Dixon-MRI和BOLD-MRI對(duì)成年男性代謝綜合征早期腎損傷的定量對(duì)比研究

鐘俏玲，李師思，陳焱君，丁有斌，張曉東

作者單位：南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院影像科(廣東省骨科研究院)，廣州 510630

代謝綜合征(metabolic syndrome，MetS)是以胰島素抵抗為核心，包括中樞型肥胖、空腹血糖升高、血壓升高和血脂異常的一組復(fù)雜代謝紊亂癥候群[1]。許多研究表明MetS 與慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。既往動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，早期MetS豬腎組織出現(xiàn)脂質(zhì)的異常沉積，進(jìn)而損害腎功能[2]。腎臟中的血脂異常和過多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)損害線粒體功能，從而影響腎的氧合，導(dǎo)致腎臟細(xì)胞的損傷[2-3]。一旦CKD 發(fā)展為終末期腎臟病(endstage renal disease，ESRD)，患者只能依靠腎臟替代治療來維持生命。終末期腎病不僅嚴(yán)重危害患者的健康，同時(shí)給患者家庭帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[4]。而腎小球在CKD 的早期階段即CKD 1 期和CKD 2 期尚未發(fā)生不可逆損傷。因此早期檢測(cè)腎臟結(jié)構(gòu)或功能改變，盡早進(jìn)行臨床干預(yù)，可有效防止腎功能進(jìn)一步損傷甚至扭轉(zhuǎn)腎功能[5-6]。

目前常用的無創(chuàng)評(píng)估腎臟損傷的方法如血清肌酐(serum creatinine，Scr)、蛋白尿和超聲等，存在檢測(cè)靈敏度低、不能評(píng)估潛在腎臟疾病病理特征等缺點(diǎn)。盡管腎活檢是目前臨床實(shí)踐中唯一評(píng)估腎臟損傷微結(jié)構(gòu)的方法，但其具有侵入性、可重復(fù)性低以及不能常規(guī)取樣髓質(zhì)等缺點(diǎn)[7-8]。

磁共振成像作為非侵入性、可重復(fù)性高的體內(nèi)成像方法，已被廣泛應(yīng)用于腎臟疾病的研究中。Dixon-MRI 被證實(shí)可無創(chuàng)定量測(cè)量腎臟脂肪含量，具有評(píng)估2 型糖尿病早期腎損害的潛力。血氧水平依賴磁共振成像(blood oxygenation level-dependent magnetic resonance imaging，BOLD-MRI)可用于檢測(cè)一系列腎臟疾病引起的細(xì)微改變[9-11]。已有研究使用BOLD-MRI 監(jiān)測(cè)到早期MetS 豬腎髓質(zhì)存在缺氧改變。但是，先前的研究從未比較過這兩種技術(shù)在評(píng)估MetS 引起的早期腎損傷方面的效果。因此，本研究旨在比較Dixon-MRI 和BOLD-MRI 定量參數(shù)在評(píng)估MetS 引起的早期腎損傷能力，為早期MetS 腎臟損傷提供客觀有效的無創(chuàng)定量檢測(cè)指標(biāo)。

1 材料與方法

本研究經(jīng)過南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，批準(zhǔn)文號(hào)：201708011。于2017 年7 月至2019 年6 月在南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院招募了24 名成年男性MetS 患者和18 名非MetS 的患者進(jìn)行腎臟MRI 檢查。所有受試者均知曉本研究的具體內(nèi)容以及MRI檢查存在的風(fēng)險(xiǎn)，并簽署了書面知情同意書。在進(jìn)行MRI 檢查前記錄研究對(duì)象年齡、性別、身高、體質(zhì)量、腰圍及臀圍，計(jì)算體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)、腰臀圍的比值和腰圍身高比。所有研究對(duì)象在安靜休息5 min 后再進(jìn)行血壓測(cè)量，記錄收縮壓和舒張壓。禁食10 h后，在服用任何藥物之前采集血液樣本，測(cè)量受試者總膽固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白、腎小球?yàn)V過率(estimate glomerular filtration rate，eGFR)、Scr、空 腹 血糖、空腹血清胰島素和胰島素抵抗指數(shù)(homeostasis model assessment 2-IR，HOMA2-IR)等指標(biāo)。

1.1 研究人群

根據(jù)2013 版CDS MetS 診斷標(biāo)準(zhǔn)，MetS 可定義為至少滿足以下標(biāo)準(zhǔn)中的三個(gè)：(1)男性腰圍≥90 cm，女性腰圍≥80 cm；(2)收縮壓≥130 mmHg (1 mmHg=0.1333 kPa)和/或舒張壓≥85 mmHg，或使用任何降壓藥；(3)空腹血糖≥5.5 mmol/L，或使用任何抗糖尿病藥；(4)甘油三酸酯水平≥1.7 mmol/L，或使用任何降低甘油三酸酯的試劑；(5)男性高密度脂蛋白(high density liptein cholesterol，HDL-C)水平＜1.0 mmol/L，女性＜1.3 mmol/L或使用任何藥物改善HDL-c水平[12]。

MetS組納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)年齡18～70歲的男性；(2)腎功能正常至中度損傷[eGFR＞60 mL·min-1·(1.73 m2)-1]；(3)滿足2013 版CDS MetS 診斷標(biāo)準(zhǔn)中的其中三項(xiàng)。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)患有腎臟炎癥、占位等腎臟臟器疾?。?2)有腎臟外傷史、手術(shù)史等；(3) MR 圖像存在嚴(yán)重偽影；(4)幽閉恐懼癥。

非MetS 組納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)年齡18～70 歲的男性；(2) eGFR＞90 mL·min-1·(1.73 m2)-1；(3)不滿足2013 版CDS MetS 診斷標(biāo)準(zhǔn)中的其中三項(xiàng)。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)患有腎臟炎癥、占位等腎臟臟器疾病；(2)有腎臟外傷史、手術(shù)史等；(3) MR 圖像存在嚴(yán)重偽影；(4)幽閉恐懼癥。

1.2 MRI檢查

在3.0 T MR 系統(tǒng)(Philips，Achieva)上用腹部線圈采集腎臟冠位T2WI、Dixon-MRI和BOLD-MRI數(shù)據(jù)。所有受試者均采用仰臥位檢查。冠位mDixon-Quant 序列用于腎臟的脂肪定量，掃描參數(shù)如下：重復(fù)時(shí)間(TR)=5.6 ms，回波時(shí)間(TE)=0.97 ms、回波間隔(△TE)=0.7 ms，回波個(gè)數(shù)=4，翻轉(zhuǎn)角=3°，矩陣大小=144×144×30，體素大小=2.5 mm×2.5 mm×6.0 mm，掃描時(shí)間=15 s。冠位BOLD-MRI 序列掃描參數(shù)如下：TR=16.5 ms，TE=1.2 ms，△TE =0.9 ms，回波個(gè)數(shù)=16，矩陣大小=176×176，體素大小=2.0 mm×2.0 mm，層厚=5.0 mm，掃描時(shí)間=2 min 45 s。

1.3 成像分析

由具備兩年以上腎臟MRI 研究經(jīng)驗(yàn)的放射科中級(jí)醫(yī)師在Dixon-MRI 和BOLD-MRI 圖像上進(jìn)行感興趣區(qū)(region of interest，ROI)的勾畫。

使用ITK-SNAP 看圖軟件對(duì)BOLD-MRI 數(shù)據(jù)算得的腎表觀自旋-自旋弛豫率(apparent relaxation rate，R2*)圖進(jìn)行ROI勾畫。一側(cè)腎臟共畫12個(gè)ROI，分別選擇在經(jīng)腎門及其上下層面的皮質(zhì)、髓質(zhì)區(qū)域，放置ROI 時(shí)要盡量選擇皮髓質(zhì)分界清晰處(圖1)。注意避開皮髓質(zhì)分界模糊區(qū)域、腎臟集合系統(tǒng)、腎內(nèi)血管、囊腫及周圍組織。分別求得每個(gè)個(gè)體兩側(cè)腎臟皮質(zhì)、髓質(zhì)R2*的平均值。

腎臟Dixon-MRI 原始數(shù)據(jù)傳至圖像后處理工作站(v.7，Philips Healthcare)，獲得腎臟脂肪分?jǐn)?shù)(fat fraction，F(xiàn)F)圖。結(jié)合T2WI 及FF 偽彩圖在FF圖上手工放置ROI。在每側(cè)腎臟選取3 個(gè)層面，分別是經(jīng)腎門層面及其相鄰的上下層面，在每個(gè)層面皮質(zhì)和髓質(zhì)分別勾畫2 個(gè)ROI，共畫12 個(gè)ROI (圖1)。注意避開腎臟集合系統(tǒng)、腎內(nèi)血管、囊腫及周圍組織及偽影較重的區(qū)域。分別測(cè)量雙腎皮質(zhì)和髓質(zhì)的FF值，并計(jì)算各ROI 平均值作為腎臟皮質(zhì)和髓質(zhì)的FF值。

圖1 1A、1C、1E：38 歲男性非代謝綜合征患者，左腎T2WI (1A)，F(xiàn)F 偽彩圖(1C)和R2*偽彩圖(1E)，左腎皮質(zhì)R2*值和髓質(zhì)R2*值分別為15.58 s-1和27.27 s-1，左腎皮質(zhì)FF值和髓質(zhì)FF值分別為2.45%和1.88%。1B、1D、1F：39 歲男性代謝綜合征患者，左腎T2WI(1B)，F(xiàn)F 偽彩圖(1D)和R2*偽彩圖(1F)，左腎皮質(zhì)R2*值和髓質(zhì)R2*值分別為15.02 s-1和30.86 s-1，左腎皮質(zhì)FF 值和髓質(zhì)FF 值分別為4.02%和2.04%。Fig. 1 1A, 1C, 1E: A 38-year-old male patient without metabolic syndrome,T2WI (1A), FF color(1C) and R2* color (1E) maps of the left kidney.R2* values of the left renal cortex and medulla were 15.58 s-1 and 27.27 s-1, respectively. The FF values of left renal cortex and medulla were 2.45%and 1.88%, respectively. 1B, 1D, 1F: A 39-year-old male patient with metabolic syndrome,T2WI (1B),FF color (1D) and R2* color (1F) maps of the left kidney. The R2*values of the left renal cortex and medulla were 15.02 s-1 and 30.86 s-1, respectively.The FF values of left renal cortex and medulla were 4.02%and 2.04%,respectively.

采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)評(píng)估兩名醫(yī)師測(cè)得腎皮髓質(zhì)定量指標(biāo)的一致性。對(duì)一致性較好的結(jié)果，取兩名醫(yī)師測(cè)量結(jié)果平均值進(jìn)行后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 22.0版統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)，結(jié)果采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用ICC 評(píng)估MRI 定量參數(shù)觀察者間的一致性。采用兩樣本獨(dú)立t檢驗(yàn)分析非MetS組和MetS組人口統(tǒng)計(jì)學(xué)、身體測(cè)量、血生化指標(biāo)的組間差異。由于兩組患者年齡差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，所以將年齡作為協(xié)變量，使用協(xié)方差分析比較兩組之間皮質(zhì)FF值、髓質(zhì)FF值、皮質(zhì)R2*值及髓質(zhì)R2*值的差異，采用偏相關(guān)分析研究皮質(zhì)FF 值、髓質(zhì)FF 值、皮質(zhì)R2*值及髓質(zhì)R2*值與eGFR、Scr和HOMA2-IR的相關(guān)性。采用受試者工作特征(receiver-operating characteristic，ROC)曲線分析評(píng)價(jià)兩種MRI 技術(shù)對(duì)早期輕度腎損傷的診斷效能。結(jié)果均以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果

2.1 一般資料

本研究共納入24 例MetS 和18 例非MetS 志愿者，人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和臨床特征見表1。所有研究對(duì)象均為男性，年齡為(33.88±8.30)歲，兩組間年齡差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.001)。MetS所有組分(空腹血糖、HDL-C、甘油三酯、腰圍、收縮壓、舒張壓)在兩組間差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。除了身高以外，身體測(cè)量指標(biāo)中腰圍、臀圍、腰臀比、腰圍身高比和BMI在兩組間差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＜0.05)。MetS 組Scr 和HOMA2-IR 均 高 于 非MetS 組(P均＜0.05)，非MetS 組eGFR 高于MetS 組[分別為(107.35±11.84) mL·min-1·(1.73 m2)-1和(88.35±20.19) mL·min-1·(1.73 m2)-1，P＜0.001]。

表1 研究對(duì)象的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)、身體測(cè)量和血生化指標(biāo)Tab.1 Demography,body measurement and blood biochemical indexes of the subjects

2.2 觀察者測(cè)量結(jié)果的一致性檢驗(yàn)

兩名觀察者測(cè)得的腎臟皮質(zhì)、髓質(zhì)FF 的ICC 值分別為0.85 (95%CI：0.74～0.92)和0.78 (95%CI：0.62～0.87)，而腎臟皮質(zhì)、髓質(zhì)R2*的ICC 值分別為0.80 (95%CI：0.67～0.88) 和0.65 (95%CI：0.45～0.79)。

2.3 定量參數(shù)的比較

2.3.1 Dixon-MRI測(cè)量腎臟FF值

MetS 組的皮質(zhì)FF 值顯著高于非MetS 組(MetS組：4.21%±0.79%，非MetS 組：2.51%±0.75%，P＜0.001)，兩組間髓質(zhì)FF 值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.076)。校正年齡潛在的混雜因素后，腎皮質(zhì)FF 值在MetS和非MetS組間差異仍然具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.001)，如表2所示。

2.3.2 BOLD-MRI測(cè)量腎臟R2*值

MetS 組與非MetS 組的腎髓質(zhì)R2*值分別為(31.29±1.17) s-1、(27.02±1.38) s-1，兩組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.008)，皮質(zhì)R2*值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。校正年齡后，兩組間腎髓質(zhì)R2*值差異仍有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.035)，如表2所示。

表2 腎臟皮質(zhì)和髓質(zhì)FF值及R2*值在非MetS和MetS組間的比較Tab.2 Comparison of FF and R2*values of renal cortex and medulla between non-MetS and MetS groups

2.4 相關(guān)性分析

腎臟皮質(zhì)FF 值與eGFR 呈負(fù)相關(guān)(r=-0.46，P=0.002)，與Scr 和HOMA2-IR 呈 正 相 關(guān)(r=0.45，P=0.003；r=0.38，P=0.013)?？刂颇挲g的影響因素后，腎臟皮質(zhì)FF 值與eGFR 的偏相關(guān)性系數(shù)降至-0.37(P=0.017)，與Scr 和HOMA2-IR 的偏相關(guān)性系數(shù)分別為0.39 (P=0.012)和r=0.34 (P=0.026)，如表3、圖2所示。

圖2 腎皮質(zhì)FF與eGFR、Scr及HOMA2-IR的相關(guān)性。圖3 ROC曲線評(píng)價(jià)Dixon-MRI和BOLD-MRI定量指標(biāo)診斷輕度腎功能損傷。Fig. 2 Correlations between FF in renal cortex and eGFR, Scr, and HOMA2-IR. Fig. 3 ROC curve evaluation of Dixon-MRI and BOLD-MRI quantitative indicators for the diagnosis of mild renal injury.

腎臟髓質(zhì)R2*值與eGFR 呈負(fù)相關(guān)(r=-0.32，P=0.037)，與Scr呈正相關(guān)(r=0.33，P=0.036)，而髓質(zhì)R2*值與HOMA2-IR之間不存在相關(guān)性(P=0.053)。校正年齡因素后，髓質(zhì)R2*值與eGFR、Scr 之間無相關(guān)性(r=-0.25，P=0.119；r=0.27，P=0.086)，如表3所示。

表3 腎臟皮質(zhì)FF值和髓質(zhì)R2*值與eGFR、Scr和HOMA2-IR間的相關(guān)性Tab.3 Correlation between renal cortex FF value and medulla R2*value and eGFR,Scr and HOMA2-IR

2.5 ROC曲線分析診斷效能

腎皮質(zhì)FF鑒別腎功能正常和輕度腎功能損傷的曲線下面積(area under the curve，AUC)、敏感度和特異度分別為82.7%、85.7%和71.4%，髓質(zhì)R2*鑒別腎功能正常和輕度腎功能損傷AUC、敏感度和特異度分別為74.2%、50.0%和89.3%，如圖3所示。

3 討論

本研究使用Dixon-MRI和BOLD-MRI分別對(duì)MetS患者和非MetS患者的腎臟脂肪沉積和氧合水平進(jìn)行了定量檢測(cè)，結(jié)果顯示eGFR 正?；蜉p度下降的MetS患者腎臟皮質(zhì)FF值和髓質(zhì)R2*值均增高，但是皮質(zhì)FF與腎功能相關(guān)的血生化指標(biāo)具有更好的相關(guān)性，且在輕度腎損傷方面具有更高的診斷效能。我們發(fā)現(xiàn)與BOLD-MR 技術(shù)相比，Dixon-MRI 技術(shù)或許更有可能成為監(jiān)測(cè)由MetS引起早期腎損傷的有效成像工具。

3.1 Dixon-MRI定量結(jié)果分析

本研究中，Dixon-MRI 檢測(cè)到MetS 患者處于CKD的早期階段[eGFR＞60 mL·min-1·(1.73 m2)-1]時(shí)腎實(shí)質(zhì)脂肪含量增加，且主要發(fā)生在腎皮質(zhì)，這與以往動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)研究結(jié)果一致[2-3]。既往動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明早期MetS，即使在eGFR處于超濾過期，可觀察到腎臟脂肪沉積，而且會(huì)進(jìn)一步損傷腎小球[3,13]。MetS 所致的腎脂肪積累的機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，目前人們對(duì)之了解甚少。未來的研究可更多地關(guān)注MetS腎脂肪毒性機(jī)制的研究。在我們的研究中，Dixon-MRI 檢測(cè)到MetS 早期腎功能輕度損傷時(shí)皮質(zhì)FF 增高，這提示了腎臟皮質(zhì)FF值可能是潛在反映早期腎損傷的定量影像生物標(biāo)記物，準(zhǔn)確定量檢測(cè)腎臟脂質(zhì)改變或許是發(fā)現(xiàn)潛在早期腎損傷的關(guān)鍵，這將可能有助于減少不可逆腎損傷的發(fā)生，降低透析的可能性和死亡風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 BOLD-MRI定量結(jié)果分析

本研究觀察到當(dāng)eGFR正?；蜉p度下降時(shí)，BOLD-MRI 檢測(cè)到髓質(zhì)R2*值顯著升高，但是即使eGFR降至低于60 mL·min-1·(1.73 m2)-1時(shí)，皮質(zhì)R2*值仍然沒有發(fā)生明顯改變。在本研究中早期MetS腎臟改變主要在髓質(zhì)中，這表明腎臟對(duì)MetS 的易感性存在區(qū)域差異。這與既往研究報(bào)道的腎臟中髓質(zhì)較皮質(zhì)對(duì)缺氧損傷更敏感一致[14-15]。MetS 引起早期腎小球超濾和髓質(zhì)缺氧變化與腎臟線粒體異常和功能障礙有關(guān)[2,14]。BOLD-MRI 通過監(jiān)測(cè)人腎臟組織氧合來反映腎組織中的脫氧血紅蛋白水平，其中R2*值的增加代表著較高的脫氧血紅蛋白濃度，較低的氧合[16]?？梢?，髓質(zhì)R2*值可以反映早期腎損傷引起的腎臟缺氧情況。

3.3 Dixon-MRI和BOLD-MRI的比較

與BOLD-MRI相比，Dixon-MRI在診斷MetS腎臟輕度腎損傷方面更具有潛力。首先，無論是否校正年齡的影響，腎臟皮質(zhì)FF 值都與eGFR、Scr 和HOMA2-IR具有顯著的相關(guān)性；而腎臟髓質(zhì)R2*值在校正年齡后，與eGFR 和Scr 不再存在相關(guān)性。由此提示與腎髓質(zhì)R2*值相比，腎皮質(zhì)FF 值與腎功能相關(guān)的血生化指標(biāo)具有更好的相關(guān)性。以往有研究表明腎髓質(zhì)R2*值與eGFR 顯著相關(guān)，而在本研究中，校正年齡前，腎髓質(zhì)R2*值與eGFR 間呈弱相關(guān)，這可能與本研究?jī)H納入腎功能正常及輕度受損的MetS患者有關(guān)[17-18]。其次，在鑒別腎功能正常和輕度腎功能損傷的診斷效能方面，腎皮質(zhì)FF 比髓質(zhì)R2*具有更高的敏感度(Dixon-MRI：85.7% vs. BOLD-MRI：50.0%)。而且腎皮質(zhì)和腎髓質(zhì)的R2*值容易受到很多因素的影響。水合作用狀態(tài)會(huì)影響B(tài)OLD-MRI信號(hào)，在短時(shí)間內(nèi)飲用較多的水會(huì)洗去R2*值的差異。飲食中鹽的攝入量也會(huì)影響腎臟的R2*值[19]。

3.4 本研究的局限性

本研究也存在一些局限性：第一，樣本量偏少，這可能會(huì)影響研究結(jié)果的穩(wěn)定性；第二，缺少病理對(duì)照分析；第三，選擇eGFR 來評(píng)估腎功能，不足以確定MRI 生物標(biāo)志物的實(shí)用性。鑒于蛋白尿是腎臟損害的標(biāo)志和CKD不良結(jié)局的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子，后續(xù)研究應(yīng)該將MRI 測(cè)量與蛋白尿的大小和蛋白尿隨時(shí)間的變化聯(lián)系起來[20]；第四，沒有詳細(xì)記錄MR 掃描前飲食和進(jìn)水情況，這些可能會(huì)影響到腎功能和R2*值的準(zhǔn)確評(píng)估[21]；第五，缺少女性受試者群體。

綜上所述，與BOLD-MRI 技術(shù)相比，Dixon-MRI 能更穩(wěn)定地檢測(cè)出腎功能正?；蜉p度損傷的MetS患者的腎臟改變。在監(jiān)測(cè)MetS引起的潛在或早期腎損傷方面，皮質(zhì)FF 或許是一種更有前景的影像生物學(xué)標(biāo)記物。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。