功能磁共振成像技術(shù)在糖尿病腎病中的研究進展

周心荷，劉 玲，鄧 楠

(大理大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院,云南 大理 671000)

糖尿病腎病(diabetic kidney disease，DKD)是糖尿病引起的慢性腎病，是導(dǎo)致終末期腎病(end-stage renal disease，ESRD)的最主要原因[1]。臨床上常用尿微量白蛋白、估算腎小球濾過率(estimated glomerular filtration rate，eGFR)及腎活檢診斷DKD，但均具有局限性：尿微量白蛋白是早期診斷DKD的主要手段，但是感染、發(fā)熱、運動及遺傳等因素也可影響尿微量白蛋白；eGFR的常用指標(biāo)是血清肌酐，但其會被多種生理病理因素干擾。腎穿刺活檢是診斷DKD的金標(biāo)準(zhǔn)，但是其為有創(chuàng)檢查，難作為常規(guī)性檢查手段。

近年來，功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)作為一種非侵入性影像學(xué)檢查手段在評價DKD功能方面的應(yīng)用受到越來越多的重視，基于化學(xué)位移的水脂分離成像技術(shù)可用于量化腎臟中的脂肪沉積，磁共振擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術(shù)可觀察組織中水分子的各向異性擴散，血氧水平依賴(blood oxygenation level-dependent,BOLD)成像可用于評價DKD的氧動力學(xué)變化，動脈自旋回波標(biāo)記(arterial spin labeling，ASL)技術(shù)可以評價腎臟灌注水平?，F(xiàn)就fMRI在DKD應(yīng)用中的研究進展進行綜述。

1 水脂分離成像

腹腔實質(zhì)臟器的異位脂肪沉積不僅是疾病的征兆，也是病因的一部分，脂肪細(xì)胞、脂肪相關(guān)組織及細(xì)胞不僅能夠儲存脂肪，而且會分泌多種激素、酶類、脂肪因子(多肽)及各種細(xì)胞因子影響胰島素的敏感性和血脂代謝，過量游離脂肪酸和脂質(zhì)異常沉積會導(dǎo)致細(xì)胞損傷，這一過程被稱為脂毒性[2],腎臟異常脂肪沉積會加速慢性腎臟病的進展[2-4]。

近年來，磁共振波譜成像(magnetic resonance spectroscopy，MRS)和質(zhì)子密度脂肪分?jǐn)?shù)(proton density fat fraction,PDFF)被應(yīng)用于磁共振無創(chuàng)性組織脂肪定量技術(shù)。PDFF是用于測定脂肪變性的磁共振生物標(biāo)志物，其在非酒精性脂肪性肝病中得到驗證[5]。在健康志愿者身上使用1.5 T MRI MRS表明，正常人類腎臟具有非常低的脂質(zhì)含量，脂肪分?jǐn)?shù)約為0.6%[4]。腎臟脂質(zhì)含量的小幅升高可能也對DKD腎損傷有重要影響。但對于腎臟等器官中脂質(zhì)的測量，化學(xué)位移的水脂分離成像較MRS更具優(yōu)勢，其屏氣采集避免了MRS所需的精確呼吸運動補償[6]；感興趣區(qū)域的精確腎內(nèi)放置可以避免腎周脂肪及竇腔脂肪的污染；化學(xué)位移的水脂分離成像可以區(qū)分出皮質(zhì)和髓質(zhì)，可以分別測量脂肪分?jǐn)?shù)。

1984年，Dixon[7]提出了兩點式Dixon技術(shù)。該技術(shù)利用的是水和脂肪中氫質(zhì)子的頻率差，通過調(diào)節(jié)回波時間分離出單獨的水像和脂肪像，但是兩點式Dixon技術(shù)在B0場不均勻的情況下會失效，導(dǎo)致水脂不能完全分離。為解決這個問題，Glover和Schneider[8]提出了三點式Dixon技術(shù)，即通過3次測量，利用多余信息克服B0不均勻?qū)е碌南辔徽`差的影響。IDEAL是在三點式Dixon技術(shù)的基礎(chǔ)上提出，其能夠徹底分離水脂，將水脂互換錯誤的發(fā)生率降低，從而提高圖像的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。目前，Dixon技術(shù)日趨成熟，多種新的改良技術(shù)進一步提高了脂肪定量分析的精度。

Yokoo等[9]發(fā)現(xiàn)，在3 T MRI上使用3D多回波Dixon序列和PDFF重建對29例糖尿病患者和40例健康人進行檢查發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者腎臟脂質(zhì)水平較對照組高，此項研究結(jié)果與一超高場(7 T)動物實驗的結(jié)果一致[10]。Wang等[11]采用三點式Dixon序列評價61例2型糖尿病患者(正常白蛋白尿組40例，微量白蛋白尿組21例)和34例非糖尿病志愿者的腎臟脂肪分?jǐn)?shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微量蛋白尿組腎臟脂肪分?jǐn)?shù)顯著高于正常白蛋白尿組和對照組，因此認(rèn)為Dixon技術(shù)可以檢測不同階段DKD腎臟脂質(zhì)沉積的程度，并有望能診斷早期DKD。Peng等[10]的動物研究認(rèn)為，糖尿病腎臟的脂質(zhì)主要集中在皮質(zhì)，且脂質(zhì)積聚損害了腎組織的氧合，導(dǎo)致腎臟更加缺氧。不過腎臟脂質(zhì)與氧合的關(guān)系還需要更進一步驗證。

2 DTI

DTI是在擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)技術(shù)基礎(chǔ)上改進和發(fā)展的一項新技術(shù)，可以在多個方向上測量水分子擴散程度的方向性。腎臟組織含水量豐富，血液灌注量大，具有濾過、重吸收和濃縮尿液的功能，并且腎臟管道系統(tǒng)在解剖上呈放射狀規(guī)律排列，有明顯的各向異性擴散，這些解剖結(jié)構(gòu)特點與生理學(xué)特征為DTI成像提供了理論基礎(chǔ)。

b值反映了DTI擴散的敏感度，b值越高，探測組織內(nèi)水分子擴散運動越敏感，但掃描時間會延長，圖像的信噪比會下降。國內(nèi)外大部分腎臟DTI研究都選用的b值為400 s/mm2[12-13]。分?jǐn)?shù)各向異性(fractional anisotropy，F(xiàn)A)是DTI的重要參數(shù)之一，F(xiàn)A值反映了水分子擴散運動的方向性，其值為0～1，F(xiàn)A值越靠近1，說明組織內(nèi)水分子在不同方向上擴散的程度越大。Lu等[12]研究發(fā)現(xiàn)，DKD患者腎髓質(zhì)FA值較健康者明顯降低。Chen等[14]的結(jié)論與Lu等[12]稍有不同，其認(rèn)為DKD早期(三期及之前)腎髓質(zhì)FA值升高，其反映了腎功能不全的代償狀態(tài)，隨著病情的進展(如腎小管萎縮、基底膜增厚、管腔擴張，甚至腎小管壞死)，F(xiàn)A值逐漸下降。Wang等[15]通過DTI評價26例糖尿病患者(正常白蛋白尿組14例、微量白蛋白尿組12例)和14例非糖尿病志愿者發(fā)現(xiàn)，微量白蛋白尿組皮髓質(zhì)FA值最低，正常白蛋白尿組的皮質(zhì)FA值與健康對照組相比明顯降低，因此認(rèn)為FA值可能是早期DKD中較微量白蛋白尿更敏感的生物標(biāo)志物。Wang等[16]認(rèn)為，腎皮髓質(zhì)FA值均與eGFR相關(guān)，這點與Lu等[12]的結(jié)論不同。Lu等[12]認(rèn)為eGFR與腎髓質(zhì)FA值具有相關(guān)性，與皮質(zhì)FA值無明顯相關(guān)性，腎皮質(zhì)和髓質(zhì)是否均參與了DKD的發(fā)病機制和腎功能損害的進程還有待進一步證實。

表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)是DTI的另一個重要參數(shù)，用于描述組織內(nèi)水分子擴散運動的幅度，與水分子的擴散運動能力成正比。王文娟等[13]分別測量了皮髓質(zhì)的ADC值和FA值發(fā)現(xiàn)，健康志愿者腎皮質(zhì)的ADC值高于髓質(zhì)，腎髓質(zhì)的FA值高于皮質(zhì)，之后大部分研究的結(jié)論與此相符[14-15]，說明DTI的檢測結(jié)果有較高的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。Wang等[17]發(fā)現(xiàn)，1～2期[GFR≥60 mL(min·1.73 m2)]慢性腎病患者的ADC值未顯著降低，而3～5期[GFR<60 ml(min·1.73 m2)]慢性腎病患者的ADC值顯著低于對照組，提示ADC測量可能適用于檢測中至重度慢性腎病，究其原因可能是1～2 期患腎呈高濾過狀態(tài)，腎臟病理損害較小，3期以后腎臟微血管損傷嚴(yán)重，并出現(xiàn)腎小球硬化、腎小管纖維化等病理損傷，使毛細(xì)血管流量及流速減低，水分子量減少，水分子擴散受限，導(dǎo)致ADC值降低，提示腎髓質(zhì)ADC值與組織學(xué)確定的間質(zhì)纖維化程度和腎小管萎縮程度存在顯著的負(fù)相關(guān)。Liu等[18]發(fā)現(xiàn)，在評價慢性腎臟疾病功能的變化上，F(xiàn)A值較ADC值更敏感，原因是ADC值主要受灌注和流動效應(yīng)影響，而FA值主要取決于腎小管中水分子不規(guī)則的布朗運動，因此在大部分腎臟慢性間質(zhì)性疾病中，F(xiàn)A值的改變早于ADC值。

擴散張量纖維束示蹤成像(diffusion tensor tractography，DTT)是在DTI基礎(chǔ)上的發(fā)展起來的新技術(shù)，該技術(shù)反映了腎臟中腎小管、直小血管等結(jié)構(gòu)的走行方向、數(shù)量和疏密情況，是直觀顯示腎臟微觀結(jié)構(gòu)改變的有效方法。有學(xué)者認(rèn)為，年齡、腎臟體積與腎臟纖維束存在正比關(guān)系[19]。Wang等[17]研究表明，DKD患者DTT圖上放射狀的集合管數(shù)量減少、長度縮短。

3 BOLD

血氧水平依賴MRI(blood oxygenation level-dependent MRI，BOLD-MRI)以順磁性去氧血紅蛋白作為內(nèi)源性對比劑，可無創(chuàng)性地反映組織內(nèi)血紅蛋白的氧含量。人體血液中的去氧血紅蛋白中含有不成對的鐵電子，血氧含量增加時其順磁效應(yīng)使T2或T2*(表觀自旋-自旋弛豫)值縮短，表現(xiàn)為T2*WI序列上信號減低；R2*(=1/T2*)即橫向弛豫率直接反映組織內(nèi)去氧血紅蛋白的濃度，R2*值與去氧血紅蛋白濃度成正比，與組織氧合水平成反比[20]。

研究表明，慢性缺氧是包括DKD在內(nèi)的多種腎臟疾病共同的致病通路[21]，健康人群與DKD人群腎髓質(zhì)的R2*值均高于腎皮質(zhì)的R2*值[22-23]，且腎髓質(zhì)對缺血與低氧狀態(tài)較為敏感，髓質(zhì)氧分壓的微小波動即可使氧合血紅蛋白發(fā)生較大改變。Yin等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，DKD患者腎髓質(zhì)R2*與eGFR呈正相關(guān)，皮質(zhì)R2*與eGFR呈負(fù)相關(guān)，早期DKD患者的皮髓質(zhì)信號強度比率呈先升后降的趨勢，Wang等[25]的動物實驗結(jié)果與此相印證。蔣振興等[23]研究顯示，DKD組皮質(zhì)R2*與eGFR呈負(fù)相關(guān)，皮髓質(zhì)信號強度比率與eGFR呈正相關(guān)，原因可能與中晚期腎小球硬化較嚴(yán)重，皮質(zhì)氧分壓不斷下降有關(guān)。以上研究證明，BOLD可對DKD引起的腎臟損傷過程進行氧代謝方面的無創(chuàng)性評估，且能先于其他檢測方法反映腎臟的病理生理變化。但也有一些學(xué)者持不同意見，Michaely等[26]的研究表明，皮髓質(zhì)R2*與eGFR無相關(guān)性。Wang等[16]的研究認(rèn)為，DKD患者腎髓質(zhì)R2*低于正常組，中晚期DKD皮質(zhì)R2*無明顯增高，分析其原因可能是腎皮質(zhì)對缺氧損傷耐受性較好，不容易損傷；另一種可能的解釋是皮質(zhì)中氧合作用的微小變化不容易通過BOLD觀察。對于DKD腎臟皮髓質(zhì)R2*與eGFR的相關(guān)性還需要更多的研究證實。

BOLD-MRI還可以檢測藥物治療后的效果。Hueper等[27]將小鼠分為正常組、糖尿病組及糖尿病單側(cè)腎切除組，分別使用一氧化氮合酶抑制劑介導(dǎo)血管舒張以增加腎臟的耗氧量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一氧化氮合酶抑制劑加重了腎臟外髓外帶缺氧，但對腎切除組小鼠的腎臟作用減弱，原因可能是DKD中腎臟的血管反應(yīng)性減低，因此在腎臟失去代償功能前，早期診斷同時進行干預(yù)治療至關(guān)重要。冉鵬程等[28]認(rèn)為，BOLD可監(jiān)控DKD大鼠應(yīng)用有效藥物治療后的效果，有助于判斷療效。

4 ASL

ASL成像是磁共振灌注成像的一種，其工作原理是利用被反沖波標(biāo)記的動脈血中的水質(zhì)子作為對比示蹤劑，被標(biāo)記的動脈血到達(dá)成像平面所采集的圖像稱為“標(biāo)記像”,單獨采集未標(biāo)記的靜態(tài)信號稱為“控制像”，一旦標(biāo)記血流到達(dá)腎臟并替代了未被標(biāo)記的血流，MR信號強度會減低?？刂葡衽c標(biāo)記像減影抑制了靜態(tài)組織的信號，得到灌注加權(quán)像。但是圖像的信噪比較低，通常需要重復(fù)采集以獲得成對標(biāo)記-控制像[29]。

相較于常規(guī)磁共振灌注成像，ASL最大的優(yōu)點在于無創(chuàng)性。有學(xué)者分別使用ASL和動態(tài)增強掃描測量腎血流量(renal blood flow，RBF)發(fā)現(xiàn)，ASL測得的腎皮質(zhì)血流量與動態(tài)增強掃描具有相關(guān)性[30]。對于糖尿病患者來說，對比劑腎病的發(fā)生率為5.7%～29.4%[31]，當(dāng)基線血漿肌酐水平為176.8～353.6 μmol/L時，27%的糖尿病患者發(fā)生對比劑腎病，而基線血漿肌酐>353.66 μmol/L時患者發(fā)生對比劑腎病的風(fēng)險為81%。Chong等[32]研究表明，即使在血清肌酐正常的情況下，糖尿病患者對比劑腎病的發(fā)病率也較非糖尿病患者明顯升高。綜上，ASL可利用內(nèi)源性對比劑無創(chuàng)性定量分析腎臟灌注水平，規(guī)避對比劑產(chǎn)生的一系列不良反應(yīng)。Artz等[33]以熒光微球為金標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為ASL技術(shù)評價腎皮質(zhì)灌注與熒光微球評價有較好的相關(guān)性(r=0.81)。Gillis等[34]采用ASL技術(shù)對健康志愿者的RBF進行重復(fù)測量，認(rèn)為腎臟的皮質(zhì)灌注與全腎灌注的相關(guān)性較好。以上研究表明，ASL MRI是一種非侵入性、可信度較高、重復(fù)性較好的定量評價腎臟灌注的技術(shù)手段。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著DKD腎功能的降低，腎皮質(zhì)血流量明顯減低，DKD腎皮質(zhì)血流量與eGFR呈正相關(guān)[35-37]。劉波等[35]發(fā)現(xiàn)，不同嚴(yán)重程度的DKD患者RBF有明顯差異，其中中重度DKD患者的RBF顯著低于單純糖尿病患者、輕度DKD患者以及健康人，提示ASL可能在評價糖尿病分期方面具有作用，并且RBF可作為判斷2型糖尿病的影像學(xué)指標(biāo)。章娜等[36]的研究認(rèn)為，ASL區(qū)別DKD正常腎功能組與腎功能受損組的靈敏度為76%、特異度為82%，因此ASL可作為早期篩選DKD腎功能受損的指標(biāo)。Li等[37]通過注射腺苷和L-NAME誘導(dǎo)大鼠腎臟灌注發(fā)生變化發(fā)現(xiàn)，ASL對藥理學(xué)誘導(dǎo)的腎臟血流變化敏感。ASL檢測發(fā)現(xiàn)，注射呋塞米后的健康志愿者皮髓質(zhì)RBF顯著減低[38],說明在ASL MRI的基礎(chǔ)上監(jiān)測袢利尿劑對腎臟血流動力學(xué)變化的影響是可行的。

5 問題與展望

fMRI作為無創(chuàng)性檢測腎臟功能的手段，具有可多次重復(fù)、靈敏度高、接受性好等特點，然而Dixon、BOLD、DTI及ASL MRI均處于研究的初始階段，國內(nèi)外對DKD研究的篩選分組缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，動物實驗及人體試驗結(jié)果缺乏金標(biāo)準(zhǔn)對照，技術(shù)層面可因腎臟血流情況、血管搏動及胃腸蠕動等產(chǎn)生的運動偽影而干擾結(jié)果的穩(wěn)定性，復(fù)雜的后處理和過長的檢查時間也限制了在臨床的應(yīng)用。上述fMRI從不同側(cè)面為臨床提供了更多關(guān)于腎臟的影像學(xué)信息，在研究DKD發(fā)病機制、早期診斷方面有較好的應(yīng)用前景。fMRI在DKD精確分期、預(yù)后判斷及用藥療效實時監(jiān)控中的應(yīng)用較少，可作為今后研究的方向。