摘要：放射性脑损伤是成人和儿童脑癌幸存者普遍关心的问题。临床前，啮齿动物模型是评估损伤机制和测试新疗法的标准方法。然而，这些啮齿类动物模型无法重现临床疾病的放射学和组织学特征。在这里，我们描述了一个由临床 6 MV 光子辐照器生成并用临床 3T MRI 评估的辐射性脑半球损伤的小型猪模型。两对尤卡坦小型猪的左半脑分别接受15Gy或25Gy的辐射. 每周对这些猪进行观察，以检查是否有任何明显的神经损伤迹象。 在放射前和放射后 6 个月内对猪进行解剖学 MRI 检查。在最后一个成像时间点之后，立即对猪实施安乐死，并收集它们的大脑进行组织病理学评估。对于接受25 Gy剂量的猪，从放射后2个月开始观察到进行性神经损伤，导致3-4个月需要进行安乐死。在MRI上，这两种动物表现为弥漫性白质病变，与人类疾病发展为完全放射性坏死和严重脑肿胀相一致。组织学检查与MRI检查结果一致。接受15gy剂量放射的猪在放射后6个月内一直正常，在MRI或组织病理学上没有明显的神经损伤或损伤。根据我们的研究结果，小型猪放射性脑损伤模型是可行的，但仍需要一些优化。小型猪模型在 MRI 上产生的病变与人类疾病一致，而在啮齿动物模型中没有发现。 我们的数据显示，该模型的理想辐射剂量可能介于 15 到 25 Gy 之间。

背景：放射治疗是颅内肿瘤治疗的一个组成部分。先进技术的使用允许向无法进行手术的大脑区域提供更高剂量的辐射，同时保留更多的正常组织。尽管放射治疗有助于改善脑癌预后，但人们认为放射引起的副作用与脑癌幸存者，尤其是儿童脑癌幸存者的生活质量下降显著相关。迟发性辐射效应在治疗后数月至数年发生且不会自行解决，是辐射引起的脑毒性方面的主要问题。迟发性辐射性脑损伤根据其放射学特征可分为两大类：局灶性和弥漫性病变。放射性坏死通常是一种局灶性损伤，表现为局灶性神经系统异常和颅内压升高，而认知功能障碍的特点是弥漫性白质损伤。放射性坏死和弥漫性白质损伤具有独特的组织学和MRI表现。实验室先前在辐射诱导的弥漫性白质损伤小鼠模型上完成的工作显示，复制人类脑损伤的精确性存在缺陷。虽然小鼠大脑的组织学显示白质束有剂量依赖性的变化，但观察到的变化很微妙。此外，我们无法在放射后的任何时间点检测到任何剂量的T1加权和T2加权MRI图像中的任何异常。这些缺点，以及小鼠和人类大脑之间的结构差异，促使我们研究具有更接近人类脑组织特征的其他动物模型。此外，在研究颅内MRI诊断方法时，较大的动物物种是有利的，因为这些方法现在已经在临床设备上进行了测试，具有可直接用于人类患者的相同协议。猪脑的解剖结构和大小非常适合应对这些挑战。 因此，猪可用于更准确地模拟辐射诱发的脑损伤 (RIBI) 的发展。虽然之前有 RIBI 猪模型的报告，但由于辐射的传递方式和模型的评估方式，这些先前的工作具有有限的临床相关性。因此，本研究的目的是建立RIBI猪模型的可行性，其设备和方法反映了当前的临床情况。在这里，我们描述了生成单半球 RIBI 模型的方法，该模型使用标准临床 MRI 方法在体内进行评估。这种模式的优点是，所有的手术都是用临床设备进行的。与啮齿动物模型不同的是，这种猪模型显示了与人类RIBI一致的解剖MRI变化。所述方法可进一步适用于具有或不具有分割的全脑辐照模型，或针对或避免感兴趣的亚结构（例如海马）的特定局灶模型。

麻醉：所有猪都使用肌肉注射的替他明-唑拉西泮 (3 mg/kg)、地托咪定 (0.18 mg/kg) 和布托啡诺 (0.12 mg/kg) 的组合诱导麻醉。侧卧后，用适当尺寸的气管插管（根据体重确定）。使用异氟烷（1-2%）和氧气维持全麻。手术过程中，监测和记录生命体征。所有猪都通过耳静脉接受静脉输液（PlasmaLyte®；5–10 mL/kg）。 根据需要给予布托啡诺 (0.2 mg/kg IV)。每次手术后都要对猪进行监控，以确保猪从麻醉中恢复到能够独立站立和行走。

半脑放射治疗计划的质量：每头猪的放射治疗计划通过了方法中描述的质量保证。简而言之，对于PTV剂量覆盖率，93%的规定剂量至少覆盖了PTV容积的93%。图 1 规定的剂量均匀分布在PTV上，PTV边缘的剂量急剧下降。表1总结了所有猪PTV的剂量学参数。DVHs分析了PTV的最小、最大、平均和中位剂量。所有四个计划的HI、CI和GI分别为0.15–0.21、0.57–0.74和1.9–2.7。简而言之，脊髓和晶状体的剂量远低于 QUANTEC 分别为脊髓病或白内障推荐的截止剂量。关于脑干，最大剂量（D2%），尤其是P1和P2在PTV附近的一侧。然而，所有猪脑干的平均剂量都很低（3–11.3 Gy）。左右视神经，视交叉接受的剂量相对接近预期的规定剂量。左侧视神经和视交叉包含在 PTV 中，右侧视神经与 PTV 相邻。报告了 P3 和 P4 的小脑剂量学参数。最大 (D2%) 剂量在 PTV 附近被视为预期，平均剂量 (3.4 Gy) 较低。更全面地观察大脑PTV容积中未经治疗的部分，我们再次看到PTV附近的最高剂量，但平均剂量较低（规定剂量的30%至45%）。

图1、来自受试者 P1 和 P3 的治疗计划。

辐照猪脑的MRI表现：最初的计划是在放射后 3 个月和 6 个月时在 3 T 扫描仪上获取大脑的 MR 图像，以检测早期迟发性病理和迟发性RIBI。第一组猪（P1 和 P2）早在放射后 2 个月就出现了明显的神经功能缺陷（左头倾斜和左转）。一头猪（P2）在放射后3个月因不能站立而被安乐死，我们认为这是由于在MRI上观察到脑干损伤所致。另一头猪（P1）在4个月时被安乐死，因为神经功能缺损明显恶化，猪的平衡明显受损。第二只猪的解剖MR图像显示，放射后3个月，T2加权成像有弥漫性增强，与RIBI一致，但发生的时间比预期的要早。放射后 4 个月，观察到的病理变得更加广泛，大量水肿导致中线移位和侧脑室塌陷。第二组猪（P3和P4）在整个6个月的随访期间没有出现神经功能缺损的迹象。

图2、1号小型猪脑左半球放射后的解剖MRI。

辐照猪脑的组织学特征：在安乐死和大体评估后，我们使用H&E和LFB染色来验证我们的MRI发现。切片前组织的大体检查证实了MRI所见，明显的肿块效应使中线移位，白质破裂，可能有局灶性出血。对接受25 Gy剂量的猪的H&E切片进行检查，发现广泛的脑坏死，伴有相关的炎症、血管炎、血管壁坏死、血栓形成、营养不良矿化和髓鞘丢失。对侧半球仅在中线附近有病理改变。虽然白质病变较严重，但灰质也有病理改变。病变也不均一，提示两种病理类型的混合与MRI一致。这些变化与先前在 RIBI 和放射坏死中的组织学观察一致。相比之下，对于接受 15 Gy 剂量的猪，无论是肉眼还是显微镜检查都没有明显的病理变化。

图3、25gy放射后猪脑的组织学变化

随着放射治疗技术的进步和治疗效果的提高，不能手术的脑肿瘤的预后和中位生存期也在不断改善。然而，这也意味着脑神经放射治疗的晚期不良反应越来越受到重视。建立改进的 RIBI 动物模型对于促进人类和兽医学中 RIBI 治疗的发展势在必行。在我们的研究中，临床标准放疗和磁共振成像方案的使用不仅允许在我们的猪模型中治疗和诊断RIBI，而且还增加了模型的转化价值。该模型在普通啮齿动物模型的基础上进行了改进，在MRI中可以像在人类患者中一样检测到病理变化。因为该工作依赖于电子束进行放射，这导致高估了输送到大脑的剂量。在这里，我们展示了一个使用 IMRT 半脑治疗计划生成的 RIBI 猪模型。 放射治疗在整个 PTV 中提供均匀的剂量分布，导致病理学仅限于 PTV，如临床标准 MRI 和组织病理学所证实的那样。正如预期的那样，迟发性 RIBI 病理主要在受放射的半球中检测到，但仅适用于接受 25 Gy 的动物。随着时间的推移，MRI 上的 RIBI 病理变得更加严重，这与先前对 RIBI 的描述一致。这些结果表明，我们的临床方法非常适合于产生迟发性RIBI病理，这种病理仅限于猪脑的受放射区域。与已建立的啮齿动物模型相比，在该猪模型中，可以通过符合标准临床方法的解剖 MRI 检测异常。此外，H&E 和 LFB 染色检测到的白质损伤不仅比以前在小鼠大脑中观察到的更明显，而且还与 MRI 检测到的解剖病变相关。

结论：虽然这项工作表明，小型猪RIBI模型是可行的，但仍有一些细节需要改进。为了全面研究弥漫性白质病变的发展，还需要优化靶器官辐射剂量和观察时间。尽管 25 Gy 的剂量能够在 P1 和 P2 中产生清晰的 MRI 病理，但发病时间早于预期，并且病理进展为放射性坏死，具有不可接受的严重神经损伤。然而，15Gy剂量在照射后6个月内不能引起任何MRI异常或组织病理学改变。这表明在猪脑内产生弥漫性病变的合适剂量在 15 Gy 到 25 Gy 之间。此外，评估该模型中的认知缺陷及其与 MRI 和组织学检测到的病变之间的关系也很重要。当前结果的另一个限制是使用半球模型，其中未照射的半球作为对照。全脑模型可能更适合评估认知缺陷。

原文出自：Feasibility of a mini-pig model of radiation-induced brain injury to one cerebral hemisphere | SpringerLink