雙能量CT多期增強(qiáng)掃描評(píng)價(jià)兔糖尿病腎病模型濾過功能受損的初步研究

趙凱，隋雪晴，王蕊，林志勇，王素霞，王霄英

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雙能量CT多期增強(qiáng)掃描評(píng)價(jià)兔糖尿病腎病模型濾過功能受損的初步研究

趙凱，隋雪晴，王蕊，林志勇，王素霞，王霄英

【摘要】目的：以兔糖尿病腎?。―N）模型為研究對(duì)象，利用雙能量CT（DECT）多期增強(qiáng)掃描評(píng)估腎臟濾過功能的變化。方法：10只新西蘭大白兔入組，注射四氧嘧啶72h后，血糖濃度＞16 .0 m m ol／L認(rèn)為DM模型誘導(dǎo)成功，DM誘導(dǎo)成功者在注射后28 d血糖濃度仍保持＞16 .0 m m ol／L認(rèn)為DN模型制作成功。采集2個(gè)時(shí)刻的DECT數(shù)據(jù)：四氧嘧啶注射前的基線數(shù)據(jù)和DN模型數(shù)據(jù)。用雙能量分析軟件測(cè)量6個(gè)時(shí)間點(diǎn)（注射對(duì)比劑10～60 min內(nèi)，每隔10 min行1次DECT掃描）腎皮質(zhì)碘濃度，比較基線與DN模型的時(shí)間-濃度曲線，并將正常腎臟與DN模型腎臟的光鏡、電鏡病理進(jìn)行比較分析。結(jié)果：10只兔子中7只成功誘導(dǎo)DM，最終4只DN模型制作成功，并完成DECT數(shù)據(jù)采集。病理結(jié)果提示DN模型的腎臟均有明確DN病理改變?；€數(shù)據(jù)顯示：對(duì)比劑注射后10～60 min內(nèi)，兔子腎臟皮質(zhì)碘濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；而DN模型數(shù)據(jù)顯示：對(duì)比劑注射后10～60 min內(nèi)，兔子腎臟皮質(zhì)碘濃度無明顯下降趨勢(shì)，DN模型尚未進(jìn)入對(duì)比劑分泌階段，提示其腎臟濾過功能受損。結(jié)論：DECT多期增強(qiáng)掃描可檢測(cè)DN模型腎臟濾過功能的受損。

【關(guān)鍵詞】糖尿病；糖尿病腎??；腎小球?yàn)V過率；疾病模型，動(dòng)物；體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)

作者單位：100034 北京，北京大學(xué)第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科（趙凱、隋雪晴、王蕊、林志勇、王霄英），超微病理中心（王素霞）

糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy，DN）是由糖尿病引起的、危害性最大的慢性并發(fā)癥之一，其臨床特征為蛋白尿、漸進(jìn)性腎功能損害、高血壓、水腫等，晚期可出現(xiàn)嚴(yán)重腎功能衰竭，是糖尿病患者的主要死亡原因之一［1］。DN的發(fā)病機(jī)制、疾病監(jiān)測(cè)以及治療還有許多未解決的問題。既往研究［2，3］表明糖尿?。╠iabetes mellitus，DM）早期表現(xiàn)為腎小球高濾過、高灌注，隨著病程的延長(zhǎng)，血糖的持續(xù)升高會(huì)導(dǎo)致腎小球系膜細(xì)胞增多、系膜基質(zhì)增生等改變，腎小球的濾過功能會(huì)逐漸受損。

在臨床工作中，對(duì)DN患者腎功能的準(zhǔn)確評(píng)估及早期發(fā)現(xiàn)腎功能不全是至關(guān)重要的，其中腎小球?yàn)V過率（glo merular filtration rate，GFR）是最重要的評(píng)估指標(biāo)［4］。使用外源性標(biāo)志物來測(cè)定腎清除率（包括菊粉和99 mTc核素成像方法），其臨床實(shí)用性欠佳；而采用內(nèi)源性標(biāo)志物評(píng)價(jià)腎小球?yàn)V過功能可行性更高，其中以24小時(shí)血清肌酐（seru m creatinine，Scr）清除率最為常用，但是其結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確。

雙能量CT（dual energy CT，DECT）可對(duì)某些物質(zhì)進(jìn)行定量分析，特別是對(duì)碘的定量測(cè)量，在臨床用量范圍內(nèi)是非常準(zhǔn)確的［5］。而碘對(duì)比劑在腎臟皮質(zhì)內(nèi)的代謝，可以非常好地反映腎小球?yàn)V過功能。本研究以兔DN模型為研究對(duì)象，探索DECT多期增強(qiáng)掃描評(píng)估腎臟濾過功能的可行性。

材料與方法

1 .實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

本研究通過北京大學(xué)第一醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。10只健康雄性新西蘭大白兔被納入此研究，體重2 .5～3 .5 kg。自由采食法飼養(yǎng)。

CT掃描前10 h禁食，自由進(jìn)水。CT掃描時(shí)固定兔，利用呼吸式動(dòng)物麻醉機(jī)（Matrx VME，Mid mark Corporation，Versailles，Ohio，USA），通過專用動(dòng)物面罩使其吸入異氟醚直至麻醉成功。

2 .DN模型的建立

對(duì)每只兔子按照100 m g／kg的劑量靜脈注射四氧嘧啶，注射完后72 h測(cè)試血糖，血糖濃度＞16 .0 m m ol／L即認(rèn)為DM誘導(dǎo)成功，其中在四氧嘧啶注射后28 d仍保持血糖增高且存活的兔子，認(rèn)為DN模型制作成功。

3 .CT掃描方案

每只兔掃描2次，分別為四氧嘧啶注射前數(shù)據(jù)（基線值）和四氧嘧啶注射后28 d的數(shù)據(jù)（DN值）。

使用雙源CT掃描儀（Siemens，Erlangen，Germany），行DECT多期增強(qiáng)掃描。對(duì)比劑為碘帕醇（370 m g I／m L），注射劑量4 m L。注射對(duì)比劑后10～60 min，每隔10 min進(jìn)行1次DECT掃描（80 k Vp／Sn140 k Vp，100 m As，層厚1 .0 m m），掃描范圍覆蓋左腎，共獲得連續(xù)6期的數(shù)據(jù)。

4 .數(shù)據(jù)后處理

在后處理工作站上，使用雙能量分析軟件測(cè)量6個(gè)時(shí)間點(diǎn)的腎臟皮質(zhì)碘濃度。在碘圖分析工具中選擇腎臟最中央的層面，在左腎皮質(zhì)區(qū)域手工勾畫感興趣區(qū)（region of interest，ROI），避開偽影較大的腎臟上下極區(qū)域。以所得腎皮質(zhì)碘濃度值繪制時(shí)間-濃度曲線，用于觀察腎臟對(duì)碘的濾過趨勢(shì)。

5 .組織學(xué)檢查

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用過量麻醉藥（戊巴比妥鈉）處死所有動(dòng)物，以腎門為中心做3～5 m m短軸切片，用10 %福爾馬林固定，依次用70 %、80 %、90 %、95 %酒精和無水酒精對(duì)組織進(jìn)行脫水，然后用二甲苯替代出酒精對(duì)樣本透明，將透明好的組織塊置入已在溫箱（56℃～58℃）內(nèi)熔化的石蠟內(nèi)，放置適當(dāng)時(shí)間，使石蠟浸入組織并替換出二甲苯，后經(jīng)包埋、切片，完成HE染色。用光鏡觀察腎臟組織結(jié)構(gòu)變化。取部分腎臟標(biāo)本用戊二醛固定，后經(jīng)包埋、切片，制作電鏡標(biāo)本。由一名有30年工作經(jīng)驗(yàn)的腎臟病理學(xué)專家閱片，觀察腎小球、腎小管、腎間質(zhì)及腎血管等。

結(jié) 果

1 .DN模型的情況

10只兔子中7只兔子成功誘導(dǎo)出DM，其中4只在注射后28 d仍保持血糖增高且存活，完成DN模型的制作。

2 .DECT結(jié)果

基線DECT多期增強(qiáng)掃描過程中（延遲掃描60 min），4只兔子腎臟皮質(zhì)碘濃度均呈下降趨勢(shì)（表1）；而4只DN模型兔在DECT多期增強(qiáng)掃描中，腎臟皮質(zhì)碘濃度均無明顯下降趨勢(shì)（表2），提示尚未進(jìn)入對(duì)比劑代謝的第二階段，腎臟濾過功能受損。

表1　基線狀態(tài)兔腎臟皮質(zhì)碘濃度變化

表2　DN兔腎臟皮質(zhì)碘濃度變化

3 .病理結(jié)果

大體病理：正常兔腎臟（本課題組其他研究提供）外觀暗紅，表面光滑，無凹痕及出血點(diǎn)，皮髓質(zhì)分界清晰。DN兔的腎臟，外觀普遍缺少色澤，顏色蒼白，另可見凹痕及出血點(diǎn)，皮髓質(zhì)分界模糊（圖1）。

光鏡：正常腎臟的腎小球無明顯病變，毛細(xì)血管袢開放良好，系膜細(xì)胞和基質(zhì)未見明顯增生。而DN兔腎小球系膜細(xì)胞和基質(zhì)呈輕至中度增生，毛細(xì)血管袢開放不良，腎小球體積未見肥大（圖2）。

電鏡：正常腎臟足細(xì)胞的足突排列整齊，足突孔規(guī)則統(tǒng)一。DN兔腎臟足突細(xì)胞可見較多的融合，足突孔變小或者消失（圖3）。

討 論

各種腎實(shí)質(zhì)病變的發(fā)生、發(fā)展及康復(fù)幾乎均能引起血流灌注及濾過功能的改變，從而導(dǎo)致GFR的改變。多種方法可用于GFR的檢測(cè)，其中菊粉檢測(cè)法雖然是金標(biāo)準(zhǔn)，但其過程繁瑣，目前已較少使用。在臨床實(shí)際工作中，經(jīng)常使用方便快捷的Scr水平估算GFR，但是其結(jié)果不夠準(zhǔn)確。研究顯示，只有當(dāng)GFR下降超過50 %，Scr才會(huì)升高［4］。

影像技術(shù)對(duì)腎臟的血流灌注濾過功能的研究逐漸從形態(tài)學(xué)檢測(cè)向功能學(xué)評(píng)價(jià)發(fā)展。核醫(yī)學(xué)腎圖是根據(jù)核素在腎臟中的吸收和排泄信息來反映腎臟功能的，臨床上主要依據(jù)腎圖的各段圖形來判斷腎功能，然而核素顯像的分辨率較低，不能清晰區(qū)分皮質(zhì)及髓質(zhì)，提供腎臟的精細(xì)解剖信息，且檢查耗時(shí)較長(zhǎng)，具有一定的放射性危害，因此影響了其在臨床上的廣泛開展。磁共振功能成像也可用于腎臟功能的評(píng)估［6-10］，但其技術(shù)復(fù)雜，對(duì)各項(xiàng)功能參數(shù)的解釋尚未達(dá)成一致，臨床推廣也受到一定限制。

DECT利用物質(zhì)對(duì)不同能量X線吸收的不同來進(jìn)行物質(zhì)分離，在提供臨床診斷信息的同時(shí)，也為基礎(chǔ)研究提供了新的工具。多項(xiàng)研究已證明，CT增強(qiáng)掃描中使用的碘對(duì)比劑有著和菊粉相似的腎臟代謝（被腎小球?yàn)V過且不會(huì)被腎小管重吸收），可以用來進(jìn)行腎臟GFR的估算［6，7］。對(duì)比劑進(jìn)入人體后，在隨血液運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)器官和組織的過程中，不斷地被吸收、分布、代謝，最終排出體外。對(duì)比劑在血液中的濃度，即單位容量（m L）血液中對(duì)比劑的含量（m g）隨時(shí)間和空間而變化。根據(jù)對(duì)比劑濃度隨時(shí)間變化的情況計(jì)算GFR，多是應(yīng)用房室模型來模擬其生理過程。

大多數(shù)腎臟功能成像估算GFR時(shí)使用雙室模型，本研究也是如此。對(duì)比劑進(jìn)入系統(tǒng)后幾乎立即分布到中央房室，然后緩慢地分布到周邊房室。中央房室包括血液與能瞬時(shí)取得平衡的組織，如心、肝、腎、腦、腺體、肌肉等。周邊房室包括血液灌注貧乏的、難以瞬時(shí)取得平衡的組織，如骨、脂肪、皮膚等。對(duì)比劑靜脈注射后瞬時(shí)進(jìn)入中央房室，之后一邊消除，一邊流入周邊房室，此階段稱為分布階段（第一時(shí)相）；達(dá)到分布平衡后，曲線進(jìn)入下降較慢的消除階段，此階段主要反映對(duì)比劑的消除過程（第二時(shí)相）［8，9］。細(xì)胞外液量（extracellular fluid volu me，ECFV）、C（t）與GFR之間關(guān)系為：C（t）= Cmax e- Qt，Q= GFR／ECFV，C（t）為某一時(shí)間點(diǎn)靶器官細(xì)胞外間隙對(duì)比劑濃度，Cmax理論上為第一時(shí)相末、第二時(shí)相初時(shí)對(duì)比劑濃度。使用這個(gè)公式進(jìn)行分析的前提條件是對(duì)比劑代謝已經(jīng)進(jìn)入了第二階段，也就是碘對(duì)比劑在血漿和細(xì)胞外液已經(jīng)達(dá)到了完全的平衡。有研究報(bào)道通過擬合時(shí)間-信號(hào)強(qiáng)度曲線估算GFR發(fā)現(xiàn)，在腎功能正常的情況下，最合適的圖像采集時(shí)間是40～65 min，過早測(cè)量會(huì)與第一時(shí)相交叉，過高估計(jì)GFR；而過晚測(cè)量會(huì)使圖像噪聲增加，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性［11］。

本實(shí)驗(yàn)中，因DN模型的數(shù)量較少，且DN模型的腎臟明顯受損，60 min仍未達(dá)第二時(shí)相，所以沒有進(jìn)行eGFR的計(jì)算，僅比較了DN模型建立前后，碘對(duì)比劑在腎臟皮質(zhì)的清除趨勢(shì)。本研究結(jié)果顯示，當(dāng)兔腎臟未受到損害時(shí)，在10～60 min內(nèi)，腎臟皮質(zhì)碘濃度均呈明顯下降趨勢(shì)，說明已經(jīng)進(jìn)入第二時(shí)相；DN造模成功后，兔腎臟受損，在10～60 min內(nèi)，腎臟皮質(zhì)碘濃度無明顯下降趨勢(shì)，而是呈波動(dòng)改變，提示此時(shí)尚未進(jìn)入對(duì)比劑代謝的第二時(shí)相，故此時(shí)無法通過雙室模型方法進(jìn)行GFR的估算，需要延長(zhǎng)掃描時(shí)間。

在DN的發(fā)生、發(fā)展過程中，腎臟的血流灌注模式與腎臟病理變化關(guān)系密切。本研究結(jié)果顯示：與正常兔比較，DN兔腎臟濾過功能減低，考慮與系膜細(xì)胞增生、系膜基質(zhì)增厚、足突細(xì)胞融合等有關(guān)，最終導(dǎo)致腎小球?yàn)V過膜功能減低，GFR減低，還可能導(dǎo)致部分毛細(xì)血管管腔狹窄或閉塞、血管阻力增加、血流灌注速度減低、血容量降低、血流量減少［12］，最終導(dǎo)致對(duì)比劑廓清速率減慢，血流淤滯，而病理的相關(guān)改變也證實(shí)了這一點(diǎn)。

本研究存在不足之處：①由于DM誘導(dǎo)有一定失敗率，在兔飼養(yǎng)期間也存在意外死亡或者自我恢復(fù)正常的可能，導(dǎo)致本研究最終DN樣本量較少，將來可進(jìn)一步增加樣本量、延長(zhǎng)掃描時(shí)間進(jìn)行GFR的測(cè)試。②本研究以腎臟病理結(jié)果作為金標(biāo)準(zhǔn)，可以說明腎臟的鏡下微觀改變，如果加上核素測(cè)量GFR等作為金標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果會(huì)更有說服力。③本研究使用DECT多期增強(qiáng)掃描，應(yīng)注意到射線輻射的問題。目前本方案僅推薦用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，做疾病機(jī)制的研究，不建議用于人體。人體腎臟功能的研究，仍建議用無創(chuàng)的MR功能成像。將來可聯(lián)合使用DECT與MR功能成像兩種方法，優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，用DECT所揭示的碘濃度變化，對(duì)MR功能成像所得參數(shù)進(jìn)行解釋。

總之，針對(duì)DN模型，使用DECT多期增強(qiáng)掃描，可反映腎臟濾過功能受損的變化；將來可進(jìn)一步加大樣本量，對(duì)DECT定量測(cè)定GFR的能力進(jìn)行評(píng)估。

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·糖尿病影像學(xué)專題·

Evaluation of renal filtration function impairmentin diabetic nephropathy rabbit model：a preliminary study evaluated by m ul-tiphase contrast-enhanced dual energy CT

ZHAOKai，SUIXue-qing，WANGRui，etal.Department of Radiology，Peking University First Hospital，Beijing 100034，P.R.China

【Abstract】Objective：To evaluate the changes of renal filtration function in diabetic nephropathy（DN）rabbit m odel by m ultiphase contrast-enhanced dual energy CT（DECT）.Methods：Ten New Zealand rabbits were included .The rabbits were induced to diabetes mellitus（DM）by intravenous injection of alloxan .If the blood glucose level was m ore than 16 .0 m m ol／Lafter 72 hours of injection，the DMm odel was considered to be successfully established .DECTwas scanned prior to and 28 days after injection of alloxan，w hich was considered as baseline data and diabetic nephropathy（DN）data，respectively .Dynamic DECTimages were post - processed to quantify the iodine concentration of renal cortex at each time point .Light and electron microscope pathology results were obtained .Results：The DNdata of 4 rabbits were obtained and pathological changes could be seen in the kidneys .For the data of baseline，the iodine concentration of rabbit kidney cortex fro m 10 min to 60 min showed a trend of decline .But for data of DN，this trend disappeared，indicating the im pairment of renal filtration function .Conclusion：For DNm odel of rabbit，the filtration function of kidney can be detected by m ultiphase contrast - enhanced DECT.

【Key words】Diabetes mellitus；Diabetic nephropathies；Glo merular filtration rate；Disease m odels，animal；To m ography，X-ray co m puted

收稿日期：（2015-12-20 修回日期：2016-01-10）

通訊作者：王霄英，E-mail：cjr .wangxiaoying＠vip .163 .co m

作者簡(jiǎn)介：趙凱（1987 -），男，山東泰安人，博士，住院醫(yī)師，主要從事影像新技術(shù)研究。

DOI：10 .13609／j.cnki.1000-0313 .2016 .02 .008

【中圖分類號(hào)】R587 .24；R814 .42；R- 332

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1000-0313（2016）02-0129-04