定量磁共振成像在大鼠腦內(nèi)釓沉積的實驗研究

王旭聰，李健，張睿，擺玉財，馬耀興，陳兵*

1.寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院放射科，寧夏 銀川 750004；2.寧夏醫(yī)科大學(xué)，寧夏 銀川 750004；*通信作者 陳兵chenbing135501@163.com

MRI增強檢查中，釓對比劑（gadolinium-based contrast agent，GBCAs）已廣泛用于檢測各類病變[1-2]。近年實驗研究表明，多次重復(fù)給予線性GBCAs后，健康大鼠小腦深部核團（deep cerebellar nucleus，DCN）T1WI呈現(xiàn)高信號，表明腦內(nèi)存在釓沉積[3-7]。電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）實驗可證實釓沉積的存在及精確測量釓濃度[8-9]。目前MRI信號強度的測定主要受掃描設(shè)備和參數(shù)的影響，且缺乏重復(fù)性。與常規(guī)MRI相比，定量磁共振成像技術(shù)MR集合（magnetic resonance image compilation，MAGiC）序列實現(xiàn)了磁共振的圖像從常規(guī)灰階圖到組織定量圖譜的轉(zhuǎn)變，一次掃描可以得到T1及其他弛豫時間定量化數(shù)據(jù)，無需多次測量計算強度比值即可完成對感興趣區(qū)（ROI）弛豫值的評估。

本研究通過測量接受GBCAs釓雙胺注射后的大鼠DCN T1值與DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號比值，以ICPMS實驗測定小腦DCN釓濃度為“金標準”，評估定量磁共振成像技術(shù)新型MAGiC序列相對于傳統(tǒng)MRI圖像信號強度的準確度，旨在為定量磁共振成像技術(shù)MAGiC序列在臨床中評估弛豫值的準確度及便捷性提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 釓沉積大鼠模型的建立 本實驗已通過寧夏醫(yī)科大學(xué)實驗動物倫理學(xué)要求。2021年12月—2022年4月，選取21只體重為（210±29）g的健康雄性Sprague-Dawley大鼠，動物生產(chǎn)許可證號：SCXK[寧]2009-0001，在正常條件下進行飼養(yǎng)。對所有大鼠使用3%～3.5%異氟烷在全身麻醉下經(jīng)尾靜脈注射釓雙胺注射液（GE），4次/周，共5周；單次劑量均為0.06 mmol/kg（GBCAs的臨床應(yīng)用劑量為0.1 mmol/kg，根據(jù)FDA關(guān)于動物相對于人體的藥物劑量換算方案，對應(yīng)大鼠單次注射劑量為0.06 mmol/kg），隨機選取5只大鼠安樂死后提取小腦DCN組織進行ICP-MS實驗測定釓濃度，將剩余大鼠隨機分為兩組：①釓雙胺組7只，繼續(xù)注射釓雙胺，注射次數(shù)與劑量與之前相當(dāng)；②無干預(yù)對照組7只，除正常飼養(yǎng)無其他干預(yù)措施。在首次注射前及每周注射后對所有大鼠進行頭部MRI掃描，最后一次掃描完成后立刻處死大鼠，提取組織進行ICP-MS實驗測定小腦DCN釓濃度。21只大鼠中，19只完成實驗。1只大鼠（W2）死于麻醉并發(fā)癥，1只大鼠（W4）死于尾靜脈感染。具體分組見圖1。

圖1 本實驗釓沉積大鼠模型注射釓雙胺、行MRI方案。首先對21只大鼠進行釓雙胺注射，4次/周，共5周，單次劑量為0.06 mmol/kg；分組后釓雙胺注射劑量、次數(shù)與之前相當(dāng)，釓雙胺組大鼠累積注射周期為10周

1.2 MRI成像及圖像分析 參照本課題組既往研究[10]，大鼠經(jīng)異氟烷吸入麻醉后，選取俯臥位固定于大鼠8通道腦專用線圈（上海辰光醫(yī)療科技有限公司），使用3.0T MR（GE SIGNA Architect）對大鼠腦部進行掃描，行T1WI（FSE序列）：TR 470 ms、TE 10 ms；T2WI（FSE序列）：TR 2 500 ms、TE 85 ms；Synthetic MRI（MAGiC）序列：TR 4 200 ms、TE 30 ms，軸位掃描，各序列采集12層，層厚2 mm，間距0.2 mm，矩陣128×128，視野8.0 mm×8.0 mm。所有圖像分析均在盲法和隨機條件下進行，由2名放射科醫(yī)師（分別為本科室碩士研究生與副主任醫(yī)師）對圖像定量分析，取兩者測量的平均值，有爭議時再由上一級MRI影像診斷醫(yī)師決定。采用機器自帶可自動生成偽彩圖的后處理軟件SynMRI（版本100.0.0）進行圖像分析和數(shù)據(jù)測量，在左右兩側(cè)DCN實質(zhì)上勾畫ROI（2 mm2），見圖2，左右兩側(cè)取平均值，記錄T1時間弛豫值；分別在左右兩側(cè)DCN及小腦皮質(zhì)實質(zhì)上勾畫ROI（2 mm2），見圖3，左右兩側(cè)取平均值，記錄DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值。

圖2 大鼠小腦深部核團和齒狀核感興趣區(qū)勾畫。A. MRI T1WI圖像；B. SynMRI圖像

圖3 大鼠MRI T1WI圖像中小腦深部核團、小腦皮質(zhì)T1WI感興趣區(qū)勾畫

1.3 DCN釓濃度測定 將小腦整塊提取并半切用于ICP-MS定量分析，小腦組織標本采用顯微解剖法仔細提取DCN，在80℃65%硝酸中礦化8 h后，在水中稀釋。用0.05～100 μg/L無機釓（標準值1 000 mg/L，國家有色金屬及電子材料分析測試中心）在6.5%硝酸中的標準曲線監(jiān)測158Gd同位素。定量限為每升0.32 nmol Gd，檢測限為每升0.10 nmol Gd。接受極限（總誤差）設(shè)定為14%。結(jié)果以每克濕組織重量（組織樣品）的Gd微克（μg/g）表示，測定大鼠DCN組織的釓濃度。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 25.0軟件。利用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）評價2位放射科醫(yī)師對MRI掃描結(jié)果測量的一致性。計量資料以±s表示，采用方差分析計算各組大鼠DCN T1值、DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值、DCN濃度的差異，組間兩兩比較采用LSD檢驗；利用Spearman相關(guān)系數(shù)評估大鼠DCN T1值與DCN釓濃度、DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值與DCN釓濃度的相關(guān)性。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一致性檢驗 2位放射科醫(yī)師對MRI掃描結(jié)果測量的一致性較好（ICC=0.89）。

2.2 MRI圖像分析 注射第3周大鼠DCN區(qū)域出現(xiàn)顯著高信號，并在之后的第4周與第5周更明顯（圖4），釓雙胺組在實驗期間MRI圖像DCN區(qū)域呈現(xiàn)顯著持續(xù)遞增的高信號（圖5）。末次注射后釓雙胺組DCN T1值顯著低于第5周處死大鼠與無干預(yù)對照組，DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值顯著高于第5周處死大鼠與無干預(yù)對照組（均P＜0.01），見表1。

表1 釓雙胺組與對照組大鼠核磁與ICP-MS數(shù)據(jù)比較（±s）

表1 釓雙胺組與對照組大鼠核磁與ICP-MS數(shù)據(jù)比較（±s）

分組末次注射后DCN T1值（ms）末次注射后DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值DCN濃度（μg/g）釓雙胺組 595.50±20.96 1.15±0.01 2.25±0.14 0.90±0.02第5周處死大鼠 814.92±17.45 0.90±0.02 1.08±0.02對照組994.38±7.86 1.01±0.01 F值0.002 7 0.008 4 0.000 3 P值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.001

圖4 大鼠注射釓雙胺前（A）與注射1周（B）、2周（C）、3周（D）、4周（E）、5周（F）后的顱腦T1WI圖像。DCN信號在累計12次注射（第3周）后起明顯增高（D～F，箭），并隨著累計注射劑量的增多而呈持續(xù)而顯著的高信號（箭）

圖5 釓雙胺組與對照組大鼠顱腦T1WI圖像。A～E可見釓雙胺組DCN信號在注射6周、7周、8周、9周、10周后持續(xù)及進行性增高（箭），而相同時期的對照組DCN信號未見明顯持續(xù)增高（箭）

隨著釓雙胺的持續(xù)注射，DCN T1呈線性下降趨勢，DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值呈上升趨勢；釓雙胺組大鼠DCN T1在第7周后顯著低于對照組，釓雙胺組大鼠DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值在第7周后顯著高于對照組（均P＜0.01），見圖6。

圖6 大鼠兩側(cè)DCN T1均值、兩側(cè)DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值隨時間變化情況。A、B分別為大鼠分組前兩側(cè)DCN T1均值、兩側(cè)DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值平均值隨注射累計時間的改變；C、D分別為分組后大鼠兩側(cè)DCN T1均值與兩側(cè)DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值平均值隨注射累計時間的改變；*P＜0.1，**P＜0.01

2.3 DCN釓濃度測定 釓雙胺組大鼠小腦DCN組織中釓濃度高于第5周處死大鼠和對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），見表1。DCN T1值與DCN組織釓濃度呈顯著負相關(guān)（r=-0.932，P＜0.001），DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值與DCN釓濃度呈顯著正相關(guān)（r=0.907，P＜0.001）。

3 討論

3.1 釓對比劑在大鼠體內(nèi)的代謝排出與沉積 釓對比劑已廣泛應(yīng)用于增強MRI檢查。既往普遍認為釓對比劑不能通過血-腦屏障，但是近年多項研究[11-13]表明反復(fù)多次注射釓對比劑可在腦內(nèi)沉積。DCN中具有豐富的金屬成分，這些金屬有機化合物與釓劑通過金屬間的跨金屬現(xiàn)象發(fā)生交換，從而釋放出游離的Gd3+，引起釓在齒狀核中沉積[14]，在影像學(xué)圖像中表現(xiàn)出該區(qū)域的T1值減低，與本研究中釓雙胺組DCN T1值低于對照組的結(jié)果一致。臨床中常規(guī)GBCAs用量為0.1 mmol/kg（0.2 ml/kg），在人體內(nèi)排泄半衰期約為1.2～2 h，而在健康大鼠體內(nèi)約為0.3 h，明顯短于人體。本研究中，每周注射4次（間隔24 h）在10周內(nèi)共給藥40次，可減少組織暴露，并支持較短的給藥時間間隔。

Rober等[15]及McDonald等[16]在大鼠顱內(nèi)釓沉積的研究中以高滲鹽水或等滲鹽水注射組為對照組，以排除滲透壓或注射本身帶來的影響；本研究設(shè)定無干預(yù)對照組以評估GBCAs在自然代謝排出體外對磁共振信號有無影響。在對照組大鼠的MRI圖像中觀察到DCN T1值持續(xù)上升，與GBCAs隨著時間會自然排出部分有關(guān)，推測盡管GBCAs會隨著時間代謝排出體外，但無法全部排出。既往研究顯示在注射GBCAs后進行無干預(yù)措施的大鼠體內(nèi)釓沉積并未完全代謝排出體外[17]，與本研究結(jié)論一致。

3.2 定量磁共振成像技術(shù)的可行性 本研究采用定量圖譜磁共振成像技術(shù)MAGiC對大鼠DCN T1弛豫值進行量化，并同時采用傳統(tǒng)信號強度比值進行對比。MAGiC序列是基于多個回波多個延遲序列的一種新型MRI集成序列，具有快速掃描、多組成像等特點，通過調(diào)整TE、TR及反轉(zhuǎn)時間參數(shù)可得到任意對比的圖像以滿足不同診斷需求，目前已經(jīng)用于腦白質(zhì)腦老化研究[18]、乳腺良惡性疾病鑒別[19]及其他全身影像檢查中。目前關(guān)于釓沉積的報道多為同時比較注射GBCAs后腦內(nèi)DCN與其他區(qū)域信號強度比值的研究[4,6,15]，而關(guān)于MAGiC序列在大鼠DCN釓沉積的報道較少。由于釓的順磁性效應(yīng)，可縮短T1弛豫時間，增高T1信號強度。本研究結(jié)果顯示大鼠DCN T1值與DCN釓濃度呈負相關(guān)，DCN/小腦皮質(zhì)T1WI信號強度比值與DCN釓濃度呈正相關(guān)，大鼠DCN T1值與DCN釓濃度相關(guān)系數(shù)差異有統(tǒng)計學(xué)意義且絕對值較高，提示定量磁共振成像技術(shù)在大鼠DCN釓沉積定量測量中具有可行性。

3.3 局限性與未來展望 本研究的局限性：①樣本量較少，需要更大樣本量研究進一步驗證。②與臨床患者所接受GBCAs的劑量相比，本研究中的大鼠接受更高、更頻繁的劑量；而在臨床患者所接受GBCAs的劑量及常見次數(shù)下，DCN T1值的降低程度可能不如實驗動物的顯著，且微量元素釓的檢測水平預(yù)計會大幅度降低。同時，使用通常的人體劑量時可能會低于大多數(shù)分析儀器的檢測限度，還需要進一步研究更低的劑量和更少地使用GBCAs。③定量磁共振成像技術(shù)仍然存在一些不足：圖像質(zhì)量在原始圖像掃描結(jié)束并進行圖像合成后才能評估，難以在序列掃描過程中通過原始圖像及時、有效地發(fā)現(xiàn)圖像質(zhì)量問題；原始圖像的質(zhì)量會影響定量弛豫圖的準確度以及合成對比加權(quán)圖像的圖像質(zhì)量。

同時，本研究表明釓對比劑無法完全代謝排出體外，近期有研究表明釓對比劑過量沉積對線粒體呼吸功能和細胞活力均會有影響[20]，因此臨床患者接受多次釓對比劑注射時仍值得關(guān)注。

總之，本研究通過前瞻性評估大鼠在連續(xù)多次注射GBCAs后DCN T1的變化，并與傳統(tǒng)的MRI信號強度比值進行比較，結(jié)果顯示出顯著相關(guān)性，提示定量磁共振成像技術(shù)在大鼠DCN釓沉積定量測量中的可行性，為定量磁共振成像技術(shù)MAGiC序列在臨床中評估弛豫值的運用提供了一定的依據(jù)。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

志謝 本研究得到寧夏醫(yī)科大學(xué)顱腦疾病重點實驗室胡旭磊博士在數(shù)據(jù)分析上的協(xié)助