Translational Neurodegeneration
APOE4敲入小鼠模型中皮层分层神经血管功能障碍的多参数光学成像研究

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该研究结合活体光学成像与机器学习，系统揭示了APOE4等位基因在未出现Aβ病理前即导致显著的皮层微血管结构与功能损伤，提示其作为阿尔茨海默病早期风险标志物的潜力。

 

文献概述

本文《Cortical layer multi-parameter analysis of neurovascular impairments in AD/ADRD rodent model with in vivo optical imaging》，发表于《Translational Neurodegeneration》杂志，回顾并总结了APOE4基因对小鼠脑血管系统的多维度影响，通过高分辨率光学成像与AI分类器识别出早期神经血管功能障碍的敏感生物标志物。研究发现APOE4在12月龄（相当于人类40岁）即引起显著的脑血流速度下降、血管直径缩小、血管扭曲增加及皮层分层微循环损伤，且对血管活性刺激的反应能力受损。这些改变早于典型神经退行性标志物出现，提示APOE4可能独立驱动血管功能障碍，为阿尔茨海默病及相关痴呆（AD/ADRD）的早期诊断提供了新视角。

背景知识

APOE ε4等位基因是阿尔茨海默病（AD）最强的遗传风险因子，携带者患AD的风险显著增加。尽管APOE4与Aβ清除障碍、神经炎症和脂质代谢紊乱相关，但其对脑血管系统的直接作用尚不完全清楚。近年来，脑血管功能障碍被认为是AD早期事件，甚至可能先于Aβ沉积。然而，传统成像技术如fMRI和PET空间分辨率有限，难以解析微血管结构；而组织学方法为终点检测，缺乏动态信息。此外，APOE4转基因小鼠常伴随Aβ沉积，难以区分APOE4的独立效应。本研究采用APOE3/4基因敲入（KI）小鼠模型，避免了过表达带来的非生理性表达问题，且无Aβ病理，可特异性评估APOE4对神经血管单元的影响。结合活体光学相干断层扫描（OCT）与激光散斑对比成像（LSCI），实现了对皮层微血管结构与功能的三维、高分辨率动态监测。同时引入机器学习分类器，克服了传统统计方法对多参数整合能力的不足，提升了生物标志物的判别效能。该研究填补了APOE4相关神经血管功能障碍在活体、分层、多参数层面的空白，为早期干预提供了潜在靶点。

 

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研究方法与实验

研究采用12月龄的APOE3-KI和APOE4-KI雌性小鼠，通过双光子OCT系统获取三维高分辨率脑血管造影（μOCA）和脑血流速度图（μODT），分析软脑膜动静脉及深层皮层微血管的形态与功能参数。测量指标包括脑血流速度（CBFv）、血管直径、血管扭曲度、皮层分层（L1-L5）微血管密度、骨架密度及分叉计数。同时，利用激光散斑对比成像（LSCI）评估小鼠在高碳酸血症（5% CO2）和可卡因注射（1 mg/kg, i.v.）刺激下的脑血管反应性（CVR），量化时间至平台期（tP）、峰值反应（ΔCBFp）和积分反应（IR）。共提取36个血管参数，采用支持向量机（SVM）结合RBF核进行分类分析，通过自助抽样与留一法交叉验证评估各参数对APOE3/APOE4的分类准确率。系统生理参数（体温、呼吸频率）被监测以排除混杂因素影响。

关键结论与观点

• APOE4小鼠在12月龄时表现出显著的静息态脑血流速度下降，尤其在2级和3级小动脉/小静脉中，降幅达13%-47%，提示微循环功能受损
• APOE4小鼠的小动脉和小静脉直径显著缩小，尤其在分支血管中，表明存在进行性血管收缩
• APOE4小鼠的皮层血管扭曲度显著增加，尤其在小静脉和小动脉中，可能影响血流动力学和物质交换效率
• 皮层分层分析显示，APOE4小鼠在所有皮层层（L1-L5）的微血管密度、骨架密度和分叉计数均显著降低，其中L2层损伤最严重，提示L2层微循环网络重构受损
• APOE4小鼠对高碳酸血症的血管舒张反应和对可卡因的血管收缩反应均显著减弱，表现为tP缩短、ΔCBFp和IR降低，表明脑血管反应性全面受损
• 基于36个血管参数的SVM分类显示，微循环相关参数（如L2分叉计数、L2骨架密度）和CVR动态参数（tP、ΔCBFp、IR）分类准确率高达~90%，显著优于大血管参数
• 系统生理参数无显著组间差异，排除了全身状态对结果的混杂影响

研究意义与展望

该研究首次在无Aβ病理的APOE4-KI小鼠中，通过活体多模态光学成像揭示了APOE4导致的早期、皮层分层特异性的神经血管功能障碍。结果表明APOE4可能独立于Aβ途径，直接损害脑血管结构与功能，尤其是在微循环层面。这为理解APOE4增加AD风险的机制提供了新视角，即血管功能障碍可能是其关键介导因素之一。识别出的高判别力生物标志物（如L2微血管分叉、CVR动态响应）有望用于临床前阶段的AD/ADRD风险分层。

未来研究可进一步探索APOE4引起血管损伤的分子机制，如周细胞功能障碍、内皮细胞代谢紊乱或血脑屏障渗漏。同时，这些活体成像指标可作为干预试验的敏感终点，用于评估潜在药物对神经血管单元的保护作用。此外，开发非侵入性、高分辨率脑血管成像技术，将这些发现转化为人类研究，将有助于实现AD的早期预警与精准干预。

 

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结语

本研究通过结合活体光学成像与机器学习，系统揭示了APOE4基因在未出现Aβ病理前即可导致显著的皮层神经血管功能障碍。研究发现APOE4小鼠在12月龄时即表现出脑血流速度下降、血管直径缩小、血管扭曲增加，以及皮层分层微血管密度和分叉减少，尤其在L2层最为显著。同时，其对血管活性刺激的反应能力全面受损。机器学习分析表明，微循环结构参数和脑血管反应性动态指标具有高达~90%的分类准确率，是识别APOE4相关风险的敏感生物标志物。这些结果强调了APOE4对脑血管系统的独立损害作用，提示神经血管功能障碍是AD/ADRD早期发病机制的重要组成部分。该研究不仅深化了对APOE4致病机制的理解，也为AD的早期诊断和干预提供了潜在的影像学生物标志物和评估策略，具有重要的转化医学价值。

 

Hyomin Jeong, Jiaxiang Ren, Wensheng Cheng, Congwu Du, and Yingtian Pan. Cortical layer multi-parameter analysis of neurovascular impairments in AD/ADRD rodent model with in vivo optical imaging. Translational Neurodegeneration.