正常山羊腰椎間盤營養(yǎng)途徑的DCE-MRI觀察

杜 恒，麻少輝，管 民，尹戰(zhàn)海，韓 博，楊廣夫，張 明，劉 淼

(1.西安交通大學醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院骨科，西安 710061;2.西安交通大學醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院影像科，西安 710061;3.西安市高新醫(yī)院放射科，西安 710075)

正常山羊腰椎間盤營養(yǎng)途徑的DCE-MRI觀察

杜 恒1，麻少輝2，管 民2，尹戰(zhàn)海1，韓 博3，楊廣夫3，張 明2，劉 淼1

(1.西安交通大學醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院骨科，西安 710061;2.西安交通大學醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院影像科，西安 710061;3.西安市高新醫(yī)院放射科，西安 710075)

目的 研究正常山羊腰椎間盤軟骨終板營養(yǎng)途徑。方法 選取健康24月齡山羊8只，每只山羊觀察4個腰椎間盤，共32個腰椎間盤。麻醉后，行磁共振動態(tài)增強掃描，觀察感興趣區(qū)的信號變化特點。分別測量增強前及增強后 0 min、5 min、10 min、30 min、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h 感興趣區(qū)信號強度值，分析時間-信號強度曲線及峰值出現(xiàn)時間。結果 椎體磁共振信號強度在0 min時達到高峰后迅速下降;軟骨終板區(qū)在30 min時緩慢達到第一高峰后輕度下降，于2 h上升達到第二高峰;髓核在5 min內為負值，之后緩慢上升于2 h達到高峰，隨后逐漸下降。結論 正常山羊腰椎椎間盤主要通過軟骨終板途徑進行營養(yǎng)代謝。

磁共振成動態(tài)增強;髓核;軟骨終板區(qū);釓卞氧丙基四乙酸鹽(釓貝葡胺);山羊

1 材料與方法

1.1 研究對象

選取健康成年山羊8只(西安交通大學醫(yī)學院動物中心提供)，24月齡，體重為35～45 kg(平均41.3 kg)。標準飼養(yǎng)條件下適應性飼養(yǎng)2周。

1.2 儀器與方法

使用Philips Intera Achieva 1.5T雙梯度磁共振系統(tǒng)。術前禁飲食24 h，術前30 min肌注阿托品0.03～0.05 mg/kg。山羊肌內注射速眠新(0.3 mL/kg體重)基礎麻醉后，持續(xù)耳緣靜脈滴注丙泊酚(2 mg/kg)維持鎮(zhèn)定，并行氣管插管術。在腰椎背側放置裝有純凈水的50 min注射器作為水模。體表定位采用SENSE相共振體線圈包裹羊腰椎水平，側臥位，尾先進。先行T2WI-TSE-SPAIR(TR/TE=3500 ms/60 ms，層厚/層間距 =4.0 mm/0.6 mm，掃描時間為211 s)掃描。排除掃描野內腰椎間盤區(qū)域無退變畸形。然后進行矢狀位T1-TSE-SPIR(TR/TE=400 ms/7.8 ms，層厚/層間距 =4.0 mm/0.6 mm，掃描時間為211 s)平掃。之后行DCE-MRI，經耳緣靜脈留置針注射增強造影釓貝葡胺(離子型、分子量1058.17)，劑量為0.3 mmol/kg。以推注完造影劑后掃描作為 0 min，分別于 0 min、5 min、10 min、30 min、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h 掃描，序列為矢狀位T1-TSE-SPIR，參數與平掃時完全相同。全部實驗用時約5～7 h。

1.3 MRI分析

掃描結束后選取腰椎正中矢狀位層面，感興趣區(qū)(region of interest，ROI)分別選取相應椎間隙上下椎體、上下軟骨終板區(qū)、髓核共五個區(qū)域。按照觀察部位形態(tài)，椎體及終板區(qū) ROI選取矩形，像素數目分別為80和12個;髓核區(qū)ROI選取橢圓形，像素數目為16個。在水模區(qū)放置矩形 ROI，像素數目為100個左右。選取 ROI時避免容積效應影響(見圖1)。在相同的窗寬窗位下分別測量并記錄不同時間點掃描野內顯示清晰的腰椎間盤各自5個ROI信號強度值。繪制椎體、軟骨終板區(qū)及髓核時間-信號強度曲線。

1.4 統(tǒng)計學分析

統(tǒng)計處理使用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件。P＜0.05認為有統(tǒng)計學意義。

圖1 髓核及水模ROI選擇示意圖Fig.1 Diagram of the selection of ROI in nucleus pulpous and water model

2 結果

8只山羊均順利的完成了實驗，實驗后拔除耳部靜脈留置針及氣管插管，約5 min后山羊清醒。

2.1 髓核納入

在掃描野內，8只羊共計32個顯示清晰并無發(fā)育畸形，髓核退變的腰椎間盤納入本研究。

2.2 正常山羊腰椎間盤形態(tài)觀察

在T2WI-TSE-SPAIR序列上髓核呈均勻高信號，形狀為橢圓形，外周纖維環(huán)及軟骨終板呈低信號(圖2A);在 T1-TSE-SPIR序列上正常腰椎間盤可見，與T2-TSE-SPAIR顯示相近。髓核與椎體間可見條帶狀低信號區(qū)，本研究將此區(qū)域定為軟骨終板區(qū)(圖2B)。

2.3 MR動態(tài)增強掃描各個區(qū)域信號強度變化

靜注釓貝葡胺后，上下椎體信號強度均在0 min時迅速達到高峰然后較快下降，于1 h開始逐漸上升，于2 h出現(xiàn)第二個較低峰值，隨后逐漸下降。上下椎體信號強度變化趨勢基本一致。上下軟骨終板區(qū)在10 min時緩慢達到較緩峰值，輕微下降后較快上升到2 h出現(xiàn)第二個峰值。上下軟骨終板區(qū)曲線未重疊，下軟骨終板區(qū)信號強度高于上終板區(qū)。髓核在5 min內顯示為負值，之后緩慢上升，至30 min時上升增快，于2 h達到高峰，隨后逐漸下降。(圖2C)。各感興趣區(qū)的值進行統(tǒng)計學處理后，描繪出時間-信號強度曲線(圖3)。

圖2 MR掃描序列示意圖Fig.2 Diagram of the MR scanning sequence

3 討論

許多研究表明椎間盤的營養(yǎng)主要通過終板途徑，終板的退變與椎間盤退變也有著密切的關系。Horner等［3］研究表明，髓核細胞的密集程度受營養(yǎng)物質多少的調節(jié)，營養(yǎng)物質的減少會導致髓核細胞活性的下降以及細胞數目的減少，進而導致椎間盤的退變。Benneker等［4］研究發(fā)現(xiàn)椎間盤骨性終板內通道的大小、密度同退變密切相關，通道的阻塞可能是細胞營養(yǎng)不足、基質合成下降而導致髓核退變的原因。

但是Hutton等阻斷犬的單側終板營養(yǎng)途徑長達70周，在解剖學及形態(tài)學上卻未發(fā)現(xiàn)明顯椎間盤退變［5］。因此對椎間盤終板途徑的研究以及該途徑與椎間盤退變的關系的研究有著重要的價值。

3.1 實驗動物的選擇

應用實驗動物模型，通過控制動物種類、年齡、性別、體重、飼養(yǎng)環(huán)境、活動范圍等因素，限制活動，可以很好地、有效地控制非實驗因素，保留實驗因素。椎間盤退變動物模型要求與人類的椎間盤退變及突出具有相似性和可比擬性，應包括以下幾個方面：(1)能再現(xiàn)椎間盤退變的組織學特征和椎間盤突出的形態(tài)學特征;(2)模型重復性好;(3)所選動物解剖和生理特點盡可能與人類近似［6］。用與人類最相近的靈長類動物(猴)建立椎間盤退變模型很理想，在生物進化方面同人類的親緣關系密切，且其腰椎間盤與人類在生物化學、機械力學特性方面類似，是用于制作椎間盤退變模型理想的動物［7］。但因經濟、法律因素其應用受到一定限制。近10余年來，傾向于選擇豬、羊或犬等較大動物建立椎間盤突出和退變模型［8-9］。山羊除了具有性格溫順、易于飼養(yǎng)和管理，價格相對較便宜，飼養(yǎng)成本低，體形大，可以反復獲取血、尿標本和組織標本等優(yōu)點外，重要的一點是山羊可以在長時間鎮(zhèn)靜麻醉的情況下進行MRI動態(tài)增強掃描，并且影像學資料清晰、較易分辨。本實驗時間長達5～7h之多，山羊顯示出良好的耐受性。本實驗選用24月齡的山羊，相當于人的青春期，此階段椎間盤結構穩(wěn)定，且尚未開始發(fā)生退行性改變。

3.2 DCE-MR在髓核營養(yǎng)機制的研究

最早的椎間盤營養(yǎng)通路研究是通過將熒光或放射活性標記物注入動物椎間盤來進行的研究證實，標記物從椎體和纖維環(huán)外周的組織滲透入椎間盤［10-11］。近年來，越來越多的研究運用磁共振技術。DCE-MRI通過測量順磁性造影劑進入椎間盤的快慢及多少反映椎間盤的營養(yǎng)擴散過程，具有可重復、無創(chuàng)、可定量分析的優(yōu)點，是一種新的研究椎間盤營養(yǎng)機制的方法［12］。

3.2.1 椎體時間-信號強度曲線：磁共振造影劑經靜脈進入血循環(huán)后，通過兩個途徑到達椎體：自脊動脈發(fā)出的分支經椎體后正中進入椎體;自腰動脈、肋間動脈發(fā)出的分支經椎體前外側進入椎體。進入椎體的血管呈水平位向椎體中心分布，相互吻合后以放射狀向上下發(fā)出樹枝樣分支，分別伸向椎體兩端，進而在椎體終板及其下吻合成血管網襻［13］。因此在造影劑進入血循環(huán)后，椎體磁共振信號強度即迅速達到高峰，之后隨著血藥濃度的逐漸下降。于1h時曲線逐漸上升，至2h時到達第二高峰，推斷此過程形成可能是由于造影劑隨髓核代謝排除，經終板逆向到達椎體，而此峰值顯著低于第一高峰。

3.2.2 終板區(qū)時間-信號強度曲線：椎體的血管在椎體終板及其下吻合成血管網襻，然后伸入軟骨終板而形成血管芽狀結構，其數目的多少也決定了軟骨終板的滲透性［14］。軟骨區(qū)終板內血管芽呈膨大交錯，具有很大的接觸面積，因而滲透性比較高。內層纖維環(huán)區(qū)的血管芽僅呈單一的襻狀結構，其接觸面小，則滲透性較低。毛細血管和營養(yǎng)管道內的營養(yǎng)成分必須通過擴散作用穿過高密度的透明軟骨終板(對流機制相對次要)，才能到達椎間盤的細胞外基質。從終板區(qū)域時間-信號強度曲線上看，注射完造影劑后，曲線緩慢上升，在10 min時達到第一個高峰，之后緩慢小幅下降，在1 h后開始較快上升，2 h到達第二高峰，然后快速下降。第二高峰較第一高峰明顯高且陡峭。此曲線變化可能是由于椎體終板和軟骨終板血管芽的血管直徑小，造影劑由椎體血竇進入的速度減慢，故整個過程中終板區(qū)造影劑濃度及上升速度均小于椎體。因而終板區(qū)域時間信號-強度曲線緩慢上升并在10 min達較小峰值。之后，由于擴散的延遲和血藥濃度的快速下降，造成終板區(qū)造影劑濃度下降，故曲線表現(xiàn)為緩慢下降，但仍維持在較高水平。隨著造影劑進入髓核，同時部分造影劑又隨代謝物向外排出，曲線于1 h后出現(xiàn)第二次上升，并在2h達到動態(tài)平衡，形成第二個高峰。此后進入髓核的造影劑明顯減少，而隨著代謝產物排出的造影劑增多，曲線開始下降。

圖3 山羊腰椎間盤時間-信號強度曲線Fig.3 The time-intensity curve of five ROIs

3.2.3 髓核區(qū)時間-信號強度曲線：髓核時間-信號強度曲線在5 min內低于平掃信號強度水平，其可能的原因是在5 min內椎體及周圍軟組織結構出現(xiàn)顯著強化，而在此時間點處髓核內造影劑濃度極低。椎體及周圍軟組織的增強效應對髓核產生“負干擾”，從而導致髓核的信號強度值出現(xiàn)一過性下降。5min后呈緩慢強化，考慮終板內造影劑逐漸緩慢向髓核擴散。至30 min時出現(xiàn)快速的強化，2h時達到高峰，之后逐漸下降，考慮在2 h時造影劑在髓核內濃度達到最高。髓核強度的增加發(fā)生在椎體及終板區(qū)第一個峰值之后，表明營養(yǎng)成分主要從終板彌散而來，說明髓核的營養(yǎng)是很緩慢的過程。山羊髓核的時間-信號強度曲線同 Rajasekaran等［12］通過 MRI研究人腰椎間盤營養(yǎng)物質的擴散過程相似。說明山羊腰椎間盤營養(yǎng)途徑與人類相似。但本研究與Rajasekaran等研究所描述的時間-信號強度曲線有所不同，髓核高峰明顯提前到2 h，到達高峰后即出現(xiàn)較明顯的下降。可能基于以下原因：(1)可能是由于山羊的軟骨終板的厚度(細胞層數)較人類薄，髓核明顯小于人腰椎髓核，造影劑較容易達到飽和，因此較早到峰值;(2)本實驗研究選用的造影劑為新型雙相對比劑釓貝葡胺(Gd-BOPTA)，含有苯氧基：屬于芳香環(huán)類化合物，具親脂性，可與血漿蛋白尤其是白蛋白發(fā)生可逆性結合，從而使其的弛豫率明顯高于其他釓類順磁性對比劑［15］。De［16］指出該苯環(huán)在Gd-BOPTA代謝中起著分子調控的作用，它可使肝細胞選擇性吸收Gd-BOPTA分子，并將其經膽系排泄，具體吸收機制同膽紅素代謝，即通過肝細胞膜上的管狀多特異有機陰離子轉運通道來實現(xiàn)。由此推測釓貝葡胺可能與髓核中帶有較高的固定負電荷的蛋白多糖的代謝有關，但其作用機制尚待進一步研究。

3.3 磁共振設備的穩(wěn)定性的評價

理論上講，磁共振掃描過程中存在磁場的不穩(wěn)定性。另外山羊在全麻狀態(tài)下，軀體被體線圈包裹，實驗時間長達數小時，體溫、汗液等對磁場有一定的干擾，因而信號強度值也會相應發(fā)生變化?；谝陨显颍緦嶒炘谏窖蜓当硞确胖盟?，以此來半定量評價磁共振設備的穩(wěn)定性，以便得到可信的信號強度測量值。

總之，本實驗通過DCE-MRI技術研究了山羊腰椎間盤營養(yǎng)物質進入及代謝產物運出的動態(tài)過程，初步闡明了山羊腰椎間盤軟骨終板途徑，對進一步研究營養(yǎng)在椎間盤退變中的作用和建立山羊椎間盤退變動物模型奠定實驗基礎。

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Dynamic contrast-enhanced-MRI observation of the nutrition approach for lumbar intervertebral disc cartilage in normal goat

DU Heng1，MA Shao-hui2，GUAN Min2，YIN Zhan-hai1，HAN Bo3，YANG Guang-fu3，ZHANG Ming2，LIU Miao1
(1.Department of Orthopaedics，2.Department of Medical Imaging，the First Affiliated Hospital of Medical College，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710061，China;3.Department of Radiology，Xi′an Gaoxin Hospital，Xi′an 710075)

Objective To study the nutrition approach for lumbar intervertebral disc cartilage in normal goat.Methods Eight 24-month-old healthy adult goats were included in this study.There were four lumbar intervertebral discs for each goat，and there were a total of 32 lumbar intervertebral discs.After anesthesia of the goats，The signal changes of regions of interest were observed by dynamic contrast-enhanced magnetic resonance scan.On the time points before enhancement，and 0 min，5 min，10 min，30 min，1 h，1.5 h，2 h，2.5 h，3 h，and 3.5 h after enhancement，the ROI signal intensities were measured，respectively，and values of the time-signal intensity curve and the peak time were analyzed.Results Magnetic resonance signal intensity in the vertebrae reached a peak at 0 min and decreased rapidly afterwards.The signal intensity in cartilage endplate zone reached the first peak at 30 min，and slow down slightly afterwards，and then raised to the second peak at 2 h.The signal intensity in nucleus was negative within 5 min，and increased slowly to a peak at 2 h，and then declined.Conclusion The lumbar intervertebral disc of normal goat carries on nutrient metabolism mainly through the cartilage end-plate channels.

Dynamic contrast-enhanced MRI;Nucleus pulpous;Intervertebral disc;Cartilage endplate;Gadobenate dimeglumine(Gd-BOPTA);Goat;Nutrition

Q95-33，R-332

A

1005-4847(2011)02-0115-05

10.3969/j.issn.1005-4847.2011.02.007

椎間盤退變是頸、腰椎病發(fā)生發(fā)展的根本原因，不同程度的影響患者的生活質量［1］。許多研究表明，椎間盤退變與營養(yǎng)供應減少、細胞凋亡失衡、基質酶活性改變、生物力學機制及自身免疫反應有關。營養(yǎng)物質的減少被認為是諸多因素導致椎間盤退變的最終途徑［2］。MRI動態(tài)增強掃描(dynamic con-trast-enhanced MRI，DCE-MRI)作為一種無創(chuàng)、可重復的方法，逐漸被用于研究椎間盤的營養(yǎng)機制。本實驗通過對正常山羊腰椎間盤進行無創(chuàng)的DCEMRI，研究正常山羊腰椎軟骨終板營養(yǎng)途徑。

陜西省科技攻關項目【2007K14-01-(3)】。

杜恒(1974-)，男，陜西西安人，在讀博士，主治醫(yī)師。研究方向：脊柱外科。E-mail：duheng18@yahoo.com.cn

2010-08-13