IVIM-DWI評價靜脈水化對碘對比劑所致家兔腎損傷的預(yù)防效果

由賀， 任克， 劉璐， 王永芳， 孫文閣， 趙麗

隨著人們對于碘對比劑對腎臟影響的更進一步認識，碘對比劑注射后導(dǎo)致的急性腎損傷(post-contrast acute kidney injury，PC-AKI)這一新概念被提出[1]。目前，對比劑安全委員會更新對比劑使用指南并規(guī)定PC-AKI是指靜脈注射碘對比劑后2～3 d，血清肌酐水平出現(xiàn)短暫性的升高并超過基礎(chǔ)值的1.5倍或絕對值增加0.3 mg/dL(26.5 μmol/L)[1]。而之前對比劑安全委員會將對比劑腎損傷定義為靜脈注射碘對比劑后2～3 d，并排除其他腎臟損害因素，血清肌酐水平出現(xiàn)短暫性的升高并超過基礎(chǔ)值的25%或絕對值增加0.5 mg/dL(44.2 μmol/L)[2]。國際改善全球腎臟病預(yù)后組織目前也采用了PC-AKI的定義更新了有關(guān)對比劑腎損傷標準，認為血肌酐增加0.3 mg/dL(26.5 μmol/L)，或者血肌酐超過基線水平的1.5～1.9倍，而這一定義也被歐洲腎臟最佳實踐指南工作組所推薦[1]。不同機構(gòu)對碘對比劑腎損傷的定義及診斷標準不同，不利于其早期發(fā)現(xiàn)、診斷、治療及對發(fā)病率的準確評估。PC-AKI的重要危險因素是慢性腎臟病和脫水[1]，而對于腎功能正常的患者脫水成為主要危險因素。針對碘對比劑腎損傷并無特殊有效的治療手段，靜脈水化是臨床上最常用的預(yù)防方法，但關(guān)于水化方式、時間、途徑的選擇尚無統(tǒng)一標準[3-4]。臨床主要采用靜脈水化和口服水化兩種方式，根據(jù)美國放射學會指導(dǎo)方針，口服水化效果不太理想，靜脈水化液體優(yōu)選等滲鹽水。功能磁共振成像(fMRI)是一種高效無創(chuàng)的檢查技術(shù)，可多方位成像、具有良好的軟組織分辨力，目前被廣泛應(yīng)用于腎臟檢查[5-8]。基于體素內(nèi)不相干運動(intravoxel incoherent motion，IVIM)的擴散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging，DWI)可用于量化體素內(nèi)的兩種運動成分，即單純水分子擴散及血液灌注[9]，能夠準確反映腎臟的水分子擴散及血液灌注情況，對于碘對比劑腎損傷的診斷有重要意義[5-8,10]。水通道蛋白(APQ)是位于細胞膜上的孔道，控制水分子的轉(zhuǎn)運，在腎組織細胞中APQ1的表達與水分重吸收和尿液的濃縮有關(guān)[11]。相關(guān)研究表明在高滲透壓環(huán)境作用下細胞內(nèi)APQ1在蛋白激酶A的作用下向細胞膜移動，誘導(dǎo)細胞膜APQ1表達增加[12]。本實驗使用的碘海醇350注入靜脈后血漿滲透壓增高，APQ1表達增加。此外碘對比劑會引起滲透性利尿，而急性腎損傷尿量增多以APQ1為媒介。因而APQ1的表達反映了腎損傷的程度。本實驗利用IVIM-DWI來評價靜脈水化對碘對比劑所致家兔腎功能損傷的預(yù)防作用，并進行病理驗證。

材料與方法

1.實驗動物

本實驗選用的家兔由中國醫(yī)科大學動物部提供并經(jīng)倫理許可。36只健康雄性家兔給予正常喂養(yǎng)條件，每只體重2.5～3.0 kg，所有實驗操作均遵守中國醫(yī)科大學動物使用和保護規(guī)定。

2.實驗分組

36只家兔隨機分成4組(每組9只)。A組：注射等量生理鹽水；B組：注射碘對比劑前3 h靜脈水化；C組：注射碘對比劑后3h靜脈水化；D組：注射等量碘對比劑。

3.研究方法

圖1 興趣區(qū)放置示意圖。

參數(shù)A組B組C組D組FPD(×10-4mm2/s)6.81±0.595.91±0.66?#4.90±0.93?3.93±0.4530.278<0.01D?(×10-4mm2/s)8.89±1.318.65±0.608.49±1.038.37±0.840.4670.708f(%)48.50±4.7145.30±5.9344.10±6.7443.10±6.281.3870.264

注：*與D組相比差異有統(tǒng)計學意義，#與C組相比差異有統(tǒng)計學意義。

表2 注射對比劑后3 h腎臟髓質(zhì)D值、D*值、f值

注：*與D組相比差異有統(tǒng)計學意義，#與C組相比差異有統(tǒng)計學意義。D*值及f值為非正態(tài)分布，采用Kruskal-Wallis檢驗。

表3 注射對比劑后24 h腎臟皮質(zhì)D值、D*值、f值

注：*與D組相比差異有統(tǒng)計學意義，#與C組相比差異有統(tǒng)計學意義。

采用GE Twin Speed 3.0T磁共振掃描儀器，8通道陣列體線圈。掃描前4 h禁水，12 h禁食，每組家兔肌肉注射3%戊巴比妥鈉(1 mL/kg)及速眠新(0.1 mL/kg)進行麻醉。水化方式為經(jīng)家兔耳緣靜脈滴注生理鹽水(0.9% NaCl)，時間為3 h，流率為4 mL/kg/h。本實驗所用碘對比劑為碘海醇350，將對比劑在恒溫箱中提前預(yù)熱至37℃，按照1 g I/kg[13-15]經(jīng)家兔耳緣靜脈手推注射，流率為4～4.5 mL/s。注射碘對比劑后3 h、24 h、72 h將家兔仰臥位、頭先進放置于配套的動物線圈中進行腎臟IVIM-DWI掃描。因左腎易受胃泡結(jié)構(gòu)的影響，故選取右腎掃描值。掃描參數(shù)：采用單次激發(fā)自旋回波擴散加權(quán)平面回波成像，b值為10,20,50,100,200,400,600,800,1200 s/mm2，行冠狀面掃描，層數(shù)5層，視野16 cm×16 cm，層厚2.4 mm，TR 4050 ms，TE 96.3 ms，激勵次數(shù)2，掃描時間為6分41秒。

4.觀察指標

將掃描所得IVIM-DWI圖像傳至GE-ADW4.4工作站，選取右腎冠狀面在皮質(zhì)、髓質(zhì)勾畫半月形興趣區(qū)(ROI)，ROI面積≥20 mm2，避開腎竇周圍大血管及脂肪(圖1)。獲得IVIM-DWI參數(shù)值(D、D*、f)及偽彩圖。在每個時間點掃描結(jié)束后，每組分別隨機處死3只家兔，取右腎放入4%甲醛溶液中固定，樣本進行HE染色及APQ1免疫組化檢查，分析腎臟的病理生理變化。

5.統(tǒng)計學分析

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計學分析，以均數(shù)±標準差表示，對樣本均數(shù)進行正態(tài)性及方差齊性檢驗，符合正態(tài)分布和方差齊性采用單因素方差分析方法，兩兩比較采用LSD方法，對非正態(tài)分布采用Kruskal-Wallis檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

1.IVIM掃描各參數(shù)測量結(jié)果

與A組相比，B、C、D三組注射對比劑后3 h腎臟皮、髓質(zhì)D值明顯下降，D*值、f值僅輕度下降。B組與D組間、C組與D組間、B組與C組間D值差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，D*值、f值差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)(表1、2)。24 h、72 h時B組與D組間、C組與D組間、B組與C組間腎臟皮、髓質(zhì)D值、D*值、f值差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)(表3～6)。腎臟皮質(zhì)D值、D*值、f值于注射對比劑后3 h下降，24 h降至最低，72 h呈恢復(fù)趨勢，髓質(zhì)D值、D*值、f值于3 h開始至72 h持續(xù)下降。

表4 注射對比劑后24h腎臟髓質(zhì)D值、D*值、f值

注：*與D組相比差異有統(tǒng)計學意義，#與C組相比差異有統(tǒng)計學意義。

表5 注射對比劑后72h腎臟皮質(zhì)D值、D*值、f值

注：*與D組相比差異有統(tǒng)計學意義，#與C組相比差異有統(tǒng)計學意義。

表6 注射對比劑后72h腎臟髓質(zhì)D值、D*值、f值

注：*與D組相比差異有統(tǒng)計學意義，#與C組相比差異有統(tǒng)計學意義。

2.IVIM掃描獲取偽彩圖

24 h的T2WI、D值、D*值 及f值偽彩圖(圖2)。各組D值、D*值及f值在同一窗寬窗位下A組腎臟皮質(zhì)、髓質(zhì)D值、D*值及f值偽彩圖呈明顯暖色調(diào)改變，說明此時腎臟組織內(nèi)、血管內(nèi)無水分子擴散和微循環(huán)灌注受限；B組、C組、D組腎臟皮質(zhì)、髓質(zhì)D值、D*值及f值偽彩圖呈逐漸冷色調(diào)改變，說明擴散受限逐漸加重；D組冷色調(diào)改變最明顯，說明此時擴散受限最嚴重。

3.病理學分析結(jié)果

24 h的HE染色及APQ1免疫組化結(jié)果，如圖3。A組腎小球結(jié)構(gòu)正常，未見腫脹，近曲小管上皮未見異常，包漿紅染，間質(zhì)疏松，毛細血管分布正常；細胞膜呈輕度著色。B組腎小球輕度腫脹，近曲小管上皮胞漿略豐富，呈細顆粒狀，未見壞死及變性，集合管無管型形成，間質(zhì)未見明顯改變；細胞膜著色較A組重。C組腎小球結(jié)構(gòu)不清，腫脹明顯，近曲小管上皮體積增大，空泡變性明顯，集合管內(nèi)未見管型，間質(zhì)輕度纖維化，部分毛細血管擴張伴充血；細胞膜著色較B組重。D組腎小球結(jié)構(gòu)萎縮，近曲小管上皮彌漫空泡變性，集合管內(nèi)可見管型，間質(zhì)纖維化伴出血；細胞膜著色最為嚴重，APQ1表達最多。

討 論

臨床工作中，對比增強CT檢查平均碘注射劑量為0.3～0.7 g I/kg體重，按照人與兔體表面積比值(1∶3)換算，兔碘對比劑的注射劑量應(yīng)0.9～2.1 g I/kg體重[13]。本實驗的劑量選為1 g I/kg，這與文獻的所選用的劑量保持一致[14-15]。相關(guān)研究表明兔對碘對比劑反應(yīng)敏感[14,16]，有利于模擬臨床腎功能正常的人在接受碘對比劑及水化治療的腎臟變化。傳統(tǒng)磁共振DWI用于檢測活體組織水分子擴散運動，其表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coeficient，ADC)因存在受體素內(nèi)微循環(huán)血流灌注的影響不能單純的反應(yīng)水分子擴散運動[17-18]。Le Bihan等[9]提出體素內(nèi)不相干運動擴散加權(quán)成像(IVIM-DWI)，該技術(shù)通過多個不同b值掃描獲得DWI信息，利用雙指數(shù)模型進行擬合同時獲得單個體素內(nèi)的擴散和灌注信息，將水分子的真性擴散與血管灌注的假性擴散分離。近來研究表明，IVIM-DWI能夠反映全面真實的腎臟內(nèi)部信息[5-9]。本實驗發(fā)現(xiàn)通過IVIM-DWI能有效監(jiān)測家兔靜脈注射碘對比劑后腎臟的動態(tài)變化。

注射對比劑后不同時間點D值、 D*值、f值均下降，其中D值為組織擴散系數(shù)，反映純水分子的擴散狀態(tài)，D值減小，說明水分子擴散受限，與碘對比劑誘發(fā)的腎血管灌注不足、細胞腫脹、間質(zhì)纖維化、腎小管內(nèi)液體流動阻力增加有關(guān)；D*值為血管灌注相關(guān)的擴散系數(shù)，反應(yīng)組織微循環(huán)的不相干運動，D*值減小，與碘對比劑所致的腎血管收縮有關(guān)；f值為灌注分數(shù)，反應(yīng)灌注擴散占體素內(nèi)總擴散的比重，f值減小，說明微循環(huán)灌注降低，與碘對比劑所致的腎小球硬化、腎小管重吸收功能降低有關(guān)[8-9]。在注射對比劑后3 h時D值下降較為顯著，D*值、f值僅輕度下降，這可能與D值敏感程度高有關(guān)。在注射對比劑后72 h皮質(zhì)D值、 D*值、f值呈恢復(fù)趨勢，而髓質(zhì)D值、 D*值、f值持續(xù)下降，說明髓質(zhì)恢復(fù)較皮質(zhì)慢。這種差異首先是因為正常生理狀態(tài)下腎臟皮質(zhì)血流豐富，腎組織灌注充分，髓質(zhì)管徑細小，血供較差，并且髓質(zhì)由于腎小管的重吸收而處于較高的代謝程度，這種生理及解剖因素使得腎臟皮、髓質(zhì)的位于不同的氧分壓環(huán)境[15]，當皮、髓質(zhì)同時暴露于碘對比劑中，皮質(zhì)的代償能力大于髓質(zhì)；其次是因為碘對比劑本質(zhì)是不可吸收的溶質(zhì)，進入體內(nèi)經(jīng)腎小球率過后腎小管含碘量增多，血液黏度增加，流速減慢，導(dǎo)致單位時間內(nèi)腎臟髓質(zhì)小血管血供進一步減少；最后碘對比劑會破壞腎小管上皮細胞的穩(wěn)態(tài)，引發(fā)細胞凋亡、壞死，此外紅細胞接觸碘對比劑后失水變形，導(dǎo)致內(nèi)部粘度增加，誘發(fā)腎小管血栓形成[19-21]。由此，碘對比劑對髓質(zhì)的損傷重于皮質(zhì)。

圖2 IVIM掃描偽彩圖。T2WI、D值、D*值、f值。

注射碘對比劑水化組較單純注射對比劑組能在一定程度上減輕腎臟損傷，這一結(jié)果與HE染色及APQ1免疫組化結(jié)果相一致。這可能因為水化能通過降低碘對比劑滲透壓，減輕滲透性利尿，進而有效減少APQ1的表達有關(guān)。其次還能與下述機制有關(guān)[22-24]：增加腎組織的灌注提高腎臟血流量，對抗腎素-血管腎張素系統(tǒng)，抑制血管加壓素分泌，改善腎臟缺血狀況；稀釋對比劑和血管收縮介質(zhì)，抑制集合管重吸收，降低腎小管中對比劑濃度，增加尿量促進對比劑排泄，降低對比劑在腎小管的停留時間，減輕腎小管上皮細胞的毒性損傷；降低尿液的粘滯度，增加血液流速，防止腎小管微栓塞，減少管型形成。筆者研究發(fā)現(xiàn)注射碘對比劑前水化效果優(yōu)于注射碘對比劑后水化，筆者推測注射碘對比劑前水化首先能糾正亞臨床脫水；其次碘對比劑在體內(nèi)不發(fā)生代謝，經(jīng)腎小球率過后大部分劑量在短時間內(nèi)排除體外，而靜脈水化通過代謝最終形成尿液需要1～3 h，因此注射對比劑前水化能及時增加腎血流量，減輕腎髓質(zhì)缺血，中和碘對比劑，盡可能保證了碘對比劑與尿液同時排泄。相對于注射對比劑后水化在單位時間內(nèi)減少腎臟的損傷。然而事實上門診患者在接受碘對比劑前通常沒有進行預(yù)水化，并且暴露于對比劑時常處于脫水狀態(tài)，在這種情況下給予注射對比劑后的水化治療是相當有必要的。

結(jié)合病理結(jié)果，本研究進一步證實了IVIM-DWI技術(shù)可以監(jiān)測碘對比劑腎損傷的發(fā)生、發(fā)展，能較準確地評價靜脈水化的保護作用。注射碘對比劑前后給予靜脈水化在一定程度上能夠預(yù)防損傷，且注射碘對比劑前水化效果優(yōu)于注射對比劑后水化。臨床中應(yīng)結(jié)合患者的實際情況進行個體化應(yīng)對，例如對于高齡、心衰等需要限制體液攝入量的患者應(yīng)優(yōu)先選擇在注射碘對比劑前水化，而對于特殊條件下未能行注射碘對比劑前水化的患者應(yīng)在注射碘對比劑后及時水化。

圖3 HE染色及APQ1免疫組織化學分析表達水平(×200)。

使用IVIM-DWI技術(shù)還存在一定的缺陷，活體腎臟易受呼吸運動及體內(nèi)腸氣的干擾，該方法所需掃描時間長，不易控制動物的狀態(tài)，不同生理狀態(tài)差異還會導(dǎo)致IVIM-DWI參數(shù)變異，這些都是影響圖像質(zhì)量的因素。此外，本實驗樣本量較小，尚屬于小樣本的探索性研究，未來有待增加樣本量進一步深入研究。