CT灌注評價兔糖尿病腎病動物模型腎皮質(zhì)血流動力學變化的實驗研究

鄭玉麗， 任克， 王永芳， 趙宇， 趙麗

·實驗研究·

CT灌注評價兔糖尿病腎病動物模型腎皮質(zhì)血流動力學變化的實驗研究

鄭玉麗， 任克， 王永芳， 趙宇， 趙麗

目的：以兔糖尿病腎病(DN)動物模型為研究對象，利用CT灌注(CTP)參數(shù)評價腎皮質(zhì)的血流動力學變化。方法：研究對象為18只血糖正常的新西蘭兔，隨機選取3只處死，取其雙側(cè)腎臟制作病理標本。剩余15只注射四氧嘧啶，72 h后分別測量每只兔的血糖濃度，若血糖濃度大于16 mmol/L，則認為糖尿病(DM)誘導成功；12周后，若DM誘導成功的新西蘭兔血糖濃度持續(xù)大于16 mmol/L，則認為DN模型誘導成功。采集腎臟基線狀態(tài)與DN狀態(tài)的CTP圖像，并測量CT灌注參數(shù)值，包括血流量(BF)、血容量(BV)、平均通過時間(MTT)和滲透性(PMB)。制作DN腎臟病理標本，觀察腎臟病理結(jié)構(gòu)的改變。結(jié)果：剩余15只兔成功造模8只。正常腎臟及DN腎臟的雙側(cè)皮質(zhì)各個灌注參數(shù)值差異均無統(tǒng)計學意義(P值均>0.05)； DN腎臟較正常腎臟皮質(zhì)的BF值減小[分別為(426.64±21.77) 和(522.46±9.70) mL/100 mL·min)]，BV值減小[分別為(54.45±6.16)和( 56.90±5.38) mL/100mL]，PMB值減小[分別為(79.12±6.26)和(99.39±12.69) mL/100mL·min]， MTT延長[分別為(7.71±1.11)和( 6.55±0.69) s]，且差異均有統(tǒng)計學意義(P值均<0.01)；光鏡下，DN腎臟較正常腎臟腎小球飽滿，體積增大，系膜基質(zhì)增多，系膜細胞增生。結(jié)論：CTP可以對早期兔DN腎皮質(zhì)的血流變化進行定量分析，能夠有效反映腎功能的變化，為DN的早發(fā)現(xiàn)、早治療提供直接依據(jù)。

糖尿病腎?。?CT灌注； 體層攝影術(shù)，X線計算機； 兔

糖尿病(diabetic mellitus，DM)是嚴重危害人類健康的常見病之一，而在DM患者中糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)是最常見的并發(fā)癥之一，DN已成為終末期腎功能衰竭(end-stage renal disease,ESRD)的主要原因，也是糖尿病致命的主要病因[1-2]。

依據(jù)Mogensent[3]對DN的分期，早期DN及早干預(yù)可以逆轉(zhuǎn)或維持，不再惡化，故及早發(fā)現(xiàn)DN及腎臟損害對于患者的早治療至關(guān)重要。相關(guān)研究利用血液或尿液等微量生化指標來反映早期DN腎臟功能的變化[4-5]，但是這些腎臟代謝指標只能間接反映腎功能的改變，并不能為腎臟損害提供直接證據(jù)，而且因腎臟自身代償作用，部分生化指標在DN早期可能并不發(fā)生變化。在DN早期，腎臟功能及腎小球血流動力學會發(fā)生變化。近年來，利用CT灌注(CT perfusion，CTP)技術(shù)評價腎實質(zhì)血流動力學變化來評估腎臟功能越來越受關(guān)注。本研究以兔DN動物模型為研究對象，通過觀察DN腎臟皮質(zhì)各個CT灌注參數(shù)值的變化，來評價腎臟血流動力學的改變。

材料與方法

1.實驗動物

本實驗所需新西蘭兔均由中國醫(yī)科大學動物實驗部提供，共18只，均為健康雄性，體重3.0～4.0 kg/只，血糖正常，自由飲食飼養(yǎng)。

2.DN模型的建立

18只正常兔適應(yīng)性飼養(yǎng)1周，隨機選取3只處死，取其雙側(cè)腎臟；剩余15只進行CT灌注掃描，掃描成功72 h(對比劑完全排泄)后，第一天按50 mg/kg的劑量進行四氧嘧啶(5%濃度)注射，第二天按100 mg/kg的劑量注射，48 h內(nèi)自由攝取10%葡萄糖水。72 h后，若血糖濃度大于16 mmol/L，則認為糖尿病(DM)模型誘導成功；12周后，若DM誘導成功的新西蘭兔血糖濃度持續(xù)大于16 mmol/L，尿中出現(xiàn)微量白蛋白，則認為DN模型誘導成功。隨后對兔DN模型進行CT灌注掃描，完成后處死取其雙腎。

3.檢查方法

采用西門子新雙源CT(Somatom Definition )行CT掃描，麻醉動物后(速眠新，0.1 mL/kg；戊為巴比妥鈉，1 mL/kg)取仰臥位進行掃描，將其固定于特制的檢查木板上，首先行常規(guī)CT掃描，選取腎門水平作為灌注掃描層面。兔耳緣靜脈內(nèi)放置24GA留置針，連接高壓注射器，彈丸式注入對比劑碘克沙醇320，劑量為2 mL/kg，流率為2 mL/s，采用體部灌注掃描，掃描參數(shù)：管電壓70 kV，管電流100 mA，層厚0.5 mm，延遲4 s，掃描時間共計40 s。掃描完成后以1.5 mm層厚進行圖像重建。

4.圖像后處理及數(shù)據(jù)分析

將采集的圖像傳輸至西門子工作站，使用VPCT body灌注軟件對圖像進行后處理。選取腹主動脈為供血動脈。因腎臟血流灌注不均勻，為避免測量誤差，共選取7個感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，分別于軸位腎門水平以“X”形選取ROI,在冠狀面圖像上于腎上極、腎門水平、腎下極水平各選取一個ROI。ROI盡可能保持大小一致，避開周圍血管和組織邊緣，以減少部分容積效應(yīng)的影響，減小誤差。

5.組織學檢查

實驗結(jié)束后，應(yīng)用過量麻醉藥處死所有動物，摘取其雙側(cè)腎臟，HE染色制作病理標本，光鏡下觀察腎臟病理結(jié)構(gòu)改變。

6.統(tǒng)計學分析

采用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計學分析。每側(cè)腎臟皮質(zhì)各個參數(shù)多次測量取平均值，配對數(shù)據(jù)差值服從正態(tài)分布時采用配對t檢驗進行組間比較，不符合正態(tài)分布時采用非參數(shù)檢驗中配對樣本比較的Wilcoxon符號秩檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

1.兔DN造模情況

15只兔全部誘導出DM，在注射四氧嘧啶后第5天～10周內(nèi)陸續(xù)死亡7只，剩余8只12周后仍存活，且血糖大于16 mmol/L，尿中出現(xiàn)微量白蛋白，成功誘導DN。

2.CT灌注參數(shù)結(jié)果及灌注偽彩圖

無論是正常腎臟還是DN腎臟，兩側(cè)皮質(zhì)各個灌注參數(shù)值差異均無統(tǒng)計學意義(P值均>0.05，表1，圖1～4)；而DN腎臟較正常腎臟皮質(zhì)的血流量 (blood flow，BF)減小[分別為(426.64±21.77) 和(522.46±9.70) mL/100 mL·min]，血容量(blood volume，BV)減小[分別為(54.45±6.16) 和(56.90±5.38) mL/100 mL]，毛細血管表面通透性(permeability，PMB)值減小 [分別為(79.12±6.26)和(99.39±12.69) mL/100 mL·min]，平均通過時間(mean transit time，MTT)延長[分別為(7.71±1.11)和(6.55±0.69) s]，DN腎臟與正常腎臟皮質(zhì)比較，4個灌注參數(shù)值差異均有統(tǒng)計學意義(P值均<0.01，表2，圖1～4)，其中以BF值減小最為顯著。與正常腎臟CT灌注偽彩圖(圖5)相比，DN腎臟BF、BV、PMB灌注偽彩圖(圖6)顏色變淺，MTT灌注偽彩圖(圖6c)顏色略變深，時間-密度曲線(time-density curve，TDC)上升段起始時間略延遲，走形略顯平緩，波峰降低，且出現(xiàn)時間延遲(圖6e)。

表1 雙側(cè)腎臟CT灌注參數(shù)值比較

注：BF單位為mL/100mL·min，BV單位為mL/100mL，MTT單位為s，PMB單位為mL/100mL·min。

圖1 正常腎臟與DN腎臟BF值比較圖 ，DN腎臟BF值明顯減小。 圖2 正常腎臟與DN腎臟BV值比較圖，DN腎臟BV值減小。 圖3 正常腎臟與DN腎臟MTT值比較圖，DN腎臟MTT值明顯延長。 圖4 正常腎臟與DN腎臟PMB值比較圖，DN腎臟PMB值明顯減小。

3.病理結(jié)果

DN腎臟與正常腎臟的HE染色相比，腎小球體積明顯增大，系膜基質(zhì)增多，系膜細胞增生(圖7)。

表2 正常腎臟與DN腎臟CT灌注參數(shù)值比較

注：BF單位為mL/100mL·min，BV單位為mL/100mL，MTT單位為s，PMB單位為mL/100mL·min。

討 論

CTP的理論基礎(chǔ)為核醫(yī)學的放射性示蹤劑稀釋原理和中心溶劑定律，即BF=BV/MTT[6]，它將形態(tài)學與功能學相結(jié)合，對組織器官進行綜合評價和診斷。在靜脈注射對比劑的同時，連續(xù)動態(tài)掃描選定層面后，獲得該層面內(nèi)每一像素的密度隨時間變化的曲線，此曲線反映碘對比劑在組織中量的變化，間接反映血流在組織中的變化。利用不同的數(shù)學模型、灌注軟件，可以得到組織器官的各個灌注參數(shù)和灌注偽彩圖，從而全面評價組織器官的血流灌注狀態(tài)。CTP計算所應(yīng)用的數(shù)學模型主要包括去卷積模型和非去卷積模型。不同的廠家采用不同的模型、算法進行后處理得到各個灌注參數(shù)值。1980年，CTP的概念由Axel[6]最早提出，最開始應(yīng)用于腦部血流灌注分析。目前，CTP在腎臟領(lǐng)域主要應(yīng)用于腫瘤性病變,相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)利用CTP可以評價腫瘤微血管的生成狀況、推測腎細胞癌的術(shù)前分級、揭示腫瘤不同組織學類型[7-9]，為術(shù)前診斷及治療提供依據(jù)，還可用于監(jiān)測腎臟血流減少性疾病[10-13]，如高血壓腎病、糖尿病腎病、腎動脈狹窄及腎靜脈血栓等，也有文獻報道CTP可以對腫瘤的治療療效進行評價[14-17]。

正常腎臟約占人體體重的0.5%，安靜狀態(tài)下卻接受心輸出量的20%～25%，以每克組織重量計算，腎臟是全身血流量最多的器官，而腎臟血流的90%集中于腎皮質(zhì)，因此腎臟皮質(zhì)血流量的改變可以反映整個腎臟的血流變化。其次，腎臟為位于腹膜后體積較大的對稱性實質(zhì)器官，血流豐富，受呼吸運動影響較小，適合CT灌注掃描。

正常腎臟主要由腎動脈供血，而腎動脈與腹主動脈的TDC非常相近，所以本研究在測量TDC時以腹主動脈作為供血動脈，其TDC分為基線段、上升段、下降段和水平段。正常腎臟的TDC(圖5e)呈鋸齒狀，上下波動，有陡直上升段，波峰較高；DN腎臟(圖6e)較正常腎臟的TDC初始上升時間向后推移，上升段走形略顯平緩，波峰低，且出現(xiàn)延遲。無論是正常腎臟還是DN腎臟，TDC下降段走行均平緩，但是并未下降至基線水平，表明腎臟皮質(zhì)內(nèi)有對比劑存留。目前，判斷一側(cè)腎臟缺血的標準是患側(cè)腎臟皮質(zhì)血流灌注量小于對側(cè)的25%，而對于雙側(cè)腎臟彌漫缺血性病變尚無客觀的評價標準[18]，因此，本研究采用自身前后對照，觀察DN腎臟各個CTP參數(shù)值較基線狀態(tài)的變化情況，同一個體不同狀態(tài)的參數(shù)值差異更具參考價值。

本研究中DN兔雙側(cè)腎臟各個灌注參數(shù)值差異均無統(tǒng)計學意義(P值均>0.05)，符合DN為彌漫性病變的特點。DN腎臟較基線狀態(tài)各個灌注參數(shù)值差異均有統(tǒng)計學意義(P值均<0.01)，BF值、BV值、PMB值減小，MTT值延長，且BF值減小最為顯著。從直觀的灌注偽彩圖中也可以得到證實，在同一個體、相同比色度的情況下，DN腎臟較正常腎臟的BF、BV、PMB灌注偽彩圖顏色變淺，MTT圖像顏色略變深。本實驗雖采用動物模型，但與李凱等[13]的實驗結(jié)果相似，各個灌注參數(shù)值的變化趨勢也一致,總結(jié)本研究出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能與以下因素有關(guān)：DN初始階段，持續(xù)的高血糖使腎內(nèi)血流動力學發(fā)生變化，腎小球呈現(xiàn)“高灌注、高濾過、高壓力”的特點，導致腎小球濾過率(glomerular filtration rate，GFR)增大，隨著病情的加重，腎小球毛細血管壁內(nèi)皮細胞、系膜細胞損傷，細胞基質(zhì)合成增多，高壓力、高濾過導致血漿中部分大分子通過毛細血管壁，滯留于壁上，這將進一步刺激細胞基質(zhì)的合成[2，19]，以上一系列反應(yīng)導致基底膜增厚，毛細血管管腔變細、狹窄，因此血流灌注值減小，血流流速減慢，血管通透性降低，從而導致BF值、BV值、PMB值下降，而MTT值延長。Bentley等[20]通過建立動物模型對其腎臟進行血流動力學研究發(fā)現(xiàn)，腎臟局部血流量的大小主要由微血管的分布容積決定，而不是MTT，DN腎臟毛細血管開放不良，相對分布容積減小，因此雖然MTT延長，但BF值明顯減小，而BV值減小幅度較小。DN腎臟的病理表現(xiàn)與以上結(jié)論相吻合。由此可見，皮質(zhì)CTP各參數(shù)值的改變可以反映DN早期腎臟功能的變化，其中以BF值改變最為敏感。

圖5 正常腎臟CT灌注偽彩圖。a) BF灌注偽彩圖； b) BV灌注偽彩圖； c) MTT灌注偽彩圖； d) PMB灌注偽彩圖； e) TDC圖。圖6 DN腎臟CT灌注偽彩圖。a) BF灌注偽彩圖，較正常腎臟灌注圖像顏色明顯變淺； b) BV灌注偽彩圖，較正常腎臟灌注圖像顏色明顯變淺； c) MTT灌注偽彩圖，較正常腎臟灌注圖像顏色略變深； d) PMB灌注偽彩圖，較正常腎臟灌注圖像顏色明顯變淺； e) TDC圖，較正常腎臟TDC上升段起始時間略延遲，走形略顯平緩，波峰降低，且出現(xiàn)時間延遲。

圖7 兔腎臟病理圖像(HE，×200)。a) 正常兔腎臟病理圖像； b) DN兔腎臟病理圖示腎小球飽滿，體積增大，系膜基質(zhì)增多，系膜細胞增生。

本研究測得的正常兔腎臟的CTP各參數(shù)值與其他研究[21-22]有差異，這可能與個體差異、性別、年齡、實驗方法、對比劑類型及注射流率、不同的算法、機器類型等有關(guān)?？傊?，CTP各個灌注參數(shù)相對值的變化具有更重要的臨床價值，也是我們研究的重點。

本研究存在的問題：①因兔DN造模有一定的死亡率，本研究造模成功率較低，導致樣本量較少，今后仍需加大樣本量證實本研究結(jié)果的可靠性及可重復性。臨床常以GFR作為評價腎功能的金標準，考慮兔容易死亡，本研究未檢測GFR，而以病理改變作為診斷DN的標準；②CTP掃描方式為連續(xù)動態(tài)掃描，故局部組織接受的輻射劑量較大，應(yīng)該在保證圖像質(zhì)量的前提下盡可能減小mAs[23]；③對比劑本身會對腎臟產(chǎn)生損傷，故應(yīng)盡可能應(yīng)用腎毒性小的非離子型對比劑，近年來也有學者認為，非離子型對比劑也可以適當應(yīng)用于腎功能不全的患者[24-25]。

綜上所述，CTP可以對早期DN腎臟功能變化進行定量分析，其參數(shù)可以反映DN腎臟的血流特點和血管特性，其中以BF最為敏感，有助于臨床更準確地評估DN腎臟損害，從而進一步提高DN的診斷符合率及篩查率。目前，CTP成像技術(shù)在糖尿病腎病領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初步階段，報道不多，有待于進一步研究。

[1] KDOQI.KDOQI clinical practice guidelines and clinical practice recommendations for diabetes and chronic kidney disease[J].Am J Kidney Dis，2007，49(2 suppl 2) :S12-154.

[2] 趙龍，關(guān)廣聚.糖尿病腎病發(fā)病機制研究進展[J].中華腎臟病雜志，2013，29(7):554-558.

[3] Mogensent CE.Early glomerular hyperfietration in insulin-dependent diabetics and late nephropathy[J].Scand J Clin Lab Invest，1986，46(3):201-206.

[4] 王曉洪.生化檢測指標對糖尿病腎病早期診斷的臨床意義[J].糖尿病新世界，2015，35(6):138.

[5] 王旭方，李夢婕，葛永純，等.糖尿病腎病患者血清及尿液代謝組學特點及臨床意義[J].腎臟病與透析腎移植雜志，2012，21(3):201-209.

[6] Axel L.Cerebral blood flow determination by rapid -sequence computed tomography:theoretical analysis[J].Radiology，1980，137(3):679-686.

[7] Lee TY，Purdie TG，Stewart E.CT imaging of angiogenesis[J].Q J Nucl Med，2003，47(3):171-187.

[8] Chen Y，Zhang J，Dai J，et al.Angiogenesis of renal cell carcinoma:perfusion CT findings[J].Abdominal Imaging，2010，35(5):1-7.

[9] 陳英鑫，陳康，李蘇建，等.腎細胞癌MSCT灌注參數(shù)與細胞增殖活性的相關(guān)性研究[J].醫(yī)學影像學雜志，2009，19(3):308-312.

[10] Paul JF，Ugolini P，Sapoval M，et al.Gaux JC (2001) Unilateral renal artery stenosis:perfusion patterns with electron-beam dynamic CT-preliminary experience[J].Radiology，2001，221(1):261-265.

[11] Al-Said J，Kamel O.Changes in renal cortical and medullary perfusion in a patient with renal vein thrombosis[J].Saudi J Kidney Dis Transpl，2010，21(1):123-127.

[12] 王艷，史大鵬，高永舉，等.原發(fā)性高血壓患者腎臟血流動力學變化的CT灌注研究[J].中國醫(yī)學影像學雜志，2013，21(4):286-290.

[13] 李凱，龍莉玲，劉春斌.糖尿病腎病的腎臟MSCT灌注初步探討[J].實用放射學雜志，2014，30(6)：957-960.

[14] Goh V，Ng QS，Miles K.Computed tomography perfusion imaging for therapeutic assessment：has it come of age as a biomarker in oncology[J].Invest Radiol，2012,47(1):2-4.

[15] Jiang T，Kambadakone A，Kulkarni NM，et al.Monitoring response to antiangiogenic treatment and predicting outcomes in advanced hepatocellular carcinoma using image biomarkers，CT perfusion，tumor density，and tumor size (RECIST)[J].Invest Radiol，2012，47(1):11-17.

[16] Ng CS，Xiaohong W，F(xiàn)aria SC，et al.Perfusion CT in patients with metastatic renal cell carcinoma treated with interferon[J].AJR，2010，194(1):166-171.

[17] 孫昊，薛華丹，劉煒，等.腎細胞癌患者栓塞前后CT灌注表現(xiàn)及其健側(cè)體積變化[J].中國醫(yī)學科學院學報，2009，31(2):227-231.

[18] 田建明，邵成偉.功能成像在體部病變的應(yīng)用進展[J].上海:第二軍醫(yī)大學學報，2005，26(7)：720-723.

[19] 劉志紅，黎磊石.糖尿病腎病發(fā)病機理[J].中華腎臟病雜志，1999(zh):120-123.

[20] Bentley MD，Lerman LO，Hoffman EA，et al.Measurement of renal perfusion and blood flow with fast computed tomography[J].Circ Res，1994，74(5):945-951.

[21] 孫建男，郭啟勇，楊立國，等.多層螺旋CT腎臟灌注成像的實驗研究[J].中國醫(yī)學影像技術(shù)，2005，21(6):831-833.

[22] ?？∮?，郝新忠，武志峰，等.MSCT灌注成像評價兔積水腎功能[J].中國醫(yī)學影像技術(shù)，2009，25(11):1593-1596.

[23] 黃小華，敬宗林，張小明.胰腺多層螺旋CT照射劑量與噪聲的關(guān)系分析[J].放射學實踐，2010，25(6):688-690．

[24] Barrett BJ，Katzberg RW，Thomsen HS，et al.Contrast-induced nephropathy in patients with chronic kidney disease undergoing computed tomography:a double-blind comparison of iodixanol and iopamidol[J].Invest Radiol，2006，41(11):815-821.

[25] Thomsen HS，Morcos SK.Risk of contrast-medium-induced nephropathy in high-risk patients undergoing MDCT-a pooled analysis of two randomized trials[J].Eur Radiol，2009，19(4):891-897.

ExperimentalstudyofCTperfusionforrenalcorticalhemodynamicchangesinrabbitmodelwithdiabeticnephropathy

ZHEN Yu-li,REN Ke,WANG Yong-fang,et al.

Department of Radiology,the First Hospital of China Medical University,Shenyang,110001,China

Objectives：To investigate the possibility of using CT perfusion (CTP) parameters to detect renal cortical hemodynamic changes in rabbit model with diabetic nephropathy (DN).Methods:Eighteen New Zealand rabbits with normal blood glucose were enrolled into this study.Three of them were randomly sacrificed to obtain pathology specimen of normal kidney.150mg/kg alloxan monohydrate was injected into the rest 15 rabbits to create DN model.The level of blood glucose was measured 72h after injection.Induced diabetes model was considered successful as the blood glucose level>16mmo/L.If the blood glucose level was persistently ≥16mmol/L for 12 weeks,diabetes nephropathy (DN) model was considered to be completed.The baseline renal CTP images as well as that after DN model was acquired respectively;and the renal cortical CT perfusion parameters,including blood flow (BF),blood volume (BV),mean transit time (MTT) and permeability (PMB) were measured and analyzed.Pathology specimen of DN was compared with that of normal kidney and the pathological structural changes were studied.Results:No statistical difference was found between bilateral renal cortical perfusion parameters in normal and DN model kidney (allP>0.05).Yet,lower BF was assessed in DN rabbits compared with that of normal ones [(426.64±21.76)mL/100mL·min vs (522.46±9.70)mL/100mL·min],as well as BV [(54.45±6.16)mL/100mL vs (56.90±5.38)mL/100mL],PMB [(79.11±6.26)mL/100mL·min vs (99.39±12.69)mL/100mL·min] respectively and longer MTT [(7.71±1.11)s vs (6.55±0.69)s] respectively could also be revealed,with significant statistic difference (P<0.01 for all).Compared with normal kidney,the DN kidney showed plump and enlarged glomeruli,increased number of mesangial cell and proliferation of mesangial matrix.Conclusion:Quantitative analysis of early renal cortical hemodynamic change of rabbit models with DN could be performed on CTP which could reflect the functional changes effectively,and further provide a direct evidence for early detection and early treatment.

Diabetic nephropathy； CT perfusion； Tomography,X-ray computed； Rabbit

R587.1； R814.42

A

1000-0313(2017)09-0927-05

2016-10-09

2017-02-20)

110001 沈陽，中國醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院放射科

鄭玉麗(1989-)，女，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事腹部影像診斷工作。

任克，E-mail：renke815@sina.com

國家自然科學基金面上項目(81571635)；沈陽市科學技術(shù)資助(F15-199-1-40)

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.09.007