體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散成像及血氧水平依賴成像評(píng)估碘對(duì)比劑致兔急性腎損傷

王榮甲，任 克，王永芳

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

碘對(duì)比劑誘導(dǎo)的急性腎損傷(contrast-induced acute kidney injury, CIAKI)已成為不容忽視的臨床問(wèn)題。碘對(duì)比劑所致急性腎損傷(acute kidney injury, AKI)為醫(yī)源性腎損傷的第3位[1]。血肌酐(serum creatinine, Scr)是CIAKI的主要標(biāo)志物[2]，常在注入碘對(duì)比劑后3～5天達(dá)峰值，1～3周內(nèi)恢復(fù)基線值[3]，導(dǎo)致部分患者錯(cuò)過(guò)治療時(shí)間而發(fā)生AKI或延長(zhǎng)住院時(shí)間。血氧水平依賴(blood oxygenation level-dependent, BOLD)成像能夠無(wú)創(chuàng)評(píng)價(jià)組織氧利用度[4]。血液中順磁性脫氧血紅蛋白含量增多導(dǎo)致周圍磁場(chǎng)不均勻，T2縮短，T2WI低信號(hào)，其表觀橫向弛豫率(R2*=1/T2*)是組織氧分壓的敏感指標(biāo)[5]。基于體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion, IVIM)的DWI(IVIM-DWI)使用多個(gè)b值對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行雙指數(shù)擬合，將水分子擴(kuò)散信息和血液微循環(huán)灌注信息分離開(kāi)來(lái)，對(duì)于腎臟病變具有潛在臨床應(yīng)用價(jià)值[6-7]，且IVIM技術(shù)對(duì)腎臟水分子擴(kuò)散和血液灌注早期變化很敏感[8]。缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)積累可作為缺氧體內(nèi)測(cè)定的內(nèi)源性指標(biāo)[9]，而血紅素加氧酶1(heme oxygenase-1, HO-1)對(duì)組織氧化損傷有重要保護(hù)作用[10]。本研究嘗試以IVIM-DWI聯(lián)合BOLD成像早期無(wú)創(chuàng)觀察注射碘克沙醇后兔AKI期間腎組織水?dāng)U散、灌注及氧合變化，并與腎臟組織學(xué)和HIF-1α和HO-1表達(dá)水平相對(duì)照。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組 新西蘭雄性兔25只，體質(zhì)量均為2.5 kg，隨機(jī)分為基線組和實(shí)驗(yàn)組(1、24、48、72 h組)，每組5只。實(shí)驗(yàn)前12 h停飼、4 h停水。按照5 gI/kg體質(zhì)量[11]經(jīng)耳緣靜脈注射碘克沙醇320建立AKI模型，基線組注射等量生理鹽水，之后依次于1、24、48、72 h對(duì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)組行BOLD和IVIM-DWI掃描。

1.2 儀器與方法 采用GE Twin Speed 3.0T MR掃描儀，8通道陣體線圈，麻醉(3%戊巴比妥鈉1 mg/kg體質(zhì)量)后仰臥位保定動(dòng)物，頭先進(jìn)，置于線圈中。BOLD采用多梯度回波序列成像，層數(shù)5層，層厚3 mm，視野16 cm×16 cm，矩陣256×256，TR=96.2 ms，TE=4.4 ms。IVIM采用單次激發(fā)自旋回波擴(kuò)散加權(quán)平面回波成像，b值取0、10、20、50、100、200、400、600、800、1 200 s/mm2，層數(shù)5，層厚3 mm，視野16 cm×16 cm，矩陣160×160，TR=4 050 ms，TE=95.5 ms。掃描結(jié)束后將圖像上傳至 GE Adw 4.4工作站，手動(dòng)于右側(cè)腎臟避開(kāi)腎竇部脂肪及血管選擇ROI(30～35 mm2)，分別在腎皮質(zhì)、髓質(zhì)測(cè)量ADC值、D值、D*值、f值及R2*值，重復(fù)測(cè)量3次，取平均值作為結(jié)果。

1.3 生化指標(biāo)及組織病理學(xué)檢測(cè) 對(duì)各組兔經(jīng)耳緣靜脈進(jìn)行采血，離心15 min后取上清檢測(cè)Scr和尿素氮(blood urea nitrogen, BUN)。掃描結(jié)束后以過(guò)量戊巴比妥處死動(dòng)物，立即取出腎臟，行HE染色及免疫組織化學(xué)染色，參考文獻(xiàn)[12]評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)腎臟損傷進(jìn)行半定量評(píng)估，參考文獻(xiàn)[13]方法對(duì)HIF-1α和及HO-1在胞漿、胞核中的表達(dá)區(qū)域進(jìn)行半定量分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布和方差齊性測(cè)值，采用單因素方差分析進(jìn)行多組比較，兩兩比較采用LSD方法； 對(duì)非正態(tài)分布測(cè)值采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)。以Pearson相關(guān)分析觀察fMRI參數(shù)與免疫組織化學(xué)評(píng)分的相關(guān)性，0.40≤|r|≤0.69為中度相關(guān)，0.70≤|r|≤0.89為高度相關(guān)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 BOLD參數(shù)值變化 相比基線組，1 h組腎皮質(zhì)、髓質(zhì)R2*值升高，24 h組均達(dá)峰值(P均<0.05)，72 h組腎皮質(zhì)、髓質(zhì)R2*值仍未恢復(fù)(P均<0.05)。髓質(zhì)R2*值始終高于皮質(zhì)。見(jiàn)表1、圖1。

2.2 IVIM各參數(shù)值變化 相比基線組，1 h組腎皮質(zhì)、髓質(zhì)ADC值及D值下降，24 h組降至最低(P均<0.05)，72 h組腎臟皮質(zhì)、髓質(zhì)ADC值、皮質(zhì)D值仍未恢復(fù)基線水平，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，而髓質(zhì)D值仍低于基線組(P<0.05)。1 h組腎皮質(zhì)、髓質(zhì)D*值降低，72 h組基本恢復(fù)至基線水平(P均>0.05)。24 h組腎皮質(zhì)、髓質(zhì)f值最低(P均<0.05)，72 h組腎髓質(zhì)f值仍未恢復(fù)基線水平(P<0.05)。見(jiàn)表2、圖2。

2.3 生化指標(biāo) 相比基線組，1 h組Scr及BUN升高，72 h組達(dá)到峰值(P均<0.05)。見(jiàn)表3。

2.4 病理學(xué)改變 實(shí)驗(yàn)組腎組織細(xì)胞核脫落，腎臟皮質(zhì)空泡化，腎小球萎縮，近曲小管內(nèi)可見(jiàn)管腔碎屑形成，以24 h最重。免疫組化染色顯示，1 h組腎小管上皮細(xì)胞核即有HIF-1α及HO-1表達(dá)，胞漿、細(xì)胞核中均可見(jiàn)到陽(yáng)性染色，24 h組表達(dá)最顯著，切片染色最深，48h組及72h組表達(dá)水平下降，染色漸淺。見(jiàn)圖3～5。

表1 各組腎臟皮、髓質(zhì)R2*值比較(s-1，±s)

表1 各組腎臟皮、髓質(zhì)R2*值比較(s-1，±s)

組別腎皮質(zhì)R2*腎髓質(zhì)R2*基線組24.67±3.7326.88±2.86實(shí)驗(yàn)組 1 h組27.50±2.2229.76±4.32 24 h組 31.96±2.80*36.22±2.74* 48 h組29.71±2.42*34.26±2.88* 72 h組28.77±2.20*32.87±2.60*F值4.8806.952P值0.0070.001

注：*：與基線組比較，P<0.05

圖1 各組代表性BOLD圖像

表2 各組腎臟IVIM參數(shù)值(±s)

表2 各組腎臟IVIM參數(shù)值(±s)

組別腎皮質(zhì)D值(×10-4 mm2/s)ADC值(×10-4 mm2/s)D*值(×10-3 mm2/s)f值(%)腎髓質(zhì)D值(×10-4 mm2/s)ADC值(×10-4 mm2/s)D*值(×10-3 mm2/s)f值(%)基線組4.07±0.619.65±0.6010.20±0.8039.34±1.923.63±0.339.45±0.249.90±0.4037.50±1.92實(shí)驗(yàn)組 1 h組3.47±0.629.45±0.449.08±0.2937.10±1.40*3.09±0.24*9.10±0.42*8.79±0.4934.10±0.90* 24 h組 3.06±0.50*8.80±0.31*9.62±0.3534.80±1.13*2.77±0.15*8.25±0.12*9.28±1.1628.66±2.52* 48 h組3.20±0.34*9.09±0.369.77±0.6636.12±2.21*2.91±0.29*8.36±0.14*9.31±0.6530.42±2.38* 72 h組3.56±0.419.49±0.339.87±1.0838.44±1.613.14±0.44*8.81±0.319.75±0.2933.18±3.39*F值2.9193.3281.7205.6795.70017.4172.12510.407P值0.0470.0300.1850.0030.0030.0000.115<0.001

注：*：與基線組比較P<0.05

表3 各組生化指標(biāo)(±s)

表3 各組生化指標(biāo)(±s)

組別Scr(μmol/L)BUN(mmol/L)基線組59.8±7.564.27±1.12實(shí)驗(yàn)組 1 h組62.4±6.434.33±1.20 24 h組69.2±7.955.18±1.20 48 h組77.2±6.83*6.06±1.10* 72 h組83.8±8.41*6.43±0.93*F值9.0373.834P值0.0000.018

注：*：與基線組比較P<0.05

2.5 fMRI各參數(shù)與HIF-1α、HO-1的相關(guān)性 HIF-1α及HO-1與腎皮質(zhì)R2*、ADC值、D值及f值呈中等相關(guān)，與D*值無(wú)明顯相關(guān)；HIF-1α及HO-1與髓質(zhì)R2*及D值與呈中度相關(guān)，ADC值及f值高度相關(guān)，與D*值無(wú)明顯相關(guān)。見(jiàn)圖6、7。

3 討論

目前對(duì)于CIAKI的發(fā)生機(jī)制尚未完全清楚。以往研究[4,6]多單獨(dú)采用BOLD或IVIM技術(shù)評(píng)估腎功能。本研究聯(lián)合應(yīng)用此二種fMRI技術(shù)，以BOLD監(jiān)測(cè)注射碘對(duì)比劑后早期腎臟血氧代謝的改變，IVIM觀察腎組織內(nèi)水分子運(yùn)動(dòng)和血流灌注的變化信息，相互印證，以從多方面、多角度準(zhǔn)確顯示注射碘對(duì)比劑后腎功能變化，并探討其病理生理學(xué)機(jī)制。

圖3各組腎臟病理(HE，×400) A.病理圖； B.病理評(píng)分比較 (*：與基線組相比P<0.05)

圖4各組HIF-1 α表達(dá)(×400) A.HIF-1 α免疫組織化學(xué)； B.HIF-1 α表達(dá)比較 (*：與基線組相比P<0.05)

圖5各組HO-1表達(dá)(×400) A.HO-1免疫組織化學(xué)； B.HO-1表達(dá)比較 (*：與基線組相比P<0.05)

腎臟低灌注、缺氧及氧化應(yīng)激是CIAKI發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵病理因素[1]。R2*值升高表明局部組織內(nèi)氧含量降低，反之提示氧含量升高。b值<200 s/mm2時(shí)IVIM-DWI代表組織灌注信息，b值>200 s/mm2時(shí)則反映水分子擴(kuò)散程度。本研究以BOLD觀察注射碘克沙醇后72 h內(nèi)兔腎臟R2*值的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)注入碘克沙醇后1 h腎臟R2*值即開(kāi)始升高，24 h達(dá)峰值；注射碘克沙醇后1 h兔腎臟D*值下降，可能由于腎小血管收縮導(dǎo)致腎臟血流微灌注減少[14]，進(jìn)而引發(fā)腎臟缺氧；至72 h腎皮質(zhì)、髓質(zhì)R2*值仍未恢復(fù)至正常水平，推測(cè)原因在于碘克沙醇的高黏度特性可減緩腎內(nèi)血流速度，延長(zhǎng)其在腎內(nèi)滯留時(shí)間[15]；碘對(duì)比劑經(jīng)腎小球?yàn)V過(guò)，不僅被腎小管重吸收，且其濃度在流經(jīng)腎小管段時(shí)進(jìn)一步濃縮，加重腎小管損傷，最終導(dǎo)致腎臟不可恢復(fù)的缺氧損傷。

圖6 腎臟fMRI參數(shù)與HIF-1α評(píng)分相關(guān)性散點(diǎn)圖

圖7 腎臟fMRI參數(shù)與HO-1評(píng)分相關(guān)性散點(diǎn)圖

ADC值同時(shí)包含水分子擴(kuò)散和血液微循環(huán)灌注雙重信息。真實(shí)擴(kuò)散系數(shù)D值是真實(shí)的水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)；灌注相關(guān)擴(kuò)散系數(shù)D*值代表血液微循環(huán)灌注，取決于毛細(xì)血管的收縮或舒張狀態(tài)；而灌注分?jǐn)?shù)f值則是組織內(nèi)液體負(fù)荷狀態(tài)的體現(xiàn)。本研究中腎臟皮、髓質(zhì)ADC值大于D值，這是由于ADC值同時(shí)包含水分子擴(kuò)散和血流灌注信息。注射碘克沙醇后，兔腎臟ADC值及D值降低，可能與碘克沙醇對(duì)腎小管上皮細(xì)胞的毒性作用或延遲的細(xì)胞凋亡致腎內(nèi)組織擴(kuò)散減少有關(guān)[16]。另外，碘克沙醇雖為等滲對(duì)比劑，進(jìn)入體內(nèi)后其高黏度使之與腎小管的接觸時(shí)間延長(zhǎng)，引起細(xì)胞水腫，組織內(nèi)水分子擴(kuò)散受限。光鏡下觀察病理切片顯示腎小管細(xì)胞水腫及炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，腎小球萎縮，腎臟間質(zhì)纖維化，進(jìn)一步證實(shí)了上述影像學(xué)結(jié)果。本研究提示碘克沙醇所致腎臟灌注減少早于腎臟組織擴(kuò)散降低，與既往研究相符[17]。注射碘克沙醇后1 h腎臟D*值及f值下降為腎臟血管持續(xù)收縮所致，隨后血管舒張，D*值漸漸回升，而f值回升略晚于D*值，表明血管舒張后引起腎血容量增加，提示D*值和f值可區(qū)分腎臟功能性血管舒張和液體負(fù)荷增加。碘克沙醇對(duì)腎臟皮質(zhì)血流灌注的影響是一過(guò)性的，本研究72 h組腎皮質(zhì)IVIM各參數(shù)基本恢復(fù)至正常水平，而腎髓質(zhì)各參數(shù)仍低于正常值，考慮原因在于腎皮質(zhì)血運(yùn)豐富，而髓質(zhì)生理性低氧，碘克沙醇更易對(duì)其造成不可逆損傷。

HIF-1α是缺氧條件下的重要氧依賴性核轉(zhuǎn)錄因子，參與紅細(xì)胞生成以及鐵代謝和能量代謝等，為血紅素分解代謝中的限速酶，可被各種氧化應(yīng)激所誘導(dǎo)。本研究發(fā)現(xiàn)兔腎臟皮、髓質(zhì)R2*值與HIF-1α和HO-1有較好的相關(guān)性，提示R2*值可較好地反映局部腎組織氧含量；細(xì)胞毒性作用和腎小管細(xì)胞凋亡所致腎內(nèi)擴(kuò)散降低可加重腎小管損傷，而腎小管損傷亦可引起腎臟缺氧，此點(diǎn)為ADC值、D值和f值與HIF-1α及HO-1良好的相關(guān)性所證實(shí)。因此，利用BOLD和IVIM技術(shù)可監(jiān)測(cè)CIAKI的發(fā)生和發(fā)展，應(yīng)用價(jià)值較好。

本研究的主要局限性：掃描過(guò)程中實(shí)驗(yàn)兔處于自由呼吸狀態(tài)，圖像可能受呼吸及腸氣偽影干擾；采用手動(dòng)勾畫ROI進(jìn)行分析，可能影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性； T2*對(duì)組織氧合敏感，亦受血管體積分?jǐn)?shù)和局部紅細(xì)胞壓積的影響，測(cè)量準(zhǔn)確性和圖像質(zhì)量均有待提高。