尽管铁对神经元功能至关重要，但大脑铁生物学的许多方面还有待澄清。对活体大脑中特定铁形态进行定量检测的能力将为诊断、治疗监测和了解疾病的发病机制开辟新途径。磁共振成像(MRI)是一种可以在亚毫米空间尺度上评估脑组织组成（特别是铁沉积或髓鞘含量）的方法。结合MRI和体外互补分析技术的多模态方法可能会提高检测的特异性。跨学科合作将是推进在MRI数据生物学解释中超越简单相关分析的关键，并对导致与神经退行性病变相关的铁积累和/或再分布的关键因素获得更深入的了解。本文对此进行阐述，文章发表在Trends in Neurosciences杂志。
亮点
新兴的MRI技术（无论在体内还是体外）正在朝着在整个大脑范围内以亚毫米分辨率量化铁浓度或髓鞘含量的方法发展。从分析化学和固态物理借来的辅助技术可以帮助说明和量化铁在大脑中的形态。在使用铁螯合疗法治疗铁沉积相关疾病的临床研究中，获得铁和髓鞘含量定量信息的多参数成像方法可能为评估白质完整性提供有用的生物标志物。
迈向体内组织化学?
我们对人体细胞铁生物学以及细胞和全身铁稳态的广泛原理的理解已经很好地建立起来，但大脑除外[1]。近年来，在衰老和神经退行性变的背景下，脑铁积累获得了很多研究兴趣。这不仅仅是由于使用磁共振成像(MRI)获得的经验证据。铁是影响大脑组织弛豫和磁化率的主要贡献因素[2-5]。但作为伪影来源，磁化率不同的混合物长期以来被认为是MRI的麻烦而不是好处。同时，磁敏感成像为估计体内铁含量提供了独特的可能性。进一步区分铁的特定分子形态将是了解铁积累的功能途径或机制的必要步骤。然而，MRI信号不仅受铁化合物的存在影响。白质(WM)和灰质(GM)之间的强烈对比提示髓鞘对弛豫[6]和磁化率的重要贡献[7,8]。这两者的联合考虑也是从生物学角度出发的，因为铁是髓鞘形成和维持所必需的[9]。因此，影像像物理学家和铁生物学家之间的合作是有必要的。整合互补分析技术(Box 1)对于理解MRI信号的贡献和提供验证的金标准是必要的。为了在方法学和细胞生物学的进步之间取得协同作用，弥合传统上分离的学科之间的概念鸿沟是很重要的。为了加强这一点，我们首先介绍如何使用MRI来表征脑组织。然后，我们将“什么可以测量”整合到髓鞘神经生物学和神经系统中与铁相关的生理学的背景中。
成像组织组成：物理学观点
虽然MRI作为一种表征活体脑组织的方式非常突出，但铁和髓鞘的信息只能间接获得。在介绍具体的方法概念之前，重温一下一些基本方面似乎是有用的。
核进动、弛豫和最丰富的生物分子
MRI依赖于对大量核磁偶极子的集体行为的观察。在磁场中，这些偶极子以拉莫尔频率绕场轴进动，拉莫尔频率与B0(磁场幅值)成正比。在热平衡状态下，偶极子轻微偏向磁场方向，使样本产生与磁场平行(即纵向)的小净磁化强度。为了采集图像采集，通过应用射频脉冲使磁化偏离该方向以产生横向分量。当单个偶极进动时，体磁化也会随之进动，旋转的横向分量在接收线圈中感应出交流信号电压。交流信号的相位反映了进动磁化的方位角，并允许测量拉莫尔频率。弛豫过程导致横向磁化衰减和平衡纵向分量的恢复，时间常数分别为T2和T1。为更方便表示，通常用弛豫速率表示，R2 = 1/T2和R1 = 1/T1。
Box1.死后脑铁含量测定技术 Haacke等人发表了一份关于早期测量大脑铁含量和特定铁化合物的区域分布以及MRI参数的详细总结[33]。除了常规组织学方法（如经典的普鲁士蓝染色或免疫组化），还可利于多模态方法研究死后脑组织中纳米化合物的浓度和分布。铁浓度已可用原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)或中子活化分析法(NAA)量化。激光消融ICP-MS和粒子诱导x射线发射(PIXE)可获得元素空间分布的定量化学信息，并可与聚焦束同步x射线荧光(SXRF)分析相结合，提供出色的空间分辨率和特异性[110]。Mössbauer光谱学、电子顺磁共振(EPR)光谱学和超导量子干涉器件(SQUID)磁强计更适合于结构和/或物理表征，但当使用适当的参考化合物时，它们也可用于定量分析[110,115,140]。 以μg/g组织鲜重为单位量化铁含量适合与MRI结果作比较;然而，在文献中，浓度有时用干重或总蛋白重表示。在这方面，脑组织含水量随年龄和不同脑区(如枕叶皮质~ 83-85%，额叶白质~ 67-72%，SN ~74%，壳核~ 79-85%，尾状核~ 81-87%，苍白球~74%)而变化，并受健康状态的影响[30，141]。因此，首选参考组织鲜重浓度。用福尔马林或其他试剂固定组织可使铁在脑组织中重新分布，可能改变染色强度，并可能改变铁的化学或大分子状态，从而可能对MRI产生影响[142]。同样，死后样品制备过程中的氧化还原反应或在分析过程中暴露于高能探针可能产生铁氧化物，从而与其他分析技术的结果相混淆。最后，应使用非铁制刀片进行解剖，以避免进一步污染[30,143]。
在生物医学MRI中，信号通常来自水分子中的氢核(“质子”)，因为它们是组织中最丰富的核偶极子，也是最敏感的偶极子。因此，信号的大小与组织含水量成正比。然而，MRI并不局限于绘制水的分布。水质子与周围物质的相互作用影响它们的进动和弛豫，这是可以测量的[10]。换句话说，组织中无处不在的水可以用来探测组织组成的其他方面。
质子的纵向弛豫和横向弛豫主要是由其他原子核(例如其他质子)或离子或分子组分中的未配对电子产生的弱偶极场促进的。这些偶极场因分子运动而波动。瞬态横向磁化还受到静磁场变化的影响。空间磁场变化意味着来自不同位置的信号贡献的拉莫尔频率略有不同，并逐渐不同步(即净信号衰减)。分子运动减少了这种失相，因为如果水分子扩散的距离与场变化的长度尺度相当，拉莫尔频率差异就会平均掉。例如，如果成像对象由于存在不同磁化率的化合物而被不均匀磁化，就会出现静电场不均匀。这里，与组织微结构相关的细胞空间尺度特别有趣。总之，MRI信号以有效横向弛缓率R2 * = 1/T2 *衰减，这包括两项[11]:(i)源于分子长度尺度上的偶极场的不可逆的贡献因素，R2 = 1/T2;和(ii) 源于长距离的磁场变化的另一个贡献因素，R2 ' = 1/T2 '。
如前所述，MRI信号的相位及其衰减率R2 *分别为反映了个体内拉莫尔频率分布的均值和宽度[12]。这两个参数都可以使用梯度回波脉冲序列映射。瞬态信号还可以被模拟为包含简单几何形状的物体(例如，用于模拟细胞的球体或用于模拟轴突的圆柱体)的磁化率分布 [13]。通常情况下，需要考虑水的扩散，因为它影响R2 *[11,12,14]。基于磁敏感的MRI的方法学方面
R2 *加权MRI最常用的方法之一是血氧依赖水平(BOLD)功能成像。它依赖于抗磁性氧化血红蛋白和顺磁性脱氧血红蛋白之间的磁敏感差异。BOLD对比也可用于绘制静脉血管大小[15]或氧摄取[16]。磁敏感加权成像(SWI)结合了幅值和相位信息，实现了静脉可视化[17]。
SWI仅将相位作为滤波器来增强T2∗加权图像，而定量磁化率映射(QSM)则使用它来重建体磁化率映射[18-20]。这涉及到解决由磁化率分布引起的非局部B0变化的逆源问题[21]。
更高的场强中的基于相位的场映射在变得越来越受到关注。在回波时间TE≈T2 *时对比度最佳。然而，考虑到大脑由不同T2 *的组织成分组成，多回波采集提供了更好的灵活性。尽管图像采集相当简单，但磁化率映射的重建是一个非常复杂的多步骤过程(参见[25]中的图1)。已经开发了大量的算法来处理各种方法上的考虑和注意事项(例如，多通道相位组合、相位解缠、背景相位去除和正则化)[23-27]。
值得注意的是，磁化率以外的其他来源也会影响相位对比度，例如水和大分子之间的磁化交换(见后文)[28]。另一个问题是，QSM只提供了磁化性的相对度量。绝对量化需要一个已知磁化率的参照物作参考[24]。
铁与基于磁敏感对比的关联
R2 *和QSM都能灵敏地测量磁场扰动。QSM可以进一步区分这种扰动是由抗磁性还是顺磁性化合物引起的。然而，基于磁敏感的对比并没有报告扰动粒子的化学性质。与铁的关联依赖于生物学方面的考虑：铁是大脑中最丰富的顺磁性离子，而非病理浓度的铜或锰太低，无法检测到[29,30]。正常受试者的几个脑区的R2 *和铁浓度之间一直呈线性相关。此外，记录的磁敏感图类似于组织学铁染色的模式，特别是在深部GM(图1A，关键图)[31]中。大多数脑铁(约2/3)储存在铁蛋白(或含铁血黄素)中，或在多巴胺能神经元神经黑色素中(Box 2)[1,32-34]。这些化合物含有数以千计的Fe3+离子，主要以团簇形式存在，具有很强的超顺磁性(Box 3)，使其成为有效的磁场扰动体[14,35]。脑内主要的铁转运单位-转铁蛋白(Tf)的水平仅为铁蛋白水平的十分之一，可能不足以对基于磁敏感的MRI对比产生相关影响[29,33]。低分子铁复合物总浓度更低(见后文) [1,29]。值得注意的是，血红蛋白对GM和WM[36]的相位对比度没有显著影响。
WM的磁化率异质性表明除顺磁性铁[7]外，抗磁性髓鞘也有相关贡献。这与髓鞘校正后QSM与假定铁贮存浓度之间的相关性增高的结果一致[20]。
现在已经确定，主要由于铁的存在(Box 3)，与水[14]相比，GM表现出磁化率的顺磁漂移。WM表现出与髓鞘膜中脂质有序排列相关的抗磁位移和各向异性(图2A)[19,23,37]。由于标量不能捕捉各向异性，因此引入了磁敏感张量作为WM中更合适的度量，并证明其可以用来绘制纤维束[38]。
图1.三维定量磁敏感映射与组织学比较。
(A)活体7 T梯度回波成像[31]显示基底神经节水平额叶深部白质(WM)的横向(i)和冠状面(iii)磁敏感分布差异，并在另外两个固定的人左侧脑半球组织化学染色了三价铁[(ii)珀尔斯普鲁士蓝][2]和髓鞘[(iv) Luxol快速蓝]。壳核(Pu)、苍白球(GP)和尾状核(Cd)中富铁区[(ii)中最大的蓝色强度]显示出较大的正磁化率转移，而富含髓鞘的内囊(IC) [(iv)中深蓝色染色]显示出负磁化率转移。
(B) Perls组织化学显示铁沉积:71岁健康受试者的PU (i)和GP (ii)有丰富的铁沉积，主要在胶质细胞(蓝色染色，箭头)和纤维中[(ii) 星号]。在不含神经黑色素神经元胞质中检测到铁沉积[箭头在(i)和(ii)]，而含有神经黑色素的神经元没有反应性铁沉积(未显示)[34]。一名72岁受试者的运动前皮层(iii)铁沉积较少，主要在胶质细胞(箭头)，而神经元(箭头)普遍缺乏铁沉积。80岁受试者小脑(iv)中，铁沉积物分散在分子层(箭头)、颗粒层(箭头)和WM(星号)中，染色最强烈。有时可以在分子层和颗粒层之间观察到铁沉积(图中箭头所示)，而浦肯野细胞(图中箭头所示)似乎不含反应性铁沉积。Box 2. 人脑中的主要铁化合物 铁蛋白是普遍存在的低聚铁存储蛋白，以水溶性、非反应性、生物可利用的形式存储三价铁(Fe3+)。它们是由重链(H)和轻链(L)两种不同数量的亚基组成的24亚基杂聚合物，，形成一个中空的蛋白质壳，可存储高达4500个Fe3+离子[1]。在储存前，H-铁蛋白将亚铁(Fe2+)氧化为Fe3+，而L-铁蛋白缺乏铁氧化酶活性，有助于蛋白质内部铁核的成核。H -铁蛋白主要存于神经元，而L-铁蛋白主要表达于小胶质细胞。少突胶质细胞表达这两种亚基的混合物。静息期大脑中的星形胶质细胞铁蛋白表达有限[144]。 含铁血黄素是溶酶体内铁蛋白降解后形成的，主要含有Fe3+，可能含有Fe2+。铁比铁蛋白更容易从含铁血黄素核中释放出来([145]和文中引用的文献)。含铁血黄素在铁过载的情况下形成，在积累在衰老(正文图1B)[34101]和AD、PD、进行性核上麻痹和其他神经退行性疾病患者的病变大脑的神经元和胶质细胞中，如 [145]，这表明需要进行彻底的脑成像研究。 神经黑色素由黑色素、脂质和蛋白质组成，形成一种包含在自溶酶体细胞器中的不溶性化合物[146]。神经黑色素能有效地结合神经元中的铁，但这种方式使含有神经黑色素的神经元没有组织化学可检测到的铁沉积(正文中的图1B)[34]。与Fe3+一起，神经黑色素形成两种铁中心，即单核和多核铁复合物。两者都是菱形结构，但具有不同的化学性质和磁性。与神经黑色素结合的铁量因脑区和神经元类型而异 [105]。神经黑色素-铁复合物在SN和蓝斑的儿茶酚胺神经元中丰富，但在其他脑区也存在，浓度较低[105]。 在人脑组织和脑膜中已检测到magnetite纳米颗粒[115]。最近，对大脑磁性成分的空间映射显示，残留的磁性化合物存在于整个大脑中，其中小脑和脑干的浓度最高[118]。这些粒子特别有趣，因为它们影响质子自旋弛豫(因此影响MRI对比)，如果Fe2+从矿物中释放出来，可能会促进神经毒性。这些颗粒是否来自病理铁蛋白[145]、水合氧化铁与β-淀粉样蛋白[109]的相互作用，或者可能来自空气中的颗粒物[117]，目前是一个有争议的问题。
图2.髓鞘形成对质子弛豫的影响。
(A)脑髓鞘由紧密包裹的少突胶质细胞细胞膜层组成，水存在于相邻层间的薄空隙中。髓鞘含水量相对较低(约为其他软组织的一半)，水的流动性降低[152]，水质子弛豫加速[39]。由于大分子质子T2极短，通常不能直接观测到，但通过磁化传递(MT[40])影响水的磁化。细长脂分子的有序排列导致髓鞘的磁化率径向各向异性[37]，其偶极增宽的线形具有方向依赖性[57]。
(B)考虑轴突内(轴浆)、轴突外(轴突之间的空间)和髓鞘区的水质子模型。包括大分子质子在内，以水与大分子间的MT和髓鞘去水交换为耦合路径，形成5或6个质子池。在白质(WM)中，轴突内和轴突外的水通常无法用弛豫测量法区分，四池模型是合适的[42,43]。7T正中矢状面显示10名健康受试者的皮层深度平均T1(C) [153]和有髓纤维的皮层密度(无岛叶和枕叶皮质数据)(D)[154]，两者都记录在Colin27脑图谱上。高髓鞘化区域[(D)深灰色]T1值较短[(C)蓝色到绿色]。
Box 3.铁化合物的磁性 在铁蛋白和含铁血黄素沉积物的核心中存在着纳米铁氢化物(Fe2IIIO3∙0.5H2O)。这种水合铁氢氧化铁的磁性仍在讨论中。然而，人们普遍认为铁蛋白核是抗铁磁性的[147]，其核内或表面的未补偿自旋的存在导致每个粒子的净磁矩约为300波尔磁子(μB)[148]。由于有2纳米厚的外壳，铁蛋白表现得类似于非相互作用的超顺磁体。铁蛋白的磁化率和横向弛豫率大约比magnetite低两个数量级，且具有很强的磁场依赖性[148]。事实上，由于表面自旋倾斜，铁蛋白的磁化不会饱和到非常高的场[147-149]。铁蛋白的弛豫只能通过结合不同的机制来描述:外层机制和质子交换机制。 在神经黑色素中，高自旋Fe3+ (S=5/2)在单核配合物中与邻苯二酚基团的氧原子结合，而在多核配合物中，低自旋Fe3+ (S=1/2)形成氧-羟基聚集体[34]。神经黑色素与铁结合时会产生顺磁性T1缩短效应，这是金属产生的偶极场以及水分子与铁上氢氧根配体之间快速交换的结果[131]。此外，神经黑色素显著影响T2弛豫和组织磁化率[150]。 Magnetite (FeIIFe2IIIO4)是一种每单位净磁矩约为4 μB的铁磁体，它是由八面体晶格位上Fe3+和Fe2+自旋之间的竞争性铁磁耦合以及八面体点位和四面体点位上Fe3+自旋之间的抗铁磁耦合产生的。大脑中的Magnetite纳米颗粒由于体积小(中位数~20 nm)，在室温下具有超顺磁性[117]。在MRI实验的典型场强中， magnetite在80-90 A m2 /kg范围内显示出很大的磁化强度，这取决于颗粒大小[151]。正如外层机制所描述，在粒子附近，横向质子弛豫大大增强， [149]。 Maghemite (γ-Fe2IIIO3)是另一种氧化铁，可被认为是缺Fe2+的magnetite (在八面体晶格位上的空位)。它也是铁磁性的，并显示出与magnetite类似的磁性和结构性质。因此，通常很难区分这两种形式。从病理组织中获得的铁蛋白的核心中均已发现了maghemite和magnetite [145]。
图3.脑中的铁运输。 左上起:一旦铁(空心圆和实心圆分别表示亚铁和三价铁)从脑毛细血管内皮细胞中释放出来，就会被星形胶质细胞的血管周围端足所吸收。星形胶质细胞通过铁转运蛋白(FPN)释放Fe2+，铁转运蛋白可被铜蓝蛋白(Cp)氧化，并与脱铁转铁蛋白(apoTf)结合，被神经元和小胶质细胞吸收。这涉及到经典的转铁蛋白到细胞周期，包括STEAP还原酶和二价金属转运蛋白1(DMT1)。少突胶质细胞可通过T细胞免疫球蛋白和含粘蛋白结构域蛋白2 (Tim2)从小胶质细胞释放到间质液的铁蛋白(Ft)中吸收铁。
基于弛豫的髓鞘敏感MRI
鉴于铁和髓鞘都影响组织的磁化率，需要进一步的信息来理清两者的贡献。因此，下面讨论对髓鞘形成敏感的弛豫测量技术，以及潜在的模型假设。并应记住R1、R2和R2*不仅受髓鞘的影响，也受铁或其他化合物的影响[4]。
在相邻髓鞘膜层之间的封闭环境中(图2A)，水质子与非水成分发生频繁的相互作用。这加速了横向和纵向弛豫[39]，并诱导水和大分子质子之间的磁化交换(通过交叉弛豫或化学交换)，通常称为磁化传递(MT)[40]。这些因素中的每一个都有助于反映髓鞘含量的MRI对比。已有旨在模拟髓鞘的作用的实验研究，但一些细节仍不清楚[41-43]。对于临床实用的MRI来说，只包含三个显微解剖隔室的WM模型(图2B)已经太复杂了(考虑到模型参数的数量)。相反，髓鞘的作用在更简单的模型中得到了最好的评价。
对于R2或R2*的测量，一种常见的简化方法是忽略大分子质子，并将轴突内和轴突外空间视为一个不与髓鞘间室发生明显水交换的腔室。通过多指数R2[44-46]或多指数R2*分析[47,48]可以将髓鞘-水信号分数(MWF)与轴索内和/或轴索外水信号区分开来。多项研究支持MWF是髓鞘含量相关指标 [49,50]。对于R2或R2 *，信噪比(SNR)要求很高。此外，髓鞘和轴突内和/或轴突外间隙之间没有水交换的假设可能并不总是成立的，特别是在较小的轴突和较薄的髓鞘中。这可能导致低估髓鞘含量 [51-53]和轴突大小依赖的MWF估计。
同样的简化模型可以应用于R1的测量，可以通过纵向弛豫的多指数分析估计MWF（髓鞘-水信号分数）[54]。与前面讨论的一样，这种方法也面临着同样的信噪比和水交换挑战。由于大分子质子池MT可能存在不准确性[43,55-57]，这在纵向弛豫中通常是不可忽视的。从务实角度来看，这种混淆可能不是一个实际问题，因为MT也依赖于髓鞘。
因此，MT（磁化传递）对比可直接用于测量髓鞘形成。尽管髓鞘不是MT的唯一来源(例如，其他细胞膜也与水交换磁化)，但髓鞘形成已被证明与MT对比有关[58]。MT的定量测量可以通过不同的脉冲序列实现[10,56,59-61]。另一种方法是假设MT是影响R1测量值的主要因素[4,62]。因此，即使是适当校准T1-对比也可以提供关于髓鞘形成的足够的半定量信息[63,64]。尽管过于简化，但该模型作为一种快速、高分辨率的髓鞘映射方法已受到广泛欢迎，尤其是在皮层(图2C,D)[65]。然而，上述模型是针对WM建立的，而由于GM具有特有的层结构和较低的髓鞘含量，其MR可能有所不同。
目前，还没有肯定优于其他方法的单一方法可以将MRI测量结果与髓鞘含量联系起来。多指数R2和定量MT可能使用最合理的模型。虽然R1测量方法可能对髓鞘特异性较低，但其采集更快，分辨率更高和特异性吸收率更低。
从生物标记物到神经生物学
到目前为止，我们已经讨论了MRI如何根据物理参数(例如，磁化率、弛豫率和MT参数)提供组织特性的生物标志物。在物理信号模型的背景下，这些生物标志物是定量的，它对分隔或交做出了简化的假设。鉴于它们对多种基质(如铁、髓鞘和含水量)非常敏感，多参数成像方法越来越受到人们的关注[66,67]。数据驱动的方法(如独立成分分析和机器学习)可用于提高组合图像的生物学特异性[68]。生物物理正向模型旨在计算由选定组织特性(如铁和髓鞘分布)引起的对比[69]。然而，从MRI数据估计浓度的模型反演较复杂，通常是模棱两可。这一过程的一个关键步骤是使用补充技术报告组织组成的离体验证(Box 1)。进一步完善生物物理模型对于解释铁的不同分子形式及其在细胞类型和亚细胞间的不均匀分布很重要(见后文)。这些都是当前神经影像学研究中需要生物学家参与的课题。虽然MRI提供了体内的组织组成，但从生物学角度来看，它仍然需要将已获得的铁沉积(如铁储存)的信息整合到铁稳态和铁运输概念，以及与发育和/或衰老或疾病相关的变化。
人类铁生物学的全局观点
细胞铁生物学包括将铁吸收到组成不确定的低分子量细胞质池中，称为“不稳定铁池”(LIP)，并将其用于含铁蛋白质的金属化，储存在普遍存在的铁存储蛋白铁蛋白中并输出(如参考文献[70]中的图3)[1]。在身体的大多数细胞中，铁的内稳态由铁调节蛋白(IRPs;如参考文献[70]的图4) 在信使RNA的翻译或稳定水平上调节。在缺铁的情况下，IRPs与存在于mRNA的5'-和3'-非翻译区的顺式调控RNA发夹结构(铁调控元件，IREs)结合。因此，阻止了铁储存、输出和利用的蛋白质合成，而细胞对循环Tf的摄取增加，从而增加了LIP内的铁水平。一旦这一水平达到临界点，或者在铁过量的情况下，IRP失去与IREs结合的能力，储存、输出和使用的蛋白质被合成，而Tf mRNA则被降解。因此，“铁控制铁”[71]，LIP水平起着触发器的作用，在两种状态之间切换IRE-IRP系统，微调细胞内铁代谢。
全身铁稳态涉及铁调素-膜铁转运蛋白轴，该轴通过跨膜输出蛋白膜铁转运蛋白和铁调素的相互作用，协调铁从十二指肠肠上皮细胞、参与衰老红细胞铁回收的巨噬细胞和门脉周围肝细胞输出到血流。铁调素由肝脏合成和分泌，其表达受铁状态、红细胞生成需求、炎症等因素调控[72]。铁调素的结合引发了膜铁转运蛋白中赖氨酸残基的泛素化，伴随着它的内吞、内化和降解，从而取消了铁输出。当铁调素合成停止时，膜铁转运蛋白可以再次恢复铁的输出。
铁生物学和大脑
脑铁转运如图3所示。铁穿越血脑屏障(BBB)的运输涉及Tf通过脑毛细血管内皮细胞的摄取，可能是通过经典的转铁蛋白-细胞周期[73,74]。一旦铁被释放到LIP中，apo-Tf被回收回腔膜，在腔膜中被释放。亚铁(Fe2+)通过膜铁转运蛋白从内膜内皮细胞运输到间质液(ISF)。ISF中的Fe2+可被膜结合的铜蓝蛋白或亚铁氧化酶以及周细胞和星形胶质细胞分泌的可溶性铜蓝蛋白氧化为Fe3+[74]。然后，Fe3+可以以星形胶质细胞分泌的柠檬酸、ATP或抗坏血酸(非转铁蛋白结合铁，NTBI)复合物的形式，或通过Ward等人综述的其他机制进入脑细胞[75]。Fe3+也可与Tf结合，通过脉络膜丛分泌到ISF。
不同类型脑细胞中的铁
神经元吸收铁，主要是通过转铁蛋白受体(TfR)介导的内吞作用从Tf吸收铁，并通过膜铁转运蛋白输出多余的铁(图3)[75]。与神经胶质细胞一样，来自细胞质LIP的神经元铁可以储存在铁蛋白中或用于含铁蛋白质的金属化。如上所述，星形胶质细胞从血脑屏障中吸收NTBI。据报道，小胶质细胞中同时含有TfRs和膜铁转运蛋白[76]。成人大脑中主要的含铁细胞是少突胶质细胞，尽管在大脑发育过程中，小胶质细胞首先将铁染色为铁蛋白，然后铁染色转移到少突胶质细胞[77]。成熟少突胶质细胞获取铁的机制多年来一直是个难题，因为它们不表达TfRs。最近，研究证明H-铁蛋白在啮齿类动物[78]和人类[79]中为这些细胞提供铁。不同类型的脑细胞均表达铁蛋白是强有力的间接证据，证明它们都含有足够的需要储存的细胞内铁。
脑铁稳态的调节与炎症的影响
脑铁稳态在细胞水平的调节显然涉及IRPs及其对TfR1和铁蛋白的调节。IRP2缺乏导致大脑铁调节紊乱[80,81]，但结果并不一致，对髓鞘形成的影响似乎很小。如前所述，二价金属转运蛋白1 (DMT1)的突变会导致铁稳态严重破坏，包括髓鞘丢失[82]。目前尚不清楚铁调素是否在脑铁稳态中起关键作用，是否由特定的细胞在脑内局部合成，或铁调素在肝脏合成后是否能够穿过血脑屏障。这些问题仍有待解决。
炎症刺激后，星形胶质细胞和小胶质细胞中铁调素表达增加，但神经元中不增加。此外，在所有三种细胞类型中，DMT1的表达增加，而膜铁转运蛋白1的表达减少[83]。最终结果是神经元和小胶质细胞中的铁积累增加，但在星形胶质细胞中不增加。最近，一种模型被提出，炎症启动细胞间信号级联，其中激活的小胶质细胞刺激星形胶质细胞释放铁调素，转而又向神经元发出信号，阻止铁释放，导致神经元死亡[84]。在正常情况下，成人大脑中的小胶质细胞处于非激活状态，呈分枝状形态。当检测到异常时，一系列的事件启动，形成一个变形小胶质细胞表型，并导致促炎因子和抗炎细胞因子的释放。
与髓鞘相关的铁生物化学
少突胶质细胞中铁的获取和分布
GM和WM中均可见铁染色的少突胶质细胞。尽管WM束中的少突胶质细胞分布均匀，但铁阳性的少突胶质细胞出现在不同大小的斑块中[85,86]。这些斑块可能与穿过WM的血管有关[85]。尽管排列整齐，对TF或铁蛋白着色的少突胶质细胞均匀地出现在WM中 [85,87]。[85,87]。
少突胶质细胞是用于铁染色的主要细胞类型的原因可能是其高代谢率[88]与髓鞘的产生和维持有关，以及其相对最小的体细胞细胞质。少突胶质细胞的铁积累并不依赖于髓鞘的结构完整性[87]。如果少突胶质细胞发育受阻，铁就会在星形胶质细胞和小胶质细胞中积累。
铁在少突胶质细胞生物化学和髓鞘产生中的作用
从功能上讲，许多与髓鞘的产生和维持有关的酶的活性都需要铁。出生后发育过程中缺铁最显著的后果之一是髓鞘形成减少。脑内铁摄取的峰值出现在髓鞘形成的峰值时刻[89]。有多个缺铁儿童的研究案例发现诱发电位潜伏期增加，这被解释为髓鞘形成不足。在这方面，铁和髓鞘特异性MRI采集将特别有价值。啮齿类动物体内铁的利用率降低导致髓鞘蛋白、脂类和胆固醇的表达减低[90-92]。尽管没有任何完整的髓鞘蛋白被铁直接调节的报道，但在少突胶质细胞中有大量唯一表达或富集的铁依赖酶[85]。脂质的合成和分解也依赖于铁[93]。
铁在支持少突胶质细胞代谢活动方面的作用常被忽视。部分原因可能是缺乏对少突胶质细胞的生化铁需求与髓鞘产生之间区别的认识。鉴于少突胶质细胞的功能依赖于铁，临床研究使用铁螯合疗法治疗铁沉积相关疾病应该监测WM的变化。这再次提示需要多参数MRI来评估铁和髓鞘。许多这类疾病已经报道了明显的低髓鞘化[94,95]，由于髓鞘完整性影响运动和认知，因此WM完整性的进一步降低将影响功能预后。
已有几项研究涉及神经退行性变和脑铁沉积的遗传突变，这些突变通常与髓鞘代谢异常有关[96]。例如，R2表明HFE基因突变导致整体铁积累增加，这与小鼠和人类的髓鞘减少有关[97,98]，这可能表明髓鞘中的胆固醇降低。虽然早期实验表明质子弛豫对膜胆固醇含量特别敏感[6]，但尚不清楚髓鞘脂质组成的改变如何影响基于弛豫的MRI。髓鞘占脑胆固醇含量的80%[99]，在HFE基因变异的实验模型中髓鞘减少[97]。贝尔格莱德大鼠是另一种髓鞘在MRI显示髓鞘破坏的动物模型，它的DMT1基因突变可导致铁的可用性降低。髓鞘组成尚未直接评估，但WM中的铁染色明显减少，尽管其仍与少突胶质细胞有关，且铁阳性的少突胶质细胞与WM血管的相关性显著[82]。黏脂脂症是一组影响溶酶体功能的遗传代谢性疾病，据报道，人类和动物体内WM和铁沉积异常也见于粘脂脂症[100]。
衰老和神经退行性变中的脑铁积累
总铁含量最高的区域是大脑运动区域，包括壳核、苍白球、尾状核、皮质和黑质(SN)[75,101,102]。衰老与大脑中铁积累增加有关，最近的QSM研究表明，尾状核、壳核、伏隔核和苍白球中的铁显著增加[103]。特定铁化合物的水平随着年龄的增长而增加，包括运动区和额叶皮层的H-铁蛋白，SN（黑质）和苍白球[101,104]以及含有不同数量结合铁的神经黑色素(图1B)[105] 的L-铁蛋白。在许多脑区，上述铁化合物的年龄相关变化仍不清楚。这些数据的可用性将为理解MRI变化提供必要的基线。为了研究铁化合物在疾病状况中的作用，有必要对健康老龄化进行纵向研究，以检测铁化合物在后来可能发展为疾病的受试者中的早期变化。
其中一些铁的变化与神经退行性变风险的增加有关，而大多数神经退行性疾病的一个显著特征是总铁和LIP在特定脑区的积累[75,106]。在这些脑区内，有多种因素引起的神经元丢失，包括铁诱导的自由基损伤、炎症、蛋白质错误折叠和/或聚集，或线粒体功能障碍。疾病包括亨廷顿舞蹈病、弗里德赖希共济失调，以及泛酸激酶相关的神经退行性变、酸性纤维原酶血症和神经铁蛋白病，这些疾病编码铁代谢蛋白的基因发生突变。在此，我们简要介绍了铁在三种主要神经退行性疾病中的作用[阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和多发性硬化症(MS)]，这些疾病的发病机制大多是非遗传类型的。
阿尔兹海默病
阿尔茨海默病是一种与年龄有关的神经退行性疾病，导致认知能力下降、记忆丧失、性格和行为改变。典型的组织病理学特征是沉积在细胞外的β-淀粉样肽作为淀粉样斑块，以及细胞内神经纤维缠结形式的tau蛋白。病理上，铁大量存在于淀粉样斑块和神经纤维缠结中[107,108]。斑块相关铁在体内的确切形式尚不完全清楚。体外研究表明，β-淀粉样蛋白具有减少水合氧化铁的能力[109]，并且存在具有magnetite和/或maghemite结构的铁蛋白核大小的纳米颗粒[110]。局部铁的积累可能会剥夺大脑其他区域的铁，从而损害神经元功能。AD患者额叶皮层、壳核、SN（黑质）和苍白球中的H-和L-铁蛋白浓度低于对照组 [104]。AD患者颞叶皮层铁和铁蛋白含量升高;然而，AD患者皮层铁蛋白的铁负荷与正常人相似[111]。在AD颞叶皮层中，铁的浓度高于对照组，在海马组织化学发现了反应性铁[112]。最近，QSM对铁积累的测量与AD患者认知能力下降更快有关[113]。
一项系统meta分析确定了铁积累增加的八个区域(包括颞叶、顶叶和额叶)[114]，这也与激光消融电感耦合等离子质谱(ICP-MS)数据一致[85]。铁的形式包括被铁蛋白包裹铁氢化物，和少量magnetite (QSM很容易检测到)，约占总铁的1%，这可能在患者之间有很大差异(Box 1-3)[111,115-118]。形成富Fe2+，氧化还原活性物种导致活性氧物种持续来源的重要性有待澄清。神经炎症可能是脑铁的一个重要来源，它可以激活小胶质细胞，增加其细胞内铁蛋白（主要是L -铁蛋白）的含量[119]。
在AD中，蓝斑中含有神经黑色素的去甲肾上腺素神经元的早期丢失导致上述症状[120]，MRI也显示了相应的神经黑色素丢失[121]。原则上，蓝斑的铁化合物可能与神经退行性变有关，但有关这些化合物的数据仅在健康衰老中报道过[101]。需要进行死后和活体内调查以确定铁化合物在AD期间蓝斑神经退行性变中的可能作用。
帕金森病
PD是第二常见的神经退行性疾病，主要特征是中脑腹侧SN（黑质）致密部多巴胺能神经元的进行性丢失和总铁积累增加约两倍。随着疾病严重程度的增加，SN致密部和网状部的总铁含量也增加，这与运动障碍有关[122]。然而，目前尚不清楚症状恶化是否与铁蛋白、神经黑色素或LIP改变有关。因此，需要专门的研究来确认这些铁化合物是否可能是合适的治疗靶点。与对照组相比，额叶皮层、SN和苍白球中H-和L-铁蛋白减少[104]。PD患者SN中总铁升高而铁蛋白降低，提示铁蛋白铁负荷高和/或LIP升高。PD患者SN中神经黑色素-铁复合体的浓度下降是由于含有神经黑色素的多巴胺能神经元的选择性退变所致。这里，神经黑色素含铁量增加，并且部分铁具有氧化还原活性[123]。然而，在PD中，过剩的铁在不同的铁存储分子之间的重新分配值得进一步研究。对铁积累的合理解释包括血脑屏障功能障碍、血脑屏障通透性增加、神经胶质细胞激活改变铁稳态、通过特定受体和/或转运体改变铁转运，或与铁转运和结合蛋白相关的突变。DMT1表达的增加可能通过其转运Fe2+的能力参与PD的发病机制[75]。一个典型的组织病理学标志是神经元内的路易小体，它由聚集的α-突触核蛋白(和其他蛋白质)组成，氧化还原活性铁可能在其中积累[75]。PD患者的颞叶皮层的研究显示铁含量降低[124]，苍白球铁含量也降低[122]。SN中的神经元外神经黑色素(由凋亡神经元释放)周围发生在小胶质细胞增生(即神经炎症) [125]，这可能是LIP含量增加的重要因素。
在健康受试者中，神经黑色素-铁复合体主要影响SN的 MRI对比。研究人员在PD患者的SN中观察到，由于儿茶酚胺色素(多巴胺能)神经元的丢失，神经黑色素-铁复合物减少，同时总铁水平增加[122,126]。事实上，SN（黑质）中神经黑色素的丧失和与之相关的铁螯合能力的丧失可能是PD的特征，并可通过MRI检测到[127]。神经黑色素敏感T1加权MRI显示PD患者SN信号强度减弱[128]，与新发PD相比，PD晚期对比度降低[129]。到目前为止， T1与神经黑色素和/或神经元损失之间还没有定量关系。因此，需要在PD患者SN中设计T1与神经黑色素-铁复合体含量相关的体外实验来评估这种关系。一项使用T2*作为生物标志物的初步临床试验表明，铁螯合剂从特定脑区去除铁可改善PD症状[130]。神经黑色素铁复合物的顺磁性，由于与铁等金属结合，导致T1缩短[131];因此，测量SN中的神经黑色素敏感对比可能是PD等神经退行性疾病的一种有用的诊断生物标志物。
多发性硬化
在多发性硬化症中，髓鞘受损，损害大脑和脊髓功能。弛豫测量法和MT被广泛用于MS的研究，特别是髓鞘完整性(如 [49,58,132,133])。这一重要的研究领域超出了本次审查范围。在铁相关的调节失调方面，MS中异常高的铁水平同时发生在多个深部GM结构中，而WM则在小胶质细胞和少突胶质细胞中有反应性铁和铁蛋白的病理沉积，通常位于血管附近的炎症部位。退化的少突胶质细胞也会释放铁，并沉积到小胶质细胞和巨噬细胞[134,135]。异常铁沉积的机理还不完全清楚。目前还不清楚这种沉积是否有不良后果并有助于发病。未知形态的铁可集聚在线粒体、小胶质细胞、巨噬细胞、神经纤维网和神经元。研究铁化合物及其在不同脑细胞间室中积累的数量是研究其在MS发病机制中的作用和解释MRI结果的前提件。铁积累可能是由于炎症、血脑屏障通透性增加和富含铁的巨噬细胞渗透到实质。
总结与展望
MRI在过去的几年里已经成熟，可以评估体内脑铁水平和髓鞘形成。它是研究与铁积累相关的神经退行性疾病的首选方式。优化和标准化跨磁场强度和仪器平台以及图像处理软件的采集协议对于获得更可靠的生物标志物至关重要。最近对27种不同QSM方法的系统比较是朝着这个方向迈出的一步[136]。理解MRI结果可能得益于转录信息的整合[137]。基因控制的选择性摄取铁蛋白或超顺磁磁性铁蛋白是另一个令人兴奋的研究方向，它允许在细胞水平上进行定制化对比操作[138,139]。为了改善诊断和治疗监测，提高对不同铁分子种类及其细胞分布的特异性是未来MRI方法发展的目标。将神经成像发现与神经生物学联系起来的尝试将是一项跨学科的事业。
