腎臟血氧水平依賴磁共振成像研究進展

崔坤華，陶于洪

腎臟氧合改變在多種腎臟疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。評估腎臟氧合狀態(tài)成為腎臟病領(lǐng)域關(guān)注的一個新熱點。雖然微電極、氧敏感光纖探針能夠探測腎臟氧合狀態(tài)，但是需要在體內(nèi)進行，具有創(chuàng)傷、出血和感染等并發(fā)癥。

血氧水平依賴磁共振成像(blood oxygen level-dependent MRI，BOLD-MRI)是一種弛豫率定量手段，提供較高的空間及時間分辨率，具有無創(chuàng)、無輻射和無需注射對比劑等優(yōu)點[1]。微電極、氧敏光纖探針直接氧檢測實驗表明，腎臟R2*值和氧分壓相關(guān)[2]。在臨床上，腎臟BOLD-MRI 能無創(chuàng)性評價腎臟氧代謝。本文將綜述腎臟BOLD-MRI研究進展。

1 腎臟BOLD-MRI機理

1.1 BOLD-MRI原理

BOLD-MRI是基于體內(nèi)內(nèi)源性脫氧血紅蛋白實現(xiàn)轉(zhuǎn)化微觀磁場和自旋質(zhì)子去相位，達到改變弛豫參數(shù)的目的。脫氧血紅蛋白導致磁場不穩(wěn)定、質(zhì)子去相位速度變快，使得橫向弛豫(T2*)短縮、T2*WI 信號相對減弱，通過在多個回波時間點捕獲和計算信號與回波時間(time of echo，TE)比值的斜率來指示R2*值或T2*值大小。R2*值的升高對應含氧血紅蛋白的降低、氧分壓減弱、組織缺氧[3]。腎臟髓質(zhì)的高灌注以及其氧分壓梯度使BOLD-MRI 可監(jiān)測到腎臟髓質(zhì)輕微的脫氧血紅蛋白波動，更易實現(xiàn)腎臟氧合評價[4]。

1.2 BOLD-MRI成像技術(shù)基礎(chǔ)

BOLD-MRI 成像技術(shù)常見有兩種，一種是平面回波成像(echo-planar imaging，EPI)，另一種是梯度回波成像(gradient echo imaging，GREI)。EPI 有卓越的時空分辨率和合理的空間分辨率。EPI容易出現(xiàn)磁敏感度偽影，磁場強度大，局部主磁場同質(zhì)性低，偽影偏差就更加嚴重。GREI不易受磁敏感度偽影的干擾，使用范圍更廣。血液氧合引起的T2*值大小波動和磁場強度是一種線性關(guān)系[5]。

1.3 BOLD-MRI的圖像分析

臨床常用的BOLD-MRI 圖像分析方法有兩種。ROI 勾畫是在腎臟皮質(zhì)和髓質(zhì)相應區(qū)域內(nèi)繪制一個或數(shù)個ROI，確定每個掃描層面的皮質(zhì)和髓質(zhì)的平均R2*值或T2*值。人工放置在皮質(zhì)和髓質(zhì)中的不同大小和不同位置的ROI可能影響R2*值或T2*值的準確性和再現(xiàn)性[6]。十二層面同心對象技術(shù)(12 layers concentric objects，TLCO)把腎臟分成12層一樣厚度的腎臟層面的半自動程序。所有層面的平均R2*值組合起來就能夠繪制成一條具有斜度的曲線。TLCO技術(shù)能準確區(qū)分腎皮質(zhì)及腎髓質(zhì)，人為的影響較小，具有更好的重復性[7]。

1.4 BOLD-MRI的影響因素

腎臟BOLD MRI 受許多因素影響，在分析結(jié)果時應考慮這些影響因素，更準確地評估腎臟氧合。(1)生理性影響因素：髓質(zhì)的平均R2*值高于皮質(zhì)，左腎R2*值略高于右腎，且R2*值隨年齡增加而增加[8]。(2)影響組織氧合和血液氧合處于平衡的因素：包括血細胞比容、影響氧氣/血紅蛋白解離曲線的條件、血流量等[9]。(3)鹽水平衡因素：高鹽攝入(＞15 g/d)導致腎髓質(zhì)漸進性缺氧，低鹽飲食(＜5 g/d)可以完全逆轉(zhuǎn)髓質(zhì)缺氧，水負荷改善腎臟氧合[10]。(4)藥物影響：依帕列凈、前列地爾、RAS抑制劑和氫氯噻嗪、利尿劑、環(huán)孢素改善腎臟氧合，雙氯芬酸增加腎臟缺氧[11]。

2 腎臟BOLD-MRI臨床應用

2.1 慢性腎臟病

在慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)患者中，炎癥、氧化應激等很多因素可能導致腎臟組織缺氧。慢性缺氧作為終末期腎病的最終共同途徑。BOLD-MRI 有助于監(jiān)測CKD 的進展，監(jiān)測腎功能的變化(表1)[12-25]。BOLD-MRI 評估CKD患者腎臟氧和存在爭議。Zhou 等[13]研究表明CR2*值和MR2*值與腎小球濾過率(glomerular filtration rate，GFR)呈負相關(guān)，而Pruijm 等[20]研究表明CR2*值和MR2*值與GFR 無相關(guān)性。研究結(jié)果的差異可能與實施BOLD-MRI 研究人員之間技術(shù)水平的差異有關(guān)。早期的一些研究對BOLD-MRI 的影響因素缺乏認識，不能使檢測患者條件標準、統(tǒng)一化。導致CKD 的原因很多，一些文章并沒有將導致CKD 的原因考慮進去，結(jié)果缺乏對比性。腎臟R2*值隨年齡的增加而增加，但是在臨床應用中BOLD-MRI 缺乏不同年齡階段患者的正常參考值，目前多參考成人標準，結(jié)果缺乏對比性。

表1 BOLD MRI在慢性腎臟病中的應用Tab.1 Application of BOLD MRIin chronic kidney disease

2.2 急性腎損傷

BOLD-MRI 可無創(chuàng)評估缺血性急性腎損傷(acute kidney injury，AKI)患者腎組織含氧量變化。R2*值可以表現(xiàn)出AKI大鼠腎臟皮髓質(zhì)氧分壓的改變，判斷缺血程度及氧代謝情況，從而評估腎臟的損害程度[26]。Pohlmann 等[27]遠端阻塞主動脈，用氧敏感探針和BOLD-MRI 獲得T2*值同時監(jiān)測大鼠腎內(nèi)PaO2。在主動脈阻塞期間，PaO2下降遠大于T2*值下降。在再灌注期間，PaO2即開始恢復，而T2*值在恢復前繼續(xù)下降。在再灌注后1 h 和24 h，BOLD-MRI 顯示皮質(zhì)氧合增加，而髓質(zhì)缺氧持續(xù)存在[28]。

BOLD-MRI 用于研究對比劑相關(guān)腎病。Li 等[29]采用BOLD-MRI發(fā)現(xiàn)，高滲透性對比劑可以減少腎臟氧合作用，給予碘對比劑后R2*值增加率與急性腎損傷有關(guān)。BOLD-MRI 評估對比劑急性腎損害大鼠腎功能，腎臟髓質(zhì)注入對比劑，在半小時內(nèi)腎臟R2*值急劇上升，但是腎血流量減少較少。腎臟氧合的減少主要是氧消耗增加所致[30]。

急性腎小管壞死患者采用速尿阻斷Na+-K+-2Cl-轉(zhuǎn)運體，BOLD-MRI 能敏感地檢測到輕微的腎小管損傷、腎血管損傷和恢復情況[31]。Tran 等[32]采用BOLD-MRI 觀察膿毒癥小鼠，結(jié)果顯示盡管腎血流減少，仍保持相對正常的氧合水平。這是由于細胞色素氧化酶活性降低，氧消耗減少。BOLD-MRI 檢測速尿引起腎髓質(zhì)氧合增加，是因為腎氧消耗減少，腎灌注并未改變。

2.3 腎小球疾病

腎小管間質(zhì)損害是腎病綜合征預后不良的重要因素。氧合減少是導致腎小管間質(zhì)纖維化的重要原因。Zhang 等[33]研究顯示，腎病綜合征患者髓質(zhì)R2*值顯著降低，髓質(zhì)R2*值與GFR呈負相關(guān)，和腎小管間質(zhì)損傷評分正相關(guān)。

BOLD-MRI評估糖尿病腎病患者氧合狀態(tài)。糖尿病患者腎臟皮質(zhì)R2*值水平與血糖和糖化血紅蛋白呈正相關(guān)，髓質(zhì)R2*值在糖尿病早期增加。糖尿病腎病患者髓質(zhì)缺氧相對皮質(zhì)來說，發(fā)生更早、更明顯。在糖尿病腎病的進展過程中，可以采用髓質(zhì)R2*值/皮質(zhì)R2*值推測糖尿病腎病的進展和預后[34]。BOLD-MRI評估狼瘡性腎炎患者氧合狀態(tài)。高斯函數(shù)模型是應用4個數(shù)學公式對R2*值進行擬合，在狼瘡性腎炎中，應用擬合后最優(yōu)化的R2*值來評估狼瘡性腎炎患者的氧耐量受損情況[35]。Shi 等[36]發(fā)現(xiàn)狼瘡性腎炎患者的平均腎臟R2*值高于健康志愿者，并且BOLD-MRI 可用于鑒別狼瘡性腎炎的分型，V型狼瘡性腎炎R2*值高于Ⅳ型和Ⅲ型。

2.4 腎移植

腎移植后產(chǎn)生功能障礙的關(guān)鍵作用點有兩種，第一種是急性排斥(acute rejection，AR)，第二種是急性腎小管壞死(acute tubular necrosis，ATN)。髓質(zhì)R2*值/皮質(zhì)R2*值比值可作為區(qū)分腎移植急性排斥的標志。腎移植患者R2*值降低有助于預測早期移植物功能降低[36]。在急性排斥組，腎臟髓質(zhì)R2*值比對照組和急性腎小管壞死組小，髓質(zhì)R2*值有助于鑒別AR和ATN[37]。

2.5 腎血管疾病

Textort 等[38]研究顯示，在21 例腎圖正常的腎臟中，速尿使髓質(zhì)R2*值下降20%，皮質(zhì)R2*值下降11.2%。在腎動脈狹窄下游正常腎臟中，R2*值基線升高，給予速尿后，R2*值下降。腎動脈全部閉塞以后，其外的萎縮腎臟就會出現(xiàn)R2*值降低，給予速尿后沒有變化。BOLD-MRI用于評價血管閉塞性疾病對腎臟局部組織氧合的影響。

2.6 腎臟腫瘤

BOLD-MRI 不僅探討腎臟腫瘤的血管分布、血流灌注和氧合作用，還可用于腎臟良性與惡性腫瘤鑒別。透明細胞癌的值比乳頭狀癌更低，腎臟透明細胞癌的R2*值可作為一種無創(chuàng)生物標志物用于透明細胞癌的分級[39]。

3 腎臟BOLD-MRI的局限性和展望

雖然BOLD-MRI對腎氧合狀態(tài)的評估有明顯的優(yōu)勢，但還是存在一些尚需解決的技術(shù)難題。目前BOLD-MRI用于檢測腎臟氧合國內(nèi)外缺乏統(tǒng)一技術(shù)標準，只有很少的報道涉及了弛豫率正常值及不同場強的相關(guān)性[40]。現(xiàn)在的BOLD-MRI研究絕大部分是在經(jīng)典BOLD軟件聯(lián)合非侵入性血管磁共振成像工具基礎(chǔ)上獲得R2*值，在腎臟疾病方面的研究鮮有文獻報道。BOLD-MRI 結(jié)合基于血流的MRI 技術(shù)以及多參數(shù)磁共振技術(shù)等多序列MRI 技術(shù)提高非侵入性檢測腎臟內(nèi)結(jié)構(gòu)、功能和分子變化能力，極大地提高了診斷疾病的能力[41]。定量生理學測量法能聯(lián)合有創(chuàng)性生理參數(shù)、MRI參數(shù)和解剖學參數(shù)評估腎臟T2*值與腎臟氧合程度的關(guān)系[42]。使用軟件來分析多參數(shù)磁共振的策略，Renal-CAD系統(tǒng)集成了擴散加權(quán)成像、BOLD、基因組標記、組織病例標記[43]。國際組織如歐洲科學技術(shù)合作行動“慢性腎臟病磁共振成像生物標志物”的目的是協(xié)調(diào)這一過程，以促進這項技術(shù)在不久的將來在臨床實踐中的應用。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。