磁共振T2 mapping和dGEMRIC對膝關(guān)節(jié)再生軟骨的縱向評估

徐賢，陳敏，張君，鐘立森，安寧豫，李雪

1.解放軍總醫(yī)院第二醫(yī)學(xué)中心＆國家老年疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心放射科，北京 100853；2.北京朝陽醫(yī)院放射科，北京 100027；3.解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心醫(yī)學(xué)影像科，北京 100048；*通信作者 徐賢 xuxian_301@163.com

近年來，基質(zhì)誘導(dǎo)的自體軟骨細(xì)胞移植術(shù)（matrix-associated autologous chondrocyte implantation，MACI）已逐步用于治療關(guān)節(jié)軟骨損傷，其臨床效果也得到認(rèn)可[1]。但MACI術(shù)后關(guān)節(jié)再生軟骨在生物學(xué)上出現(xiàn)的動態(tài)變化，其是否形成透明樣軟骨修復(fù)，對于明確軟骨細(xì)胞移植術(shù)后臨床有效性的評價非常重要。MRI無創(chuàng)且軟組織分辨率高，是評估軟骨的最佳方法。既往研究證實，軟骨的T2值與軟骨內(nèi)的含水量、膠原纖維的空間構(gòu)象相關(guān)；軟骨延遲增強的程度與軟骨內(nèi)糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）含量呈負(fù)相關(guān)[2-4]。本研究采用磁共振橫向弛豫時間成像（T2 mapping）和磁共振軟骨延遲增強成像（delayed gadolinium enhanced MRI of the cartilage，dGEMRIC）技術(shù)對人體膝關(guān)節(jié)MACI術(shù)后再生軟骨的膠原纖維空間構(gòu)象和GAG含量進行動態(tài)評估，從生物學(xué)角度動態(tài)評估再生軟骨的修復(fù)過程。

1 資料與方法

1.1 研究對象 本研究為前瞻性研究。選擇2014年1月—2017年12月13例膝關(guān)節(jié)MACI術(shù)后患者的20處軟骨缺損進行MRI評估，其中股骨內(nèi)側(cè)髁4處，股骨外側(cè)髁3處，股骨滑車6處，髕骨7處。13例患者中，男8例，女5例；年齡28～57歲，平均（44.3±9.2）歲。軟骨缺損面積0.6～5.0 cm2，平均（1.71±1.00）cm2，按照國際軟骨修復(fù)協(xié)會（ICRS）標(biāo)準(zhǔn)[5]，缺損程度均為Ⅲ～Ⅳ度。所有受試者均在MACI術(shù)后1、3、6、12個月進行磁共振T2 mapping和dGEMRIC掃描，檢查前所有受試者均簽署知情同意書。本研究通過解放軍總醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)（編號S2015-084-01）。

1.2 MRI檢查 采用3.0 T高場強MR掃描儀（Skyra，Siemens）和15通道膝關(guān)節(jié)表面線圈。采用腳先進、仰臥位模式。患者先行矢狀位3D-VIBE，高分辨矢狀位脂肪抑制PDWI掃描，上述序列用于定位再生軟骨位置。此后行矢狀位T2 mapping成像和注藥前、后T1 mapping序列掃描，T1 mapping成像采用多翻轉(zhuǎn)角的3D-VIBE序列。于注藥前T1 mapping掃描后，靜脈注射釓噴替酸葡甲胺（Gd-DTPA）0.2 mmol/kg，勻速走動10 min，于注射后90～120 min再行T1 mapping掃描。注藥前、后T1 mapping掃描參數(shù)相同，采用西門子智多星引擎技術(shù)保持注藥前后掃描位置一致。

成像參數(shù)：矢狀位3D-VIBE：TR 11.6 ms，TE 5.4 ms，視野（FOV）160 mm×160 mm，矩陣384×384，掃描時間5 min 27 s；高分辨矢狀位PDWI：TR 3 000 ms，TE 31 ms，F(xiàn)OV 160 mm×160 mm，矩陣384×384，層厚3 mm，掃描時間3 min 44 s；T2 mapping：TR 1 921.3 ms，TE 13.8/27.6/41.4/55.2/69 ms，F(xiàn)OV 160 mm×160 mm，矩陣384×384，層厚3 mm，掃描時間8 min 42 s；T1 mapping：TR 15 ms，TE 2.7 ms，F(xiàn)OV 160 mm×160 mm，矩陣384×384，翻轉(zhuǎn)角分別為5°、26°，掃描時間5 min 37 s。

1.3 測量方法 MR圖像數(shù)據(jù)傳至Siemens syngo workplace后處理工作站，生成T2 map和T1 map偽彩圖，結(jié)合外科手術(shù)記錄、矢狀位3D-VIBE、高分辨矢狀位FS-PDWI選擇顯示再生軟骨最佳層面，由2名具有5年以上骨關(guān)節(jié)MRI診斷經(jīng)驗的影像醫(yī)師手工勾畫感興趣區(qū)（ROI）。移植區(qū)ROI根據(jù)再生軟骨的形態(tài)勾畫，包括再生軟骨全層，對照區(qū)ROI為移植區(qū)旁5 mm，且PDWI和3D-VIBE圖像上厚度正常、表面完整、內(nèi)部無信號異常的軟骨，ROI的勾畫避開軟骨下骨及關(guān)節(jié)腔液體。在T2 map融合圖和T1 map融合圖上分別測量T2值和T1值（圖1），并計算ΔR1值（縱向弛豫率差），ΔR1=1/T1增強后－1/T1增強前。

圖1 髕骨后緣移植軟骨T2值測量圖。矢狀位FS-PDWI（A）勾畫ROI并在同層面匹配到T2 map融合圖（B）測量T2值，高分辨PDWI（C）清晰顯示再生軟骨形態(tài)（箭）

1.4 測量者自身及測量者間的一致性評估 對15處再生軟骨進行T2值測量，評估測量者自身及測量者之間的一致性。醫(yī)師1勾畫ROI，測量T2值，1周后再次測量T2值，用2次測量的T2值評估測量者自身的一致性。醫(yī)師2僅進行1次T2值測量，與醫(yī)師1的第1次測量結(jié)果比較，評估測量者之間的一致性。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）進行一致性評價，ICC>0.75認(rèn)為一致性較好。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，正態(tài)分布的計量資料以±s表示。各時間點移植區(qū)與對照區(qū)的全層T2值和ΔR1值比較采用配對t檢驗；移植區(qū)各時間點全層T2值和ΔR1值差異比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD法，P<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一致性分析 醫(yī)師1兩次測量T2值分別為（59.1±6.3）ms和（58.7±6.5）ms，測量者自身一致性檢驗ICC值為0.929（95%CI0.805～0.976）。醫(yī)師1第1次和醫(yī)師2第1次測量T2值分別為（59.1±6.3）ms和（58.0±5.4）ms，測量者之間的ICC值為0.916（95%CI0.755～0.972）。

2.2 T2 mapping結(jié)果 移植區(qū)與對照區(qū)術(shù)后1、3、6、12個月的T2值見表1。對照區(qū)T2值在術(shù)后1、3、6、12個月之間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.19）。移植區(qū)T2值在術(shù)后1、3、6、12個月呈逐漸下降趨勢，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.01）。組間比較發(fā)現(xiàn)，移植區(qū)T2值在術(shù)后1個月與3個月、3個月與6個月間、6個月與12個月間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.01）。MACI術(shù)后1、3、6個月移植區(qū)T2值均大于對照區(qū)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.01），而術(shù)后12個月移植區(qū)和對照區(qū)差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.24）。移植區(qū)和對照區(qū)T2值的差異隨著術(shù)后隨訪時間的延長逐漸縮小。

表1 MACI術(shù)后1、3、6、12個月移植區(qū)與對照區(qū)T2值（ms）

2.3 dGEMRIC結(jié)果 移植區(qū)與對照區(qū)術(shù)后1、3、6、12個月T1增強前、T1增強后和ΔR1值見表2。對照區(qū)ΔR1，T1增強前，T1增強后值在術(shù)后1、3、6、12個月之間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P均>0.05）。移植區(qū)ΔR1值在術(shù)后1、3、6、12個月逐漸降低，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.01）。組間比較發(fā)現(xiàn)，移植區(qū)ΔR1值在術(shù)后1和3個月、3和6個月、6和12個月之間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.01）。MACI術(shù)后1、3、6個月移植區(qū)ΔR1值均大于對照區(qū)（P<0.01），而術(shù)后12個月移植區(qū)和對照區(qū)比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.06），移植區(qū)和對照區(qū)ΔR1值的差異隨著術(shù)后隨訪時間的延長逐漸縮小。MACI術(shù)后再生軟骨T2 mapping和dGEMRIC動態(tài)變化見圖2。

圖2 MACI術(shù)后再生軟骨T2 mapping和dGEMRIC動態(tài)變化。A～D分別顯示MACI術(shù)后1、3、6、12個月的T2值，E～H和I～L分別顯示術(shù)后1、3、6、12個月的T1增強前和T1增強后

表2 MACI術(shù)后1、3、6、12個月移植區(qū)與對照區(qū)T1增強前、T1增強后和ΔR1值

3 討論

隨著細(xì)胞生物學(xué)和材料科學(xué)的迅速發(fā)展，應(yīng)用組織工程學(xué)技術(shù)修復(fù)軟骨缺損已成為可能。但對于活體再生軟骨是否形成透明軟骨樣修復(fù)尚缺乏有效、準(zhǔn)確的臨床評估手段，對于組織工程再生軟骨移植后的轉(zhuǎn)歸缺乏標(biāo)準(zhǔn)的判斷依據(jù)。因此，如何采用無創(chuàng)方法在活體評估關(guān)節(jié)軟骨再生組織的性狀及組成成分，對于臨床軟骨移植工作的開展及療效評估具有非常重要的意義。

關(guān)節(jié)軟骨由軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成，細(xì)胞外基質(zhì)的Ⅱ型膠原纖維及其空間構(gòu)象和蛋白多糖決定了其透明軟骨特性。Nieminen等[6]研究發(fā)現(xiàn)，軟骨被膠原蛋白酶分解后T2值升高，提示T2值能反映軟骨內(nèi)膠原結(jié)構(gòu)的完整性。既往研究證實磁共振dGEMRIC技術(shù)能準(zhǔn)確反映軟骨內(nèi)的GAG含量[7]。軟骨內(nèi)沒有血管成分，靜脈注射的磁共振對比劑無法通過血流直接進入軟骨，軟骨內(nèi)的對比劑通過關(guān)節(jié)腔內(nèi)的滑液緩慢滲入。軟骨內(nèi)的GAG含負(fù)電荷，而磁共振造影劑Gd-DTPA也帶負(fù)電荷，因此，Gd-DTPA滲入的多少與軟骨內(nèi)GAG含量呈負(fù)相關(guān)，GAG缺失的區(qū)域Gd-DTPA濃度會高于正常軟骨，導(dǎo)致局部T1值減低，由此間接反映軟骨內(nèi)GAG含量的多少。此外，Bashir等[8]報道液體內(nèi)的Gd-DTPA約在90 min逐漸滲入關(guān)節(jié)軟骨，此時測得軟骨的T1值與GAG含量具有相關(guān)性，因此，本研究的dGEMRIC在注射Gd-DTPA后90～120 min進行延遲掃描，并適當(dāng)活動關(guān)節(jié)，保證滑液的造影劑充分滲入關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)。結(jié)合dGEMRIC和T2 mapping技術(shù)能間接反映軟骨內(nèi)蛋白多糖、膠原和水的含量，是活體評估關(guān)節(jié)再生軟骨無創(chuàng)、有效的手段。

本研究還發(fā)現(xiàn)：再生軟骨的T2值隨著術(shù)后時間的推移呈逐漸下降的過程，與既往研究報道一致。Watrin-Pinzano等[9]報道老鼠在接受MACI術(shù)后，修復(fù)組織T2值隨時間延長而逐漸減低，指出T2 mapping可評估修復(fù)過程中細(xì)胞外基質(zhì)成分及膠原網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的排列方向改變。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：MACI術(shù)后半年內(nèi)，再生軟骨的T2值高于鄰近正常軟骨，表明在術(shù)后半年內(nèi)膠原空間構(gòu)象尚未形成；但在術(shù)后1年，再生軟骨的T2值與正常軟骨無顯著差異，說明再生軟骨逐漸成熟，膠原空間構(gòu)象逐漸形成。對dGEMRIC的研究發(fā)現(xiàn)，在MACI術(shù)后1、3、6、12個月，移植區(qū)T1增強后逐漸升高，證明再生軟骨的Gd-DTPA滲入逐漸減少，間接反映軟骨內(nèi)GAG含量逐漸升高。Gillis等[10]在對ACI術(shù)后再生軟骨GAG含量變化的研究中發(fā)現(xiàn)：ACI術(shù)后6個月內(nèi)隨訪組的再生軟骨GAG含量明顯低于正常軟骨，但是術(shù)后12個月隨訪的再生軟骨GAG含量與正常軟骨相似。Watanabe等[11]在ACI術(shù)后平均22.7個月的隨訪發(fā)現(xiàn)再生軟骨含量低于正常軟骨，認(rèn)為Gillis等[10]僅對T1增強后進行測量，因而高估了GAG的含量，ΔR1評估GAG含量的準(zhǔn)確性優(yōu)于T1增強后。本研究發(fā)現(xiàn)：移植區(qū)ΔR1值在術(shù)后1年內(nèi)呈逐漸下降趨勢；術(shù)后半年內(nèi)，再生軟骨的ΔR1值高于正常軟骨，再生軟骨的GAG含量仍較低；術(shù)后1年時，再生軟骨的ΔR1值雖然仍高于正常軟骨（1.09±0.27比0.93±0.22），但無顯著差異，表明術(shù)后1年左右，再生軟骨逐漸成熟，GAG含量逐漸接近正常軟骨。

結(jié)合本課題組前期工作[12-14]，本研究發(fā)現(xiàn)在MACI術(shù)后1年時，再生軟骨水腫消退，膠原空間構(gòu)象基本形成，但GAG含量的恢復(fù)需要更長的時間，證明再生軟骨的成熟是一個長期的過程。本研究認(rèn)為再生軟骨T2值與正常對照軟骨T2值比值越接近1，表示再生軟骨的水含量和膠原排列越接近正常軟骨；再生軟骨ΔR1值與正常對照軟骨ΔR1值比值越接近1，表示再生軟骨GAG含量越接近正常軟骨。

本研究存在一定的局限性。對于再生軟骨特性的評估，力學(xué)特性的評估是評價軟骨成熟程度和臨床效能的重要指標(biāo)，因此，未來需要加入力學(xué)特性的評估如彈力成像[15]。盡管MACI在國內(nèi)患者數(shù)量有限，且長時間隨訪限制了患者的納入，但未來仍需要納入更大樣本量，進行更長時間的隨訪觀察，為臨床提供更全面有效的信息。