功能磁共振成像技術在糖尿病腎病中的研究進展

周心荷，劉 玲，鄧 楠

(大理大學臨床醫學院,云南 大理 671000)

糖尿病腎病(diabetic kidney disease，DKD)是糖尿病引起的慢性腎病，是導致終末期腎病(end-stage renal disease，ESRD)的最主要原因[1]。臨床上常用尿微量白蛋白、估算腎小球濾過率(estimated glomerular filtration rate，eGFR)及腎活檢診斷DKD，但均具有局限性：尿微量白蛋白是早期診斷DKD的主要手段，但是感染、發熱、運動及遺傳等因素也可影響尿微量白蛋白；eGFR的常用指標是血清肌酐，但其會被多種生理病理因素干擾。腎穿刺活檢是診斷DKD的金標準，但是其為有創檢查，難作為常規性檢查手段。

近年來，功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)作為一種非侵入性影像學檢查手段在評價DKD功能方面的應用受到越來越多的重視，基于化學位移的水脂分離成像技術可用于量化腎臟中的脂肪沉積，磁共振擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術可觀察組織中水分子的各向異性擴散，血氧水平依賴(blood oxygenation level-dependent,BOLD)成像可用于評價DKD的氧動力學變化，動脈自旋回波標記(arterial spin labeling，ASL)技術可以評價腎臟灌注水平。現就fMRI在DKD應用中的研究進展進行綜述。

1 水脂分離成像

腹腔實質臟器的異位脂肪沉積不僅是疾病的征兆，也是病因的一部分，脂肪細胞、脂肪相關組織及細胞不僅能夠儲存脂肪，而且會分泌多種激素、酶類、脂肪因子(多肽)及各種細胞因子影響胰島素的敏感性和血脂代謝，過量游離脂肪酸和脂質異常沉積會導致細胞損傷，這一過程被稱為脂毒性[2],腎臟異常脂肪沉積會加速慢性腎臟病的進展[2-4]。

近年來，磁共振波譜成像(magnetic resonance spectroscopy，MRS)和質子密度脂肪分數(proton density fat fraction,PDFF)被應用于磁共振無創性組織脂肪定量技術。PDFF是用于測定脂肪變性的磁共振生物標志物，其在非酒精性脂肪性肝病中得到驗證[5]。在健康志愿者身上使用1.5 T MRI MRS表明，正常人類腎臟具有非常低的脂質含量，脂肪分數約為0.6%[4]。腎臟脂質含量的小幅升高可能也對DKD腎損傷有重要影響。但對于腎臟等器官中脂質的測量，化學位移的水脂分離成像較MRS更具優勢，其屏氣采集避免了MRS所需的精確呼吸運動補償[6]；感興趣區域的精確腎內放置可以避免腎周脂肪及竇腔脂肪的污染；化學位移的水脂分離成像可以區分出皮質和髓質，可以分別測量脂肪分數。

1984年，Dixon[7]提出了兩點式Dixon技術。該技術利用的是水和脂肪中氫質子的頻率差，通過調節回波時間分離出單獨的水像和脂肪像，但是兩點式Dixon技術在B0場不均勻的情況下會失效，導致水脂不能完全分離。為解決這個問題，Glover和Schneider[8]提出了三點式Dixon技術，即通過3次測量，利用多余信息克服B0不均勻導致的相位誤差的影響。IDEAL是在三點式Dixon技術的基礎上提出，其能夠徹底分離水脂，將水脂互換錯誤的發生率降低，從而提高圖像的穩定性和準確性。目前，Dixon技術日趨成熟，多種新的改良技術進一步提高了脂肪定量分析的精度。

Yokoo等[9]發現，在3 T MRI上使用3D多回波Dixon序列和PDFF重建對29例糖尿病患者和40例健康人進行檢查發現，糖尿病患者腎臟脂質水平較對照組高，此項研究結果與一超高場(7 T)動物實驗的結果一致[10]。Wang等[11]采用三點式Dixon序列評價61例2型糖尿病患者(正常白蛋白尿組40例，微量白蛋白尿組21例)和34例非糖尿病志愿者的腎臟脂肪分數，結果發現，微量蛋白尿組腎臟脂肪分數顯著高于正常白蛋白尿組和對照組，因此認為Dixon技術可以檢測不同階段DKD腎臟脂質沉積的程度，并有望能診斷早期DKD。Peng等[10]的動物研究認為，糖尿病腎臟的脂質主要集中在皮質，且脂質積聚損害了腎組織的氧合，導致腎臟更加缺氧。不過腎臟脂質與氧合的關系還需要更進一步驗證。

2 DTI

DTI是在擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)技術基礎上改進和發展的一項新技術，可以在多個方向上測量水分子擴散程度的方向性。腎臟組織含水量豐富，血液灌注量大，具有濾過、重吸收和濃縮尿液的功能，并且腎臟管道系統在解剖上呈放射狀規律排列，有明顯的各向異性擴散，這些解剖結構特點與生理學特征為DTI成像提供了理論基礎。

b值反映了DTI擴散的敏感度，b值越高，探測組織內水分子擴散運動越敏感，但掃描時間會延長，圖像的信噪比會下降。國內外大部分腎臟DTI研究都選用的b值為400 s/mm2[12-13]。分數各向異性(fractional anisotropy，FA)是DTI的重要參數之一，FA值反映了水分子擴散運動的方向性，其值為0～1，FA值越靠近1，說明組織內水分子在不同方向上擴散的程度越大。Lu等[12]研究發現，DKD患者腎髓質FA值較健康者明顯降低。Chen等[14]的結論與Lu等[12]稍有不同，其認為DKD早期(三期及之前)腎髓質FA值升高，其反映了腎功能不全的代償狀態，隨著病情的進展(如腎小管萎縮、基底膜增厚、管腔擴張，甚至腎小管壞死)，FA值逐漸下降。Wang等[15]通過DTI評價26例糖尿病患者(正常白蛋白尿組14例、微量白蛋白尿組12例)和14例非糖尿病志愿者發現，微量白蛋白尿組皮髓質FA值最低，正常白蛋白尿組的皮質FA值與健康對照組相比明顯降低，因此認為FA值可能是早期DKD中較微量白蛋白尿更敏感的生物標志物。Wang等[16]認為，腎皮髓質FA值均與eGFR相關，這點與Lu等[12]的結論不同。Lu等[12]認為eGFR與腎髓質FA值具有相關性，與皮質FA值無明顯相關性，腎皮質和髓質是否均參與了DKD的發病機制和腎功能損害的進程還有待進一步證實。

表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient,ADC)是DTI的另一個重要參數，用于描述組織內水分子擴散運動的幅度，與水分子的擴散運動能力成正比。王文娟等[13]分別測量了皮髓質的ADC值和FA值發現，健康志愿者腎皮質的ADC值高于髓質，腎髓質的FA值高于皮質，之后大部分研究的結論與此相符[14-15]，說明DTI的檢測結果有較高的穩定性和可重復性。Wang等[17]發現，1～2期[GFR≥60 mL(min·1.73 m2)]慢性腎病患者的ADC值未顯著降低，而3～5期[GFR<60 ml(min·1.73 m2)]慢性腎病患者的ADC值顯著低于對照組，提示ADC測量可能適用于檢測中至重度慢性腎病，究其原因可能是1～2 期患腎呈高濾過狀態，腎臟病理損害較小，3期以后腎臟微血管損傷嚴重，并出現腎小球硬化、腎小管纖維化等病理損傷，使毛細血管流量及流速減低，水分子量減少，水分子擴散受限，導致ADC值降低，提示腎髓質ADC值與組織學確定的間質纖維化程度和腎小管萎縮程度存在顯著的負相關。Liu等[18]發現，在評價慢性腎臟疾病功能的變化上，FA值較ADC值更敏感，原因是ADC值主要受灌注和流動效應影響，而FA值主要取決于腎小管中水分子不規則的布朗運動，因此在大部分腎臟慢性間質性疾病中，FA值的改變早于ADC值。

擴散張量纖維束示蹤成像(diffusion tensor tractography，DTT)是在DTI基礎上的發展起來的新技術，該技術反映了腎臟中腎小管、直小血管等結構的走行方向、數量和疏密情況，是直觀顯示腎臟微觀結構改變的有效方法。有學者認為，年齡、腎臟體積與腎臟纖維束存在正比關系[19]。Wang等[17]研究表明，DKD患者DTT圖上放射狀的集合管數量減少、長度縮短。

3 BOLD

血氧水平依賴MRI(blood oxygenation level-dependent MRI，BOLD-MRI)以順磁性去氧血紅蛋白作為內源性對比劑，可無創性地反映組織內血紅蛋白的氧含量。人體血液中的去氧血紅蛋白中含有不成對的鐵電子，血氧含量增加時其順磁效應使T2或T2*(表觀自旋-自旋弛豫)值縮短，表現為T2*WI序列上信號減低；R2*(=1/T2*)即橫向弛豫率直接反映組織內去氧血紅蛋白的濃度，R2*值與去氧血紅蛋白濃度成正比，與組織氧合水平成反比[20]。

研究表明，慢性缺氧是包括DKD在內的多種腎臟疾病共同的致病通路[21]，健康人群與DKD人群腎髓質的R2*值均高于腎皮質的R2*值[22-23]，且腎髓質對缺血與低氧狀態較為敏感，髓質氧分壓的微小波動即可使氧合血紅蛋白發生較大改變。Yin等[24]的研究發現，DKD患者腎髓質R2*與eGFR呈正相關，皮質R2*與eGFR呈負相關，早期DKD患者的皮髓質信號強度比率呈先升后降的趨勢，Wang等[25]的動物實驗結果與此相印證。蔣振興等[23]研究顯示，DKD組皮質R2*與eGFR呈負相關，皮髓質信號強度比率與eGFR呈正相關，原因可能與中晚期腎小球硬化較嚴重，皮質氧分壓不斷下降有關。以上研究證明，BOLD可對DKD引起的腎臟損傷過程進行氧代謝方面的無創性評估，且能先于其他檢測方法反映腎臟的病理生理變化。但也有一些學者持不同意見，Michaely等[26]的研究表明，皮髓質R2*與eGFR無相關性。Wang等[16]的研究認為，DKD患者腎髓質R2*低于正常組，中晚期DKD皮質R2*無明顯增高，分析其原因可能是腎皮質對缺氧損傷耐受性較好，不容易損傷；另一種可能的解釋是皮質中氧合作用的微小變化不容易通過BOLD觀察。對于DKD腎臟皮髓質R2*與eGFR的相關性還需要更多的研究證實。

BOLD-MRI還可以檢測藥物治療后的效果。Hueper等[27]將小鼠分為正常組、糖尿病組及糖尿病單側腎切除組，分別使用一氧化氮合酶抑制劑介導血管舒張以增加腎臟的耗氧量，結果發現，一氧化氮合酶抑制劑加重了腎臟外髓外帶缺氧，但對腎切除組小鼠的腎臟作用減弱，原因可能是DKD中腎臟的血管反應性減低，因此在腎臟失去代償功能前，早期診斷同時進行干預治療至關重要。冉鵬程等[28]認為，BOLD可監控DKD大鼠應用有效藥物治療后的效果，有助于判斷療效。

4 ASL

ASL成像是磁共振灌注成像的一種，其工作原理是利用被反沖波標記的動脈血中的水質子作為對比示蹤劑，被標記的動脈血到達成像平面所采集的圖像稱為“標記像”,單獨采集未標記的靜態信號稱為“控制像”，一旦標記血流到達腎臟并替代了未被標記的血流，MR信號強度會減低。控制像與標記像減影抑制了靜態組織的信號，得到灌注加權像。但是圖像的信噪比較低，通常需要重復采集以獲得成對標記-控制像[29]。

相較于常規磁共振灌注成像，ASL最大的優點在于無創性。有學者分別使用ASL和動態增強掃描測量腎血流量(renal blood flow，RBF)發現，ASL測得的腎皮質血流量與動態增強掃描具有相關性[30]。對于糖尿病患者來說，對比劑腎病的發生率為5.7%～29.4%[31]，當基線血漿肌酐水平為176.8～353.6 μmol/L時，27%的糖尿病患者發生對比劑腎病，而基線血漿肌酐>353.66 μmol/L時患者發生對比劑腎病的風險為81%。Chong等[32]研究表明，即使在血清肌酐正常的情況下，糖尿病患者對比劑腎病的發病率也較非糖尿病患者明顯升高。綜上，ASL可利用內源性對比劑無創性定量分析腎臟灌注水平，規避對比劑產生的一系列不良反應。Artz等[33]以熒光微球為金標準，認為ASL技術評價腎皮質灌注與熒光微球評價有較好的相關性(r=0.81)。Gillis等[34]采用ASL技術對健康志愿者的RBF進行重復測量，認為腎臟的皮質灌注與全腎灌注的相關性較好。以上研究表明，ASL MRI是一種非侵入性、可信度較高、重復性較好的定量評價腎臟灌注的技術手段。

研究發現，隨著DKD腎功能的降低，腎皮質血流量明顯減低，DKD腎皮質血流量與eGFR呈正相關[35-37]。劉波等[35]發現，不同嚴重程度的DKD患者RBF有明顯差異，其中中重度DKD患者的RBF顯著低于單純糖尿病患者、輕度DKD患者以及健康人，提示ASL可能在評價糖尿病分期方面具有作用，并且RBF可作為判斷2型糖尿病的影像學指標。章娜等[36]的研究認為，ASL區別DKD正常腎功能組與腎功能受損組的靈敏度為76%、特異度為82%，因此ASL可作為早期篩選DKD腎功能受損的指標。Li等[37]通過注射腺苷和L-NAME誘導大鼠腎臟灌注發生變化發現，ASL對藥理學誘導的腎臟血流變化敏感。ASL檢測發現，注射呋塞米后的健康志愿者皮髓質RBF顯著減低[38],說明在ASL MRI的基礎上監測袢利尿劑對腎臟血流動力學變化的影響是可行的。

5 問題與展望

fMRI作為無創性檢測腎臟功能的手段，具有可多次重復、靈敏度高、接受性好等特點，然而Dixon、BOLD、DTI及ASL MRI均處于研究的初始階段，國內外對DKD研究的篩選分組缺乏統一標準，動物實驗及人體試驗結果缺乏金標準對照，技術層面可因腎臟血流情況、血管搏動及胃腸蠕動等產生的運動偽影而干擾結果的穩定性，復雜的后處理和過長的檢查時間也限制了在臨床的應用。上述fMRI從不同側面為臨床提供了更多關于腎臟的影像學信息，在研究DKD發病機制、早期診斷方面有較好的應用前景。fMRI在DKD精確分期、預后判斷及用藥療效實時監控中的應用較少，可作為今后研究的方向。