四維DCE MRI評估大鼠缺血性腎臟結(jié)構(gòu)及功能損傷的實驗研究

楊朝武 ，何光武，王 娟

（1.上海市第一人民醫(yī)院寶山分院放射科，上海 200940；2.上海市寶山區(qū)楊行鎮(zhèn)社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心，上海 200940）

四維動態(tài)磁共振增強(qiáng) （4D Dynamic contrastenhancement MRI，4D DCE MRI）作為磁共振功能成像的一種，能提供多個定量血管功能參數(shù)：對比劑容積轉(zhuǎn)換常數(shù)（Ktrans）、血管外細(xì)胞外間隙容積比（Ve）、 速率常數(shù) （Kep）、ST-T 曲線下最大面積（iAUC），Ktrans反映低分子量釓螯合物透過血管向血管外間隙的擴(kuò)散常數(shù)，Ve反映組織內(nèi)血管外細(xì)胞外間隙容積比，Kep為Ktrans/Ve比值，iAUC則可以定量分析組織區(qū)信號時間曲線的動態(tài)變化，通過4D DCE-MRI定量分析Gd-DTPA在血管與組織微環(huán)境的交換變化，結(jié)合ST-T曲線評估腎功能具有一定價值，目前相關(guān)研究較少。

本研究采用西門子3.0T磁共振掃描儀，采用大鼠腎動脈狹窄模型及Gd-DTPA小劑量灌注方法，利用工作站Tissue 4D軟件處理圖像，計算腎臟組織血管功能參數(shù)（Ktrans、Ve、Kep、iAUC），與 SPECT腎顯像腎小球濾過率 （Glomerular filtration rate，GFR）及組織病理學(xué)結(jié)果對照，探討4D DCE-MRI用于評估腎臟結(jié)構(gòu)及功能損害的價值。

1 材料與方法

1.1 實驗對象一般資料

對大鼠的所有處置符合中國相關(guān)法規(guī)，并遵守中國實驗動物保護(hù)和安樂死規(guī)定。選取24只雄性SD大鼠，每只重350～450 g，腹腔注射氯胺酮麻醉（100 mg/kg體重），消毒后，腹部左旁縱向切口，游離左腎動脈、腎靜脈、神經(jīng)和結(jié)締組織，選取一根絲線（3-0）環(huán)繞腎動脈注意不要損壞周圍血管，然后用一個針頭（21～23G）以角度為“L”放在左腎動脈水平，用絲線結(jié)扎腎動脈及針頭，抽出針頭造成左腎動脈輕中度狹窄。在手術(shù)過程中，暴露的組織用等滲鹽水浸泡過的紗布覆蓋且用等滲鹽水防止手術(shù)區(qū)域組織脫水，右腎和右腎動脈不作處理，依次縫合腹膜、肌肉和皮膚，大鼠蘇醒后，放回籠中繼續(xù)飼養(yǎng)2～4周。每只大鼠均行MR平掃、DCE-MRI及99mTc-DTPA SPECT腎顯像檢查。所有檢查完成后對大鼠施行安樂死，解剖大鼠雙側(cè)腎臟并進(jìn)行病理學(xué)檢查。

1.2 影像學(xué)資料

1.2.1 4D DCE-MRI數(shù)據(jù)計算

使用3.0T磁共振掃描儀（Verio，西門子醫(yī)療解決方案，德國），小動物專用線圈，25℃室溫掃描，掃描詳細(xì)參數(shù)列于表1。大鼠麻醉后呼吸平穩(wěn)，無抽搐后平穩(wěn)放入小動物專用線圈，大鼠俯臥位，身體長軸與線圈長軸平行，位于線圈中心，掃描過程中對大鼠注意保暖。注入造影劑前先掃描32幅薄層圖像（包括 T1-vibe-冠狀位，5°及 15°翻轉(zhuǎn)角）。 DCE-MRI掃描分兩步，第一步，Vibe T1WI翻轉(zhuǎn)角5°及15°圖像作為掩膜圖像；第二步，尾靜脈按0.2 mmol/kg體重注入事先以0.9%生理鹽水6倍稀釋的造影劑釓特醇（ProHance，Bracco診斷，北京，中國），注射速度2 mL/min，注入造影劑后接著用1.2 mL生理鹽水沖洗靜脈導(dǎo)管，將殘留靜脈導(dǎo)管內(nèi)造影劑推入，確保造影劑劑量準(zhǔn)確。然后持續(xù)掃描5.25分鐘（連續(xù)35組掃描，每組20幅圖像），大鼠呼吸平穩(wěn)狀態(tài)下采集圖像。使用西門子工作站Tissue 4D軟件，手工精確繪制感興趣區(qū)（ROI），避開腎竇脂肪及血管，包括腎皮質(zhì)、腎髓質(zhì)及腎盂，分別測量Ktrans、Ve、Kep 及 i-AUC值，并繪制ST-T曲線。

表1 大鼠腎臟DCE-MRI掃描參數(shù)

1.2.299mTc-DTPA腎顯像GFR計算

每只大鼠，DCE-MRI掃描后間隔16～20小時行SPECT掃描，尾靜脈彈丸式注入2 mCi（74 MBq）99mTc-DTPA （Tc-99m噴替酸；Mallinckrodt公司，黑茲爾伍德，美國），然后1.5 mL生理鹽水沖洗導(dǎo)管，連續(xù)掃描15分鐘。選取冠狀位動態(tài)圖像，窗寬20%、能峰 140 keV、矩陣 128×28，像素大小 4.3 mm。顯像前，將顯像注射劑置于探頭前方支架上，長徑垂直探頭面計數(shù)，用完后同樣條件對用畢注射器再進(jìn)行計數(shù)，兩者相減得注入總記數(shù)率。最初1.5分鐘每3秒采集一幀圖像，后13.5分鐘每6秒采集一幀圖像，設(shè)備自帶軟件計算GFR。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，DCE-MRI基 于 Tissue 4D 軟 件 得 出 Ktrans、Ve、Kep、iAUC，SPECT掃描得出GFR值，數(shù)據(jù)列于表2，相關(guān)性采用Spearman相關(guān)分析，所有P值均為雙側(cè)檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 腎損害組織病理學(xué)結(jié)果

選取腎上極、下極，中部腎門水平3個ROI組織，10×10倍顯微鏡下觀察各區(qū)域腎小球及腎小管損害并計數(shù)，根據(jù)損傷腎小球和腎小管比率取平均值后分為四度：①嚴(yán)重（n=13），>50%；②中度（n=8），≤50%且>10%；③輕度（n=11），≤10%且>0%；④正常（n=16），0%（表 2）。

2.2 4D DCE-MRI腎皮質(zhì)、髓質(zhì) Ktrans、Kep、Ve、iAUC并與SPECT腎顯像GFR比較結(jié)果

表2顯示，GFR與腎皮質(zhì)、髓質(zhì)Ktrans及iAUC有明顯相關(guān)性，與髓質(zhì)Ve、Kep也有明顯相關(guān)性；然而，GFR與皮質(zhì)Ve、Kep沒有相關(guān)性。當(dāng)ROI選在皮質(zhì)或髓質(zhì)時，Ktrans和iAUC用于評價受損腎功能具有很好的可靠性。

表2 4D DCE-MRI定量參數(shù) Ktrans、Kep、Ve、iAUC與 SPECT腎顯像 GFR 比較

2.3 4D DCE-MRI腎皮質(zhì)、髓質(zhì)、腎盂ST-T曲線與SPECT腎顯像比較結(jié)果

如圖1所示，通過制作大鼠左腎動脈輕度狹窄模型，造成大鼠左腎輕度組織損傷及功能損害，SPECT腎顯像（圖1a）顯示大鼠兩腎99mTc-DTPA不對稱攝取并且左腎攝取和排泄均延遲，左腎GFR計算值為41.6 mL/min，約為右腎GFR值50.4%，但對于解剖結(jié)構(gòu)顯示不佳；基于MRI高軟組織分辨率，DCE-MRI圖像顯示左腎體積萎縮，左腎下極顯示低灌注（圖1b）且增強(qiáng)早期幾乎不強(qiáng)化（圖1c）而晚期延遲強(qiáng)化 （圖1d），DCE-MRI可清楚顯示左腎下極局灶性缺血損傷；解剖大鼠發(fā)現(xiàn)左腎下極缺血壞死灶，鏡下病理通過對損傷腎小球、腎小管計數(shù)，確認(rèn)損傷程度，所有的MRI異常信號與腎臟樣本（圖1e）及病理學(xué)表現(xiàn)高度一致（圖1f），相比SPECT顯像，DCE-MRI能更好的顯示腎組織局灶性損傷。

如圖2所示（圖2與圖1為同一只大鼠），通過MRI Tissue 4D軟件分析，我們制作了該大鼠雙腎皮、髓質(zhì)及腎盂時間-信號強(qiáng)度曲線（ST-T曲線），發(fā)現(xiàn)左腎皮質(zhì)灌注明顯低于右腎，髓質(zhì)灌注略低于右腎，腎盂排泄方面，左腎盂造影劑峰值高于右腎，而下降速度慢于右腎，曲線下面積更大，表明左腎盂排泄功能減低（圖2a和2b）；SPECT腎圖曲線顯示，左腎示蹤劑攝取低于右腎，顯示左腎功能受損 （圖2c），DCE-MRI圖像表現(xiàn)與SPECT腎顯像一致。

圖1 SPECT腎顯像（圖 1a）顯示大鼠兩腎99mTc-DTPA不對稱攝??；DCE-MRI顯示左腎體積萎縮，左腎下極的MRI圖像顯示低灌注 （圖1b），增強(qiáng)早期幾乎不強(qiáng)化 （圖1c），晚期（圖 1d）強(qiáng)化；病理學(xué)圖片（圖 1f）。

Figure 1. The SPECT renal imaging(Figure 1a)shows the asymmetrical uptake of99mTc-DTPA.DCE-MRI shows atrophy of left kidney volume and the lower pole of left kidney is low perfusion(Figure 1b)which is not strengthened in earlier stage (Figure 1c)and reversed in later stage(Figure 1d).Pathological imaging(Figure 1f).

如圖3所示，通過制作大鼠左腎動脈重度狹窄模型，造成大鼠左腎重度組織損傷及功能損害，SPECT腎顯像發(fā)現(xiàn)大鼠左腎示蹤劑99mTc-DTPA僅微量攝取，腎排泄功能嚴(yán)重受損，GFR為0.00mL/min，右腎攝取正常（圖3a）；而DCE-MRI圖像顯示左腎明顯萎縮（50%以上）和低灌注（圖3b），皮髓質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示不清，腎皮質(zhì)早期強(qiáng)化減低（圖3c），髓質(zhì)嚴(yán)重?fù)p害在增強(qiáng)晚期階段延遲強(qiáng)化（圖3d），表明整個左腎組織重度彌漫缺血損傷；SPECT腎顯像ST-T曲線發(fā)現(xiàn)左腎盂示蹤劑呈持續(xù)上升，沒有下降 （圖3e），表明腎盂排泄功能嚴(yán)重受損；鏡下病理顯示左腎組織重度損傷 （圖3f），DCE-MRI相比SPECT腎顯像能更好的顯示腎解剖結(jié)構(gòu)及損害程度。

圖2 與圖1為同一只大鼠，Tissue 4D DCE-MRI ST-T曲線（圖2a，2b），SPECT 腎顯像 ST-T曲線（圖2c）。Figure 2. Same rat as in Figure 1.The ST-T curve of Tissue 4D DCE-MRR(Figure 2a,2b).The ST-T curve of SPECT renal imaging(Figure 2c).

圖3 SPECT腎顯像（圖3a）顯示左腎示蹤劑僅微量攝取，幾乎無排泄；DCE-MRI顯示左腎體積萎縮和低灌注（圖3b），腎皮質(zhì)早期強(qiáng)化減低（圖3c），髓質(zhì)嚴(yán)重?fù)p害DCE晚期階段延遲強(qiáng)化（圖3d）；99mTc-DTPA腎顯像左腎ST-T曲線 （圖3e）；病理學(xué)圖片（圖 3f）。Figure 3. SPECT renal imaging shows that tracer in left kidney is microscale and without excretion(Figure 3a).The left kidney is atrophic and lower perfusion showed by DCE-MRI(Figure 3b).The renal cortex is lower strengthened in earlier stage(Figure 3c)and the injury of medulla is severely damaged in later stage of DCE(Figure 3d).The ST-T curve of left renal in99mTc-DTPA image(Figure 3e).Pathological imaging(Figure 3f).

3 討論

目前，實驗室指標(biāo)檢測是評估腎功能的常用方法[1-2]，B超、CT、SPECT等影像學(xué)方法也可以一定程度上反映腎臟形態(tài)學(xué)改變，并提供一些定量參數(shù)[3-4]。利用MRI評估腎臟形態(tài)學(xué)及功能改變近年來受到關(guān)注[5-12]。我們研究發(fā)現(xiàn)，4D DCE-MRI在評價腎實質(zhì)損害方面有許多優(yōu)點。如圖1和圖3顯示，DCE-MRI可以清楚顯示腎組織損害（萎縮或壞死），相較SPECT腎顯像它是一種更好的無創(chuàng)性成像技術(shù)，定位更準(zhǔn)確，對損害程度判斷也更直觀。同時，也可對腎臟形態(tài)學(xué)改變進(jìn)行定性和定量分析，在評價腎實質(zhì)損害方面有重要作用。Kaplon等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在慢性梗阻性腎病中，利用CT測量患腎實質(zhì)厚度，發(fā)現(xiàn)其與99mTc-DTPA SPECT GFR具有正相關(guān)性，可用于預(yù)測腎功能。Gandy等[14]利用增強(qiáng)MRI測量腎動脈狹窄患者腎皮質(zhì)厚度及腎臟長徑，分析其與GFR相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)厚度與GFR呈正相關(guān) （r=0.74），腎臟長徑與 GFR 輕度正相關(guān)（r=0.54），認(rèn)為在評估腎功能方面具有價值。類似研究也證實利用腎臟形態(tài)學(xué)改變可以預(yù)測及評估腎功能。DCE-MRI軟組織分辨力更高，動態(tài)增強(qiáng)圖像選取合適的時間點可以更精確的測量腎皮質(zhì)、髓質(zhì)及腎臟長短徑，進(jìn)而預(yù)估或評價患腎功能，而SPECT腎顯像圖像分辨力較低，很難做到這一點[3]。

DCE-MRI序列采集時間夠長，可以獲得皮質(zhì)期、髓質(zhì)期及分泌期圖像，定量參數(shù)Ktrans、Ve、Kep和iAUC可以通過西門子工作站Tissue 4D軟件計算出，通過手動繪制感興趣區(qū)（ROI），可以得到腎皮質(zhì)、髓質(zhì)、腎盂或病灶區(qū)的血管功能定量參數(shù)。我們研究（表2）表明，Ktrans和iAUC是評估腎功能損害的理想?yún)?shù)，與99mTc-DTPA SPECT腎顯像GFR有很好的一致性，ROI選取腎皮質(zhì)或髓質(zhì)同樣可靠。Ktrans下降的程度可能表明腎功能損害的不同程度，因為Ktrans反映的是低分子量的釓螯合物在毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的擴(kuò)散轉(zhuǎn)運。此外，iAUC也能反映腎實質(zhì)灌注和腎實質(zhì)中釓螯合物的濃度進(jìn)而評價腎功能損害。髓質(zhì)Ve、Kep與GFR同樣具有相關(guān)性，但相關(guān)程度較弱，皮質(zhì)Ve、Kep與GFR無相關(guān)性，原因有待進(jìn)一步研究。就定量參數(shù)而言，DCE-MRI在評價整個分腎功能損害方面較99mTc DTPA腎顯像能提供更多的血管功能參數(shù)，Ktrans和iAUC價值最大，我們的研究表明，當(dāng)腎小球和腎小管損傷比率大于50%時，部分腎臟GFR值接近0 mL/min，而DCE-MRI定量參數(shù) Ktrans、Ve、Kep和 iAUC 顯示尚殘余少量腎功能，這點較GFR更敏感、分辨力更高、更有價值。ST-T曲線是SPECT腎顯像的重要結(jié)果，反映示蹤劑99mTc-DTPA在腎臟的攝取、代謝及排泄情況。4D DCE-MRI同樣可以繪制雙腎ST-T曲線，與SPECT腎顯像ST-T曲線價值類似，但DCE-MRI借助于MRI超高軟組織分辨力，解剖細(xì)節(jié)顯示更清晰，通過手動精確繪制ROI，誤差更小。有研究表明，隨著腎功能障礙進(jìn)展，相對水分子彌散腎皮質(zhì)灌注降低更早更明顯[15]。DCE-MRI能提供更多的腎皮質(zhì)灌注信息，除了豐富的血管功能參數(shù)外，皮質(zhì)ST-T曲線可直觀顯示皮質(zhì)信號強(qiáng)度變化。ST-T曲線在顯示腎皮、髓質(zhì)血流灌注異常方面有較大價值，本研究中患腎由于血供減少，腎實質(zhì)發(fā)生缺血性損害后，皮髓質(zhì)ST-T曲線均表現(xiàn)為低灌注，如圖2所示，皮質(zhì)灌注下降更明顯，髓質(zhì)略下降，由于該例大鼠腎動脈結(jié)扎為輕度狹窄，腎臟血供減少較輕，推測可能跟腎功能損害尚不嚴(yán)重有關(guān)。ST-T曲線反映腎排泄功能方面也有較大價值，目前臨床主要通過99mTc-DTPA SPECT腎顯像腎盂ST-T曲線評估腎盂排泄功能，在本研究中，腎盂ST-T曲線可顯示腎盂造影劑最大濃度及下降速度，這是判斷腎排泄功能的重要參數(shù)，如圖2所示，左腎腎盂ST-T曲線比較右腎可看出腎盂造影劑最大濃度更高，且下降速度更慢，曲線下面積更大，顯示該腎排泄功能受損，與99mTc-DTPA SPECT腎顯像結(jié)果一致。雖然有研究認(rèn)為磁共振ST-T曲線信號強(qiáng)度變化與時間并不成線性關(guān)系，但仍然能直觀顯示腎臟血流及排泄的變化，輔以定量參數(shù)Ktrans及Ve變化，能較準(zhǔn)確評估缺血性腎病的腎臟功能變化，是較為有效的方法。

綜上所述，4D DCE-MRI在顯示腎臟形態(tài)學(xué)改變方面更有價值，顯示局部缺血性腎組織損傷方面優(yōu)于99mTc DTPA SPECT 腎顯像 （圖 1a，1b、1c、1d）。相較SPECT腎顯像GFR，4D DCE-MRI有豐富的定量參數(shù)，在反映腎皮髓質(zhì)灌注方面價值較大；4D DCE-MRI也可繪制ST-T曲線，繪制誤差更小，與SPECT腎顯像ST-T曲線有同樣價值，ST-T曲線輔以定量參數(shù)Ktrans及Ve變化，能較準(zhǔn)確評估缺血性腎病的腎臟功能變化。然而，DCE-MRI也需使用造影劑，由于Gd-DTPA造影劑潛在腎損傷可能，其使用受到一定限制，如嚴(yán)重腎功能不全或造影劑過敏等，不適于4D DCE-MRI檢查。低劑量 （0.1～0.2 mmol/kg）或無腎功能損害的新對比劑可以為Tissue 4D DCE-MRI使用提供更安全的方式，我們的研究使用0.2 mmol/kg低劑量，降低了腎損害風(fēng)險。有研究將兩組患者分別行無對比劑MRI檢查及0.2 mmol/kg MRI檢查，于檢查后 6、24、72、168 小時分別檢測GFR及實驗室指標(biāo)檢查 （包括血肌酐、血清胱抑素C等），并未發(fā)現(xiàn)兩組間存在差異，認(rèn)為低劑量造影劑不會導(dǎo)致潛在腎功能損害，更多的相關(guān)研究也支持這一觀點[16-18]，且一些新的無需使用造影劑的MRI新技術(shù)也在研究中[20-24]，Ebrahimi.等利用心血管磁共振（CMR）方法結(jié)合BOLD技術(shù)對腎動脈狹窄大鼠腎功能損害及心血管功能損害相關(guān)研究是這方面的積極探索[19]。