糖尿病骨髓微血管病變影像學(xué)研究進展

楊柳，查云飛

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一種以胰島素抵抗和(或)胰島素分泌缺陷為基本病理改變所引起的以高血糖為主要臨床特征的慢性內(nèi)分泌代謝性疾病。骨組織作為一個擁有內(nèi)分泌功能的器官，對維持全身的血糖穩(wěn)定至關(guān)重要。由于糖尿病易出現(xiàn)多種并發(fā)癥且難以治愈[1]，如患骨折、退變及骨質(zhì)疏松等骨病的風(fēng)險明顯增加，提示骨髓組織是糖尿病另一個重要的靶器官[2]。近年來，糖尿病骨髓脂肪生成增加、骨髓微血管病變已逐漸引起廣泛關(guān)注[3]。越來越多的研究結(jié)果顯示，微血管并發(fā)癥可能導(dǎo)致糖尿病骨骼脆性增加[4]，由此推測糖尿病骨病可能是一種慢性骨髓微血管并發(fā)癥[5]。影像學(xué)的高速發(fā)展，為探討糖尿病骨病與微血管病變提供更多思路與可視化證據(jù)。

1 骨密度、骨微結(jié)構(gòu)與糖尿病骨髓微血管病變

Oikawa等[6]研究結(jié)果首次顯示1型糖尿病小鼠骨髓微血管病變的病理特征，包括造血成分減少、血流量和微血管密度顯著降低及骨髓微血管的滲透性明顯增強，同時發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠骨量減少及骨髓脂肪浸潤。

骨密度(bone mineral density，BMD)一般由雙能X線吸收測定法測定?；加?型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)或2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的患者，骨折的風(fēng)險均增加。與健康對照組相比，T1DM患者BMD通常降低，但T2DM患者的BMD通常正?；蛏遊4]。臨床研究結(jié)果顯示，T1DM成年患者在沒有合并微血管疾病的情況下，骨骼結(jié)構(gòu)和骨密度正常[7]。T2DM患者的BMD的改變在各研究中不一致，這些不一致可能與研究設(shè)計、BMD測量技術(shù)、BMD檢查部位、患者的選擇以及是否存在并發(fā)癥等因素有關(guān)。Meta分析表明，T2DM患者的骨密度略等于或高于一般人群的骨密度[8-9]，盡管如此，T2DM患者骨折風(fēng)險仍增加，這表明除骨密度改變外，還有其他的變化可能導(dǎo)致糖尿病骨骼脆性增加[5]。

高分辨率外周定量計算機斷層掃描(high-resolution peripheral quantitative computed tomography，HR-pQCT)可以評估骨小梁和皮質(zhì)的微結(jié)構(gòu)。Shanbhogu等[10]使用HR-pQCT評估T1DM且未合并微血管疾病的成人患者的骨微結(jié)構(gòu)，與健康對照組的骨結(jié)構(gòu)等參數(shù)相比沒有明顯差異。進一步評估了成人T1DM合并微血管疾病患者及健康對照組的骨密度、骨微結(jié)構(gòu)等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者較對照組骨密度減低、骨皮質(zhì)變薄，這也證實糖尿病微血管疾病的存在與受損的骨微結(jié)構(gòu)相關(guān)[10]。Yu等[11]使用HR-pQCT評估骨微結(jié)構(gòu)的改變，結(jié)果顯示，與78名非糖尿病非裔美國女性相比，22例患有T2DM的非裔美國女性橈骨遠端皮質(zhì)孔隙增加及皮質(zhì)密度降低，這可能是T2DM成年患者骨折風(fēng)險較高的原因。

此外，骨小梁評分(trabecular bone score，TBS)可以在腰椎雙能X線吸收測定圖像上進行新的灰度級紋理分析，從而得到與骨小梁微結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息[12]。迄今為止，多個研究報道，T1DM患者和T2DM患者的腰椎骨折風(fēng)險與TBS呈負相關(guān)，證實腰椎TBS可以作為糖尿病患者椎骨骨質(zhì)惡化的指標[13]。

Zhong等[14]對絕經(jīng)后T2DM女性患者和與之年齡匹配的男性T2DM患者研究，探索微血管病變與骨密度之間的相關(guān)性，結(jié)果表明微血管病變與T2DM女性患者的骨質(zhì)流失有關(guān)。Viegas等[15]亦報道絕經(jīng)后T2DM女性患者無論血糖控制如何，骨質(zhì)疏松癥和椎骨骨折患病率均較高，特別在合并微血管病變的患者中更常見。Stabley等[16]通過構(gòu)建T2DM動物模型[ZDF (zucker diabetic fatty)大鼠]，探索骨血管調(diào)控機制是否在2型糖尿病進程中發(fā)生改變，結(jié)果表明在長期T2DM進程中，大鼠骨血管循環(huán)系統(tǒng)受到嚴重損害，骨血流減少，骨灌注減低，這可能不利于骨形成。

Zeitoun等[17]首次使用micro-CT對糖尿病骨微結(jié)構(gòu)和血管的形成進行評估，研究結(jié)果表明，與對照組相比，ZDF大鼠股骨的骨小梁體積顯著降低，股骨頭中骨小梁厚度也顯著降低，且ZDF大鼠股骨頸和遠端干骺端的血管數(shù)量較低，骨血管形成較差，進一步證實了在ZDF大鼠中，糖尿病骨結(jié)構(gòu)受損與骨血管形成不良有關(guān)。

基于對比劑首過效應(yīng)的動態(tài)增強磁共振成像(dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)采用Gd-DTPA作為小分子對比劑，假設(shè)動脈血管中的對比劑流入成像體素，并且以轉(zhuǎn)移常數(shù)(Ktrans)向間質(zhì)滲透。同時，間質(zhì)內(nèi)的小分子對比劑也會以速率常數(shù)(Kep)被血管收集并流出體素，同時定義血管外細胞外間隙(extravascular extracellular space，EES)占整個體素的容積分數(shù)比為血管外細胞外間隙(Ve)。通過多參數(shù)的曲線擬和計算，可以獲得反映血管通透性的Ktrans、反映血管外細胞外間隙比例的Ve和血管在體素內(nèi)的比例參數(shù)fPV等客觀定量參數(shù)[18]。

Zhu等[19]通過DCE-MRI探索卵巢切除后大鼠骨質(zhì)疏松模型中腰椎血流灌注，結(jié)果顯示血管密度減少，Ktrans值在第2周顯著降低且Ktrans與 BMD顯著相關(guān)，表明定量DCE-MRI可以顯示骨髓灌注情況以及骨質(zhì)疏松癥早期病理生理的變化。Hu等[20]用DCE-MRI評價經(jīng)四氧嘧啶誘導(dǎo)的糖尿病兔模型的腰椎骨髓灌注情況，研究結(jié)果顯示糖尿病組在各時間節(jié)點(注射四氧嘧啶后0、4、8、12和16周)椎體骨髓的DCE-MRI定量參數(shù)Ktrans、Kep、Vp、Ve值差異存在統(tǒng)計學(xué)意義；在12周時糖尿病組Ktrans、Kep值呈顯著上升趨勢，而Vp顯著降低，在16周后Ve的體積顯著下降。Ktrans代表了單位時間內(nèi)對比劑從血管進入細胞外間隙的數(shù)目，糖尿病導(dǎo)致骨髓微血管內(nèi)皮細胞損傷，使骨髓局部微血管滲透性增大，故Ktrans值升高；Ve值在16周后明顯減小，而骨髓脂肪分數(shù)呈上升趨勢，Ve值的下降可能與血管外細胞外間隙脂肪沉積有關(guān)，由此推測糖尿病導(dǎo)致的血管滲透性變化早于血管外脂肪細胞的沉積。以上研究結(jié)果也證實了DCEMRI可用于評價早期糖尿病骨髓微血管滲透性變化。

2 骨代謝與糖尿病骨髓微血管病變

關(guān)于骨代謝與糖尿病骨髓微血管病變的研究較少。晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)是在正常機體內(nèi)通過還原糖與蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸上的胺殘基之間的非酶促反應(yīng)產(chǎn)生的多種化合物，但糖尿病患者引起的高血糖會大大加速這一進程，AGEs與糖尿病骨質(zhì)變化密切相關(guān)[21]，AGEs導(dǎo)致膠原纖維之間相互交聯(lián)，使膠原纖維的柔韌性降低但整體硬度增加。Marin等[22]評估了經(jīng)高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠股骨中的AGEs水平，結(jié)果顯示與正常對照組小鼠相比，糖尿病小鼠的股骨皮質(zhì)區(qū)AGEs明顯富集；同時，應(yīng)用micro-CT分析顯示T2DM小鼠的骨強度明顯降低，這提示檢測AGEs對于糖尿病患者骨質(zhì)量和骨折風(fēng)險的評估非常重要。

Koike等[23]揭示了AGEs對大鼠血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)的作用，研究顯示AGEs會誘導(dǎo)VSMC凋亡，表明AGEs積聚不利于血管形成；進一步發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，和AGEs一起培育的細胞鈣沉積顯著增加。Wang等[24]的研究表明AGEs使動脈更易鈣化，而鈣化會損害脈管系統(tǒng)的功能已得到研究證實[25]。

內(nèi)皮祖細胞(endothelial progenitor cells，EPCs)是血管內(nèi)皮細胞的前體細胞，在血管新生和血管內(nèi)皮修復(fù)中具有重要作用[26]。EPC功能不全是導(dǎo)致糖尿病血管疾病的重要機制之一[27-28]。

EPC是一類能增殖分化為成熟內(nèi)皮細胞的祖細胞群，Mohler等[28]首次用糖尿病豬模型開展研究，結(jié)果證實糖尿病骨髓EPCs和循環(huán)EPCs均顯著減少。譚強等[29]用四氧嘧啶法制造家兔糖尿病模型，進一步探索糖尿病對兔骨髓內(nèi)皮祖細胞及循環(huán)內(nèi)皮祖細胞功能的影響，結(jié)果顯示糖尿病不僅損害了兔循環(huán)EPC功能，使循環(huán)EPC的集落數(shù)、增殖力、粘附力及成血管能力均較正常對照兔明顯下降，同時也影響了骨髓EPC成血管功能。

譚強等[29]發(fā)現(xiàn)糖尿病兔在移植骨髓EPC后，心肌組織血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor，bFGF)表達增加，證實骨髓EPC具有旁分泌功能。VEGF是一種促血管生成因子[30-31]，使血管的通透性增加，有利于內(nèi)皮細胞的增殖和存活以及血管結(jié)構(gòu)的形成[32]。但T2DM會使EPCs的成熟受損[33]，使促血管生成因子生成降低，進而新生血管減少，血管內(nèi)皮修復(fù)作用受損。

骨髓脂肪組織(marrow adipose tissue，MAT)在以往被認為是惰性脂肪庫，但現(xiàn)在已明確是一種內(nèi)分泌器官，以調(diào)節(jié)和組成兩種形式存在，在功能上不同于白色和棕色脂肪組織，可以調(diào)節(jié)全身及局部骨代謝[34]；在骨髓微環(huán)境中，脂肪細胞和成骨細胞均起源于同種間充質(zhì)干細胞前體，骨髓脂肪作為脂肪和骨代謝之間相互作用的潛在生物標志物或調(diào)節(jié)因子已經(jīng)獲得了越來越多的關(guān)注[35]。

已知骨髓脂肪含量增加與骨骼健康呈負相關(guān)，骨髓脂肪含量越高，骨強度越低，越不利于骨骼健康。糖尿病是與骨髓脂肪代謝密切相關(guān)的疾病，糖尿病會導(dǎo)致骨髓脂肪增多。在T1DM或T2DM的小鼠模型中，骨髓脂肪含量明顯升高[36]，表明糖尿病患者骨骼脆性可能是通過骨髓脂肪影響的[37]。在患有T2DM的女性中，較高的糖化血紅蛋白(HbA1c)水平與較高的骨髓脂肪相關(guān)，骨髓脂肪可能會影響血糖水平或受血糖水平的影響[38]。

質(zhì)子磁共振波譜(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)已被證明是一種用于準確測量椎骨骨髓脂肪含量的非侵入性方法[38]。1H-MRS通過傅里葉變換，將磁共振信號轉(zhuǎn)換成為直觀可視化的頻率譜，在不同頻率的位置上通過波峰顯示水和脂肪質(zhì)子基團，計算脂峰下相對面積與總面積的百分比即可得出脂肪信號分數(shù)(fat fraction，F(xiàn)F)。Patsch等[38]對既往有骨折史的絕經(jīng)后婦女進行研究，分為糖尿病組及非糖尿病組，運用1H-MRS量化其椎體骨髓脂肪含量和組成，并將其與患有和不患有T2DM的非骨折對照進行比較，結(jié)果顯示無論患或者不患糖尿病，骨折和非骨折患者的總骨髓脂肪含量相似，但有骨折史的糖尿病患者骨髓中不飽和脂肪酸含量最低，飽和脂肪酸含量最高，進一步證實了MRS可以作為不依賴BMD進行骨折風(fēng)險評估的新工具。Yu等[39]及Aoki等[40]均應(yīng)用1H-MRS探索糖尿病患者的骨髓脂肪的變化，研究一致發(fā)現(xiàn)腰椎椎體的MAT與HbA1c呈正相關(guān)，與非糖尿病組相比，絕經(jīng)后T2DM女性骨髓內(nèi)非飽和脂肪酸明顯減少，而飽和脂肪酸顯著增加，這種改變與骨骼完整性受損及脆性骨折相關(guān)，研究結(jié)果表明MAT的組成可能會影響糖尿病患者的骨骼健康和新陳代謝。

利用回波不對稱和最小二乘法(iterativedecompositionof water and fat with echo asymmetric and least-squares estimation，IDEAL)成像對水和脂肪進行迭代分解是一種利用3個不對稱回波時間和三點Dixon方法穩(wěn)定分離脂肪和水的新方法[41]。它是一種快速且可高度重復(fù)的檢測方法，可作為一種定量評估骨髓中的脂肪含量及評估潛在骨折風(fēng)險的實用工具[40]，相對于其他脂肪定量技術(shù)(quantitative FAT/R2*imaging)的優(yōu)勢在于操作簡便、可重復(fù)性高，近年其在骨髓脂肪定量研究中發(fā)揮了重要作用[42]。Hu等[20]首次應(yīng)用IDEAL-IQ探索糖尿病兔椎體脂肪含量的改變，結(jié)果顯示，糖尿病兔腰椎骨髓脂肪含量在第16周時較0、4、8和12周明顯增高，且IDEAL-IQ測量椎體脂肪含量與病理切片的脂肪細胞計數(shù)高度相關(guān)，IDEAL-IQ可以便捷、有效、動態(tài)檢測糖尿病骨髓脂肪含量的變化；同時，研究發(fā)現(xiàn)糖尿病導(dǎo)致的血管滲透性變化早于血管外脂肪細胞的沉積，為揭示早期糖尿病骨髓微血管及脂肪病變的時序關(guān)系提供了可視化的影像學(xué)證據(jù)。

3 總結(jié)與展望

糖尿病骨病已經(jīng)受到越來越多的學(xué)者關(guān)注，雖然已有大量的研究表明骨髓微血管病變、骨髓脂肪沉積與糖尿病骨骼病變密切相關(guān)，但是BMD無法充分預(yù)測糖尿病患者的骨折風(fēng)險，而且糖尿病骨微血管病變與骨髓脂肪病變的因果時序關(guān)系至今尚不清楚。

HR-pQCT、DCE-MRI、磁共振波譜及IDEAL-IQ等影像學(xué)技術(shù)，可以較為準確地評估骨小梁和皮質(zhì)的微結(jié)構(gòu)、骨髓灌注、水脂組成等變化，為糖尿病骨病的病理生理機制提供可視化影像學(xué)的研究證據(jù)。新型的影像組學(xué)分析方法融合數(shù)字影像信息、統(tǒng)計學(xué)、人工智能、機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等方法，將傳統(tǒng)視覺影像信息轉(zhuǎn)化為深層次特征信息來量化研究，可能在糖尿病骨病的研究中具有潛在的巨大價值。而且糖尿病是嚴重肢體缺血的重要獨立危險因素[43]，且肢體缺血與微血管病變密不可分，未來研究還應(yīng)關(guān)注糖尿病合并嚴重肢體缺血患者骨髓早期微血管變化，實現(xiàn)早期檢測、早期干預(yù)，進而設(shè)計出個性化的治療方案，對于改善糖尿病患者骨髓靶器官功能具有重大意義。

利益沖突：無。