磁共振動脈自旋標記成像在2型糖尿病腎功能損傷及分期中的應用價值

劉鍵，吳瑜，徐敏，張訓蘭，陳恒志，王榮品，曾憲春

0 前言

糖尿病（diabetes mellitus, DM）是一組因胰島素絕對或相對分泌不足和（或）胰島素利用障礙引起的代謝紊亂性疾病，已成為當今最常見和嚴重的慢性疾病之一[1]，全球患病率正逐年上升，預計到2045 年患者將超過7.8 億[2]。其中以2 型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus, T2DM）高發(fā)，占我國DM患者的95%以上[3]。T2DM 損害腎臟結構和功能進而引發(fā)糖尿病腎病（diabetic kidney disease, DKD），是患者致死的重要原因[4]。據(jù)研究表明[5]，腎組織血流灌注受損從而導致腎臟缺氧是DKD 發(fā)生發(fā)展的關鍵因素。而目前尚缺乏評估腎臟血流灌注功能的“金標準”，亟待尋找一種能在整個器官水平和局部組織水平上量化腎臟血流灌注改變的方法。動脈自旋標記（arterial spin labeling, ASL）成像是一種MRI 無創(chuàng)定量技術，可直接量化組織的血流灌注情況[6]，早期主要應用于腦組織研究中，并展現(xiàn)出巨大的應用潛力[7-10]。現(xiàn)已應用于急性腎損傷、腎移植、慢性腎臟疾病和代謝綜合征等研究的腎臟灌注成像中[11-15]，但ASL 在T2DM 腎臟損傷嚴重程度評估中的應用價值仍有待進一步研究。因此，本研究旨在通過ASL成像技術量化T2DM腎臟血流動力學變化，并與腎功能損害程度對比，為T2DM 腎功能損傷及分期評估探尋一種無創(chuàng)、定量的檢查方法。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，經(jīng)貴州省人民醫(yī)院倫理委員會批準，批準文號：倫審（科研）2022-02 號，所有受試者均已簽署知情同意書。前瞻性招募2021 年10 月至2022 年12 月經(jīng)本 院確診為T2DM 及T2DM所致DKD患者為實驗組，納入標準：（1）臨床診斷為T2DM 或DKD；（2）年齡18～80 歲。參照診療指南及專家共識[16-17]，根據(jù)有無蛋白尿和估算腎小球濾過率（estimated glomerular filtration rate, eGFR）值將其分為三組：A組（T2DM患者，無蛋白尿）、B組[有蛋白尿且eGFR≥60 mL/（min·1.73 m2），即DKD Ⅰ～Ⅱ期]和C 組[15 mL/（min·1.73 m2）≤eGFR＜60 mL/（min·1.73 m2），即DKD Ⅲ～Ⅳ期]。同時納入健康志愿者20 例作為對照組，納入標準：（1）年齡18～80 歲；（2）近1 年血糖、尿常規(guī)、腎功能檢查正常。實驗組及對照組排除標準：（1）有其他明確原因導致腎損傷及腎臟血流循環(huán)障礙者；（2）呼吸配合不佳；（3）有MRI檢查禁忌證。

1.2 儀器與方法

采用GE 3.0 T 超導MRI 掃描儀（Discovery MR 750W, GE Healthcare, Milwaukee, WI）及8 通道體部專用相控陣線圈完成MRI 檢查。所有受試者均在檢查前禁食、禁水4～6 h，并在檢查前進行規(guī)范呼吸屏氣訓練。在單次屏氣下行雙腎常規(guī)T2WI軸位和冠狀位掃描，掃描范圍包括雙腎上緣至雙腎下緣，掃描參數(shù)：TR 1060 ms，TE 123 ms，翻轉角150°，F(xiàn)OV 350 mm×350 mm，層厚7 mm，矩陣384×256。采用3D脈沖式ASL（pulsed ASL, PASL）行雙腎ASL冠狀位掃描，在腎動脈水平上方10 cm處進行腹主動脈軸向平面標記，標記后延遲1500 ms，囑患者在呼氣末屏氣掃描，每次屏氣時間為18 s，共4次，獲得雙腎血流灌注參數(shù)圖，掃描參數(shù)：標記后延遲時間（post label delay, PLD）1500 ms，TR 7000 ms，TE 19 ms，翻轉角90°，F(xiàn)OV 380 mm×380 mm，層厚7 mm，矩陣96×96。RBF值按公式（1）、（2）、（3）計算。

f為灌注率，單位為mL/（100 g·min）；λ為血液中水分子組成系數(shù)，λ=0.9 mL/g；α為反轉效率，α=0.75；T1,blood為動脈血縱向弛豫時間；△M為標記像與未標記像的縱向磁化矢量差值；△t為動脈通過時間；t為標記后開始成像時間；M0為平衡磁化強度；τ為脈沖持續(xù)時間，τ=1600 ms；ω為標記后延遲時間，ω=1500 ms；R1app為縱向松弛速度；R1為無血流狀態(tài)下縱向松弛速率。

1.3 圖像分析

將ASL 血流灌注參數(shù)圖傳至GE AW4.6 工作站。由2 名具有10 年以上腹部影像診斷經(jīng)驗的副主任醫(yī)師采用雙盲法進行雙側腎皮質腎血流量（renal blood flow, RBF）值測量。先確定腎皮質位置，再分別于腎門中心層面每側腎臟上、中、下極腎皮質內各勾畫2個圓形ROI測量RBF值，需避開血管及偽影，ROI范圍為4～20 mm2，并取2名醫(yī)生測量平均值作為最終測量值，分別記錄左右腎的平均RBF值[18]（圖1）。

圖1 男，57歲，糖尿病腎?、蚱诨颊?。1A：雙腎血流灌注參數(shù)圖，雙側腎臟腎門中心層面上、中、下極腎皮質內各勾畫2個圓形ROI；1B：雙腎血流灌注偽彩圖，色階0～200，色階越高，RBF值越大。Fig.1 A 57-year-old male with diabetic kidney disease (DKD) Ⅱ.1A:Bilateral renal perfusion images show two circular ROI drawn in the upper,middle, and lower poles of the renal cortex on the central plane of the renal hilum of both kidneys.1B: RBF color image of both kidneys.The color level is 0-200, and the higher of color level, the greater of RBF.

1.4 生化指標

MRI檢查前一周采集A、B、C三組受試者的空腹靜脈血，檢測血清肌酐（serum creatinine, Scr）、尿素氮（blood urea nitrogen, BUN）、尿酸（uric acid,UA）和空腹血糖（fasting plasma glucose, FPG）；同時留取適量尿液（注意女性避開月經(jīng)期），檢測尿微量白蛋白（urinary microalbuminuria, UMA），計算尿白蛋白/肌酐比值（urinary albumin to creatinine ratio, UACR）；使用簡化腎臟病膳食改良試驗（modification of diet in renal disease study,MDRD）公式計算eGFR，eGFR=（186×Scr）-（1.154×年齡）-0.203×（女性0.742）。

1.5 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 26.0（https://www.ibm.com/cn-zh/analytics/spss-statistics-software）統(tǒng) 計 學 軟件進行統(tǒng)計分析。采用單樣本K-S檢驗正態(tài)性，服從正態(tài)分布以（±s）描述，不服從正態(tài)分布以M（Q1，Q3）表示。采用組內相關系數(shù)（intra-class correlation coefficient, ICC）評價腎皮質RBF 值測量一致性。采用配對t檢驗比較左右側腎皮質RBF 值差異。多組間比較服從正態(tài)分布采用單因素方差分析，不服從正態(tài)分布采用Kruskal-WallisH檢驗，多重比較采用LSD 法。服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)的相關性檢驗采用Pearson 相關系數(shù)，不服從正態(tài)分布則采用Spearman 相關系數(shù)進行分析。采用受試者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）曲線分析腎皮質RBF 值對T2DM 腎功能損傷的診斷價值。檢驗水準為雙側檢驗α=0.05。

2 結果

2.1 一般資料

本研究納入T2DM 及DKD 患者共94 例，排除腎臟器質性病變6例，ASL掃描共需4次屏氣，12名患者因多次屏氣呼吸運動配合不佳致圖像質量不佳而排除，最終行ASL 掃描76 例，其中男40 例，女36 例，年齡26～74（55±10）歲。同時納入20例健康志愿者作為健康對照組，其中男8 例，女12 例，年齡42～67（54±2）歲（表1）。

2.2 左右側腎皮質RBF值比較

2 名影像科醫(yī)生所測腎皮質RBF 值的ICC 為0.866（95%CI: 0.822-0.900），ICC＞0.75 表明腎皮質RBF值具有較高的可重復性。進而對雙腎皮質RBF值進行比較，差異無統(tǒng)計學意義（P均＞0.05）（表2）。故將雙腎平均腎皮質RBF 值作為最終測量結果進行后續(xù)統(tǒng)計學分析。

2.3 腎皮質RBF值組間比較

對照組、A 組、B 組、C 組腎皮質RBF 值總體差異顯著（左腎：F=11.705，P＜0.001；右腎：F=12.822，P＜0.001；雙腎：F=13.293，P＜0.001）。進一步兩兩比較：A、B、C各組與對照組相比，腎皮質RBF值顯著降低（P均＜0.05），對照組為（174.28±23.89）mL/（100 g·min），A 組降低為（159.66±28.54）mL/（100 g·min），B 組降低為（142.16±19.49）mL/（100 g·min），C 組最低為（122.55±18.59）mL/（100 g·min），降低比例依次為8%、18%、30%；與A、B 兩組比較，C 組的腎皮質RBF值顯著降低（P均＜0.05），降低比例分別為23%、14%；B 組與A 組相比，腎皮質RBF 值顯著降低（P均＜0.05），降低比例為11%（表2，圖2、3）。

圖2 腎臟損傷程度不同的2 型糖尿病（T2DM）患者雙腎血流灌注箱式圖。健康對照組、T2DM、糖尿病腎?。―KD）I～Ⅱ期、DKD Ⅲ～Ⅳ期雙側腎皮質RBF 值呈遞減趨勢。*：P＜0.05，**：P＜0.01，***：P＜0.001。RBF：腎血流量。Fig.2 Bilateral renal perfusion box map in type 2 diabetes mellitus(T2DM) with different degree of renal injury.The renal blood flow (RBF)of bilateral renal cortex of healthy control, diabetic kidney disease (DKD)I-Ⅱ and DKD Ⅲ-Ⅳ show a decreasing trend.*: P＜0.05, **: P＜0.01,***: P＜0.001.

圖3 腎臟損傷程度不同的T2DM 患者雙腎血流灌注情況。3A、3C、3E、3G 為雙腎RBF 參數(shù)圖，3B、3D、3F、3H 為雙腎RBF 偽彩圖，色階0～200，色階越高，RBF 值越大。3A～3B：男，48 歲，健康志愿者，右腎皮質RBF 值為210.46 mL/（100 g·min），左腎皮質RBF 值為228.22 mL/（100 g·min）；3C～3D：女，56 歲，T2DM 患者，右腎皮質RBF 值為181.16 mL/（100 g·min），左腎皮質RBF 值為173.21 mL/（100 g·min）；3E～3F：男，57 歲，糖尿病腎病（DKD）Ⅱ期患者，右腎皮質RBF 值為147.82 mL/（100 g·min），左腎皮質RBF 值為154.30 mL/（100 g·min）；3G～3H：女，53 歲，DKD Ⅳ期患者，右腎皮質RBF 值為123.49 mL/（100 g·min），左腎皮質RBF值為117.94 mL/（100 g·min）。隨DKD病程進展腎皮質RBF值呈遞減趨勢。RBF：腎血流量。Fig.3 Bilateral renal perfusion in type 2 diabetes mellitus (T2DM) with different degrees of renal injury.3A, 3C, 3E, 3G: Renal blood flow (RBF) images of both kidneys.3B, 3D, 3F, 3H: RBF color images of both kidneys.The color level is 0-200, and the higher of color level, the greater of RBF.3A-3B: A 48-year-old healthy male, the RBF of the right renal cortex is 210.46 mL/(100 g·min), and that of the left renal cortex is 228.22 mL/(100 g·min); 3C-3D: A 56-year-old female with T2DM, the RBF of the right renal cortex is 181.16 mL/(100 g·min), and that of the left renal cortex is 173.21 mL/(100 g·min); 3E-3F: A 57-year-old male with DKDⅡ, the RBF of the right renal cortex is 147.82 mL/(100 g·min), and that of the left renal cortex is 154.30 mL/(100 g·min); 3G-3H: A 53-year-old female with DKDⅣ, the RBF of the right renal cortex is 123.49 mL/(100 g·min), and that of the left renal cortex is 117.94 mL/(100 g·min).The RBF in the renal cortex shows a decreasing trend with the progression of DKD.

2.4 腎皮質RBF值與生化指標的相關性分析

腎皮質RBF 值與Scr 呈負相關（r=-0.429,P＜0.001），而與eGFR呈正相關（r=0.377,P＜0.001）。但與BUN、UMA、UACR相關性較弱（r=-0.300,P＜0.001;r=-0.276,P＜0.05;r=-0.327,P＜0.001）（圖4）。

圖4 腎皮質RBF 與生化指標的相關性散點圖。4A：腎皮質RBF 值與血清肌酸酐（Scr）呈負相關；4B：腎皮質RBF 值與估算腎小球濾過率（eGFR）呈正相關。RBF：腎血流量。Fig.4 The scatter plot of the correlation between renal blood flow (RBF)and biochemical indexes in renal cortex.4A: The RBF in renal cortex is negatively correlated with serum creatinine (Scr); 4B: The RBF of renal cortex is positively correlated with estimated glomerular filtration rate(eGFR).

2.5 腎皮質RBF值診斷效能ROC曲線分析

腎臟ASL 的腎皮質RBF 值診斷不同腎功能階段T2DM 患者的ROC 曲線結果見表3。ASL 腎皮質RBF 值鑒別正常與T2DM 的AUC 值為0.651（95%CI:0.520-0.768），截斷值為158.9 mL/（100 g·min）（圖5A）；鑒 別T2DM 與DKD 的AUC 值 為0.734（95%CI:0.619-0.829），截斷值為140.8 mL/（100 g·min）（圖5B）；鑒別早期DKD 與中晚期DKD 的AUC 為0.760（95%CI: 0.580-0.891），截斷值為134.9 mL/（100 g·min）（圖5C）。

表3 腎臟ASL對T2DM腎臟損傷嚴重程度的診斷效能Tab.3 Diagnostic efficacy of renal ASL in the severity of renal injury in T2DM

圖5 腎臟ASL 診斷T2DM 及DKD的ROC 曲線。5A：鑒別診斷正常與T2DM；5B：鑒別診斷T2DM 與DKD；5C：鑒別診斷早期DKD 與中晚期DKD。ASL：動脈自旋標記；T2DM：2型糖尿??；DKD：糖尿病腎?。籖OC：受試者工作特征。Fig.5 ROC curves for ASL diagnosis of T2DM and DKD in the kidneys.5A:Discrimination between normal and T2DM; 5B: Discrimination between T2DM and DKD; 5C: Discrimination between early-stage DKD and mid-to-late-stage DKD.ASL: arterial spin labeling; T2DM: type 2 diabetes mellitus; DKD: diabetic kidney disease; ROC: receiver operating characteristic.

3 討論

本研究采用ASL 無創(chuàng)評估T2DM 患者的腎臟血流動力學損害程度，是目前腎臟ASL 在T2DM 中最大的研究隊列之一。本研究表明，與健康人群相比，在eGFR正常的T2DM患者中可觀察到腎臟血流灌注功能受損，且隨T2DM 腎臟損害加重RBF 呈遞減趨勢。此外，ASL有望成為T2DM患者腎功能損傷分期的有效影像檢查方法。

3.1 腎臟ASL成像與T2DM腎臟血流灌注

T2DM全球高發(fā)且呈逐年上升趨勢，終末期DKD是其嚴重且常見的并發(fā)癥之一，已成為21 世紀重大健康隱患[1,19-20]。靜息狀態(tài)下，腎臟約占人體20%～25%的心輸出量，從而保證血漿被腎小球充分濾過，因此腎臟對調節(jié)體液平衡、維持內環(huán)境穩(wěn)態(tài)至關重要，腎臟血流灌注改變可能會導致腎臟濾過功能受損[21]。目前主要以eGFR 及尿白蛋白等生化指標作為T2DM腎功能損傷的評價指標[22]，但DKD 病程進展可能與尿白蛋白排泄及eGFR 降低不一致，生化指標尚不足以準確評價T2DM 腎臟損害程度[23]。因此，以非侵入性檢查方法定量評估T2DM 腎臟灌注和濾過功能改變，對準確診斷和客觀評估腎功能損害嚴重程度具有重要意義。ASL 可利用氫質子作為內源性對比劑，通過“標記像”與“未標記像”的信號強度差反映組織血流灌注情況[24-25]。早期受胃腸道氣體及呼吸運動影響而導致磁場不均勻性增加，圖像信噪比降低，限制其在腹部推廣應用[26]。隨著MRI掃描儀及ASL標記方法的優(yōu)化升級，使ASL 得以應用于腹部成像中[24,27]。PASL 可采用單個短脈沖或有限脈沖數(shù)標記血流，縮短成像時間，可通過短時間屏氣快速成像以減少運動偽影；而采用3D 運動校正的偽連續(xù)ASL（pseudo-continuous ASL, pCASL）技術可通過自由呼吸減少掃描時間。但總體而言，PASL 具有更好的信噪比及可重復性[28]，故本研究采用PASL 標記方法。此外，腎總血流量80%～85%位于腎皮質內，因而腎臟血流灌注具有區(qū)域性[5]。正是由于腎髓質血供較少，ASL 對髓質血流變化敏感性低，且反映腎臟濾過功能的腎小球主要位于皮質內，故本研究主要選擇腎皮質RBF值進行分析探討。

3.2 T2DM患者腎臟血流動力學變化

本研究表明T2DM 患者腎皮質RBF 值顯著降低為159.66 mL/（100 g·min），與大部分研究一致[18,29]。而BROWN 等[30]研究中T2DM 患者腎皮質RBF 值較健康者顯著升高，可能因該研究T2DM 患者僅有2 例所致。T2DM 長期慢性高血糖將導致腎臟毛細血管內皮損傷、腎小球基底膜增厚和腎間質纖維化，最終導致入球小動脈阻力增加，RBF 減少[31]。早在eGFR 正常的T2DM 患者中T2DM 腎臟血流灌注功能可能已發(fā)生改變[32]，應盡早關注T2DM 腎臟血流灌注改變，及時采取干預措施，預防病程進展。

3.3 DKD患者腎臟血流動力學變化

本研究中DKD Ⅰ～Ⅱ期腎皮質RBF 值持續(xù)減低為142.16 mL/（100 g·min），與MORA-GUTIéRREZ 等[32]研究一致。DKD 早期腎臟微觀結構及功能已發(fā)生改變，導致腎臟血流灌注顯著降低，ASL 有望在尿微量白蛋白發(fā)生變化之前及時發(fā)現(xiàn)腎臟血流動力學變化。隨T2DM 腎臟損害程度加重，RBF 持續(xù)降低[30-32]，DKD Ⅲ～Ⅳ期腎皮質RBF值降低至122.55 mL/（100 g·min）。腎皮質RBF 值與eGFR 呈正相關[18,32]，與尿素氮、血肌酐、尿白蛋白及尿白蛋白/肌酐水平呈負相關[33-34]，ASL 有助于反映T2DM 腎臟濾過功能受損程度，但本研究中相關系數(shù)較小，可能由于中晚期DKD患者樣本量偏少所致。通過ROC曲線分析表明，腎皮質RBF 值對于鑒別正常與T2DM 患者、T2DM 與DKD 患者，以及判斷DKD 的嚴重程度均有良好的診斷效能，對于T2DM 患者腎功能分期具有重要輔助價值，是診斷DKD 的有效量化參數(shù)。但關于T2DM 不同研究中腎皮質RBF 數(shù)值差異較大，健康者腎皮質RBF 范圍為139～427 mL/（100 g·min），在不同疾病患者中為83～412 mL/（100 g·min）[27]，可能與各項研究所使用MRI 掃描儀的場強、型號、成像序列、成像參數(shù)、后處理平臺及受試者屏氣配合等不同有關。但總體而言，ASL 可作為測量腎皮質RBF 值的MRI 無創(chuàng)定量技術，腎皮質RBF 值可用于監(jiān)測不同病程中T2DM 患者腎臟血流灌注及腎功能變化情況，可作為無創(chuàng)評估T2DM 腎臟功能受損程度的影像學指標，但有待掃描方案標準化和在大規(guī)模多中心縱向研究中進行驗證。

3.4 局限性

本研究存在一定局限性：首先，由于腎皮質為腎臟血流最豐富區(qū)域，因此僅評估腎皮質的RBF值，尚未對腎髓質血流灌注情況進行研究；其次，未納入DKD Ⅴ期的患者，且為單中心研究，課題組將在其后的研究中納入DKD Ⅴ期患者并擴大樣本量進行多中心研究。

4 結論

綜上所述，ASL 成像可無創(chuàng)定量評估腎臟血流動力學變化，并根據(jù)RBF 減低直觀量化T2DM 腎臟損傷程度，有望成為無創(chuàng)評估T2DM 患者腎功能損害及分期的有效影像檢查方法。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：曾憲春設計本研究的方案，對稿件重要內容進行了修改，獲得了國家自然科學基金資金資助；劉鍵起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)；吳瑜、徐敏、張訓蘭、陳恒志、王榮品參與資料的分析與解釋，撰寫論文或對其學術內容的重要方面進行了關鍵修改，對最終要發(fā)表的論文版本進行了全面的審閱和把關；全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。