同步辐射下大鼠马尾神经损伤的三维形态学研究

发布时间：2020-06-16 01:07

【摘要】：研究背景马尾神经是一种特殊的外周神经,与普通外周神经相比,对外界不良刺激的抵御能力偏弱,一旦发生损伤,会出现严重的下肢功能障碍、鞍区感觉障碍及二便功能障碍等症状,手术治疗效果差,神经功能恢复程度有限,给患者及其家庭带来了沉重的经济和精神负担。目前关于马尾神经损伤的基础和临床研究鲜有实质性的进展,在神经成像研究上也缺乏创新的技术和方法。在目前的马尾神经形态学研究中,最常使用的检测方法为光学显微镜和电子显微镜,对组织行切片染色后镜下观察,虽然能达到很高的分辨率,但受限于照明光束与电子束的穿透能力限制,均不能直接用于样品内部空间结构的三维成像,仅能得到局部标本的二维图像,无法观察到神经内部的三维空间结构。同步辐射是在环形轨道上做加速运动的带点粒子沿切线方向发出的连续分布的电磁辐射,由于其高纯度、高亮度、高准直、高偏振、准相干等独特而优异的特性,以及其在时间和空间分辨率上的巨大优势,能够对微小的组织甚至细胞进行三维和动态观察,目前已有生物学家依托同步辐射光源观察生物大分子的三维结构,进行相关的科学研究。相位衬度成像是一种新的成像理论和技术,利用X线的折射效应及不同组织折射系数的不同进行成像,具有微米量级的空间分辨率,对轻元素构成的软组织的分辨率提高1000倍以上,对神经、血管、韧带、软组织肿瘤等有良好的成像效果和很高的分辨率。目前,同步辐射相位衬度成像已经用于脑血管、脊髓血管、肝脏组织等的三维立体成像,分辨率达到数微米,能够清晰的观察到组织的内部结构及细微变化,为临床研究提供新发现。目前为止,同步辐射光源应用于马尾神经损伤的成像研究还未有报道。因此,本课题将同步辐射相位衬度成像应用于大鼠马尾神经的研究,观察正常马尾神经及急性损伤后马尾神经的内部空间结构及神经纤维的形态变化,为马尾神经损伤的治疗及神经损伤修复提供新的理论支持。研究目的建立并改进大鼠马尾神经急性损伤模型,取得标本后马尾神经进行锇酸染色,利用上海同步辐射光源(SSRF)对正常及损伤的马尾神经进行相位衬度成像,观察正常及不同损伤程度后马尾神经内部空间结构及神经纤维的变化,并进行定量分析,为马尾神经的损伤修复提供新的理论支持。研究内容及方法1、选取24只成年SD大鼠,分为对照组(n=6),假手术组(n=6),模型组1(n=6)和模型组2(n=6),七氟烷吸入麻醉后,行L5-6椎板切除术。损模型组采用改良Allen,s重物撞击法制作大鼠L5-L6马尾神经急性损伤模型,分别给予不同的致伤力,造成不同程度的损伤。术后行BBB评分、甩尾试验判定大鼠行为学改变,并对标本行HE染色、免疫荧光染色、LFB染色,观察损伤后马尾神经组织病理变化。2、对标本进行甲醛固定、酒精梯度脱水、锇酸染色、环氧树脂包埋等处理,制作同步辐射相位衬度成像实验标本。3、于上海同步辐射光源(SSRF)BL13W1生物医学线站对标本进行相位衬度成像扫描,获得原始投影图。4、采用PITRE和PITRE-BM软件对原始图片进行相位恢复、sinogram重建、slice生成;用VG Studio MAX 3.0软件对slice进行三维重建,对马尾神经的进行三维成像。5、比较分析正常马尾神经、不同程度损伤马尾神经的内部空间结构变化及神经纤维的变化。结果1、成功建立了马尾神经急性损伤模型。2、同步辐射相位衬度技术对马尾神经进行成像,得到高分辨率的断层图像,进一步对断层图像重建得到马尾神经及内部神经纤维的三维立体成像。相当于应用同步辐射成像技术对马尾神经进行三维CT检查。3、得到高分辨率的神经三维立体结构图像,通过对正常马尾神经及损伤马尾神经的断层图像及三维图像比较,发现当机械打击造成马尾神经重度损伤时,髓鞘肿胀、崩解,神经纤维走行紊乱,神经内部髓鞘所占体积比下降。而对于轻度损伤的马尾神经,因神经水肿,髓鞘肿胀导致所占体积比增加结论本实验用Allen's重物打击法建立的急性马尾神经损伤模型操作简单、可重复性强,很好的模拟了机械作用下腰椎外伤时发生马尾神经急性损伤的致病过程。利用同步辐射相位衬度成像技术,对马尾神经进行三维成像,得到微米量级的马尾神经内部立体结构信息,更清晰直观的观察到正常状态和急性损伤时马尾神经内部形态结构变化。通过对神经所占的空间体积比值的定量分析,发现了不同程度马尾神经损害的神经髓鞘病变的差异,为马尾神经损伤修复提供理论和技术支持。
【学位授予单位】：中国人民解放军海军军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R745
【图文】：

同步辐射光源

海军军医大学硕士学位论文相比，能提供高上万倍的光通量以及连续的光谱，能产生任意能量的单色 X 射线【7】由于其诸多优良特性，在生物医学领域得到越来越广泛的应用，已成为生命科学研究不可替代的工具。国内已经建成的上海光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）为世界一流的中能第三代同步辐射光源，拥有 150MeV 电子直线加速器，3.5GeV 的高性能电子储存环，以及能在 0.5 秒内把电子束从 100MeV 加速到 3.5GeV 的全能量增强器和注入/引出系统，其产生的同步辐射光覆盖从远红外到硬 X 射线的宽广波段，性能优化在用途最广泛的 X 射线能区。为中国的多学科前沿研究和高新技术开发应用提供先进的实验平台。自开放以来，科学家已经利用其在生命、能源、材料、医学等领域取得了一大批研究成果。此次实验将在生物医学应用光束线站（BL13W1）完成。

示意图,衬度,同步辐射,相位

相位衬度成像相比传统吸收对比成像能高灵敏度的观察轻元素样品的内结构，从而更加容易鉴别组织之间的密度差异和内部空间结构。由于相衬成像主要赖 X 线的折射作用，与吸收无关，可以利用更高能量的 X 射线，同时避免 X 线吸收用造成的人体辐射损伤【9】。X 射线相位衬度成像的物理原理可以用一个公式表示，折射率 n 为小于 1 的数n=1-δ+iβ其中，δ表示物体的相位系数，β为吸收系数，通常医学诊断使用的 X 射线能范围内，由碳、氢、氧等轻元素构成的软组织而言，其相位系数δ比吸收系数β高1000 倍以上【10-11】。根据同步辐射的使用装置和成像原理，相位衬度成像方法包括干涉成像法、衍增强法、类同轴成像法、光栅成像法和同步辐射荧光分析法等，其中类同轴成像技的成像光路简单，不需要复杂的光学系统，无需添加额外的光栅或成像、分析晶体入射光子利用率高并且可产生边缘增强效果，具有大视野、高通量和实时成像的优【12】.在目前的生物医学成像研究中应用应用最多，也最有可能最先应用于临床。

【参考文献】