糖尿病合并外周動脈疾病骨骼肌微血管病變影像學(xué)研究進展

楊琪，查云飛

作者單位：

武漢大學(xué)人民醫(yī)院放射科，武漢 430000

糖尿病(diabetes mellitus，DM)患者發(fā)生外周動脈疾病(peripheral arterial disease，PAD)的風(fēng)險較高，經(jīng)皮腔內(nèi)血管成形術(shù)和手術(shù)旁路效果較非糖尿病患者差，圍手術(shù)期發(fā)病率和死亡率增加，截肢率高[1]。PAD是外周動脈栓塞或狹窄，嚴重肢體缺血(critical limb ischemia，CLI)是糖尿病外周動脈疾病的最晚期階段，相關(guān)細胞因子及炎癥細胞在高糖環(huán)境下表達或分化失衡使骨骼肌細胞及微血管發(fā)生一系列復(fù)雜的改變。骨骼肌是II型糖尿病患者的胰島素抵抗的主要部位。在高糖環(huán)境下血管內(nèi)皮細胞(endothelial cells，EC)功能障礙，骨骼肌肉的新生微血管的形成和血流恢復(fù)能力降低，外周肢體缺血肌肉的情況更為惡化。踝臂指數(shù)(ankle brachial index，ABI)是診斷PAD的常用檢查，但不能評估病變區(qū)域的微血管病變。近年，影像學(xué)技術(shù)通過檢測微循環(huán)中氧飽和度、局部微血管血流量的變化、評估外周肢體灌注情況，已經(jīng)成為臨床評估糖尿病外周動脈疾病骨骼肌微血管病變的新型診斷手段。筆者就糖尿病外周動脈疾病骨骼肌微血管病變的影像學(xué)研究進展進行綜述。

1 糖尿病合并外周動脈疾病骨骼肌微血管病變的病理生理機制

1.1 慢性炎癥機制

微血管是連通小動脈和小靜脈間的細小血管，在顯微鏡下才能看到。慢性炎癥是缺血/缺氧誘導(dǎo)新血管生成的必需過程[2]。當(dāng)機體發(fā)生缺血/缺氧時，血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF) 是血管生成中最重要的因子之一，Li等[3]發(fā)現(xiàn)在2型糖尿病大鼠下肢缺血模型中，相比于簡單的臍帶間充質(zhì)干細胞(human umbilical cord-mesenchymal stem cells，hUC-MSCs)移植，VEGF過表達的hUC-MSCs移植更有效地刺激了血管生成和增加血液灌注，缺氧是VEGF的有效誘導(dǎo)劑，盡管最初認為VEGF主要作用于內(nèi)皮細胞，但VEGF受體也存在于骨髓來源的造血干細胞和炎癥細胞上。VEGF誘導(dǎo)內(nèi)皮祖細胞(endothelial progenitor cell，EPC)的動員并募集炎性細胞，包括單核細胞、巨噬細胞。而在高血脂、高血糖的環(huán)境下，促炎型巨噬細胞(M1型)，釋放IL-1β和IL-12等致炎細胞分子延緩糖尿病患者傷口的愈合，而抗炎型巨噬細胞(M2型)的功能被減弱，產(chǎn)生的VEGF減少，并減低了對內(nèi)皮細胞的粘附力[4-5]。骨骼肌細胞本身也可表達各種血管生成因子，在高糖環(huán)境下，血管生成因子特別是VEGF-A和中血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor，PDGF)-BB的分泌減少，降低了內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞的增殖和遷移潛力[6]。Xiao等[7]指出，當(dāng)糖尿病合并外周動脈疾病時，缺血增加了糖尿病狀態(tài)下缺血肌肉中的VEGF表達，單獨增加的VEGF通過抑制血小板衍生生長因子受體(platelet derived growth receptor factor，PDGFR)-β磷酸化來負調(diào)節(jié)PDGF-BB依賴性血管成熟，只有當(dāng)PDGF-BB與VEGF以平衡方式共表達，才能使血管正?；脱芄δ芨纳啤?/p>

1.2 氧化損傷和線粒體功能障礙機制

高血糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激可產(chǎn)生晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)，AGEs的作用包括通過與細胞外基質(zhì)交聯(lián)導(dǎo)致血管僵硬并刺激巨噬細胞和內(nèi)皮細胞產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species，ROS)，另外由于ROS的產(chǎn)生增加，其破壞周細胞的線粒體膜，導(dǎo)致周細胞色素C和細胞色素C的釋放，激活caspase-3依賴的凋亡級聯(lián)反應(yīng)。周細胞數(shù)量的減少導(dǎo)致EC的解體，導(dǎo)致外周神經(jīng)灌注減少和隨后的缺氧[4，8]。血紅素加氧酶(heme oxygenase，HO)-1的酶活性減弱氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，增強血管生成，增加細胞存活，并影響細胞周期，HO-1的促血管生成特性被證明可以改善缺血性骨骼肌的血流恢復(fù)并促進肌肉再生，HO-1也影響肌衛(wèi)星細胞(muscle satellite cell，MSC)和成肌細胞等祖細胞的功能。受損組織中HO-1的誘導(dǎo)促進新血管形成，該過程在糖尿病中受損[4，8]。血管內(nèi)皮細胞受損引起的缺氧本可通過激活缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor，HIF)-1α相關(guān)途徑來改善缺血后的血運重建過程，但在高血糖的環(huán)境下，HIF-1α的水平及內(nèi)皮細胞對其的活性反應(yīng)均減低，從而影響缺血肢體的血運重建[9-10]。

2 糖尿病合并外周動脈疾病骨骼肌微血管病變的影像學(xué)評價

2.1 磁共振成像

磁共振成像是能夠定量監(jiān)測缺血后骨骼肌的動態(tài)的損傷和修復(fù)能力的非侵入性成像方法[11]。Suo等[12]將15名健康年輕受試者，14例PAD患者和10名年齡匹配的健康老年受試者行動脈自旋標記(arterial spin labeling，ASL)，血氧水平依賴(blood oxygenation level-dependent，BOLD)和體內(nèi)非相干運動(intravoxel incoherent motion，IVIM)灌注成像，結(jié)果顯示與ASL和IVIM相比，BOLD可能是評估靜息狀態(tài)下PAD的更可靠技術(shù)，但是尚未見上述技術(shù)開展糖尿病外周動脈疾病骨骼肌微血管病變的影像學(xué)研究。

2.1.2 MR擴散-張量成像

擴散-張量成像(diffusion-tensor imaging，DTI)在近幾年應(yīng)用于骨骼肌肌纖維的評估。Zaccagnini等[13]采用7.0 T的MRI掃描儀監(jiān)測急性下肢缺血時小鼠骨骼肌損傷和再生的動態(tài)變化。測量T2弛豫時間，擴散-張量成像(diffusion-tensor imaging，DTI)和動態(tài)對比增強磁共振成像(dynamic contrastenhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)的Ktrans，并將成像結(jié)果與腓腸肌和脛骨前肌的組織學(xué)形態(tài)學(xué)分析相關(guān)聯(lián)。發(fā)現(xiàn)組織損傷與T2弛豫時間正相關(guān)，而肌纖維再生和微血管密度與分數(shù)各向異性正相關(guān)，Ktrans與微血管密度正相關(guān)。

2.1.4 MR波譜和血氧水平依賴成像

Delli等[14]研究結(jié)果顯示T1WI和STIR序列發(fā)現(xiàn)糖尿病患者比非糖尿病的缺血肢體有更明顯腫脹及高信號的改變，并且認為這與糖尿病患者肢體微血管密度降低有關(guān)，T2弛豫時間的變化可能反映了肌肉損傷和炎癥浸潤的程度。這與高血脂、高血糖的環(huán)境下，促炎型細胞釋放致炎細胞分子浸潤有關(guān)，在T2圖像上得到反映。

質(zhì)子磁共振波譜(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)顯示糖尿病小鼠閉塞肢體的tCr/water值顯著低于糖尿病小鼠非閉塞肢體肌肉。

糖尿病合并外周動脈疾病骨骼肌微血管病變的重要病理生理機制之一是氧化損傷，高血糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激使周細胞和內(nèi)皮細胞受損。MRS和BOLD用于評價磷酸鹽代謝物和骨骼肌氧合的變化。

Liu等[15]在9.4 T MRI上運用31P MRS和BOLD序列在年輕(12周)和成年(20周) Goto-Kakizaki (GK)大鼠(非肥胖2型糖尿病(T2D)大鼠模型)和Wistar (對照)大鼠的后肢上，用充氣的袖帶閉塞股動脈誘導(dǎo)缺血，期間連續(xù)獲取數(shù)據(jù)以量化磷酸鹽代謝物和骨骼肌氧合的變化，磷酸肌酸(phosphocreatine，PCr)恢復(fù)率的時間常數(shù)(線粒體氧化能力的指數(shù))在GK大鼠和年齡匹配的對照組之間沒有顯著差異。然而，成年GK大鼠和對照組缺血后PCr恢復(fù)水平較年輕GK大鼠和對照組相比顯著降低，預(yù)示糖尿病前期GK大鼠骨骼肌線粒體具有正常的氧化能力。與對照大鼠相比，年輕和成年GK大鼠在缺血期間腓腸肌的標準化BOLD信號顯著降低，表明GK大鼠的骨骼肌氧合作用減弱。骨骼肌BOLD成像對比主要取決于微循環(huán)中氧飽和度的變化[16]。Ledermann等[17]比較了17例患有PAD患者的骨骼肌BOLD信號與由11名年齡相近的健康志愿者組成的對照組。在1.5 T MRI上使用T2*加權(quán)的單次多回波平面成像(echo planar imaging，EPI)序列，并使用袖帶壓縮使動脈閉塞引發(fā)缺血后反應(yīng)性充血?；颊呓M表現(xiàn)出較低的T2max*和達峰時間(time to peak，TTP)值的兩倍以上的延長。

原本機體在缺氧狀態(tài)下誘導(dǎo)生成的巨噬細胞、VEGF等一系列促血管生成相關(guān)細胞或因子在高糖環(huán)境下有了復(fù)雜的變化，這些改變最終導(dǎo)致骨骼肌灌注的改變。動脈自旋標記、動態(tài)對比增強磁共振成像、單光子發(fā)射計算機斷層掃描均能提供骨骼肌灌注信息，進一步映證關(guān)于糖尿病合并外周動脈疾病骨骼肌微血管病變病理生理機制的研究和假說。

2.1.5 動脈自旋標記

Zheng等[18]采用ASL序列開發(fā)了一種新的MRI方法來評估骨骼肌灌注，可以獲得骨骼肌血流量(skeletal muscle blood flow，SMBF)、氧提取分數(shù)(skeletal muscle oxygen extraction fraction，SMOEF)和氧消耗率(skeletal muscle oxygen consumption rate，SMVO2)。在等長運動期間，在比目魚肌和腓腸肌中的所有健康志愿者中觀察到SMBF，SMOEF和SMVO2顯著增加。與此相反，DM患者的這些參數(shù)均顯示有20%至55%的降低，由此證明骨骼肌的灌注和氧合可以在健康和糖尿病受試者中量化。Zheng等[19]在4名健康受試者和4例糖尿病足患者中，使用3.0 T臨床磁共振成像掃描儀檢查足部血氧測定法的可行性。健康受試者的SMOEF在休息和運動的百分比差異高于糖尿病足患者，該研究證明了在腳趾-屈曲等長運動期間測量足部骨骼肌SMOEF的可行性。Edalati等[20]在3.0 T的場強中，將7例無糖尿病和10例糖尿病合并足潰瘍的參與者，分別在靜息態(tài)和標準化的腳趾屈曲運動期間進行MR ASL灌注評估，證實此技術(shù)可用于評估足部潰瘍的局部灌注，并將足潰瘍周圍的缺血區(qū)域與正常灌注的肌肉區(qū)域定量區(qū)分。Schewzow等[21]在7.0 T的場強中運用ASL和T2*加權(quán)MRI對運動中的小腿肌肉進行信號采集，發(fā)現(xiàn)腓腸肌這一主要運動肌肉在運動后峰值灌注值和T2*加權(quán)信號較其他非運動肌肉如比目魚肌和脛骨前肌變化明顯增大，這證明了在7.0 T場強中動態(tài)定量測量骨骼肌灌注的可行性。這可能有助于更好地研究骨骼肌以及糖尿病和外周動脈疾病等疾病的生理過程。

2.1.6 動態(tài)對比增強磁共振成像

DCE-MRI可以提供骨骼肌灌注的非侵入性定量評估。Kashiwagi等[22]采用DCE-MRI時間-信號強度曲線下的初始面積(initial area under the SI-time curve，IAUC)參數(shù)評價糖尿病大鼠后爪外周組織灌注，同時測定14C碘安替比林(iodoantipyrine，IAP)的外周組織攝取作為組織血流的標記。在鏈脲佐菌素注射后2周，糖尿病大鼠后爪外周組織灌注明顯減少，并且在胰島素治療的糖尿病大鼠中其減少顯著改善。通過DCE-MRI評估的組織灌注與通過14C IAP攝取測量的組織血流相似。以上研究結(jié)果顯示DCE-MRI可以評估糖尿病患者的周圍組織灌注障礙，據(jù)此推測微血管受損，在臨床前和臨床研究中，可能有助于開發(fā)新型藥物以防止糖尿病血管并發(fā)癥。Loerakker等[23]研究缺血后灌注與骨骼肌完整性變化之間的相互關(guān)系，對Brown Norway大鼠的后肢進行4 h缺血，然后再灌注2 h，使用DCE-MRI用于檢查灌注，并用T2WI監(jiān)測骨骼肌完整性的變化，DCE-MRI顯示后肢缺血肌肉強化信號的不均勻性，可檢測到對比劑流入的感興趣區(qū)，T2WI信號較缺血前水平降低，無對比劑流入的感興趣區(qū)T2WI信號較缺血前水平升高，這說明長時間缺血后的再灌注可能不完全，從而繼續(xù)缺血狀態(tài)并加重組織損傷。田浩等[24]在通過DCEMRI量化評估經(jīng)皮血管腔內(nèi)成形術(shù)(percutaneoius transluminal angioplasty，PTA)術(shù)后糖尿病患者下肢內(nèi)皮細胞功能變化研究中，通過DCE-MRI掃描獲得比目魚肌的跨膜轉(zhuǎn)運常數(shù)(Ktrans)值，發(fā)現(xiàn)糖尿病組下肢血管病變的Ktrans值明顯低于正常對照組，間接反映了下肢血管的內(nèi)皮功能改變。Wang等[25]使用DCE-MRI在經(jīng)皮血管腔成形術(shù)前后對無糖尿病的健康對照組和糖尿病患者量化下肢肌肉的微血管通透性。在經(jīng)皮血管成形術(shù)之前，糖尿病患者脛骨前肌的Ktrans值顯著低于對照組。在經(jīng)皮血管成形術(shù)后，這些值在患有糖尿病的組中增加，顯示Ktrans可用于量化下肢肌肉微血管通透性的變化，反映下肢骨骼肌微循環(huán)。肌骨DCE-MRI作為一種無創(chuàng)、無輻射的影像診斷工具，可以定量評估骨骼肌肉的微血管通透性，而不是依賴診斷醫(yī)師主觀經(jīng)驗，為臨床提供更為精準的診斷信息。

2.2 單光子發(fā)射計算機斷層掃描

單光子發(fā)射計算機斷層掃描(single photon emission computed tomography，SPECT)灌注成像允許在靜止條件下對下肢區(qū)域微血管灌注進行連續(xù)體積評估，繼而推測微血管的變化。Alvelo等[26]采用SPECT的圖像分割方法和連續(xù)圖像配準來定量評估患有CLI的糖尿病患者足部特定血管區(qū)域內(nèi)的組織灌注。結(jié)果顯示足部的SPECT成像是一種有用的非侵入性技術(shù)，可以在DM和CLI的情況下檢測靜息微血管灌注的區(qū)域異常，以及在CLI和健康受試者的糖尿病患者之間灌注的可量化差異。此外，還發(fā)現(xiàn)糖尿病患者的SPECT成像與踝臂指數(shù)沒有顯著相關(guān)性。

2.3 對比增強超聲

對比增強超聲(contrast-enhanced ultrasound，CEU)應(yīng)用于評估下肢微血管的灌注情況，是在器官注射微泡對比劑后通過測量時間和分析組織再灌注動力學(xué)兩種基本方法來進行組織灌注評價的[27]。Lindner等[28]對26名對照對象和39例有癥狀PAD的患者，其中19例患有2型糖尿病。進行了改良的跑步機運動測試，發(fā)現(xiàn)PAD患者運動期間骨骼肌血流量較低，CEU血流儲備較低，而DM合并PAD患者的組織灌注情況特別差。Womack等[29]研究了20名對照受試者，22例DM患者和8例DM 合并微血管病變患者，對于處于禁食狀態(tài)的患者，對前臂屈肌進行對比增強的超聲灌注成像，以評估靜止和低強度或高強度收縮運動(最大握力的25%和80%)期間的毛細血管血流量和血容量，結(jié)果表明只有DM合并微血管病變患者的毛細血管血流量和血容量明顯減低。

3 前景與展望

糖尿病合并外周動脈疾病骨骼肌微血管病變的影像學(xué)技術(shù)在提供可量化灌注、氧合、能量學(xué)數(shù)據(jù)的同時保持良好的空間和時間分辨率。ASL、BOLD、DCE-MRI、31P MRS等技術(shù)聯(lián)合使用，可以為骨骼肌微血管病變的發(fā)生機制研究以及早期干預(yù)評估提供客觀依據(jù)。但是，目前這些技術(shù)也存在信噪比低，易受部分容積效應(yīng)和動脈通過時間的影響，采集信號時間較長等問題，BOLD、ASL等影像學(xué)技術(shù)需要激發(fā)操作來誘導(dǎo)骨骼肌中可測量的信號改變，DCE-MRI和SPECT等影像學(xué)技術(shù)還要注意與對比劑相關(guān)的不良反應(yīng)等問題。CEU具有便攜性、實用性并可避免接觸放射線及核示蹤劑，但CEU是半定量檢查技術(shù)，且有較強的主觀性，需要臨床經(jīng)驗豐富的超聲科醫(yī)師[30]。

未來可能的研究方向包括：(1)綜合影像學(xué)技術(shù)評價糖尿病外周動脈疾病骨骼肌微血管病變，對于如何有針對性選擇最佳血運重建策略(血管腔內(nèi)成形術(shù)、旁路手術(shù)、溶栓治療)具有指導(dǎo)意義；(2)對沙格雷酯等5-羥色胺受體阻滯劑、ROS清除劑等藥物治療前后，利用氧合、灌注及圖像特征數(shù)據(jù)評價藥效也逐漸成為可能，有利于推動靶向藥物的研制與應(yīng)用；(3)基于CT、MRI和CEU的紋理分析等新型圖像后處理技術(shù)結(jié)合微血管影像學(xué)技術(shù)、臨床特征深入探討糖尿病外周動脈疾病骨骼肌微血管病變的組織結(jié)構(gòu)和代謝的差異，最終降低PAD圍手術(shù)期發(fā)病率和死亡率，降低截肢率。

利益沖突：無。