腎臟缺血再灌注損傷的功能MRI 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

任燕 崔建民 沈文*

腎移植術(shù)是終末期腎病的有效治療手段。腎臟缺血再灌注損傷（ischemia reperfusion injury,IRI）是造成急性腎損傷（acute kidney injury,AKI）和移植物功能延遲恢復(fù)的重要原因[1]。臨床上用于評估腎功能的方法尚存在一定局限性[2]，而功能MRI 可動態(tài)監(jiān)測腎臟IRI 的微觀病理變化， 且具有無輻射、定量、 敏感等優(yōu)點(diǎn)。目前常用于評估腎臟IRI 的功能MRI 方法包括擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）、體素內(nèi)不相干運(yùn)動（intravoxel incoherent motion，IVIM）成像、血氧水平依賴（BOLD）、動脈自旋標(biāo)記（arterial spin labeling，ASL）、縱向弛豫時(shí)間定量成像（T1mapping）MRI。腎臟IRI 的發(fā)生機(jī)制復(fù)雜，以人為對象進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和倫理評估均存在一定局限性，因此建立動物模型有利于多角度、 多模態(tài)研究病生理改變及時(shí)間依賴性變化。本文就腎臟IRI 的功能MRI 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展予以綜述。

1 腎臟缺血再灌注的概念

腎臟缺血包括熱缺血和冷缺血。熱缺血是指供腎血流中斷至冷保存前的過程。冷缺血是指冷保存至植入受體的過程。從時(shí)間長短來說，冷缺血時(shí)間明顯更長；就損傷程度而言，熱缺血對腎功能影響更嚴(yán)重[3]。腎臟再灌注是指移植腎在受體中重新建立血管通路，恢復(fù)血流供應(yīng)。腎臟IRI 大多為可逆性損傷，因此通過功能MRI 早期監(jiān)測腎功能變化顯得尤為重要。

2 腎臟IRI 的病生理基礎(chǔ)

腎臟是高灌注器官， 雖然質(zhì)量約為體質(zhì)量的0.5%，但血流灌注量約占心輸出量的25%，因此對IRI 十分敏感。腎缺血過程中，內(nèi)皮細(xì)胞受損，產(chǎn)生內(nèi)皮素和表達(dá)多種受體[4]，氧自由基產(chǎn)生、Ca2+超載、多種因子共同作用導(dǎo)致腎內(nèi)微循環(huán)紊亂和血流動力學(xué)改變[5]。腎再灌注過程中，細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞、代謝障礙較缺血時(shí)更加嚴(yán)重， 位于髓質(zhì)的腎小管上皮細(xì)胞引發(fā)炎癥反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞水腫。由于腎髓質(zhì)供血量少，含氧量低，腎小管重吸收氧耗大[6]，所以腎髓質(zhì)對缺氧缺血耐受性較差，對IRI 更敏感[7]。晚期腎小管間隙被大量膠原、細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞替代，重吸收功能受損，出現(xiàn)腎間質(zhì)纖維化。

3 腎臟IRI 的功能MRI 應(yīng)用

3.1 DWI DWI 是基于水分子布朗運(yùn)動特點(diǎn)來評價(jià)腎結(jié)構(gòu)和功能的MR 成像方式，可提供細(xì)胞內(nèi)、外間隙水分子擴(kuò)散及組織微循環(huán)灌注的信息。掃描參數(shù)為擴(kuò)散敏感因子（b 值），定量指標(biāo)為表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）。ADC 值反映水分子運(yùn)動的快慢[8]。水分子擴(kuò)散速度越快，ADC 值越高。b 值越高，ADC 值測量越可靠。Ko 等[9]夾閉大鼠雙側(cè)腎蒂60 min 再灌注后6h 發(fā)現(xiàn)，外髓內(nèi)帶（innerstripesofoutermedulla,ISOM）和外髓外帶（outer stripes of outer medulla,OSOM）的單核細(xì)胞趨化蛋白-1 （monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）升高，此時(shí)測得的ADC 值下降，提示IRI 發(fā)生后，ISOM 和OSOM 的ADC 值減低可作為IRI 超急性期改變的標(biāo)志。此外，發(fā)現(xiàn)MCP-1與ADC 值有顯著相關(guān)性。Hueper 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，鼠腎ADC 值隨再灌注時(shí)間的延長逐漸接近正常水平。徐等[11]建立豬腎動脈主干阻斷模型，術(shù)后ADC 值下降，第7 天降到最低后逐漸上升，到第90 天后逐漸恢復(fù)。表明DWI 可以監(jiān)測腎臟IRI 動態(tài)變化，結(jié)合病理考慮早期ADC 值下降與細(xì)胞水腫相關(guān)， 晚期ADC 值下降與間質(zhì)纖維化相關(guān)。有研究[12]表明，線粒體特異性抗氧化劑（MitoQ）對腎臟IRI 有保護(hù)作用。劉等[13]評估MitoQ 對大鼠左側(cè)腎臟IRI 的影響，于術(shù)后不同時(shí)間點(diǎn)掃描發(fā)現(xiàn)左腎OSOM 的ADC 值逐漸升高，提示DWI 可評價(jià)MitoQ 對大鼠腎臟IRI 的保護(hù)作用。Amdisen 等[14]建立豬單側(cè)腎臟IRI 模型，利用DWI 觀察細(xì)胞間隙連接蛋白43（ZP1609）作為保護(hù)劑的成像特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)ADC 值與對照組比較無顯著差異，推測其對腎臟IRI 可能沒有保護(hù)作用。DWI利用單指數(shù)模型計(jì)算方便， 但不能區(qū)分真實(shí)水分子擴(kuò)散和微循環(huán)灌注信息。

3.2 IVIM IVIM 采用雙指數(shù)模型同時(shí)獲得水分子擴(kuò)散和微循環(huán)灌注信息， 其定量指標(biāo)包括單純擴(kuò)散系數(shù)（ADCslow或D）、微循環(huán)灌注系數(shù)（ADCfast或D*）和灌注分?jǐn)?shù)（f），分別反映組織內(nèi)真實(shí)的水分子擴(kuò)散、灌注相關(guān)的擴(kuò)散運(yùn)動、局部微循環(huán)灌注效應(yīng)在整體擴(kuò)散中所占比例。由于毛細(xì)血管網(wǎng)呈偽隨機(jī)分布，所以血液的微循環(huán)被認(rèn)為是不相干運(yùn)動[15]。Rheinheimer等[16]根據(jù)腎移植病人的腎冷缺血時(shí)間（cold ischemia time,CIT）分組（CIT<15 h 和CIT≥15 h），于術(shù)后行DWI 和IVIM 掃描， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CIT≥15 h 組的擴(kuò)散值（ADC 值、D 值、f 值）顯著低于CIT<15 h 組。ADC值和D 值取決于CIT。其中，ADC 值與CIT 相關(guān)性較強(qiáng)。CIT≥15 h 組的ADC 值和D 值減低可能與腎實(shí)質(zhì)的毛細(xì)血管萎縮和腎間質(zhì)纖維化相關(guān)，有助于提示移植腎功能下降。由此可見，IVIM 和DWI 聯(lián)合應(yīng)用可為隨訪監(jiān)測腎功能變化提供新的手段。Cheung等[15]建立大鼠右腎熱缺血60 min 再灌注5 h 模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)右腎皮髓質(zhì)的D 值和f 值均較對側(cè)明顯減低（均P<0.01），患側(cè)腎皮髓質(zhì)D 值減低可能與細(xì)胞毒性水腫導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)分子擴(kuò)散運(yùn)動受限有關(guān)，f 值減低可能因?yàn)榧t細(xì)胞阻塞引起的微血流循環(huán)障礙，導(dǎo)致活性血管體積分?jǐn)?shù)減小。以上研究表明，IVIM成像能夠區(qū)分水分子擴(kuò)散和真實(shí)的血流灌注信息，有助于分析腎臟IRI 的微觀病生理改變。

3.3 BOLD Ogawa 等在1990 年發(fā)現(xiàn)脫氧血紅蛋白具有順磁性， 可作為一種內(nèi)源性對比劑監(jiān)測血氧變化。BOLD 采用表觀自旋-自旋去弛豫率即R2*（R2*=1/T2*，單位Hz）作為定量指標(biāo)。R2*值隨脫氧血紅蛋白濃度升高而升高， 提示組織含氧量下降。查等[17]依據(jù)左腎動脈夾閉時(shí)間將兔分成3 組（40、60、80 min），再灌注48 h 后測量雙腎皮質(zhì)、外髓層的R2*值，測量左腎與右腎相同位置的興趣區(qū)（ROI）R2*值并做比值（rR2*） ，計(jì)算IRI 前后rR2*的差值（ΔrR2*），這種測量方法有助于消除個(gè)體差異及不同時(shí)間點(diǎn)兔腎血流變化差異。該研究發(fā)現(xiàn)，腎臟缺血時(shí)間越長，ΔrR2*越高，提示腎臟IRI 越嚴(yán)重。3 組外髓的ΔrR2*均高于皮質(zhì)， 表明IRI 使得腎外髓質(zhì)比皮質(zhì)的氧合水平更高。BOLD 能反映不同缺血時(shí)間的腎臟IRI后腎功能的改變。Pedersen 等[18]對大鼠左腎動脈結(jié)扎45 min 術(shù)后3 d 掃描發(fā)現(xiàn)腎髓質(zhì)的R2*值明顯降低， 病理結(jié)果提示OSOM 的腎小管上皮細(xì)胞水腫、萎縮、壞死，造成髓質(zhì)血氧利用率減低。這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均提示IRI 短時(shí)間內(nèi)髓質(zhì)較皮質(zhì)對IRI 更敏感。Oostendorp 等[19]建立大鼠單側(cè)腎動脈常溫缺血模型，于缺血時(shí)、再灌注后1 h 和24 h 分別進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)缺血時(shí)皮質(zhì)、內(nèi)外髓R2*值均升高，再灌注1 h后內(nèi)髓的R2*值降低至基線水平， 提示內(nèi)髓血氧含量最先恢復(fù)。再灌注后24 h 外髓的R2*值仍然高于對照組，皮質(zhì)的R2*值較對照組減低，表明IRI 對外髓可能更明顯。因此，R2*值有助于評價(jià)腎臟IRI 后的不同部位血氧灌注水平。但是，BOLD MRI 不能區(qū)分脫氧血紅蛋白濃度的改變是血流灌注還是組織代謝水平變化引起，因此還需要結(jié)合ASL 序列，兩者聯(lián)合應(yīng)用以探究IRI 的血氧水平機(jī)制。

3.4 ASL ASL 是將動脈血中的自由水質(zhì)子作為內(nèi)源性示蹤劑， 定量分析血流灌注情況的一種功能成像技術(shù)。其定量指標(biāo)為腎血流量 （renal blood flow，RBF），ASL 在評價(jià)腎功能方面應(yīng)用廣泛[20]。由于腎皮質(zhì)含有豐富血供， 恢復(fù)血流后皮質(zhì)灌注水平高于髓質(zhì)，因此皮質(zhì)對低氧、低灌注相對不敏感。Hueper等[21]應(yīng)用7 T MRI 評價(jià)大鼠熱缺血35、45 min 再灌注后不同時(shí)間的皮質(zhì)灌注值，發(fā)現(xiàn)術(shù)后第7 天RBF值顯著減低，21 天時(shí)35 min 組可恢復(fù)基線水平，而45 min 組持續(xù)減低至第28 天。第28 天時(shí)，2 組在腎臟體積、 腎小管損傷程度等方面有顯著差異。該研究表明，腎臟皮質(zhì)RBF 的降低具有潛在預(yù)測急性腎損傷的價(jià)值。Hueper 等[22]繼續(xù)利用2 種大鼠建立同種異體和同基因腎移植模型， 前者代表移植腎排異反應(yīng)， 后者代表僅有腎缺血再灌注損傷而無排異反應(yīng)。根據(jù)CIT 分為30 min 組和60 min 組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，30 min 組于術(shù)后第1、6 天腎臟RBF 值均呈逐漸下降趨勢，同種異體組下降程度明顯大于同基因組，提示IRI 會造成灌注值下降， 但發(fā)生排異的灌注值下降更明顯。60 min 組于術(shù)后第3、6 周測量腎灌注值，同基因移植組呈先下降再恢復(fù)至正常水平， 同種異體移植組則呈明顯下降，無法恢復(fù)至正常水平，表明僅發(fā)生腎臟IRI 的血流灌注值可在遠(yuǎn)期恢復(fù)， 但若發(fā)生排異反應(yīng)， 其數(shù)值可逐漸減低并維持低水平。該研究表明， 通過監(jiān)測RBF 值可縱向評估不同缺血時(shí)間的腎排異反應(yīng)和IRI 的腎功能變化趨勢特點(diǎn)。Tewes 等[23]應(yīng)用7 T MRI 分別評價(jià)C57BL/6 和129/Sv 2 種大鼠熱缺血35、45 min 的皮質(zhì)RBF 值，發(fā)現(xiàn)不同種類大鼠的腎臟損傷程度不同，129/Sv 大鼠有2 套腎素基因，血漿緊張素活性較高，因此缺血35 min 的129/Sv 大鼠腎臟RBF 值恢復(fù)較好。另外，缺血45 min 再灌注28 d 后2 種大鼠的RBF 值均沒有恢復(fù)到基線值，提示缺血45 min 可能出現(xiàn)無法修復(fù)的腎臟損傷。Baligand 等[24]采用14 T MRI 建立大鼠單側(cè)腎臟缺血40 min 再灌注7 d 模型， 對側(cè)腎臟作為對照組， 發(fā)現(xiàn)IRI 腎臟的RBF 值明顯降低，對側(cè)腎臟未見明顯變化，表明7 d 后患腎的RBF 值仍沒有恢復(fù)到正常水平， 而對側(cè)腎臟代償能力恢復(fù)較好。Zimmer 等[25]對大鼠左側(cè)腎臟于熱缺血45 min 再灌注5 d 后掃描， 發(fā)現(xiàn)左腎RBF 值均較右腎減低，提示左腎損傷后血流灌注減少。兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均表明ASL 可以反映腎臟IRI 后血流灌注水平變化， 但其信噪比低， 易出現(xiàn)運(yùn)動偽影， 因此還需要高場強(qiáng)MRI 改善成像質(zhì)量，提供更精確的分析。

3.5 T1mapping T1mapping 與常規(guī)T1WI 不同，能夠定量測量組織的T1大小， 判斷組織的內(nèi)環(huán)境狀態(tài)[26]。反轉(zhuǎn)恢復(fù)（IR）序列目前被認(rèn)為是臨床常用的T1mapping 掃描序列。腎臟IRI 程度不同，組織含水量亦不同，T1值可用于觀察腎結(jié)構(gòu)和評價(jià)腎功能[27]。Hueper 等[28]利用T1mapping 對不同缺血時(shí)間（35、45 min）的2 組小鼠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可無創(chuàng)監(jiān)測AKI，因?yàn)門1值可在一定程度上反映AKI 引起的炎癥反應(yīng)、細(xì)胞腫脹、間質(zhì)水腫導(dǎo)致的含水量改變，AKI 發(fā)展為慢性期后，T1值變化與腎間質(zhì)纖維化及預(yù)后相關(guān)。Ko 等[9]對T1mapping 聯(lián)合免疫病理因素研究發(fā)現(xiàn)， 再灌注后不同時(shí)間的皮質(zhì)、OSOM、ISOM 3 層的T1值與單核細(xì)胞趨化蛋白、CD68 細(xì)胞含量有一定相關(guān)性，從微觀免疫的角度驗(yàn)證T1值評價(jià)腎臟IRI 的可行性。Tewes 等[23]建立大鼠腎臟熱缺血35、45 min 再灌注后第1、7、28 天模型， 應(yīng)用7 T MRI 分別評價(jià)C57BL/6 和129/Sv 大鼠的腎臟T1值，在皮質(zhì)、OSOM、ISOM 選取ROI，2 個(gè)缺血時(shí)間組于再灌注后相同時(shí)間點(diǎn)所測得的T1值有差異，認(rèn)為不同缺血時(shí)間的腎組織水腫程度不同， 結(jié)合病理發(fā)現(xiàn)，患側(cè)腎臟T1值升高與細(xì)胞水腫和毛細(xì)血管擴(kuò)張有關(guān)。因此，T1mapping 序列利用縱向弛豫時(shí)間評估腎臟皮髓質(zhì)含水量，能夠間接動態(tài)觀察腎臟IRI 的組織水腫變化， 對于監(jiān)測慢性腎損傷所致腎間質(zhì)纖維化更為敏感。

4 小結(jié)

綜上所述，MRI 在腎臟IRI 的動物實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)用廣泛， 為解釋其微觀病生理特點(diǎn)及功能變化提供了新的視角和手段，但仍存在一些不足，如熱缺血損傷研究較多，冷缺血損傷研究較少，可能與動物模型建立難度較大有關(guān)，但冷缺血時(shí)間更長，對腎功能影響同樣不能忽視。多數(shù)研究以短期觀察急性腎損傷為主，遠(yuǎn)期觀察慢性損傷研究較少，因此還應(yīng)注重長期動態(tài)監(jiān)測。相信MRI 在腎臟IRI 的應(yīng)用研究中將具有更廣闊的前景。