阿爾茨海默癥（Alzheimer’s disease，AD）是一種嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，臨床上缺乏能夠有效延緩或逆轉(zhuǎn)疾病進(jìn)程的藥物及干預(yù)手段，嚴(yán)重危害老年人的身體健康和生活質(zhì)量，給家庭和社會帶來巨大負(fù)擔(dān)。AD的發(fā)病機(jī)制一直存在膽堿能缺損、β-淀粉樣蛋白級聯(lián)反應(yīng)、Tau蛋白過度磷酸化等多種假說，然而針對這些假說研發(fā)的單一作用機(jī)制的藥物尚未取得理想的臨床療效，提示人類對AD發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識依然存在極大局限，亟需探索新的突破手段。

中國科學(xué)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，開展AD發(fā)病機(jī)制和抗AD藥物相關(guān)研究。近期，在《國家科學(xué)評論》（National Science Review）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病理過程中的重要性之前遠(yuǎn)未充分認(rèn)識，為發(fā)展高效AD治療藥物及干預(yù)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(shí)現(xiàn)全腦尺度高分辨率成像、低信噪比影像數(shù)據(jù)增強(qiáng)、高空間復(fù)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(tuán)隊?wèi)?yīng)用華中科技大學(xué)教授駱清銘團(tuán)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(tuán)隊自己發(fā)展的算法對預(yù)處理后圖像進(jìn)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(xì)血管的完整小鼠全腦跨尺度3D血管圖譜（圖1和視頻1）。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?jǐn)?shù)（單位體積組織內(nèi)的血管容積）均顯著降低。進(jìn)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?jǐn)?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(xì)、減少外，AD模型小鼠血管分支角度顯著變小，導(dǎo)致單枝海馬血管的血液灌注面積減少。采用研究團(tuán)隊首創(chuàng)的虛擬血管內(nèi)窺技術(shù)，該研究還進(jìn)一步揭示了AD模型與野生型小鼠在血管管腔內(nèi)壁粗糙度、分支節(jié)點(diǎn)平滑度上均有顯著差異（見圖3和視頻2）。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。

為開展此項研究，上海藥物所組建了包括計算機(jī)圖像處理、神經(jīng)藥理學(xué)、藥物研發(fā)等多專業(yè)背景的交叉學(xué)科研究團(tuán)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(jìn)行背景校正、噪聲抑制、對比度增強(qiáng)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(xué)量化分析軟硬件平臺，實(shí)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。

研究團(tuán)隊通過對2月齡的野生型小鼠的全腦血管網(wǎng)絡(luò)量化分析后發(fā)現(xiàn)，在不超過0.2立方厘米的腦組織中竟然分布著總長超過300米的龐雜血管網(wǎng)絡(luò)，并且不同腦區(qū)的血管分布規(guī)律及形態(tài)特征也存在明顯的差異。此外，與皮層、丘腦等腦區(qū)相比，海馬的平均血管直徑、血管長度密度、血管體積分?jǐn)?shù)均最低。通過對完整海馬血管的高精度可視化，發(fā)現(xiàn)整個海馬的橫行血管垂直于海馬縱軸呈耙式平行分布。此外，海馬齒狀回分子層的主要血管從上級主血管分出后直徑急劇降低，在分支角度上也接近直角（圖1）。這種呈現(xiàn)出來的獨(dú)特的梳狀血管分支模式，明顯不同于其他海馬亞區(qū)血管的逐步分級的分支模式。海馬齒狀回分子層血管特殊的分支模式可能導(dǎo)致其更容易受到損傷，這也與AD模型小鼠齒狀回分子層平均血管直徑、血管長度密度及血管體積分?jǐn)?shù)的降低程度相吻合。

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。

該研究得到上海市市級科技重大專項《全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜與克隆猴模型計劃》、國家杰出青年科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等的資助。華中科技大學(xué)教授駱清銘、龔輝和副教授李向?qū)帉υ摴ぷ鹘o予了指導(dǎo)和建設(shè)性的意見。

　　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。

　　圖2. 野生型與AD模型小鼠的海馬血管可視化與定量分析比較。（A-B）WT及Tg-AD小鼠右側(cè)海馬及其鄰近腦區(qū)血管網(wǎng)絡(luò)的可視化重建。右上角的腦輪廓圖上的兩條虛線表示A- B中重建血管的位置。（C）WT與Tg-AD小鼠在四個海馬亞區(qū)的平均直徑、體積分?jǐn)?shù)、長度密度的比較。

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

來源： 上海藥物研究所