多模態磁共振成像技術在糖尿病腎病中的研究進展

周倩，周紀宇，郭達，敬宗林

糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN)是糖尿病常見的微血管并發癥之一，是導致慢性腎臟病及終末期腎病(腎衰竭)的重要原因[1,2]。目前臨床診斷常用的實驗室指標，如血清肌酐、微量蛋白尿、尿微量蛋白/肌酐比值(albumin creatinine ratio，ACR)及估算的腎小球濾過率(estimated glomerular filtration rate，eGFR)等，容易受到發熱、感染、24h劇烈運動等的影響，故而對早期糖尿病腎病的診斷缺乏敏感性及特異性[2,3]。有研究表明，若在糖尿病腎病早期(微量蛋白尿期)及時診斷并進行有效治療，可有效控制其病程進展甚至逆轉腎功能損害，而一旦出現持續性蛋白尿則病情常很難逆轉，最終會發展成終末期腎臟病(尿毒癥期)[4]。在糖尿病腎損害的早期，腎臟出現缺血缺氧、分子擴散等功能性改變，但由于腎臟自身具有強大的代償功能，實驗室結果多表現為陰性[5]，當出現癥狀就診時大多數患者已經進展到中晚期(腎小球濾過率持續性下降)，最終出現不可逆性腎損害。腎活檢是檢測早期DN的金標準，但由于其具有創傷性，故臨床上不能廣泛應用于DN的早期診斷。

DN的病理改變最初為腎臟肥大、腎小球血流量增加，接著腎小球系膜細胞增殖，細胞外基質積聚，腎小球及腎小管基底膜增厚，腎小球結節性病變(K-W結節)的形成，最終導致腎小球硬化、腎小管萎縮和間質纖維化。糖尿病早期腎體積增大，腎小球濾過率增加，呈高濾過狀態，腎小管重吸收負荷增大，氧消耗增加；在持續高血糖、血流動力學改變等因素影響下，腎小管上皮細胞出現氧化應激反應，細胞線粒體受損，出現氧利用障礙及腎血流灌注減少，進一步加重腎組織細胞的缺氧。長期慢性缺氧會促進腎臟炎癥反應，導致腎小球硬化、腎小管間質纖維化，從而引發惡性循環，加快糖尿病腎病的進展，導致終末期腎病[6,7]。

目前臨床常用的影像學檢查方法多需要使用外源性對比劑，這不僅加重腎臟的負擔，且不能夠早期發現腎功能的異常改變。對于糖尿病患者來說，對比劑腎病的發生率為5.7%～29.4%，而且隨著血清肌酐水平的升高，對比劑腎病的發生風險會顯著增高。近年來，影像學技術飛速發展，出現了很多新的技術，如磁共振彈性成像(magnetic resonance elastography,MRE)、磁共振動脈自旋標記(arterial spin labeling,ASL)、血氧水平依賴(blood oxygen level dependence,BOLD)成像、擴散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)及擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)、體素內不相干運動成像(intravoxel incoherent motion,IVIM)等功能磁共振技術，這些成像技術在提供腎臟形態學信息的同時還能反映腎臟功能改變，為解決上述臨床遇到的困境提供了無創、可靠的技術支持。本文就功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技術在DN中的應用進行綜述。

血氧水平依賴成像

BOLD成像是以脫氧血紅蛋白作為內源性對比劑，利用脫氧血紅蛋白的順磁特性來評估局部組織氧合情況的一種新的fMRI技術。脫氧血紅蛋白通過改變周圍水分子的自旋特性，引起局部腎組織周圍磁場不均勻，來縮短表觀自旋-自旋弛豫時間(T2*)。表觀弛豫速率(R2*)與特征T2*弛豫時間成反比，R2*(=1/T2*)反映組織脫氧血紅蛋白水平，與脫氧血紅蛋白水平呈正相關[8]。R2*值降低意味著脫氧血紅蛋白濃度的降低和組織pO2的增加。

越來越多的研究表明，長期慢性缺氧在DN的病理生理變化中起主導作用，且缺氧的變化可在早期DN中觀察到[9-11]。dos Santos等[12]在2007年就通過動物實驗發現，BOLD-MRI在糖尿病大鼠造模2天后就能檢測到其腎臟缺氧的變化，Chen等[13]的研究同樣證實，在腎實質和間質發生任何不可逆損傷之前，BOLD-MRI就可以檢測到腎內氧代謝的變化。Feng等[14]的研究發現單純糖尿病患者的髓質R2*值顯著高于對照組和微量白蛋白尿患者，這一發現也證實了髓質缺氧發生在早期(正常白蛋白尿期)，這可能與糖尿病患者早期受高血糖、高灌注影響，使腎小球濾過功能增加、腎小管重吸收負荷增大，腎臟氧耗增加，從而引起腎小管功能性缺氧有關[6]，說明BOLD-MRI在糖尿病患者早期腎功能改變的無創性評估中具有重要作用，為臨床早期對DN進行診斷、干預提供了依據。Jiang等[15]的研究顯示，腎髓質R2*鑒別正常腎臟、早期DN (eGFR≥60 mL·min-1·1.73m-2)及腎皮質R2*值在區分早期、中晚期糖尿病腎臟疾病(diabetes kidney disease，DKD)(eGFR<60 ml·min-1·1.73m-2)方面具有較高的診斷效能，說明BOLD-MRI在區分不同分期DN方面也具有一定的臨床價值。目前利用BOLD-MRI預測DN進展、評估藥物對DN的影響及療效是新的研究方向，但由于目前研究所納入的DN患者較少，且不同病因導致的慢性腎病腎缺氧機制并不相同，因此還需要更多的研究來驗證BOLD-MRI能否預測未來DN的功能變化。

動脈自旋標記

動脈自旋標記(ASL)是一種無需靜脈造影就能量化組織灌注的成像技術。MRI對于流動質子與靜態組織質子自旋磁化程度的差異十分敏感，ASL正是基于這一原理，利用磁性標記的動脈血內的水質子流入成像層面與組織交換產生的信號差異進行成像，對標記前后的圖像進行減影分析，可以得到腎血流量(Renal blood flow,RBF)的定性、定量圖[16,17]。

目前可用于評估糖尿病患者腎臟灌注的方法有很多，如多普勒超聲可以檢測腎動脈狹窄或腎靜脈血栓的形成，也可以通過阻力指數間接測量腎內血管生成情況，但不能直接量化腎灌注血流量；另外更準確量化腎臟灌注情況的方法，如內源性對氨基馬尿酸(Para-aminohippuric acid，PAH)清除試驗或放射性核素顯像，但這些檢查方法需要侵入性技術，同時會加重DN患者對比劑腎病發生的風險。而ASL既克服了有創性，又能直接量化腎臟的灌注情況。

腎臟灌注受損被認為是不同病因條件下腎臟損害的早期標志,然而，定量評估腎臟微血管灌注仍然是一個挑戰[18]。已經有研究發現ASL測得的腎血流量與動態磁敏感對比增強掃描(dynamic sensitivity comparison,DSC)測得的血流量具有良好的相關性[19]，這為ASL評估糖尿病患者腎臟灌注水平提供了可能。José等[18]研究顯示，與非糖尿病患者相比，糖尿病患者的腎臟灌注減少，同時在腎小球濾過率正常的DM2患者中也觀察到腎臟灌注的改變，這可能與高血糖、高蛋白飲食、腎小管流量增加、腎素-血管緊張素-醛固酮系統引起的高濾過率以及腎小管直徑相對增寬有關[20]，說明ASL能夠檢測糖尿病患者在不同階段腎臟損害時腎臟灌注的微小變化。劉波等[21]的研究也證實了DN中重度患者皮質RBF值顯著低于單純糖尿病組及DN輕度組，并且皮質RBF值與eGFR呈正相關,提示糖尿病腎病的進展會加重腎功能損傷，說明ASL能夠準確、簡便、安全地評估糖尿病患者腎皮質的灌注情況及腎小球的濾過功能。Li等[22]的研究同時發現ASL測得的腎血流量與胱抑素C的腎小球濾過率直接的相關性更高。章娜等[23]研究發現，ASL鑒別單純糖尿病組與糖尿病腎病腎功能受損組的敏感度、特異度分別為76%、82%，提示ASL測得的RBF可作為早期篩選糖尿病腎病患者腎功能受損的指標。

擴散峰度成像

擴散峰度成像(DKI)是近年來興起的一種基于非高斯分布的擴散加權磁共振成像技術。DKI是擴散張量成像(DTI)的一個直接擴展，DTI是用于描述水分子隨機位移分布的常用模型，很多研究已經證實DTI中反映各項異性的參數FA與腎臟的微觀結構變化相關[14,24]。而對于真實的生物組織，水分子的擴散實際上是在細胞間隙、細胞內運動，其運動必然不是自由運動，而是非高斯分布的。DKI是最常用的非高斯模型之一，在該模型中除了分數各向異性(FA)和平均擴散系數(MD)等傳統的擴散度量外，還得到了包括平均峰度(MK)、徑向峰度(K⊥)、軸向峰度(K //)和峰度各向異性(FAK)在內的峰度參數，它們反映了擴散偏離高斯分布的程度，從而能反映水分子在組織結構中的復雜程度[25-27]。

全組峰度參數的初步結果很好地證明了水在人體腎臟特別是腎髓質中的非高斯擴散行為，提示DKI的峰度圖可以為揭示腎的微觀結構和功能改變提供補充信息，DKI在其他腎臟疾病的初步探索也證實了它在評估腎臟結構和功能改變方面的可行性[28-31]。糖尿病腎病患者的腎臟微觀組織結構會隨著疾病的進展越來越復雜，如出現腎小球硬化、腎小管間質纖維化等改變，從而限制水分子的擴散。呂杰財等[32]研究證實，隨著疾病進展，皮質與髓質的峰度參數值(MK、K⊥、K //)逐漸升高，特別是皮質MK值的診斷準確度最高(AUC>0.8)，同時皮質MK、K⊥、K //值與尿白蛋白排泄率(urinary albumin excretion rate，UAER)呈正相關，提示DKI的皮質MK值可以提示DN的早期腎損害情況，同時對糖尿病腎病的分期具有一定參考意義，可作為DN進展情況的動態監測指標。魏偉等[33]研究發現，DN患者組MD及FA值均低于對照組，而MK值高于對照組，ROC曲線顯示DKI各參數(MD、MK、FA)曲線下面積分別為0.776、0.806、0.755，敏感度和特異度分別為87.5%和52.6%、84.2%和62.5%、68.8%和63.2%，說明DKI可間接反映糖尿病患者腎臟的早期水分子變化，定量參數MD、MK、FA可作為反映早期腎病的無創性指標。

體素內不相干運動擴散加權成像

由于生物體內的組織結構復雜，包含多種組織成分，因此臨床上常用的單e指數(mono-exponential)模型只能得到體素內的平均擴散系數，反映擴散的一個總體情況。為了獲得更多的微觀結構信息，出現了許多多b值擴散模型，可以從不同方面來揭示微觀結構的擴散信息。IVIM通過雙e指數模型(bi-exponential)來計算得到快擴散(D*)和慢擴散(D)兩個擴散系數，以及快擴散對應的比例系數(f)。這兩個擴散系數能同時反映毛細血管微灌注情況及組織外間隙擴散的信息。D*值與血流運動的速率相關，反映了灌注方面的信息；D值則是我們常規理解的擴散系數，與細胞間水分子的擴散速率相關，反映了細胞外間隙的密度與結構差異。多項研究已經證明了IVIM-DWI在糖尿病腎病中的應用價值，并認為在預測腎功能改變時，IVIM較單純DWI更具價值[34-37]。

Feng等[34]的研究結果顯示微量蛋白尿(moderately increased albuminuria，MAU)組及正常蛋白尿(normal to mildlyincreased albuminuria，NAU)組糖尿病患者的髓質和皮質D值均低于健康對照組，且MAU組較NAU組明顯降低。這一結果表明，在蛋白尿檢測到異常之前，某些糖尿病患者的腎臟微觀結構就已經發生了變化，這可能與腎小球基底膜增厚、腎小管上皮細胞腫脹、系膜增生、透明物質在腎小球基底膜上皮細胞內積聚、毛細血管和包膜粘連及能量代謝受損有關[38-40]，這些組織學變化減少了細胞外間隙和腎臟的含水量，從而使得腎臟皮髓質水分子擴散受限[41]。此外，在早期過程中少量炎性細胞的浸潤，也會增加細胞密度[38]。Feng等還發現，MAU組髓質D*值、皮質f值均顯著高于健康對照組，且MAU組髓質D*值較NAU組顯著降低，提示隨著病情發展，皮質高灌注持續存在，而當蛋白尿再適度增加時，髓質高灌注降低到接近正常水平，說明腎皮質對損失有一定的儲備能力，而髓質易受缺血缺氧的損傷，這與BOLD中髓質R2*值的變化趨勢一致。李標達等[36]的研究也印證了這一點。而通常ACR在30～300 mg/g之間的糖尿病患者，臨床上才被認為是DN的先兆，它反映了腎小球和腎小管間質的損害，結合先前的研究我們知道，IVIM的參數D、D*、f值在蛋白尿出現異常之前都被檢測到有變化，說明這些評價指標在檢測DN患者早期腎臟改變時比ACR更敏感。

磁共振彈性成像

磁共振彈性成像(MRE)是一種非侵入性定量檢測軟組織彈性及結構的影像檢查手段。在MRE的檢測過程中，通過外界的振動裝置將輕微的機械震動(30～70 Hz之間)傳播到所需研究的組織部位，再經MRI對振動波進行采集。在后處理中，根據振動波在組織內部的波長及振幅，便可以重建出組織的結構及彈性值，也就是量化組織的軟硬程度[42]。

糖尿病是慢性腎臟病(CKD)最常見的病因，腎纖維化是導致終末期腎臟病的最終共同途徑的關鍵組成部分。DN病理表現主要包括腎小球系膜細胞增殖、腎小球基底膜增厚及腎小球結節性病變(K-W結節)的形成，最終發展為腎小管間質纖維化及腎小管萎縮等。目前MRE對于移植腎腎病的纖維化程度的評估已取得初步進展[43-44]，Lee等[44]前瞻性地評估了MRE在腎移植患者中的可行性，并將測量的磁共振彈性硬度值與活檢證實的組織病理纖維化聯系起來，發現中度纖維化患者的平均僵硬度有高于輕度纖維化患者的趨勢，這為MRE評估DN患者腎間質纖維化程度提供了可能。目前，MRE在糖尿病腎病中的研究較少，Brown等[45]研究發現，在90HZ時MRE顯示隨著糖尿病腎病的惡化，腎臟彈性值逐漸下降，3期、4期和5期CKD患者的測量值明顯低于正常對照組，提示腎實質硬度隨著DN的進展逐漸增加，但由于DN患者同時伴隨著腎臟灌注的減低，這會降低組織的腫脹及僵硬程度，故在采用MRE評估糖尿病腎病腎纖維化程度時，不能單純地把所測得的磁共振彈性硬度值完全等價于腎臟纖維化程度，還應考慮到灌注的影響。目前，MRE在腎臟方面的研究尚處于初級階段，還需要進行更多的研究進一步證實。

問題與展望

fMRI是一種安全、無創、可重復性好、靈敏度高的成像方法，能夠提供定量參數來評價腎臟微觀結構和功能的改變。然而BOLD、ASL-MRI、DKI、IVIM-MRI及MRE尚處于研究的初級階段，目前國內外對于DN早期診斷及分期等方面的研究缺乏統一標準，同時由于穿刺活檢的時效性及有創性，大多數研究結果缺乏相應的金標準進行對照。同時，以往對于DN的研究多局限于灌注、氧合水平或水分子運動變化的某一方面的改變，缺乏對腎臟功能進行整體、全面的分析。以上幾種fMRI技術分別從不同的層面對DN患者進行評估，為臨床提供了更全面的影像學信息，目前聯合運用多種fMRI技術對DN進行評估以及關于DN的療效評估、預后判斷方面的研究較少，可作為今后研究的方向。