mazel T,Simonova Z.Diffusion constraints and neuron-glia interaction during aging.Exp Gerontol,1998,33(7-8):837-851.

14 Nielsen S,Nagelhus EA,Amiry-Moghaddam M,et al.Specialized membrane domains for water transport in glial cells:high-resolution immunogold cytochemistry of aquaporin-4 in rat brain.J Neurosci,1997,17(1):171-180.

15 Dietzel I,Heinemann U,Hofmeier G,et al.Stimulus-induced changes in extracellular Na+ and Cl- concentration in relation to changes in the size of the extracellular space.Exp Brain Res,1982,46(1):73-84.

16 Nicholson C.Dynamics of the brain cell microenvironment.Neurosci Res Program Bull,1980,18(2):175-322.

17 Rusakov DA,Kullmann DM.Geometric and viscous components of the tortuosity of the extracellular space in the brain.Proc Natl Acad Sci U S A,1998,95(15):8975-8980.

18 Bignami A,Asher R.Some observations on the localization of hyaluronic acid in adult,newborn and embryonal rat brain.Int J Dev Neurosci,1992,10(1):45-57.

19 Nicholson C,Phillips JM.Ion diffusion modified by tortuosity and volume fraction in the extracellular microenvironment of the rat cerebellum.J Physiol,1981,321:225-257.

20 Gurevicius K,Gureviciene I,Valjakka A,et al.Enhanced cortical and hippocampal neuronal excitability in mice deficient in the extracellular matrix glycoprotein tenascin-R.Mol Cell Neurosci,2004,25(3):515-523.

21 Fisher M,Feuerstein G,Howells DW,et al.Update of the stroke therapy academic industry roundtable preclinical recommendations.Stroke,2009,40(6):2244-2250.

(修回日期：2015-01-26)

(責(zé)任編輯：王惠群)

Establishment of a Rat Model of Drug Distribution and Clearance for Brain Localized Delivery

ZuoLong*,LeiYiming,YanJunhao,etal.

*DepartmentofRadiology,PekingUniversityThirdHospital,Beijing100191,China

HanHongbin,E-mail:hanhongbin@bjmu.edu.cn

Objective To explore the drainage process of brain interstitial fluid (ISF) and transport property in interstitial space (ISS) in rat deep brain tissue by tracer-based magnetic resonance imaging (MRI). On the basis of classical diffusion equation in porous media, to establish distribution and clearance model for local drug administration of brain. Methods A total of 24 Sprague Dawley rats were randomly divided into three groups according to the injection points: caudate putamen (CPu), thalamus (T), and substantia nigra (SN), with 8 rats in each group. The brain ISF was traced with a MRI contrast agent, 2 μl gadolinium diethylenetriaminepentaacetic acid (Gd-DTPA), which was injected into the brain ISS. Three-dimensional dynamic distribution of the probes was displayed and quantitative calculations were completed by self-developed image processing software. The distribution ratio referring tracers’ maximum volume of the whole brain (Vdmax%) and the half-life time (t1/2) were obtained. ISS microscopic diffusion parameter (D*), clearance rate (k’), and local tortuosity (λ) were measured based on classical diffusion equation. Hence, we established pharmacokinetics model of the brain ISS. Results The transport distribution area and clearance rates of tracer molecule varied in ISS of different brain regions. TheVdmax% andt1/2of the caudate putamen were greater than those of the thalamus and substantia nigra (P=0.000). TheD*in substantia nigra was less than that in caudate putamen and thalamus (P=0.021), deriving the greatestλin substantia nigra (P=0.280). Thek’ in thalamus was greater than that in caudate putamen and substantia nigra (P=0.000). Conclusions Drug distribution in the brain ISS is partitioned, with drug distribution and clearance rates varying within each sub-region. Topical brain anatomy in each brain partition and fluid flow parameter characteristics of partitioned ISS should be considered in local brain delivery.

Brain interstitial fluid; Interstitial space; Tracer; Water diffusion

國(guó)家自然科學(xué)基金應(yīng)急管理項(xiàng)目(61450004)；國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究培育項(xiàng)目(91330103)

R-332

A

1009-6604(2015)04-0360-06

10.3969/j.issn.1009-6604.2015.04.023

2014-12-29)

**通訊作者，E-mail：hanhongbin@bjmu.edu.cn

① (北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871)

② (北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，北京 100191)

③ (北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所，北京 100088)

④ (北京大學(xué)醫(yī)藥衛(wèi)生分析中心，北京 100191)

⑤ (北京大學(xué)藥學(xué)院，北京 100191)