《Advanced Materials》：Elastomeric Micro-Balloons for Remote Control of Cerebral Blood Flow and Real-Time In vivo Imaging of Rodent Brain Response to Hypoperfusion
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为解决现有小鼠脑缺血模型无法在卒中围期进行连续活体成像、难以研究关键病理生理早期事件的问题，研究人员开发了基于屈服应力流体的弹性体微型气囊。该气囊可远程控制小鼠脑动脉血流，实现精确、可靠且可逆的缺血诱导，并通过实时活体显微镜和磁共振成像，在整体性脑缺血小鼠模型中重现了临床相关的血流动力学。这项研究为通过微创干预和围卒中期病理生理事件活体成像改善卒中治疗提供了新工具。
脑卒中，尤其是缺血性卒中，是全球范围内导致死亡和长期残疾的主要原因之一。当大脑血流减少到无法满足神经组织代谢需求时，就会发生缺血，导致细胞损伤，如果持续时间过长，则会造成不可逆的损害。理解大脑在缺血发生初期的即时反应至关重要，因为这一超急性期包含了快速发生的、显著影响神经元损伤程度和恢复潜力的病理生理事件。然而，由于患者从卒中发病到入院接受医院影像学检查和治疗之间存在显著延迟，这一关键的早期时间窗始终无法被直接研究。因此，卒中发病后的早期病理生理过程如同一个“黑匣子”，限制了我们对此的理解，也阻碍了及时治疗干预措施的开发。尽管小鼠等啮齿类动物模型对于揭示缺血性卒中的机制和测试治疗策略不可或缺，但传统方法（如大脑中动脉闭塞或光血栓法）难以在先进活体成像范式下实现远程、可控的血管闭塞。临床可用的球囊导管虽然尺寸可以很小，但其通常包含金属部件，与磁共振成像不兼容，且无法实现中间状态的扩张或完全恢复到原始状态。为了揭开卒中发病“黑匣子”的秘密，并实现对脑血流动力学的精确、可控、可逆调节，研究人员急需一种微型化、磁共振兼容且可精细调控的血管干预工具。
研究人员在《Advanced Materials》上发表的研究，正是为了应对这一挑战。他们成功设计并制造了一种可远程控制的弹性体微型气囊。该研究旨在解决传统模型无法在卒中围期进行连续、实时活体成像的缺陷，通过一种创新的微型器械，实现对小鼠脑动脉血流的精确、可靠且可逆的远程控制，从而在活体动物中模拟和研究脑缺血的起始及动态过程。
为开展此项研究，研究人员运用了几个关键技术方法：1. 采用基于屈服应力流体的多步气泡铸造工艺，制造了具有选择性刚化区域的单块弹性体壁微型气囊，其通道内径可小于300微米。2. 利用激光多普勒血流仪，实时监测微型气囊对小鼠颈总动脉进行不同程度阻塞时的大脑血流速率变化。3. 结合活体双光子荧光显微镜，对皮层血管进行高速线扫描和全场光栅扫描，定量分析阻塞期间的血流速度和血管形态变化。4. 在9.4T磁共振成像系统中，应用血氧水平依赖功能磁共振成像和动态磁敏感对比增强磁共振成像，多模态评估气囊诱导颈总动脉阻塞期间不同脑区的血流动力学、氧合及灌注变化。研究中使用的动物样本为3-4月龄的C57BL/6小鼠。
2.1 可膨胀微型气囊的设计与制造
研究人员提出使用磁共振兼容的弹性体微型气囊来解决上述问题，并利用磁共振成像来揭开卒中发病的“黑匣子”。微型气囊被设计用于靶向脑动脉以诱导小鼠卒中。气囊由一个整体的、笔直的硅胶空心管制成，其内壁的特定区域涂覆了一层薄的刚性聚氨酯丙烯酸酯层。通过对整个管子加压，由于硅胶和PUA弹性模量的巨大差异，非涂覆区域被选择性地膨胀成气囊。通过提供连续或暂时诱导部分和完全闭塞的能力，微型气囊为研究先前未揭示的卒中发病动态提供了新工具。
2.2 高效微型气囊功能所需的机械性能
两种交联壳层的机械性能对微型气囊的性能至关重要。对硅胶壳层的拉伸测试表明，在特定的配方下，硅胶的弹性模量约为1.3 MPa，可延伸三倍，这防止了脱模过程中管子的撕裂。PUA壳层的弹性模量则远高于硅胶。硅胶壳中未反应的硫醇与新浇铸的PUA在紫外光下形成共价键，确保了壳层间的牢固粘附，这对于气囊膨胀时的结构完整性至关重要。
2.3 气囊壳层数量与厚度的优化
为了实现所需的膨胀和力生成，必须仔细调整弹性体壳层的厚度。研究人员通过在PDMS微通道内壁沉积一次或两次硅胶前驱体并紫外固化，随后选择性地沉积并固化PUA，完成了多层微型气囊结构的制造。当以恒定的空气前沿速度注入空气时，实现了纵向均匀性。在第二次沉积弹性体壳层后，不同通道尺寸间的厚度变化显著减小，这可能是由于初始通道尺寸的差异在第一次壳层沉积中得到了补偿。
2.4 微型气囊管的气动响应
具有单层弹性体的微型气囊在约3个大气压下逐渐膨胀至其原始直径的四倍，而具有更厚双层壳层的气囊膨胀不到其原始尺寸的两倍。单层和双层微型气囊在加压过程中不仅发生膨胀，还会伸长。当气囊长度增加时，扩大横向直径所需的压力降低，而最大可达到的直径保持相对恒定。通过使用通用测试机测量膨胀力，发现单壳层微型气囊在2、2.5和3个大气压下分别产生0.05、0.20和0.45 N的力。双壳层微型气囊可承受更高的压力并产生更大的力。膨胀力随着初始气囊长度的增加而增加。在给定压力下，直径较小的管子施加的力更高，因为更薄的壁对膨胀的阻力更小。
2.5 远程可控可调微型气囊系统实现可靠的体内血管闭塞
为了评估该设备用于远程血管压迫的可靠性和可调性，研究人员进行了体内测试，通过激光多普勒血流仪实时监测大脑中的脑血流速率，来闭塞小鼠的颈总动脉。研究人员首先组装了充满水的远程注射器系统，用于液压控制微型气囊的膨胀程度。为了提供一个空间受限的环境，一个定制的C形塑料袖带被包裹在微型气囊和目标血管周围。研究发现，微型气囊的膨胀与注入管子的水量呈正相关。重要的是，远程控制平台能够在任何膨胀状态下稳定保持。当注射体积达到“完全闭塞”状态时，脑血流速率下降了96.5%。在假手术对照组中，多普勒信号在所有对应时间点保持稳定，证实了观察到的灌注变化是由气囊膨胀特异性诱导的。这种对逐渐闭塞的非线性、阈值依赖性响应挑战了血流随阻塞增加而成比例下降的假设。此外，在闭塞后观察到了过度灌注反应。当小鼠从仰卧位翻转为俯卧位后，逐步闭塞颈总动脉仍能观察到脑血流速度的清晰下降趋势，表明该远程微型气囊驱动系统对于在不同阶段、无论仰卧或俯卧位进行体内血管闭塞都具有稳健且可调的优点。
2.6 高分辨率活体内双光子显微镜监测动态脑血流动力学和血管反应性
接下来，研究人员利用活体内双光子荧光显微镜量化颈总动脉闭塞期间脑血流速率的实时变化。对活体小鼠大脑背侧表面大血管进行线扫描，可以高速跟踪血流速度。微型气囊膨胀到停止体积导致流速显著降低。残余血流可能归因于椎基底动脉系统的贡献。放气后流速迅速恢复。开放血管和重新开放血管之间的血流速率没有显著差异。由于线扫描成像仅限于一维速度测量，无法捕捉闭塞期间并发的形态变化，研究人员利用快速帧率对皮层血管进行全场光栅扫描。有趣的是，观察到完全闭塞后出现快速的血管收缩反应，这种反应在再灌注后立即逆转。对血管分段线的时间推移图像分析也揭示了气囊膨胀后血流速度的急剧降低。这些结果表明，双光子显微镜下的二维光栅扫描可以提供血管对颈总动脉阻塞的响应速度和形态变化。
2.7 利用多模态磁共振成像在微型气囊闭塞模型中实时绘制脑低灌注和缺血损伤
为了评估小鼠在微型气囊诱导颈总动脉闭塞期间不同脑区的血流动力学和氧合变化，研究人员应用了多模态磁共振成像。血氧水平依赖磁共振成像通过低灌注期间脱氧血红蛋白的变化捕获了实时组织氧合变化。气囊膨胀引发了两个半球的BOLD信号快速降低，并在放气后迅速恢复。区域差异明显，在对侧皮层观察到最显著的下降，其次是海马和背侧纹状体，而在椎基底动脉区域（如腹侧纹状体）变化最小。这证实了前部特异性延迟，后部几乎不参与。这些结果与血液供应的解剖分布一致。动态磁敏感对比磁共振成像用于定量控制或颈总动脉阻塞条件下的灌注动力学。相对脑血流图显示闭塞后同侧血流量显著减少。参数图显示了平均通过时间、达峰时间和最大时间在基线时的对称性，在阻塞后转变为显著升高。标准化信号在对侧增加了约5倍、3倍和6倍。同侧在灌注动力学方面也表现出类似的显著延迟。对动态磁敏感对比信号-时间曲线的详细分析强化了这些发现。基线曲线显示陡峭的钆诱导下降和快速恢复。微型气囊的膨胀导致峰值到达延迟、最小值变浅和通过时间延长，这些变化在皮层/海马最为严重，在背侧纹状体中等，在腹侧纹状体可忽略不计。这些变化在大脑对侧更为明显。
该研究开发了一种可远程驱动、用于缺血性卒中小鼠模型中可逆血管闭塞的微型气囊，并且与磁共振成像和双光子显微镜等先进的生物医学成像模式兼容。具体而言，研究人员通过利用两种弹性体前驱体中存在的屈服应力，将气囊尺寸缩小到亚毫米级别；通过消除金属部件确保磁共振兼容性；并实现了精细可调的驱动，用于在不同阶段进行渐进、可重复的膨胀和快速恢复，从而解决了传统方法的局限性。该设备在精确控制、可逆性和成像兼容性方面提供了明显优势。除了神经学应用，这种磁共振兼容的微型气囊在转化应用方面也具备潜力，例如模拟非脑血管狭窄、研究括约肌功能障碍以及用于微创治疗。总体而言，这项研究通过创新的微型器械和先进的多模态成像平台，实现了对脑缺血起始阶段“黑匣子”的动态、可逆探索，为理解卒中早期病理生理机制和开发新型治疗策略提供了强有力的工具。
