大鼠去勢后骨量及骨松質(zhì)骨髓脂肪變化的DXA、QCT和CSI表現(xiàn)及其相關(guān)性研究

馮銀波趙江民楊振燕張 蕾

許多疾病的病程與骨髓改變密切相關(guān)。如骨量減少或骨質(zhì)疏松者的骨髓脂肪含量明顯比正常骨密度者要高[1];成人股骨頭缺血性壞死患者在骨形態(tài)改變之前,骨髓脂水成分就有變化[2];再生障礙性貧血造血骨髓的水含量要比正常者要高。臨床上診斷骨量減少的金標(biāo)準(zhǔn)是雙能X線骨密度(DXA)和骨松質(zhì)容積骨量(QCT),檢查骨髓脂肪含量的金標(biāo)準(zhǔn)是骨髓活檢,這幾種方法各有利弊。本研究采用骨質(zhì)疏松大鼠模型建立方法,制作不同脂肪含量的骨松質(zhì)改變,通過DXA、QCT、化學(xué)位移率(CSR)和骨髓脂肪含量(%FF)之間的比較,探討無輻射、無創(chuàng)傷的磁共振成像技術(shù)評價相關(guān)疾病的骨髓成分構(gòu)成改變的價值。

方 法

1.實驗動物及實驗流程

SD大鼠(12周齡)雌雄各30只,完全隨機(jī)化方法:雌雄各10只行假手術(shù);雌雄各20只行去勢手術(shù)。術(shù)后第12周和第16周,隨機(jī)取半數(shù)進(jìn)行影像學(xué)檢查,之后處死大鼠,取出髂骨病理檢查(大鼠均在相同常規(guī)環(huán)境中正常喂養(yǎng))。

1.1DXA:大鼠麻醉后俯臥位固定于LUNAR骨密度儀掃描床上,采用小動物Total Body Bone Density模式,從大鼠鼻尖掃描至尾端。儀器每天開機(jī)時掃描廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)體模,對雙能骨密度儀常規(guī)校正。本儀器系統(tǒng)所測量值為大鼠全身骨質(zhì)的骨密度,單位以mg/cm2表示(圖 1)。

圖1 2114號大鼠DXA為 0.334g/cm 2。圖2 大鼠QCT掃描,仰臥于QCT專用掃描墊。

1.2QCT:使用(GE,Lightspeed)16排螺旋CT機(jī),掃描大鼠脊柱中段至骨盆層面,層厚8mm(圖2)。掃描時側(cè)位定位片上,掃描線平行與椎間盤。感興趣區(qū)隨機(jī)定位于3個椎體及兩側(cè)髂骨骨松質(zhì)區(qū)域,測量得到容積骨密度的平均值,單位以mg/cm3表示(圖3)。測量時注意避開周圍骨皮質(zhì)。

1.3CSI:使用M arconi 1.5T Edge Eclipse型超導(dǎo)MRI機(jī)。大鼠俯臥位,固定于膝關(guān)節(jié)線圈內(nèi),冠狀面掃面脊柱中段至骨盆區(qū)域(圖4)?；瘜W(xué)位移成像掃描參數(shù)為同相位序列TR/TE:2500/4.5ms,翻轉(zhuǎn)角:90°,帶寬:15.62kH z,層厚:3.0mm,層間距 :0mm,矩陣:256×256,信號激勵次數(shù):2。反相位序列TR/TE:2500/6.7ms,翻轉(zhuǎn)角:90°,帶寬:15.62kH z,層厚:3.0mm,層間距:0mm,矩陣:256×256,信號激勵次數(shù):2。運(yùn)用Dicom Works軟件分析圖像,感興趣區(qū)(ROI)放置于大鼠髂骨及椎體骨松質(zhì)區(qū)域,分別測量相同層面,相同感興趣區(qū)椎體和髂前上棘的信號強(qiáng)度值(圖5,6),按公式“CSR=Iop posed phase/Iin phase”計算化學(xué)位移率。取兩處化學(xué)位移率的平均值,獲得骨松質(zhì)區(qū)域的平均化學(xué)位移率。

1.4骨松質(zhì)病理檢查:迅速取出大鼠的髂骨(處死后1h內(nèi))。選取骨松質(zhì)較多的部分脫鈣、固定、常規(guī)石蠟包埋、連續(xù) 5μm切片,做HE染色。經(jīng)兩名經(jīng)驗豐富病理科醫(yī)師光鏡下判讀切片脂肪含量(圖7,8)。本實驗骨髓脂肪含量為半定量數(shù)據(jù)。我們將所有大鼠按骨松質(zhì)骨髓脂肪含量:低脂肪(0～50%),高脂肪(50%～100%)由低到高分成兩個等級。由于假手術(shù)組雄鼠在12周手術(shù)時有1只死亡,有影像學(xué)數(shù)據(jù)的大鼠有59只;9只大鼠取骨松質(zhì)時,死亡已超過4h,尸僵出現(xiàn),病理組織取出無效,故有效病理只有50只。

圖3 2114號大鼠QCT為 644.2g/cm 3。

圖4 大鼠MR掃描,俯臥于膝關(guān)節(jié)線圈內(nèi)。

圖5 髂骨及椎體同相位圖形及其骨髓ROI的信號強(qiáng)度。椎體骨松質(zhì)信號強(qiáng)度為127,髂骨骨松質(zhì)區(qū)域信號強(qiáng)度為88。圖 6髂骨及椎體反相位圖形及其骨髓ROI的信號強(qiáng)度。椎體骨松質(zhì)信號強(qiáng)度為148,髂骨骨松質(zhì)區(qū)域信號強(qiáng)度為136。

圖7 2223號大鼠骨松質(zhì)HE染色,脂肪含量約為90%(×400)。圖8 1105號大鼠骨松質(zhì)HE染色,脂肪含量約為45%(×400)。

2.統(tǒng)計學(xué)分析

運(yùn)用SPSS11.0統(tǒng)計包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,在50只大鼠骨松質(zhì)模型中,使用最小有差別(LSD)檢驗,比較不同脂肪級別間的DXA、CSR和QCT的差異及變化趨勢;并對CSR與DXA和QCT、DXA與QCT關(guān)系分別進(jìn)行簡單線性回歸,以探討CSR、DXA、QCT三者間是否有相關(guān)性。運(yùn)用95%可信區(qū)間進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算,取雙側(cè)P＜0.05為統(tǒng)計意義。

結(jié) 果

在50只實驗數(shù)據(jù)齊全的大鼠中,骨髓脂肪含量低于50%的有24只,骨髓脂肪含量高于50%的有26只。骨髓高脂肪組的DXA為0.310±0.014mg/cm2,比骨髓低脂肪組的(0.320±0.014mg/cm2)要低,且差別有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.003)。骨髓高脂肪組的QCT(427.88±39.25m g/cm3)比骨髓低脂肪組的(503.86±79.02mg/cm3)要低,且差別有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.000)。骨髓高脂肪組的CSR為0.673±0.167,骨髓低脂肪組的為0.828±0.245,兩者間差別有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.013)(表1)。

表 1 高、低骨髓脂肪組間DXA、QCT、CSR的最小有差別(LSD)檢驗

DXA與CSR的Pearson檢驗表明兩者間的相關(guān)性沒有統(tǒng)計學(xué)意義 (P=0.254)。DXA與QCT的Pearson檢驗表明兩者間的相關(guān)性有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.021),隨著QCT的增加DXA增加。進(jìn)行回歸分析,得出回歸方程QCT/100=-0.182+15.408×DXA。CSR與QCT的Pearson檢驗,表明兩者間的相關(guān)性有統(tǒng)計學(xué)意義 (P=0.016),隨著QCT的增加CSR增加。對兩變量進(jìn)行回歸分析,得出回歸方程CSR=0.272+0.001×QCT(表2)。

表2 DXA、CSR、QCT間的回歸分析

討 論

有學(xué)者[3-5]假設(shè)骨松質(zhì)是由骨小梁和骨髓以不同比例組成的立體骨模型,這樣就可以實驗獲得由骨小梁決定的骨松質(zhì)容積骨量(QCT)、骨髓脂肪含量(%FF)和磁共振化學(xué)位移率(CSR)。同時,我們用雙能X線檢測大鼠全身骨量(DXA),比較分析上述四種實驗數(shù)據(jù)。

磁共振化學(xué)位移成像(CSI)是利用射頻脈沖的聚相位作用,選擇不同的回波時間(TE)使水和脂肪的氫質(zhì)子周期性出現(xiàn)相位差 180°(反相位,opposedphase)和相位差 0°(同相位,in-phase)[6]。理論上,化學(xué)位移率(CSR)由“Iopposed-phase/Iin-phase”決定,Iopposed-phase為骨松質(zhì)骨髓區(qū)域內(nèi)脂肪信號(If)和水信號(Iw)相減的信號強(qiáng)度,Iin-phase為同一區(qū)域內(nèi)If和Iw相加的信號強(qiáng)度,進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換得到CSR與 “1-2×If/(If+Iw)”成正比。If/(If+Iw)為脂肪信號在脂水總信號中所占的比率,即反映了骨髓脂肪含量。本實驗表明,高脂肪含量骨松質(zhì)骨髓的CSR要比低脂肪含量小。

對于本實驗大鼠,DXA測量大鼠全身面積骨密度,為二維骨密度測量值;QCT測量局部骨松質(zhì)體積骨密度,是三維骨密度測量值。高脂肪含量骨髓大鼠的DXA和QCT都要比低脂肪含量的要小。這兩種檢查骨量的方法都可以反映大鼠骨量和骨髓脂肪含量的變化,骨髓脂肪含量高者的骨量少,其機(jī)制[4]可能為:第一,骨髓脂肪含量的增加就需要骨小梁的變薄進(jìn)行代償;第二,紅骨髓具有高靜水壓和較少的可壓縮性,其被有較大可壓縮性的黃骨髓替代,就增加了椎體的脆性;第三,成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞在紅骨髓中具有共同的起源,脂肪形成的增多就會導(dǎo)致成骨活動的減少。Tanaka等[7]研究發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松時骨量減少與脂肪的沉積交替進(jìn)行,最早發(fā)生在椎體的中部區(qū)域,以椎基血管處最顯著,在骨質(zhì)疏松的后期才波及到椎體周邊部的骨質(zhì)。椎體內(nèi)骨髓的活動性可以代表正常人全身骨髓變化,這使椎體成為骨質(zhì)疏松時影像學(xué)檢查的最敏感部位,也是檢查部位選擇的原因。

骨松質(zhì)骨髓的CSR隨著骨松質(zhì)QCT的增加而增大,呈“CSR=0.272+0.001×QCT”的關(guān)系。同時,高脂肪含量骨松質(zhì)骨髓的CSR和QCT要比低脂肪含量骨松質(zhì)骨髓要小?；瘜W(xué)位移成像的原理除了射頻脈沖聚相位作用外,還有不同解釋。Schicketal等[4]曾用骨松質(zhì)為主體的骨模型來解釋使用磁共振波譜(M RS)中的譜線寬(LW)測量骨密度,認(rèn)為骨小梁的密度和空間分布影響了骨髓的磁場均勻性而產(chǎn)生了化學(xué)位移效應(yīng)。還有學(xué)者[8]解釋為骨松質(zhì)內(nèi)骨小梁與骨髓接觸面的不均勻性導(dǎo)致了磁場不均勻,引起了氫質(zhì)子弛豫時間的變化,因此可以用磁共振磁場不均勻性的數(shù)據(jù)來檢測骨松質(zhì)骨密度。James等[9]對骨質(zhì)疏松組、骨量減少組和正常組,進(jìn)行PRESS序列波譜(TR/TE=3000/25ms)分析,發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松組的骨髓脂肪含量最高是 (58.23±7.8)%,骨量減少組為(55.68±10.2)%,正常組為(50.45±8.7)%。David等[1]用非抑水PRESS序列(TR/TE=3000/25ms)的H-MRS檢測絕經(jīng)后婦女腰椎骨髓脂肪,發(fā)現(xiàn)骨密度的變化與骨髓脂肪含量和骨髓脂肪成分 (不飽和脂肪的含量)有關(guān)。由于實驗有限,設(shè)備和條件不一,關(guān)于正常骨髓脂肪含量和CSR的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)各不相同,但我們可以發(fā)現(xiàn),總的趨勢表現(xiàn)為,隨年齡增長,骨髓脂肪含量增加,CSR減少。CSR可以作為臨床預(yù)測骨髓疾病一個指標(biāo)。

本實驗還發(fā)現(xiàn),QCT與DXA之間呈正比關(guān)系,DXA與CSR間相關(guān)性沒有統(tǒng)計學(xué)意義。由于DXA反映了大鼠全身總骨量的變化,包括骨松質(zhì)和骨皮質(zhì),QCT反映了局部骨松質(zhì)密度[5],而CSR反映了局部骨松質(zhì)骨髓脂肪含量的變化。大鼠全身總骨量的減少,以目前的實驗檢查手段還不能用CSR的變化反映出來。以成人為例,全身骨骼中80%的骨量是骨皮質(zhì),另外20%為骨松質(zhì)[3]。骨質(zhì)疏松者總骨量的減少以骨松質(zhì)為主,如果骨皮質(zhì)骨量的減少對總骨量的減少有一定影響,則總骨量減少是否可以用CSR檢測出來就有待進(jìn)一步驗證。因為,CSR是通過檢測骨松質(zhì)骨髓脂肪含量的變化而間接反映骨松質(zhì)骨量變化,這就導(dǎo)致檢測骨松質(zhì)骨髓脂肪含量變化的方法對發(fā)現(xiàn)全身骨量變化不敏感。隨著磁共振成像設(shè)備的更新和技術(shù)的改進(jìn),骨松質(zhì)骨髓CSR更加精確的測量,我們可以進(jìn)一步獲得CSR和DXA之間的相關(guān)關(guān)系。

本實驗獲得的骨髓脂肪含量為半定量數(shù)據(jù),如果改進(jìn)實驗手段,用專業(yè)軟件分析光鏡下圖片,獲得脂肪含量的精確定量數(shù)據(jù),就能夠更加深入研究脂肪含量和化學(xué)位移率之間的關(guān)系。

總之,大鼠骨礦含量減少,骨密度降低,骨髓脂肪含量增加,導(dǎo)致化學(xué)位移率降低。本研究認(rèn)為可以通過測量化學(xué)位移率無創(chuàng)傷、無輻射的檢測骨髓脂肪含量的變化,間接推測骨松質(zhì)骨礦含量的變化。