3.0T MR T1ρ及T2 mapping評估兔股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨退變

羅慕晴，李宏偉，向輝春，何業(yè)文 ，劉音其 ，黎建宇，顏路悠，張 堃*，李 平

(1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，湖南 長沙 410007；2.懷化市中醫(yī)醫(yī)院影像科，湖南 懷化 418099)

評估膝骨關(guān)節(jié)炎所致膝關(guān)節(jié)軟骨退變對指導(dǎo)臨床早期治療具有較高價值。多參數(shù)MR功能成像新技術(shù)，如T1ρ及T2 mapping等，能在不同程度上反映軟骨發(fā)生形態(tài)學(xué)改變之前的生化成分變化，進而早期檢測軟骨損傷[1-2]；但目前缺乏全面、有效的MRI定量評價骨關(guān)節(jié)炎體系標準，且對于定量參數(shù)與病理生化改變的關(guān)系尚存爭議。本研究觀察3.0T MR T1ρ及T2 mapping評估兔股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨退變的價值。

1 材料與方法

1.1 實驗動物 清潔級新西蘭大白兔40只，由湖南省中醫(yī)藥研究院動物實驗中心提供，許可證號：SCXK(湘)2015-0008，雌、雄各20只，月齡2～3個月，體質(zhì)量1.67～2.42 kg、平均(2.00±0.18)kg。本實驗獲湖南省中醫(yī)藥研究院倫理委員會批準(倫理審查備案號：2017-0021)。

1.2 建模 適應(yīng)性飼養(yǎng)1周后，將兔隨機分為2周組、4周組、6周組及對照組，每組10只，單獨籠養(yǎng)。對2周組、4周組及6周組以改良伸直位制動法[3]建立右后肢膝骨關(guān)節(jié)炎模型，并分別制動2周、4周及6周。對照組不予處理。

1.3 MR檢查 于造模結(jié)束后48 h內(nèi)行MR檢查。采用GE HDxT Signa 3.0T MR儀及膝關(guān)節(jié)線圈，將兔仰臥位保定于操作臺，足先進，常規(guī)麻醉后行右后肢膝關(guān)節(jié)成像。參數(shù)：矢狀位T1WI，TR 550 ms，TE 12 ms，F(xiàn)OV 16 cm×16 cm，矩陣256×256，層厚 3 mm；矢狀位脂肪抑制快速自旋回波質(zhì)子加權(quán)序列，TR 3 000 ms，TE 13 ms，F(xiàn)OV 16 cm×16 cm，矩陣256×256，層厚3 mm；矢狀位T2 mapping，TR 1 100 ms，TE 9、18、27、36、45、54、63、72 ms，F(xiàn)OV 16 cm×16 cm，矩陣256×256，層厚3 mm；矢狀位T1ρ mapping，TR 9.7 ms，TE 2.9 ms，恢復(fù)時間1 175 ms，F(xiàn)OV 16 cm×16 cm，矩陣300×200，層厚3 mm，自旋鎖定時間0、10、30、60 ms，自旋鎖定頻率500 Hz。

1.4 組織學(xué)檢查 以空氣栓塞法處死動物，取右后肢股骨內(nèi)側(cè)髁，肉眼判斷關(guān)節(jié)軟骨病變最嚴重區(qū)域，記錄其幾何中心點至股骨內(nèi)側(cè)髁外緣的直線距離，切片保存；行番紅O-固綠染色后，根據(jù)國際骨關(guān)節(jié)炎研究學(xué)會(Osteoarthritis Research Society International, OARSI)[4]半定量評分系統(tǒng)進行評估并分組：OARSI 0分為正常關(guān)節(jié)軟骨(正常組)，1.0、1.5、2.0及2.5分為早期退變(早期退變組)，3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0及6.5分為中晚期退變(中晚期退變組)。以半定量免疫組織化學(xué)法測定關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)Ⅱ型膠原、蛋白多糖、β-Catenin及基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metallopeptidase, MMP)-13。

1.5 檢測T2、T1ρ值 將圖像數(shù)據(jù)輸入后處理工作站，以Functool軟件獲得T1ρ及T2 mapping偽彩圖。由分別具有8年和10年骨骼肌肉影像學(xué)診斷經(jīng)驗的影像科副主任醫(yī)師各1名，參考矢狀位脂肪抑制快速自旋回波質(zhì)子加權(quán)序列圖像及大體病理所示軟骨病變最嚴重區(qū)域，避開周圍非軟骨區(qū)域，選取T1ρ及T2 mapping圖像顯示關(guān)節(jié)面最佳層面放置約1.3 mm2的ROI，并盡量使T1ρ與T2 mapping偽彩圖中ROI的大小及形狀一致。測量股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨(即ROI)T2值和T1ρ值，重復(fù)3次，取平均值作為最終結(jié)果。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析 采用MedCalc 15.6.1及SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件。以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示非正態(tài)分布的計量資料，采用Kruskal-WallisH檢驗行多組間比較、以Bonferroni法行兩組間比較；以頻數(shù)表示計數(shù)資料。行Spearman相關(guān)分析及多變量logistic回歸分析，繪制受試者工作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲線，以DeLong檢驗比較曲線下面積(area under the curve, AUC)。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2周組、4周組、6周組及對照組兔性別及體質(zhì)量差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(χ2=0.64、F=0.25，P均>0.05)。4周組1只、6周組2只兔于造模后死亡，共對37只兔造模成功。

2.1 關(guān)節(jié)軟骨T2值及T1ρ值 37只模型兔中，正常組8只，早期退變組20只，中晚期退變組9只。3組右后肢股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨T1ρ值及T2值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)，兩兩比較差異亦有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)；見表1和圖1。

表1 不同退變程度兔右后肢股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨T2值及T1ρ值比較(ms)

圖1 不同OARSI評分的兔右后肢股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨番紅0-固綠染色圖(×200)、T2 mapping及T1ρ mapping偽彩圖

T1ρ值及T2值與OARSI分級(r=0.72、0.73，P均<0.01)、MMP-13表達(r=0.84、0.59，P均<0.01)及β-Catenin表達(r=0.76、0.66，P均<0.01)均呈正相關(guān)，與Ⅱ型膠原含量(r=-0.70、-0.61，P均<0.01)及蛋白多糖含量(r=-0.82、-0.57，P均<0.01)均呈負相關(guān)，見圖2、3。

圖2 兔右后肢股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨T1ρ值及T2值與OARSI分級、Ⅱ型膠原含量、蛋白多糖含量、β-Catenin表達及MMP-13表達的相關(guān)性圖 (藍色表示負相關(guān)，紅色表示正相關(guān)；顏色越深、色塊面積越大，表示相關(guān)性越高)

2.2 logistic回歸分析 對正常組及早期退變組共28只兔行l(wèi)ogistic回歸分析，以T1ρ值聯(lián)合T2值預(yù)測兔右后肢股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨早期退變的AUC為0.84，高于單一T2值(0.80；Z=1.19，P=0.03)而與單一T1ρ值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(0.82；Z=0.37，P=0.31)，其敏感度及特異度分別為90.40%及75.26%。見表2、圖4。

圖3 不同退變程度的兔右后肢股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨Ⅱ型膠原、蛋白多糖、β-Catenin及MMP-13免疫組織化學(xué)染色圖(蘇木素，×200)

圖4 T1ρ值、T2值及二者聯(lián)合評估兔右后肢股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨早期退變的ROC曲線

表2 T1ρ值、T2值及二者聯(lián)合評估兔右后肢股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨早期退變的效能

3 討論

中老年人下肢疼痛及活動障礙多由膝骨關(guān)節(jié)炎引起，嚴重時可致關(guān)節(jié)畸形甚至喪失關(guān)節(jié)功能。軟骨損傷為膝骨關(guān)節(jié)炎的核心病變，其細胞外基質(zhì)成分改變，包括水分及蛋白聚糖含量降低、膠原纖維變性丟失等[5]，均發(fā)生于軟骨形態(tài)改變之前。常規(guī)MRI主要基于形態(tài)學(xué)評估軟骨病變，而對其早期基質(zhì)成分變化不敏感[6]。關(guān)節(jié)鏡是診斷軟骨病變的金標準，但有創(chuàng)，且存在部分角度不易探查及無法觀察關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)部情況等缺陷。T1ρ及T2 mapping可反映關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)成分代謝變化，但既往膝骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)研究[7-9]多針對經(jīng)酶消化處理的動物標本(難以同時分析軟骨多種組織學(xué)改變)及膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者(缺乏不同退變程度軟骨病變標本)。

軟骨內(nèi)細胞外基質(zhì)合成與分解代謝失調(diào)是軟骨退變的重要病理生理基礎(chǔ)。膠原纖維變性可影響依賴膠原網(wǎng)架保護的蛋白多糖。本研究采用改良伸直制動法[3]建立兔膝骨關(guān)節(jié)炎模型，并依據(jù)病理所見將兔分為正常組、早期退變組及中晚期退變組，發(fā)現(xiàn)3組間股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨T1ρ值及T2值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，兩兩比較差異亦有統(tǒng)計學(xué)意義，T1ρ值及T2值隨退變程度加重而升高，與SASHO等[8]的結(jié)果基本相符，提示膝骨關(guān)節(jié)炎兔在軟骨出現(xiàn)明顯形態(tài)改變之前，軟骨基質(zhì)中的相關(guān)分子已發(fā)生微觀水平改變[10]。本研究較好地模擬了活體軟骨退變的病理生化狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)兔股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨T1ρ值及T2值與Ⅱ型膠原含量及蛋白多糖含量呈負相關(guān)，與GOLD等[11-12]的結(jié)果類似，且T2值及與蛋白多糖密切相關(guān)的T1ρ值均已發(fā)生變化。

有學(xué)者[13]認為Wnt/β-Catenin通路可能是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生軟骨退變最重要的通路；β-Catenin為通路樞紐蛋白，其表達水平影響通路下游相關(guān)基因(如MMP)表達[14]，MMP-13可降解軟骨基質(zhì)中多種蛋白多糖及膠原纖維的分子結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致軟骨退變[15]。本研究發(fā)現(xiàn)β-Catenin及MMP-13均與兔股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨T1ρ值及T2值呈正相關(guān)，表明T1ρ值及T2值可反映軟骨相關(guān)退變基因表達水平，即采用T2 mapping及T1ρ mapping可無創(chuàng)評估兔關(guān)節(jié)軟骨超早期、低水平病損，其敏感性可能與組織學(xué)相當(dāng)。

本研究中，T1ρ值聯(lián)合T2值鑒別兔正常與早期退變股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨的AUC為0.84，高于單一T2值而與單一T1ρ值差異無統(tǒng)計學(xué)意義，即T1ρ mapping用于檢測兔關(guān)節(jié)軟骨早期退變的效能高于T2 mapping，提示蛋白多糖含量減少在軟骨退變過程中發(fā)生較早[13]。

本研究的主要不足：①樣本量??；②選擇ROI具有主觀性，未來可考慮采用自動分割等方法；③T2值用于評估形態(tài)學(xué)發(fā)生明顯改變的重度退變軟骨的價值有限[11]，故本研究僅針對T1ρ值及T2值鑒別正常與早期退變關(guān)節(jié)軟骨的效能進行分析。

綜上，3.0T MR T1ρ及T2 mapping可定量評估兔股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨退變，用于判斷早期退變具有較高價值。