IDEAL-IQ定量評價兔糖尿病模型椎體骨髓脂肪含量的可行性研究

胡磊，查云飛，林苑，邢棟，龔威，王克軍，閆力永，王嬌

IDEAL-IQ定量評價兔糖尿病模型椎體骨髓脂肪含量的可行性研究

胡磊，查云飛*，林苑，邢棟，龔威，王克軍，閆力永，王嬌

目的 探索定量非對稱回波的最小二乘估算法迭代水脂分離序列(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation quantitation sequence，IDEAL-IQ)定量評估兔糖尿病模型椎體骨髓脂肪含量的可行性。材料與方法 12只3月齡新西蘭雄性大白兔隨機分為糖尿病組(n=6)和對照組(n=6)。用四氧嘧啶對糖尿病組造模，在造模成功后各時間點(0、4、8、12、16周)，對糖尿病組及對照組行腰椎矢狀位T1WI、T2WI、IDEAL-IQ檢查。在IDEAL-IQ脂肪分數(shù)圖像測量興趣區(qū)內(nèi)脂肪含量比值；在16周處死糖尿病組和對照組的大白兔，取腰3～7椎體做HE染色脂肪細胞計數(shù)；對實驗組和對照組兔各時間點的脂肪含量比值采用重復測量的方差分析；對16周實驗組和對照組IDEAL-IQ測量腰椎體脂肪比參數(shù)與HE切片鏡下脂肪細胞計數(shù)行Pearson相關分析。結果 16周實驗組兔腰椎常規(guī)矢狀位T1WI和T2WI顯示諸腰椎椎體信號輕度增高。常規(guī)HE染色顯示，16周糖尿病組兔椎體終板下骨髓腔脂肪含量較對照組明顯增多，骨髓細胞明顯減少。糖尿病組各時間節(jié)點椎體骨髓的脂肪含量比值差異存在統(tǒng)計學意義(F=50.387，P＜0.01)，對照組各時間點脂肪含量比值差異不存在統(tǒng)計學意義(F=1.477，P＞0.05)；16周實驗組與對照組的椎體骨髓脂肪含量比值(FF%)差異有統(tǒng)計學意義(t=-10.726，P＜0.01)；IDEAL-IQ測量椎體脂肪含量比與脂肪細胞計數(shù)高度正相關關系(r=0.925，P＜0.05)。結論 IDEALIQ定量評估兔糖尿病模型椎體骨髓脂肪含量是可行的。

糖尿病，實驗性；骨髓；脂肪定量；磁共振成像；實驗動物科學；兔

糖尿病脂質(zhì)代謝紊亂導致的高膽固醇、高甘油三酯血癥以及多不飽和脂肪酸與骨髓細胞減少、微血管病變和骨質(zhì)疏松等密切相關[1-3]，糖尿病患者容易罹患骨質(zhì)疏松、病理性骨折等疾病[4-5]。骨髓脂肪已經(jīng)成為糖尿病骨髓病變的生物標志物，活體定量評價骨髓脂肪含量對于揭示糖尿病骨代謝及骨髓微血管病變病理生理機制具有重要的意義。

磁共振骨髓脂肪定量技術在監(jiān)測骨髓脂肪變化和判斷骨髓功能狀態(tài)方面具有獨特優(yōu)勢。氫質(zhì)子磁共振波譜分析的缺點在于掃描條件要求高，時間長，尤其在骨骼系統(tǒng)不甚穩(wěn)定，且后處理過程十分繁瑣，限制該技術的發(fā)展應用[6]。定量非對稱回波的最小二乘估算法迭代水脂分離序列(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation quantitation sequence，IDEAL-IQ)技術作為改進的DIXON成像，經(jīng)過T2*衰減的修正和脂肪的多譜峰分布，在IDEAL技術的基礎上把定性的水脂分離提高到定量的脂肪比例測量，該技術在活體骨髓脂肪含量的定量研究中顯示了巨大優(yōu)勢[7-8]。

目前，尚未見IDEAL-IQ技術評價糖尿病骨髓脂肪含量的相關研究，本研究探討IDEAL-IQ定量評價兔糖尿病模型椎體骨髓脂肪含量的可行性，為探索糖尿病骨髓微血管病變的脂肪-血流調(diào)控機制奠定技術基礎。

1　材料與方法

1.1兔糖尿病模型的建立

動物實驗經(jīng)武漢大學醫(yī)院倫理委員會審查通過。武漢大學動物實驗中心提供3月齡健康新西蘭雄性大白兔12只，空腹1.5～2.0 kg，平均(1.7±0.2) kg。實驗動物由武漢大學人民醫(yī)院實驗動物中心單籠飼養(yǎng)，室溫控制在25℃。12只兔適應性飼養(yǎng)一周后，測量空腹血糖，12只兔血糖均在正常水平且無明顯差異[(5.5±0.5) mmol/L]。

12只兔禁食、水8 h后，隨機將兔分為實驗組(A組)6只、對照組(B組)6只。將四氧嘧啶(Sigma公司)用生理鹽水配制成2.5%溶液，按照100 mg/kg 于30 s內(nèi)由耳緣靜脈攝入實驗組兔體內(nèi)，對照組給予注射生理鹽水，之后自由進食、進水。24 h內(nèi)用血糖儀(強生PEB003006P)每小時監(jiān)測末梢血糖一次。對于血糖低于2.0 mmol/L或出現(xiàn)嗜睡、不進食、驚厥、尖叫等低血糖癥狀的大白兔，經(jīng)耳緣靜脈給予葡萄糖。48 h后，測量外周血糖濃度。單次外周血糖測量值大于14 mmol/L或兩次測量大于11 mmol/L被認定為造模成功[9]。若對于48 h后，實驗組白兔血糖仍正常，補加50 mg/kg四氧嘧啶，直至血糖達上述標準；對于血糖大于30 mmol/L兔，肌注長效胰島素，將血糖控制在30 mmol/L以下。

1.2影像設備及成像技術

實驗組兔分別于造模成功后0、4、8、12、16周經(jīng)耳緣靜脈注射15 g/L戊巴比妥鈉(2 ml/kg)麻醉。麻醉后將兔仰臥位，足先進固定于8通道膝關節(jié)專用相控陣線圈，運用3.0 T超導MR機(Discovery MR750 Plus，GE Healthcare)行常規(guī)腰椎矢狀位FSE-T1WI、FSE-T2WI和IDEAL-IQ掃描。

矢狀位T1WI掃描參數(shù)：TR 400 ms，TE 13 ms，掃描層厚 3 mm，視野16 cm×16 cm，矩陣512×512，激勵次數(shù)為1，掃描時間 2 min20 s。

矢狀位T2WI掃描參數(shù)：TR 2500 ms，TE 102.9 ms，掃描層厚 3 mm，視野16 cm×16 cm，矩陣512×284，激勵次數(shù)為1，掃描時間 3 min 25 s。

IDEAL-IQ參數(shù)：翻轉(zhuǎn)角6°，TR 19.6 ms，TE 1.2 ms、3.2 ms、5.2 ms、7.2 ms、9.2 ms、11.2 ms。帶寬125 kHz，掃描層厚3 mm，視野16 cm×12.8 cm，矩陣288×288，激勵次數(shù)為2，掃描時間 4 min21 s。

1.3IDEAL-IQ骨髓脂肪含量百分比測定

IDEAL-IQ掃描圖像傳入AW4.6工作站(GE Healthcare)，在造模成功0、4、8、12、16周，由同一研究者選取Fat Fraction像椎體中心層面，對糖尿病組與對照組的兔腰3～7椎體勾畫感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，勾畫ROI時，避開椎體頭尾側(cè)的終板軟骨和椎體前后緣骨皮質(zhì)。系統(tǒng)自動生成所畫區(qū)域的脂肪含量比值(FF%)。每1個椎體脂肪百分比測量3次，取平均值記為椎體脂肪含量百分比(圖1)。

1.4骨髓脂肪含量組織病理學檢查

在第16周完成檢查后，采取空氣栓塞法處死12只兔，取腰3～7椎體用10%多聚甲醛固定，脫鈣兩周，石蠟包埋，沿椎體短軸位切4μm厚薄片，行HE染色。骨髓中脂肪細胞數(shù)目計數(shù)由人工完成。在顯微鏡(OLYMPUS BX51)下拍片，隨機選取3個相互不連續(xù)的區(qū)域，分別于高倍鏡(×400)視野下統(tǒng)計脂肪細胞數(shù)目。取平均值為脂肪細胞計數(shù)。

1.5統(tǒng)計學分析

采用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件，在實驗組造模成功后對各時間點IDEAL-IQ測量所得的實驗組與對照組腰椎體骨髓脂肪比進行重復測量的方差分析。IDEAL-IQ測量腰椎體脂肪比參數(shù)與HE切片鏡下脂肪細胞計數(shù)進行Pearson相關分析，所有結果以P ＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

圖1　實驗組兔腰椎常規(guī)MRI和IDEAL-IQ。A：矢狀位T2WI像，黑色箭頭所指為兔腰7椎體；B：矢狀位T1WI像，黑色箭頭所指為兔腰7椎體；C：矢狀位Fat Fraction像，紅色區(qū)域為勾畫的用于測量椎體脂肪含量比的興趣區(qū) 圖2 A：對照組16周兔椎體骨髓HE染色( ×400)；B：實驗組16周兔椎體骨髓HE染色( ×400)，脂肪細胞(紅色箭頭)數(shù)量及體積明顯多于對照組，骨髓細胞(藍色箭頭)數(shù)量明顯少于對照組Fig. 1 A rabbit in the alloxan-induced diabetic group at the week of 16. A: The sagittal T2-weighted image of the rabbit, black arrow refers to L7; B: The sagittal T1-weighted image of the rabbit, black arrow refers to L7; C: The sagittal Fat Fraction image, the red area is the ROI used to measure the fat content of the vertebral body. Fig. 2 A: Bone marrow HE staining in the control group rabbit at the week of 16 （ ×400）； B: Bone marrow HE staining in alloxaninduced diabetic group rabbit at the week of 16 ( ×400）. The amount and volume of the fat cell （red arrow） in alloxan-induced diabetic group are more than the control. The bone marrow cells (blue arrow) reduced in alloxan-induced diabetic group rabbit contrasted to the control.

2　結果

16周實驗組兔腰椎常規(guī)矢狀位T1WI和T2WI顯示諸腰椎椎體信號輕度增高。常規(guī)HE染色顯示，16周糖尿病組兔椎體終板下骨髓腔脂肪含量較對照組明顯增多，骨髓細胞明顯減少(圖2)。

糖尿病組各時間節(jié)點兔椎體脂肪含量比服從正態(tài)分布，且組間數(shù)據(jù)方差齊。球形檢驗結果P＞0.05，符合F-H條件，采用重復測量資料的方差分析。實驗組各時間點IDEAL-IQ測量椎體骨髓脂肪含量百分比的差異具有統(tǒng)計學意義(F=50.387，P ＜0.01)。進一步對各時間點的脂肪比參數(shù)進行兩兩比較，IDEAL-IQ測量實驗組16周椎體脂肪含量百分比與0、4、8、12周差異存在明顯統(tǒng)計學意義(表1)。16周實驗組與對照組的FF值差異有統(tǒng)計學意義(t=-10.726，P＜0.05)，見圖3。對照組的各時間節(jié)點椎體脂肪含量比服從正態(tài)分布，且組間數(shù)據(jù)方差齊。對照組的各時間節(jié)點椎體脂肪比差異無明顯統(tǒng)計學意義(F=1.477，P＞0.05)。

16周椎體骨髓脂肪含量比參數(shù)近似正態(tài)分布，Pearson相關分析結果顯示IDEAL-IQ測量脂肪含量比與病理脂肪細胞計數(shù)呈顯著正相關關系(r=0.925，P＜0.05)，見圖4。

3　　討論

本實驗結果顯示糖尿病兔椎體骨髓脂肪含量比值在第16周時較0、4、8和12周明顯增高，IDEAL-IQ測量骨髓含量與組織病理脂肪細胞計數(shù)具有高度相關性，顯示IDEAL-IQ技術活體測量糖尿病骨髓脂肪含量是可行的。

圖3　各時間點糖尿病組與對照組IDEAL-IQ測量兔椎體骨髓脂肪比例的比較　圖4　IDEAL-IQ測量脂肪含量比與病理脂肪細胞計數(shù)的相關性Fig. 3 Comparison of bone marrow fat fraction with IDEAL-IQ between the diabetes group and the control group rabbits at each time point.Fig.4 Correlation between fat content and the amount of the fat cells

表1　糖尿病組、對照組各時間點IDEAL-IQ椎體脂肪比的比較(%)Tab. 1 Comparison of IDEAL-IQ vertebral body fat content between the diabetic group and the control group at each time point (%)

正常機體骨髓葡萄糖的代謝是肌肉組織的兩倍[10]。糖尿病由于胰島素的缺乏，機體糖代謝的紊亂會導致椎體骨髓的脂肪堆積，而堆積的反式脂肪酸會反過來抑制骨髓葡萄糖的代謝[11]。另一方面，由于骨髓脂肪細胞的填充，能夠代謝葡萄糖的骨髓細胞減少，骨髓微環(huán)境的糖代謝進一步減弱。研究表明，同一機體不同椎體之間或者不同個體的椎體脂肪含量由于性別、年齡、疾病等因素也會存在差異[12]。糖尿病、肥胖以及年齡的增長會導致骨髓脂肪含量的增加[6, 13-14]。而椎體骨髓脂肪化與骨質(zhì)疏松、椎間盤退變關系密切[10, 15-16]，糖尿病患者的椎體脂肪化是椎體骨質(zhì)疏松、椎間盤退變發(fā)生的早期重要表現(xiàn)。Sakellaridis N[15]在對臨床椎間盤手術病人的回顧性分析中發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者發(fā)生重度椎間盤退變的概率更大；Ville Huovinen[10]運用高分辨率多魔角離體波譜對豬糖尿病椎體的脂肪含量進行了定量分析，同時論證了葡萄糖代謝與椎體脂肪含量呈負相關關系。本實驗結果顯示骨髓脂肪含量可能可以作為糖尿病骨髓病變的影像學生物標志物。

IDEAL-IQ技術利用“混合型水脂分離算法”對多回波復數(shù)數(shù)據(jù)進行重建、整合，最終計算出組織脂肪比[17]。Ideal-IQ技術結合非對稱采集技術與迭代最小二乘水脂分離算法，利用3D FSPGR在一個TR中采集6個梯度回波，利用fiy-back方法進行k空間填充。相對于傳統(tǒng)IDEAL技術[18]，IDEAL-IQ用時短，一次掃描可以產(chǎn)生6幅圖像，分別是fat、water、in-phase、out-phase、R2*maps 和fat fraction maps。IDEAL-IQ所產(chǎn)生的fat fraction maps可以直接由計算出骨髓感興趣區(qū)內(nèi)的脂肪含量百分比。該方法由于無創(chuàng)、可重復性好，可以對椎體脂肪含量的變化進行定量評價，進而客觀反映骨髓代謝功能的變化。Ergen FB[19]首次采用IDEAL-IQ技術顯示女性椎體骨密度和椎體脂肪含量存在負相關。Anne[7]在利用活體波譜和水脂分離脂肪定量技術研究骨質(zhì)疏松與椎體脂肪含量關系時發(fā)現(xiàn)，這兩種技術在評價椎體脂肪含量方面具有高度一致性。而Jens-Peter Kühn[8]論證經(jīng)過T2*衰減的修正和脂肪的多譜峰分布的水脂分離技術對于評估骨質(zhì)疏松患者腰椎椎體脂肪含量具有更高的診斷效能。本研究首次探索IDEAL-IQ運用于糖尿病兔椎體脂肪比的定量研究，結果顯示IDEAL-IQ可以便捷、有效、動態(tài)檢測糖尿病骨髓脂肪含量的變化，為揭示早期糖尿病骨髓病變以脂肪代謝為中心的病理生理機制以及未來相關臨床藥物治療效果的評估提供了影像學證據(jù)。

本研究的局限性：(1)本研究實驗組兔血糖水平維持在(14±2) mmol/L，且實驗組兔血糖波動幅度小，糖尿病兔椎體脂肪化程度、進展速度與血糖濃度水平以及波動情況的相關性有待進一步確認；(2)IDEAL-IQ技術僅是骨髓組織脂肪比例的定量研究，下一步需要離體骨髓標本高分辨率波譜或質(zhì)譜分析深入研究脂肪酸成分的變化；(3)本研究實驗樣本較小，欲探索糖尿病椎體骨髓脂肪變化詳細機制，仍需后續(xù)大樣本實驗研究證實。另外，兔糖尿病椎體骨髓脂肪化特點是否與人體椎體相一致，仍需后續(xù)臨床研究進一步證實。總之，IDEAL-IQ定量評估兔糖尿病模型椎體骨髓脂肪含量是可行的。

［References］

[1] Li X, Kuo D, Schafer AL, et al. Quantification of vertebral bone marrow fat content using 3 Tesla MR spectroscopy: reproducibility, vertebral variation, and applications in osteoporosis. J Magn Reson Imaging, 2011, 33(4): 974-979.

[2] Reeder SB, Cruite I, Hamilton G, et al. Quantitative assessment of liver fat with magnetic resonance imaging and spectroscopy. J Magn Reson Imaging, 2011, 34(4): 729-749.

[3] Alizai H, Nardo L, Karampinos DC, et al. Comparison of clinical semi-quantitative assessment of muscle fat infiltration with quantitative assessment using chemical shift-based water/fat separation in MR studies of the calf of post-menopausal women. Eur Radiol, 2012, 22(7): 1592-1600.

[4] Oei L, Rivadeneira F, Zillikens MC, et al. Diabetes, diabetic complications, and fracture risk. Curr Osteoporos Rep, 2015, 13(2): 106-115.

[5] Neglia C, Agnello N, Argentiero A, et al. Increased risk of osteoporosis in postmenopausal women with type 2 diabetes mellitus: a three-year longitudinal study with phalangeal QUS measurements. J Biol Regul Homeost Agents, 2014, 28(4): 733-741.

[6] Griffith JF, Yeung DK, Ma HT, et al. Bone marrow fat content in the elderly: a reversal of sex difference seen in younger subjects. J Magn Reson Imaging, 2012, 36(1): 225-230.

[7] Régis-Arnaud A, Guiu B, Walker PM, et al. Bone marrow fat quantification of osteoporotic vertebral compression fractures: comparison of multi-voxel proton MR Bone marrow fat quantification of osteoporotic vertebral compression fractures: comparison of multivoxel proton MR spectroscopy and chemical-shift gradient-echo MR imaging. Acta Radiol, 2011, 52(9): 1032-1036.

[8] Kuhn JP, Hernando D, Meffert PJ, et al. Proton-density fat fraction and simultaneous R2* estimation as an MRI tool for assessment of osteoporosis. Eur Radiol, 2013, 23(12): 3432-3439.

[9] Liu T, Zhao H, Li J, et al. Rosiglitazone attenuates atrial structural remodeling and atrial fibrillation promotion in alloxan-induced diabetic rabbits. Cardiovasc Ther, 2014, 32(4): 178-183.

[10] Huovinen V, Saunavaara V, Kiviranta R, et al. Vertebral bone marrow glucose uptake is inversely associated with bone marrow fat in diabetic and healthy pigs: [(18)F]FDG-PET and MRI study. Bone, 2014, 61: 33-38.

[11] Zhang Q, Wu JL. The research progress of multimodality functional MRI in type 2 diabetic encephalopathy. Chin J Magn Reson Imagong, 2015, 6(1): 58-61.

張倩, 伍建林. 多模態(tài)功能MRI對糖尿病腦病的研究. 磁共振成像, 2015, 6(1): 58-61.

[12] Baum T, Yap SP, Dieckmeyer M, et al. Assessment of whole spine vertebral bone marrow fat using chemical shift-encoding based waterfat MRI. J Magn Reson Imaging, 2015, 42(4): 1-6.

[13] Krings A, Rahman S, Huang S, et al. Bone marrow fat has brown adipose tissue characteristics, which are attenuated with aging and diabetes. Bone, 2012, 50(2): 546-552.

[14] Bredella MA, Torriani M, Ghomi RH, et al. Vertebral bone marrow fatis positively associated with visceral fat and inversely associated with IGF-1 in obese women. Obesity (Silver Spring), 2011, 19(1): 49-53.

[15] Sakellaridis N. The influence of diabetes mellitus on lumbar intervertebral disk herniation. Surg Neurol, 2006, 66(2): 152-154.

[16] Morton RP, Tariq F, Levitt MR, et al. Radiographic and clinical outcomes in cavernous carotid fistula with special focus on alternative transvenous access techniques. J Clin Neurosci, 2015, 22(5): 859-864.

[17] Hines CD, Frydrychowicz A, Hamilton G, et al. T(1) independent, T(2) (*) corrected chemical shift based fat-water separation with multi-peak fat spectral modeling is an accurate and precise measure of hepatic steatosis. J Magn Reson Imaging, 2011, 33(4): 873-881.

[18] Xia JK, Liu XJ, Fang QM, et al. Comparison of IDEAL sequences in scanning protocols of brachial plexu. Chin J Magn Reson Imagong, 2014, 5(2): 107-110.

夏吉凱, 劉新疆, 房清敏, 等. IDEAL序列在臂叢神經(jīng)掃描方案中的對比研究. 磁共振成像, 2014, 5(2): 107-110.

[19] Ergen FB, Gulal G, Yildiz AE, et al. Fat fraction estimation of the vertebrae in females using the T2*-IDEAL technique in detection of reduced bone mineralization level: comparison with bone mineral densitometry. J Comput Assist Tomogr, 2014, 38(2): 320-324.

資訊 Information

The feasibility of IDEAL-IQ quantitative evaluation of vertebral fat fraction content in rabbit models of diabetes mellitus

HU Lei, ZHA Yun-fei*, LIN Yuan, XING Dong, GONG Wei, WANG Ke-jun, YAN Liyong, WANG Jiao

Department of Radiology， Renmin Hospital of Wuhan University， Wuhan 430060，China

*Correspondence to: Zha YF, E-mail: zhayunfei999@126.com

11 Sep 2015, Accepted 20 Oct 2015

Diabetes mellitus， Experimental； Vertebral marrow； Quantification； Magnetic resonance imaging； Laboratory animal science; Rabbits

湖北省自然科學基金項目(編號：2013CFB242)；湖北省衛(wèi)生廳科研資助項目(編號：JX6B68)

武漢大學人民醫(yī)院放射科，武漢430060

查云飛，E-mail：zhayunfei999@126. com

2015-09-11

R445.2；R-332

A

10.3969/j.issn.1674-8034.2015.12.012

接受日期：2015-10-20

胡磊, 查云飛, 林苑, 等. IDEAL-IQ定量評價兔糖尿病模型椎體骨髓脂肪含量的可行性研究. 磁共振成像, 2015, 6(12): 941-946.

ACKNOWLEDGMENTS This work was part of natural science foundation of Hubei province （ No. 2013CFB242） and scientific research project of health department of Hubei (No. JX6B68).

Abrtract Objective: To use the IDEAL-IQ technique to estimate vertebral fat fraction(FF) in alloxan-induced diabetic rabbits. Materials and Methods: Twelve young New Zealand white rabbits were randomly assigned to alloxan-induced diabetic group(n=6) and control group(n=6). The rabbits in alloxan-induced diabetic group were injected with a total amount of 100 mg/kg of alloxan. Both of the rabbits in alloxaninduced diabetic and control group underwent magnetic resonance imaging (TIWI, T2WI， IDEAL-IQ） at each time point（0， 4， 8， 12， 16 weeks）. Each vertebral fat fraction was measured at a standard workstation （AW 4.6； GE Medical Systems）. Region of interest (ROI) had a shape of rectangle and they were drawn manually. HE staining was performed. Results: Slight increase of the signal of the lumbar vertebral bodies was found at the T1WI and T2WI in the alloxan-induced diabetic group at the week of 16. Compared to the control group, the alloxan-induced diabetic group showed thereduce of bone cells and increase of the fat cells. The alloxan-induced diabetic group has statistically differences in vertebral fat fraction at each time point(F=50.387，P＜0.01). The control group has no statistical differences in vertebral fat fraction at each time point(F=1.477，P＞0.05). There is statistical difference in vertebral fat fraction between alloxan-induced diabetic and control group at the week of 16(t=-10.726, P＜0.05）. A significant positive correlation is found between vertebral fat fraction and fat cell count(r=0.925, P＜0.05). Conclusion: IDEAL-IQ technique can quantify the vertebral fat fraction in alloxan-induced diabetic rabbits.