《經腦間質途徑藥物分子擴散的數學建模與算法研究》是依託北京大學，由袁蘭擔任負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：經腦間質途徑藥物分子擴散的數學建模與算法研究
- 項目負責人：袁蘭
- 依託單位：北京大學
- 項目類別：重大研究計畫
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
經腦間質途徑給藥是治療神經系統疾病一種新思路,腦細胞外間隙中分子擴散的定量描述是指導經腦間質給藥的前提和技術難題。本課題組發明了磁共振示蹤法，以Gd-DTPA作為示蹤劑，利用核磁共振成像技術顯示示蹤劑在腦間質內的擴散、分布與清除過程。先對藥物在腦間質中的時空分布準確定量，再套用經典擴散方程反演，對像素水平的微觀參數進行擬合，最後測量迂曲度、清除率等微觀參數。研究結果表明，腦間質內分子擴散表現出不同程度的各向異性，並且不同腦區間質內分子擴散規律也不同。對經典擴散方程及原有假設的研究雖然可以得到大腦腦間質結構的初步信息，但是難以實現對腦間質複雜結構的精確描述，也不能套用於指導對患者的個體化用藥。本項目以不同腦區間質擴散進行定量分析為基礎，建立基於腦間質內藥物在非均勻各向異性介質中擴散的數學模型，並利用數值方法進行求解，從而明確腦間質結構和生理功能的擴散特徵，最終實現經腦間質途徑精確定量給藥。
結題摘要
本項目以定量分析不同腦間質藥物擴散的時空分布為基礎，建立基於腦間質內藥物在非均勻各向異性介質中擴散的數學模型，並利用數值方法進行求解，從而明確腦間質結構和生理功能的擴散特徵，最終實現經腦間質途徑精確定量給藥。為了實現對不同腦區間質擴散進行定量分析，首先，創建了光、磁影像數據採集平台，通過核磁共振成像（MRI）技術獲取小分子示蹤劑Gd-DTPA在全腦細胞間隙（ISS）的三維可視化時空分布，實現像素水平的微觀參數擬合，測量迂曲度、清除率等微觀參數；結合雷射掃描共聚焦顯微鏡成像技術（LSCM）和多種給藥方法，建立了基於光信號和射頻信號源的分子影像數據採集平台；並研究了正常大鼠腦部藥物擴散分區的結構特徵。該平台符合示蹤探針、瓊脂糖凝膠、動物模型對信號採集的要求，採集的數據與該數學建模之間有很好的對應關係。第二，建立了數學模型，基於示蹤劑的濃度時空分布，設計了數值方法計算方程的擴散係數（D）、流速（u）、體積分數（α），包括示蹤劑在腦組織細胞外間隙運動的三維擴散模型、瞬時點源對流擴散模型、連續點源對流擴散模型。第三，對多個腦區進行光、磁成像並研究藥物在各個腦區分布的機理，發現分子的擴散與水通道蛋白AQP4及基質的含量有關。第四，套用磁共振示蹤技術定量比較了不同時期的大鼠神經膠質瘤細胞外間隙擴散參數。研究發現：隨神經 膠質瘤進展，細胞間隙擴散參數發生變化；細胞外基質的含量影響細胞外間隙擴散；本研究有助於我們認識神經膠質瘤微環境，為經間質途徑治療神經膠質瘤提供參考。本課題的數學建模與算法研究結果還可以用於指導其他神經系統疾病的治療。
