3.0 T磁共振釓延遲強(qiáng)化技術(shù)評(píng)價(jià)小型豬慢性阻塞性肺病模型心肌纖維化的實(shí)驗(yàn)研究

劉智，郭丹丹，李春平，李睿*

近年來(lái)，我國(guó)的慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)發(fā)病率逐年升高，根據(jù)2018 年流行病學(xué)調(diào)查研究及中國(guó)肺健康研究顯示，我國(guó)COPD 的患病人數(shù)已近1 億人[1-2]。除了呼吸系統(tǒng)的改變，COPD 還常繼發(fā)肺源性心臟病、肺栓塞、缺血性心肌病等心血管疾患，最終導(dǎo)致心力衰竭，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)。

一般情況下，COPD 患者因雙肺氣流受限、肺靜脈面積減小，病變持續(xù)發(fā)展引起肺動(dòng)脈高壓，右心室后負(fù)荷增加導(dǎo)致右心室重塑并最終引起肺源性心臟病及右心衰竭；左心功能受損一般繼發(fā)于右心衰后室間隔依賴等引起的血流動(dòng)力學(xué)改變，最終演變?yōu)槿乃3-5]。但也有研究表明COPD早期即可導(dǎo)致左心的損傷，并且可能與右心損傷同步；除了血流動(dòng)力學(xué)，COPD 引起的冠狀動(dòng)脈疾病等其他因素也可能導(dǎo)致左心室心肌損傷，此外，當(dāng)COPD合并肺動(dòng)脈高壓及肺心病可導(dǎo)致心肌損傷組織纖維化[6-9]。心臟磁共振(cardiovascular magnetic resonance，CMR)多模態(tài)、多維度成像，能無(wú)創(chuàng)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)心臟結(jié)構(gòu)和功能，基于CMR 的釓延遲強(qiáng)化(late gadolinium enhancement，LGE)技術(shù)還能觀察心肌內(nèi)部的纖維化改變，且這一異常通常發(fā)生于左心室射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fraction，LVEF)下降之前。因此，本研究旨在利用基于心臟磁共振LGE技術(shù)檢測(cè)巴馬小型豬COPD 模型心肌纖維化，為評(píng)估COPD 左室心肌損傷提供影像學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

選用6 月齡健康巴馬小型豬20 頭，雌性和雄性各半，體質(zhì)量(25±2) kg，由川北醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供并飼養(yǎng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1COPD模型制作

將小型豬按4∶1 的比例分為COPD 模型組(16 頭)及正常對(duì)照組(4 頭)。模型組小型豬使用3%的木瓜蛋白酶溶液(6 U/kg)及胰蛋白酶溶液(300 U/kg)構(gòu)建COPD 模型。造模時(shí)將麻醉好的巴馬小型豬仰臥于操作臺(tái)上，使用喉鏡開(kāi)放氣道，進(jìn)行氣管插管，向氣管插管內(nèi)插入自制塑料軟管，使用5 mL 一次性注射器往塑料軟管內(nèi)注入胰蛋白酶溶液，2 d 后用同樣的方法向氣管內(nèi)注入木瓜蛋白酶溶液。以此循環(huán)操作20周來(lái)構(gòu)建巴馬小型豬的COPD模型。對(duì)照組不作處理。造模前、造模早期(第4 周)、造模中期(第8 周)及造模后期(第20 周)對(duì)小型豬行胸部CT 檢查，通過(guò)雙肺的CT 表現(xiàn)觀察COPD 造模情況。該實(shí)驗(yàn)經(jīng)川北醫(yī)學(xué)院動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，批文編號(hào)：NSMC 倫理動(dòng)物審[2021]37號(hào)。

1.2.2CT及CMR掃描

分別于檢查前12 h 及4 h 禁食、禁水。首先于小型豬臀部注射陸眠寧對(duì)其進(jìn)行前期誘導(dǎo)麻醉，再通過(guò)Matrx VME2動(dòng)物專用吸入麻醉機(jī)用異氟烷對(duì)小型豬進(jìn)行氣體麻醉。待其麻醉穩(wěn)定后用一次性留置針于小型豬耳緣靜建立靜脈通道。最后將小型豬以仰臥位固定于自制的木質(zhì)“U”形固定槽內(nèi)。

所有小型豬分別于造模前、造模早期(4周)、中期(8 周)及后期(20 周)行胸部CT 平掃及CMR 掃描。胸部CT掃描使用美國(guó)GE公司64排螺旋CT掃描儀，掃描參數(shù)如下：管電壓：120 kv，管電流：35～67 mAs，螺距：1.375，層厚：5 mm，以層厚1.25 mm、層距0.625 mm進(jìn)行圖像重建。CMR 掃描使用美國(guó)GE 公司3.0 T 磁共振掃描儀，掃描線圈為32 通道體部線圈，聯(lián)合前瞻性VCG向量式心電門(mén)控，采用快速自由穩(wěn)態(tài)平衡進(jìn)動(dòng)序列(fast imaging employing steady-state acquisition，F(xiàn)IESTA)及反轉(zhuǎn)恢復(fù)梯度回波序列(reverse recovery gradient echo train，RRGET)行心臟磁共振電影(cardiovascular magnetic resonance cine，CMR-Cine)及LGE成像。CMR-Cine成像參數(shù)如下，TR：3.0～3.8 ms；TE：1.5～1.7 ms；FA：45°；FOV：35 cm×35 cm，重建矩陣：224×224；NEX：3 次；VPS：10～12；層厚：8.0 mm，層間距：2 mm；Phase：20 個(gè)。CMR-LGE 成像參數(shù)如下，TE：3.2 ms，TR：7.2 ms，TI：200 ms，F(xiàn)A：20°，F(xiàn)OV：35 cm×35 cm，NEX：3 次，重建矩陣：256×192。完成常規(guī)CMR-Cine 成像后，以4 mL/s 的速度從靜脈通道注入釓雙胺對(duì)比劑(Gd-DTPA) 0.2 mmol/kg，隨后立即注入等量生理鹽水，對(duì)比劑注入完畢后10～15 min 開(kāi)始CMR-LGE成像。

1.2.3圖像分析

將小型豬胸部CT 圖像傳至ADW4.3 后處理工作站行三維重建。觀察分析雙肺情況(圖1)，以-950 Hu作為CT 定量診斷肺氣腫的閾值，按Goddard 法對(duì)雙肺肺氣腫低衰減區(qū)占全肺比例的百分比(the percentage of the low attenuation area，LAA%)進(jìn)行評(píng)分，同時(shí)觀察支氣管壁是否增厚來(lái)綜合判斷COPD 造模是否成功[10-11]。隨 后將CMR-Cine 及LGE 圖像(圖2、3)導(dǎo)入商用心血管圖像后處理軟件(cvi42；Circle Cardiovascular Imaging，Inc.，Calgary，Canada)進(jìn)行圖像后處理分析(圖4)。按照美國(guó)心臟病協(xié)會(huì)(American Heart Association，AHA)建議采用的17節(jié)段分析法將LV基底部、中間部、心尖部及心尖帽分成17個(gè)節(jié)段(圖5)。由2名高年資MRI診斷醫(yī)師分別對(duì)每個(gè)心肌節(jié)段進(jìn)行圖像觀察分析，遇到分歧時(shí)，通過(guò)協(xié)商討論達(dá)成一致。分析、測(cè)量及計(jì)算各小型豬左心室舒張末橫徑(left ventricular end diastolic diameter，LVDd)、右心室舒張末橫徑(right ventricular end diastolic diameter，RVDd)、左心室后壁(left ventricular posterior wall，LVPW)、右心室前壁(right ventricular anterior wall，RVAW)、左房前后徑(left atrium anteroposterior diameter，LAAPd)、左心室舒張末容積(left ventricular end diastolic volume，LVEDV)、LVEF及右心室射血分?jǐn)?shù)(right ventricular ejection fraction，RVEF)；觀察CMR-LGE 圖像是否存在異常強(qiáng)化，分析LGE的心肌節(jié)段數(shù)量、分布及類(lèi)型。

圖1 COPD模型組小型豬造模前后胸部CT圖：造模前雙肺未見(jiàn)異常，造模后期雙肺出現(xiàn)肺氣腫征象，雙肺散在感染Fig.1 CT images of minipigs in COPD model group before and after modeling:no abnormality was found in both lungs before modeling,emphysema and scattered infection were appeared in both lungs after modeling.

圖2 造模后期慢性阻塞性肺病小型豬CMR-Cine成像：RVDd未見(jiàn)顯著增大，RVAW稍增厚，室間隔未見(jiàn)偏移 圖3 造模后期小型豬CMR-LGE成像：LV壁基底部、中間部多處出現(xiàn)線狀、條片狀延遲強(qiáng)化較高信號(hào)影 圖4 CMR-LGE圖像CVI42分析軟件自動(dòng)分析圖，LV壁粉紅色圈內(nèi)為軟件自動(dòng)認(rèn)定的LGE區(qū)Fig.2 CMR-Cine imaging of chronic obstructive pulmonary disease minipigs in the late modeling stage:RVDd did not increase significantly,RVAW slightly thickened,and ventricular septum did not shift.Fig.3 CMR-LGE imaging of minipigs in the late modeling stage:linear and strip delayed enhancement high signal shadow appeared at the bottom and middle part of LV wall base. Fig.4 CMR-LGE image was automatically analyzed by CVI42analysis software,and LGE area was automatically identified by software in the pink circle of LV wall.

圖5 LV心肌17節(jié)段牛眼圖及LGE分布比例圖，心肌節(jié)段由粉紅色至深紅色，顏色越深，LGE所占比例越多Fig.5 LV myocardium 17 segment bull's eye plot and LGE distribution map,myocardial segments from pink to deep red,the darker the color,the more proportion of LGE occupied.

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。記錄造模前、造模早期、中期及造模后期所有小型豬的基本資料；統(tǒng)計(jì)分析兩組小型豬的LVDd、RVDd、LVPW、RVAW、LAAPd、LVEDV、LVEF、RVEF、LV心肌的LGE的節(jié)段數(shù)量、分布及其類(lèi)型。計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，計(jì)數(shù)資料用所占本組的百分比表示。計(jì)量資料采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)或方差分析，非連續(xù)性變量的計(jì)數(shù)資料采用卡方檢驗(yàn)，P＜0.05被認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

造模前所有小型豬胸部CT掃描顯示雙肺均未見(jiàn)異常。造模前行CMR 檢查時(shí)及造模過(guò)程中(造模第19 周)，因麻醉劑量過(guò)大及肺部感染致使模型組2 頭小型豬死亡。

造模20 周后，模型組小型豬均出現(xiàn)不同程度COPD 征象，造模前、造模早期、中期及后期的一般特征參數(shù)見(jiàn)表1。造模前模型組小型豬與對(duì)照組在性別、呼吸頻率、心率、體質(zhì)量、胸部CT平掃征象差異也均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，造模早期、中期模型組小型豬與對(duì)照組比較，一般特征差異也均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。與對(duì)照組及造模前比較，造模后期模型組呼吸頻 率(68.14±2.83 vs.58.50±3.11 vs.58.56±2.87，P均＜0.01)和心率(90.14±2.41 vs.80.25±4.03 vs.80.31±2.82，P均＜0.01)均有明顯增加；造模后期模型組小型豬體質(zhì)量(24.54±0.49 vs.25.93±0.35，P＜0.01)較對(duì)照組減低。

表1 造模前后巴馬小型豬的一般資料比較Tab.1 Comparison of general data from minipigs before and after modeling

造模前、造模早期、中期及造模后期小型豬CMR表現(xiàn)詳見(jiàn)表2。造模前兩組小型豬LVDd、RVDd、LVPW、RVAW、LAAPd、LVEDV、RVEF 及LVEF 差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＞0.05)，造模早期、中期模型組小型豬與造模前及對(duì)照組比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＞0.05)。造模后期小型豬RVAW (3.30±0.09 vs.2.99±0.09 vs.2.99±0.30，P均＜0.01)較造模前及對(duì)照組比較均有增加；而LVPW (6.58±0.06 vs.6.50±0.12，P＜0.01)較造模前有所增加，但與對(duì)照組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。造模后期小型豬RVDd較造模前(2.79±0.05 vs.2.68±0.07，P＜0.01)有所增加，與對(duì)照組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；LVDd 較造模前及對(duì) 照組(3.98±0.06 vs.4.03±0.06 vs.4.06±0.07，P均＜0.05)均有所減少；LVEDV (62.98±0.41 vs.63.45±0.43 vs.63.61±0.25，P均＜0.05)較造模前及對(duì)照組也均有所減少。造模后期模型組小型豬RVEF 與造模前及對(duì)照組比較(50.71±1.59 vs.54.31±1.40 vs.54.25±1.26，P均＜0.01)均有所降低，但仍然比正常值50%略高，而LVEF 差異則均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。

表2 造模前后巴馬小型豬的CMR比較Tab.2 CMR comparison of minipigs before and after modeling

造模完成后模型組有5頭小型豬LV共有23個(gè)心肌節(jié)段出現(xiàn)了LGE。模型組小型豬的LGE具體分布及類(lèi)型見(jiàn)表3。23 個(gè)發(fā)生LGE 心肌節(jié)段，基底部和中間部各11 個(gè)(36.7%)，心尖部1 個(gè)(4.0%)，其分布差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.01)。LGE 各類(lèi)型中，肌壁間型(74.0%)最為常見(jiàn)，其次是心內(nèi)膜下型(17.4%)，未見(jiàn)心外膜下型LGE。

表3 慢性阻塞性肺病模型組巴馬小型豬LGE各類(lèi)型心肌節(jié)段分布比較(n/%)Tab.3 Comparison of the distribution of different types of myocardial segments of LGE in COPD model group(n/%)

3 討論

3.1 COPD與心臟損傷

COPD 患者常合并心血管疾患，也是COPD 患者死亡的主要原因之一[12-13]。心血管疾病與COPD 之間的關(guān)系復(fù)雜，可能涉及多種生物因素(低氧血癥、內(nèi)皮功能障礙、動(dòng)脈硬化)、機(jī)械和(或)功能因素、神經(jīng)體液和遺傳因素[3]。由于COPD 患者的肺循環(huán)血液動(dòng)力學(xué)異常，既往大部分針對(duì)COPD 的心臟異常的研究均集中于右室[14-16]，左室受累往往被忽略。部分既往研究顯示，COPD早期即可發(fā)生心肌纖維化[6-7]，原因可能與COPD可通過(guò)血管和全身炎癥、C反應(yīng)蛋白及氧化應(yīng)激的增加，致使心肌慢性缺氧，導(dǎo)致心肌損傷并發(fā)生纖維化[3，17]。此外，左心功能異常一般出現(xiàn)在重度COPD及病程較長(zhǎng)患者中[3]，患者早期左心受累往往被忽視。因此，早期、準(zhǔn)確評(píng)估COPD患者左心組織學(xué)改變有著較為重要的臨床意義。

3.2 CMR的臨床價(jià)值

多模態(tài)CMR 成像無(wú)創(chuàng)，無(wú)輻射，一次檢查即可綜合評(píng)估心臟形態(tài)、功能及組織學(xué)改變，基于CMR-Cine心功能分析還是評(píng)估心臟功能的金標(biāo)準(zhǔn)[18-19]。部分COPD 患者只有在發(fā)生心衰后才出現(xiàn)明顯的心臟形態(tài)及功能改變，因此利用常規(guī)CMR影像學(xué)指標(biāo)評(píng)估COPD心肌損傷價(jià)值有限。CMR-LGE 技術(shù)能準(zhǔn)確顯示心肌組織特性，與組織病理觀察到的心肌纖維化區(qū)域分布一致[16-17]，是目前無(wú)創(chuàng)性評(píng)估心肌纖維化的首選方法。鑒于心肌纖維化可先于形態(tài)學(xué)及功能學(xué)異常之前發(fā)生，CMR-LGE技術(shù)能夠早期評(píng)估COPD患者的心肌組織學(xué)異常[18]。

3.3 COPD模型心臟形態(tài)及功能改變

不同階段COPD患者右心功能可有不同程度的降低[14-15]，輕、中度COPD患者RV壁可代償性肥厚彌補(bǔ)RV功能的下降。本研究中造模早、中期RV 的形態(tài)及功能未見(jiàn)明顯異常變化，造模后期RVAW 出現(xiàn)代償性增厚，RVEF有所減低，但仍位于正常值范圍內(nèi)。LV舒張功能可因嚴(yán)重的肺氣腫及RV 容積增大室間隔向LV偏移而降低[3，5]，并隨COPD 程度及RV 后負(fù)荷增加而增加[12，22]。本研究與之前的部分研究[5，23]結(jié)果一致，即LVEF 未發(fā)生明顯降低，僅造模后期LVDd 及LVEDV 稍有減低，提示左心整體收縮功能仍在正常范圍之內(nèi)。Vonk 等[16]研究發(fā)現(xiàn)肺氣腫患者LVEF 整體降低，且隨RV 肥厚程度增加而增加。其原因可能是本研究模型為COPD 早期，肺氣腫程度及RV 后負(fù)荷較輕，僅表現(xiàn)為L(zhǎng)VDd 及LVEDV 輕度減低，且肺氣腫、RV 后負(fù)荷及容積增加可幫助LV射血，使LVEF維持在正常范圍內(nèi)。

3.4 COPD模型心肌損傷及特征

COPD 能增大心肌損傷風(fēng)險(xiǎn)[17]。COPD 患者發(fā)生心肌纖維化，與其病理性心肌肥厚程度、低氧狀態(tài)或臨床心力衰竭無(wú)關(guān)，而與心肌缺血或梗死有關(guān)，并且晚期缺血性心臟病患者LV 心肌纖維化明顯增加[7]。Selvanayagam 等[24]發(fā)現(xiàn)40%的COPD 患者可出現(xiàn)一定程度的心肌損傷，本研究中有35.7%的小型豬發(fā)生心肌損傷纖維化。但Murphy 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在排除其他心血管危險(xiǎn)因素的情況下，即使是嚴(yán)重的COPD，心肌纖維化的發(fā)生率也很低。其原因可能是該研究納入樣本量過(guò)小(25 例COPD 患者)，不能反映真實(shí)情況下COPD患者心肌纖維化發(fā)生率。

本研究中LGE多分布于基底部、中間部的室間隔區(qū)以及下壁，與部分研究[13，26]發(fā)現(xiàn)COPD及肺部疾病伴肺動(dòng)脈高壓患者的心肌LGE主要分布于室間隔、下壁及右室插入點(diǎn)結(jié)果相一致。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)COPD 模型LGE 大部分位于肌壁間，可能原因與COPD患者易發(fā)生右冠狀動(dòng)脈、左回旋支和鈍緣支中更易冠狀動(dòng)脈狹窄，引起心肌慢性缺血及微循環(huán)障礙[27]。而有研究顯示，心肌微循環(huán)障礙可表現(xiàn)為肌壁間LGE[28-30]。

本研究仍存在許多不足。首先，本研究研究樣本量較小，COPD心肌LGE分布及特征尚需擴(kuò)大樣本量進(jìn)行驗(yàn)證。其次，本研究對(duì)心肌纖維化的評(píng)估方式過(guò)于單一，基于CMR 心肌組織學(xué)新技術(shù)，如T1 mapping 及ECV 能早期發(fā)現(xiàn)心肌間質(zhì)纖維化，并對(duì)心肌纖維化程度進(jìn)行定量評(píng)估。最后，本研究目前尚未進(jìn)行病理檢驗(yàn)，心肌纖維化缺乏準(zhǔn)確的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本次動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明COPD可以引起心肌損傷纖維化，且發(fā)生于LVEF明顯下降之前，與右心功能的減低幾乎同步發(fā)生。心臟CMR-LGE 成像可為COPD 患者早期干預(yù)、診療計(jì)劃的制定以及預(yù)后的評(píng)估提供影像學(xué)依據(jù)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無(wú)利益沖突。