腎臟功能磁共振成像的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

王蕊 綜述　　王霄英 審校

?

·綜述·

腎臟功能磁共振成像的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

王蕊 綜述王霄英 審校

腎臟作為人體重要的功能代謝器官，其病理生理機(jī)制十分復(fù)雜。腎臟功能磁共振成像可無創(chuàng)性反映腎臟血流灌注、氧耗及擴(kuò)散方面的變化。本文對腎臟功能磁共振成像在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面目前國內(nèi)外研究進(jìn)展及面臨的問題進(jìn)行綜述。

腎臟； 磁共振成像； 功能成像； 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

腎臟是人體重要的功能及代謝器官，其基本功能為生成尿液、清除體內(nèi)代謝廢物、維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。腎臟具有內(nèi)分泌功能，能生成腎素、促紅細(xì)胞生成素、活性維生素D3、前列腺素及激肽等，同時(shí)腎臟又是機(jī)體部分內(nèi)分泌激素的降解場所和腎外激素的靶器官。

腎臟疾病的病理生理機(jī)制十分復(fù)雜，以人作為實(shí)驗(yàn)對象來研究疾病發(fā)生機(jī)制，不僅在倫理上存在限制，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)方法上存在局限性；而借助于動(dòng)物模型，可通過改變自然條件下不可能或不易排除的因素，以便更好地獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與人類疾病進(jìn)行比較，有助于更方便、有效地認(rèn)識(shí)人類疾病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律。

磁共振成像不僅可以清晰顯示組織器官的解剖結(jié)構(gòu)，而且可采用功能成像技術(shù)研究腎臟的功能改變。廣義的功能MRI包括：評估組織血流的技術(shù)如動(dòng)脈自旋標(biāo)記成像(arterial spin labeling，ASL)、評估組織氧合水平的技術(shù)如血氧水平依賴成像(blood oxygen level dependent，BOLD)和氧攝取分?jǐn)?shù)成像(oxygen extraction fraction，OEF)、評估組織水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的技術(shù)如擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)和擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)。本文將根據(jù)以上分類對腎臟功能成像動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

動(dòng)物腎臟血流及灌注研究

ASL是在不使用對比劑的情況下無創(chuàng)性得到組織灌注情況的檢查方法，已廣泛應(yīng)用于顱腦，近年來在腎臟中的應(yīng)用逐漸增多，且多與BOLD成像相結(jié)合，可同時(shí)反映腎臟組織灌注及氧合水平。Zhang等[1]在研究對比劑所致兔急性腎損傷模型中，發(fā)現(xiàn)對比劑注射后1 h腎皮質(zhì)血流量(renal blood flow，RBF)顯著減低，24 h后降至最低，48 h后恢復(fù)至基線水平，腎臟外髓同樣在24 h后降至最低，但72 h后仍低于基線水平，提示對比劑造成兔腎臟整體灌注不足。而Chen等[2]在對比劑所致大鼠急性腎損傷模型中，發(fā)現(xiàn)在對比劑注射后12～48 h腎臟皮質(zhì)及外髓RBF值均顯著降低，而在72～96 h恢復(fù)至基線水平。Wentland等[3]以小型豬為研究對象，通過注射乙酰膽堿誘導(dǎo)腎臟高灌注，注射異氟烷誘導(dǎo)腎臟低灌注，發(fā)現(xiàn)ASL可以敏感反映腎臟血流動(dòng)力學(xué)變化。Zimmer等[4]在單側(cè)腎缺血模型中應(yīng)用ASL及動(dòng)態(tài)對比增強(qiáng)成像(dynamic contrast enhanced,DCE)，并對兩者結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)無論ASL還是DCE，均可檢出急性缺血側(cè)腎臟灌注的減低，且兩者結(jié)果相近，提示ASL可用于腎臟血流灌注異常的檢出。

隨著MR技術(shù)的發(fā)展，ASL在腎臟灌注成像動(dòng)物模型中的應(yīng)用越來越廣泛，但仍面臨一些挑戰(zhàn)：①易受磁場不均勻性及呼吸運(yùn)動(dòng)影響；②絕對定量問題，目前ASL只能基于一定的簡化模型做到一定程度的定量計(jì)算；③標(biāo)記效率有待提高。

動(dòng)物腎臟氧合水平研究

1.BOLD

腎臟的皮質(zhì)和髓質(zhì)之間存在氧濃度的差異，腎髓質(zhì)血供少，但其重吸收功能又需要大量的氧供應(yīng)，正常情況下腎皮質(zhì)氧分壓約50 mmHg，而髓質(zhì)只有10～20 mmHg，因此髓質(zhì)更容易受到缺氧影響。目前測量氧分壓唯一的準(zhǔn)確定量辦法是將氧敏感性微電極植入腎實(shí)質(zhì)內(nèi)，此方法對人體創(chuàng)傷較大，故不適合實(shí)際應(yīng)用[5]。

近年來，BOLD成像被認(rèn)為是無創(chuàng)性檢測氧合水平的新方法。1936年，Pauling等首次證明了脫氧血紅蛋白的順磁性。1990年Ogawa等[6]提出了BOLD對比機(jī)制，即血液中順磁性的脫氧血紅蛋白會(huì)導(dǎo)致血管和周圍組織之間產(chǎn)生較大的磁敏感差異，使血管周圍氫質(zhì)子的共振頻率發(fā)生變化，在高場強(qiáng)磁場中使用梯度回波序列可顯示脫氧血紅蛋白的順磁性作用，并可進(jìn)行成像。

BOLD最早在1996年由Prasad等[7]應(yīng)用于腎臟MR成像研究。楊學(xué)東等[8]以Wistar大鼠為研究對象，評價(jià)3.0T MR腎臟BOLD成像的可行性，測量表觀自旋-自旋弛豫率(R2*;1/T2*,單位Hz)，并評價(jià)兩位觀察者間及觀察者內(nèi)的一致性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腎臟BOLD在兩位觀察者間及觀察者內(nèi)均具有較好的一致性，可用于研究。在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，楊學(xué)東等[9]分別評價(jià)5只大鼠第1天、第5天、第10天、第30天和第50天的腎臟BOLD成像，發(fā)現(xiàn)第30天和第50天大鼠注射呋塞米前，大鼠在不同時(shí)間點(diǎn)皮髓質(zhì)R2*值穩(wěn)定，而注射呋塞米后大鼠腎臟皮髓質(zhì)R2*值均降低。Pedersen等[10]以豬為研究對象，評價(jià)腎臟BOLD成像測得的R2*與氧敏感電極測得的氧分壓之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)豬腎臟皮髓質(zhì)R2*與氧分壓有很好的相關(guān)性。

腎臟BOLD在動(dòng)物疾病模型里有廣泛的應(yīng)用。Ries等[11]以糖尿病腎病大鼠模型為研究對象，發(fā)現(xiàn)與對照組正常腎臟相比，糖尿病大鼠腎臟皮質(zhì)、外髓外帶、外髓內(nèi)帶及內(nèi)髓的T2*值明顯降低，推測由于糖尿病腎病大鼠繼發(fā)于高濾過的主動(dòng)水重吸收增加，導(dǎo)致耗氧量增加；注射呋塞米后，對照組與糖尿病組腎臟各分區(qū)T2*均明顯升高，而且糖尿病組升高更顯著，提示糖尿病組大鼠腎臟缺氧。Alford等[12]在腎缺血模型中應(yīng)用BOLD成像，以豬為研究對象，評價(jià)急性腎動(dòng)脈閉塞后腎臟皮髓質(zhì)R2*值變化，研究發(fā)現(xiàn)急性腎動(dòng)脈閉塞時(shí)腎臟皮髓質(zhì)R2*值明顯升高，而閉塞解除后腎臟皮髓質(zhì)R2*則很快恢復(fù)，提示BOLD成像能敏感且可靠地反映急性腎缺血，此結(jié)果與Pohlmann等[13]在大鼠缺血再灌注損傷模型中的研究結(jié)果一致。BOLD在高血壓腎臟模型中也有研究，Li等[14]發(fā)現(xiàn)高血壓組大鼠與對照組正常大鼠基礎(chǔ)R2*值接近，但在注射NO合成抑制劑后，正常對照組大鼠髓質(zhì)R2*明顯增加，而高血壓組R2*變化不明顯，提示高血壓組大鼠腎臟NO活性減低。Zhang等[1]發(fā)現(xiàn)靜脈注射對比劑1h后，兔子腎臟外髓內(nèi)帶R2*值顯著升高，并持續(xù)升高至對比劑注射后24 h，但48 h后恢復(fù)至基線水平。Chen等[2]以SD大鼠為研究對象，經(jīng)靜脈注射對比劑，發(fā)現(xiàn)注射后0.5～48 h大鼠腎臟髓質(zhì)R2*值顯著升高，提示對比劑注射后腎臟髓質(zhì)耗氧量增加。

目前腎臟BOLD成像仍存在局限性：①BOLD成像的基礎(chǔ)為磁敏感效應(yīng)，B1場不均勻及腹腔腸管磁敏感偽影會(huì)干擾成像；②BOLD信號受到生理?xiàng)l件的影響，如心輸出量、血管搏動(dòng)，而呈現(xiàn)波動(dòng)性；③BOLD信號反映組織脫氧血紅蛋白含量變化，但組織脫氧血紅蛋白含量除受氧和狀態(tài)影響外，還受血流灌注及毛細(xì)血管容量等因素的影響。

2.OEF

氧合狀態(tài)是供氧和耗氧兩者共同作用的結(jié)果，而BOLD成像只能檢測到氧合狀態(tài)的綜合結(jié)果，無法反映血流灌注和氧耗的獨(dú)立貢獻(xiàn)。 對于腎臟，腎血流量向組織供給氧，而氧需求則可以用OEF來描述，即腎組織所消耗的氧與動(dòng)脈血攜帶的氧之間的比率。一般正常組織為維持基本功能，組織氧代謝率需保持在一定水平[15]。如果組織處于缺氧狀態(tài)，血流量相應(yīng)減少，此時(shí)組織為了維持其基本功能需求，從血液攜帶的氧中攝取的比率就要增加，即OEF增高。目前OEF定量測定多用于顱腦疾病的研究[16-18]，腎臟OEF研究非常少。張曉東等[19]對新西蘭大白兔左腎動(dòng)脈結(jié)扎后獲得急性腎缺血模型，發(fā)現(xiàn)術(shù)后30 min和60 min OEF均顯著增大，提示急性腎缺血早期腎臟耗氧量增加。

動(dòng)物腎臟水分子擴(kuò)散研究

1.DWI

DWI是目前唯一能夠無創(chuàng)性檢測活體組織內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的檢查手段，隨著MRI設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展，DWI在腎臟研究中的價(jià)值得以展示。

Liu等[20]對狗的左腎動(dòng)脈進(jìn)行不同時(shí)間的結(jié)扎，發(fā)現(xiàn)腎臟急性缺血模型左腎皮髓質(zhì)表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)值明顯減低，隨后去除結(jié)扎，得到缺血再灌注模型，左腎髓質(zhì)ADC值仍低于右腎，考慮ADC值減低與GFR下降、腎小管損傷和腎小管內(nèi)壓力增加均有關(guān)。Wang等[21]通過對兔靜脈注射碘對比劑，發(fā)現(xiàn)腎臟ADC值在注射后1 h內(nèi)下降，24～48 h達(dá)最低值，且腎臟外髓ADC值變化最顯著，提示碘對比劑所致腎毒性損傷是導(dǎo)致腎臟ADC值下降的直接原因。Yang等[22]以腎移植大鼠為研究對象，發(fā)現(xiàn)同種異體腎移植大鼠腎臟ADC值明顯下降，而同基因移植大鼠則無明顯改變，提示DWI可早期檢出腎臟移植排斥反應(yīng)。

DWI作為目前唯一可對活體組織進(jìn)行無創(chuàng)性分子成像研究的MR技術(shù)，對各種腎臟疾病的診斷、治療及療效評估具有重要的臨床價(jià)值，但目前多采用單激發(fā)SE-EPI序列，臨床應(yīng)用尚存在一定的局限性。

2.DTI

DTI是對DWI技術(shù)的延伸和改進(jìn)，由于擴(kuò)散張量成像并非平面過程，除了能觀察水分子擴(kuò)散幅度上的受限程度，DTI還可顯示水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向性的差異。DTI目前多應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)的研究，腎臟方面尚處于探索階段。

Hueper等[23]以糖尿病腎病鼠為模型，發(fā)現(xiàn)腎臟DTI通過分析各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotraphy，F(xiàn)A)可以提示腎臟腎小球硬化、間質(zhì)纖維化及腎小管損傷等病理學(xué)改變，提示DTI可能作為無創(chuàng)性檢測糖尿病腎病相應(yīng)病理學(xué)改變的一種檢查手段。

綜上所述，隨著MR技術(shù)不斷進(jìn)展，ASL、BOLD、DWI分別作為無創(chuàng)性評估腎臟灌注、耗氧及水?dāng)U散的檢查手段，在動(dòng)物模型中已廣泛使用，可以敏感地反映多種動(dòng)物疾病模型早期的腎臟血流、氧耗及組織水分子擴(kuò)散方面的改變，通過結(jié)合功能磁共振定量參數(shù)和生化指標(biāo)、病理改變，有可能早期判斷腎臟功能的改變，揭示疾病的發(fā)生機(jī)制。隨著MR技術(shù)的進(jìn)一發(fā)展、動(dòng)物研究工作的成熟，可以預(yù)見，功能MR成像將逐步用于人體的研究，并對臨床工作起到一定的指導(dǎo)作用。

[1]Zhang Y，Wang J，Yang X，et al.The serial effect of iodinated contrast media on renal hemodynamics and oxygenation as evaluated by ASL and BOLD MRI[J].Contrast Media Mol Imaging，2012，7(4):418-425.

[2]Chen WB，Liang L,Zhang B,et al.To evaluate the damage of renal function in CIAKI rats at 3T:using ASL and BOLD MRI[J].Biomed Res Int,2015,2015:593060.

[3]Wentland AL,Artz NS,Fain SB,et al.MR measures of renal perfusion,oxygen bioavailability and total renal blood flow in a porcine model:noninvasive regional assessment of renal function[J].Nephrol Dial Transplant,2012,27(1):128-135.

[4]Zimmer F,Z?llner FG,Hoeger S,et al.Quantitative renal perfusion measurements in a rat model of acute kidney injury at 3T:testing inter-and intramethodical significance of ASL and DCE-MRI[J].PLoS One,2013,8(1):e53849.

[5]楊學(xué)東,王霄英.腎臟MR血氧水平依賴成像的研究進(jìn)展[J].國外醫(yī)學(xué)(臨床放射學(xué)分冊),2007,30(6):426-430.

[6]Ogawa S,Lee TM,Kay AR,et al.Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation[J].Proc Natl Acad Sci USA,1990,87(24):9868-9872.

[7]Prasad PV,Edelman RR,Epstein FH.Noninvasive evaluation of intrarenal oxygenation with BOLD MRI[J].Circulation,1996,94(12):3271- 3275.

[8]楊學(xué)東,曹菊,王霄英，等.3.0T磁共振大鼠腎臟血氧水平依賴成像的初步研究[J].中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2007,23(6):809-811.

[9]楊學(xué)東,曹菊,王霄英，等.MRI血氧水平依賴成像評價(jià)正常大鼠腎臟氧合水平的重復(fù)性研究[J].中華放射學(xué)雜志,2008,42(5):523-526.

[10]Pedersen M,Dissing TH,Morkenborg J,et al.Validation of quantitative BOLD MRI measurements in kidney:application to unilateral ureteral obstruction[J].Kidney Int,2005,67(6):2305-2312.

[11]Ries M,Basseau F,Tyndal B,et al.Renal diffusion and BOLD MRI in experimental diabetic nephropathy[J].J Magn Reson Imaging,2003,17(1):104-113.

[12]Alford SA,Sadowski EA,Unal O,et al.Detection of acute renal ischemia in swine using blood oxygen level-dependent magnetic resonance imaging[J].J Magn Reson Imaging,2005,22(3):347-353.

[13]Pohlmann A,Hentschel J,Fechner M,et al.High temporal resolution parametric MRI monitoring of the initial ischemia/reperfusion phase in experimental acute kidney injury[J].PloS One,2013,8(2):e57411.

[14]Li LP,Storey P,Kim D,et al.Kidneys in hypertensive rats show reduced response to nitric oxide synthase inhibition as evaluated by BOLD MRI[J].J Magn Reson Imaging,2003,17(6):671-675.

[15]He X,Yablonskiy DA.Quantitative BOLD:mapping of human cerebral deoxygenated blood volume and oxygen extraction fraction:default state[J].Magn Reson Med,2007,57(1):115-126.

[16]An H,Lin W.Quantitative measurements of cerebral blood oxygen saturation using magnetic resonance imaging[J].J Cereb Blood Flow Metab,2000,20(8):1225-1236.

[17]Kuwabara Y,Sasaki M,Hirakata H,et al.Cerebral blood flow and vasodilatory capacity in anemia secondary to chronic renal failure[J].Kid Int,2002,61(2):564-569.

[18]Ulrich X,Yablonskiy DA.Separation of cellular and BOLD contributions to T2* signal relaxation[J].Magn Reson Med,2015,75(2)：606-615.

[19]張曉東,米悅,王晶,等.基于MRI技術(shù)定量測量單側(cè)腎動(dòng)脈狹窄動(dòng)物模型腎臟氧攝取分?jǐn)?shù)的初步研究[J].放射學(xué)實(shí)踐,2015,30(5):519-524.

[20]Liu AS,Xie JX.Functional evaluation of normothermic ischemia and reperfusion injury in dog kidney by combining MR diffusion-weighted imaging and Gd-DTPA enhanced first-pass perfusion[J].J Magn Reson Imaging,2003,17(6):683-693.

[21]Wang J,Zhang Y,Yang X,et al.Time course study on the effects of iodinated contrast medium on intrarenal water transport function using diffusion-weighted MRI[J].J Magn Reson Imaging,2012,35(5):1139-1144.

[22]Yang D,Ye Q,Williams DS,et al.Normal and transplanted rat kidneys:diffusion MR imaging at 7T[J].Radiology,2004,231(3):702-709.

[23]Hueper K,Hartung D,Gutberlet M,et al.Magnetic resonance diffusion tensor imaging for evaluation of histopathological changes in a rat model of diabetic nephropathy[J].Invest Radiol,2012,47(7):430-437.

100034北京，北京大學(xué)第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科

王蕊(1990-)，女，河南南陽人，博士研究生，主要從事腹部功能磁共振診斷工作。

王霄英，E-mail：cjr.wangxiaoying@vip.163.com

R692; R445.2

A

1000-0313(2016)05-0453-03

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.05.016

2015-10-06

2015-11-05)