棕色脂肪MRI定量研究現狀及進展

邵書盈，趙建

棕色脂肪組織(br own adipose t issue，BAT)第一次被提出是在15世紀60年代，瑞士科學家Konr ad von Gessner認為棕色脂肪是介于肌肉和脂肪的一種組織[1]。1966年，Aher ne等[2]首次發現人類嬰兒肩胛間區、腋下和頸部的棕色脂肪團塊，并證實BAT不是白色脂肪組織(whit e adipose t issue，WAT)發育中的一個階段，而是產生熱量的成熟特殊組織。既往認為BAT隨著年齡的增長而消退，并在一個人成年時完全消失。2009年通過葡萄糖類似物18F-脫氧葡萄糖(f l uor odeoxygl ucose，FDG)作為示蹤劑進行正電子發射和計算機斷層掃描(positr on emission and computed t omogr aphy，PET-CT)證實了成年人頸部、鎖骨上部和脊柱旁存在大量代謝活躍的BAT[3]。本文著重介紹BAT的生理功能及MRI評估BAT的各種信號對比和潛在機制，綜述水脂分離技術、PET-MRI、磁共振波譜、血氧水平依賴性MRI、動態對比增強MRI、擴散加權成像、超極化MRI、分子間零量子相干等這些無創定量BAT的磁共振方法的研究進展。

1 BAT的生理功能

BAT幾乎存在所有哺乳動物體內，在新生兒、幼小哺乳動物相對較多，對體溫及能量平衡有重要作用。主要分布于肩胛間、頸部、腋下、腎臟周圍、脊柱等區域，部分WAT中可有少量分布[4]。解偶聯蛋白1(uncoupl ing prot ein1，UCP1)特異性表達于BAT，被稱為BAT產熱活性的生物學標志物[5]。當休息狀態時，UCP1處于抑制狀態，而外界因素發生變化時可促進UCP1表達，UCP1可使H+回流入線粒體內膜，消除質子梯度而與ADP發生解偶聯，使能量以熱能形式釋放[6]。研究表明冷暴露或運動均可激活BAT。當人體受到寒冷刺激時，BAT通過下丘腦激活交感神經系統，釋放去甲腎上腺素作用于β3-腎上腺素受體，依賴于環磷酸腺苷的信號通路被激活，誘導棕色脂肪細胞UCPl蛋白表達，促使儲存的甘油三酯發生脂解作用釋放游離脂肪酸并增加產熱[7]。運動可通過增加線粒體活性加速葡萄糖和脂肪酸的消耗，減少WAT并改善代謝狀況[8]。去甲腎上腺素輸注，胰島素、嚙齒類動物研究中麻黃堿或者飲食中的甲基黃嘌呤(例如咖啡因)等也可增加BAT活性[9]。

2 MRI檢測BAT的優勢

傳統非侵入性檢測BAT活性的標準是PET-CT[10]，但其局限性很明顯。首先這種方法涉及靜脈注射放射性示蹤劑以及CT檢查導致放射性暴露，限制健康人群及兒童的廣泛應用。同時為了獲得BAT在激活狀態下FDG的攝取，檢查者必須經過長時間的冷暴露，準備時間過長且不舒服。由于個體差異例如肥胖程度等導致耐受冷暴露的能力不同以及是否制定個性化顫栗閾值的降溫程序，對探測BAT的體積及活性可重復結果影響很大[11]。而MRI有優秀的組織對比度和空間分辨率，利用目標組織的化學組成和微觀結構的直接影響可以檢測到核自旋的頻率、擴散和弛豫特性等，不需提前冷暴露準備，也無電離輻射的擔憂，可以安全地用于所有年齡段的人類受試者的縱向研究中，了解BAT在整個生命過程中是如何進化的。同時BAT和WAT在組織學上的內在差異可以為MRI定量分析提供不同的信號對比。WAT通常是大的單房空泡樣脂肪滴細胞，而BAT是較小的多房不規則的脂肪滴細胞，相比于WAT，BAT的細胞質數目多，小動脈和小靜脈口徑較大，毛細血管細胞及交感神經纖維末梢更密集，導致更多的血液灌注、耗氧量及代謝活性[12]。

3 定量檢測BAT的MRI序列及其基本應用原理

3.1 水脂分離技術

水分子中氫質子的化學鍵為O-H鍵，而脂肪分子中質子的化學鍵為C-H鍵，造成水分子中的氫質子的進動頻率始終比脂肪分子稍快，射頻脈沖關閉后，水質子相位超前于脂肪質子，當其相位相差180°時可采集檢測水和脂肪組織信號相減的差值，獲得反相位圖像，當其相位相差360°時可采集檢測水和脂肪組織信號相加的和，獲得同相位圖像。水脂分離技術是1984年Dixon利用同向位像和反相位像，單獨產生純水或者純脂肪信號的圖像的技術。常用的技術包括2點Dixon法[13-15]、mDixon(modif ied Dixon)[12,16]、最小二乘法估計和不對稱回波迭代分解的水脂分離技術(it er at ive decomposit ion of water and f at wit h echo asymmet ry and l east-squares estimation，IDEAL)[17-19]。2點Dixon法是指在一次掃描中可同時采集同相位和反相位兩幅圖像，利用后處理分離出水和脂肪信號，主要缺點是當磁場B0不均勻或有顯著磁化率效應時會產生相位誤差，導致不純的水相和脂肪相。IDEAL技術是一種三點Dixon法，不僅可以解決磁場不均勻性的系統缺陷、消除T1弛豫偏差以及校正T2*，還能同時生成脂肪相、水相、同相位、反相位、脂肪分數(f at f ract ion，FF)及T2*，可分辨0～100%的脂肪含量[17]。mDixon技術是基于傳統兩點Dixon水脂成像的六回波重建的改良方法，類似于IDEAL方法[16]。其中FF和T2*、R2*是應用水脂分離技術定量BAT主要的指標。

FF為脂肪信號強度(F)與水(W)和脂肪信號強度的總和之比，即FF=F/(F+W)。棕色脂肪細胞含有比白色脂肪細胞更多的水和更少的甘油三酯含量。在小鼠模型[17-18]和健康人類[13,15]研究中均發現BAT的FF比WAT低。Lundst r?m等[20]通過長時間冷刺激后加熱發現成人頸部及鎖骨上BAT的FF持續降低，表明導致BAT-FF降低的主要原因是脂質消耗，而不是血流灌注。Jones等[21]的研究基于Dixon MRI發現該技術在某些情況下可有效區分BAT和WAT，但無法確定成人體內BAT和WAT的FF的標準閾值。

T2*表示橫向磁化強度的衰減的弛豫時間，是由自旋-自旋弛豫和局部磁場的不均勻性共同引起的[12]，其中R2*=1/T2*。線粒體內膜上鐵的存在以及水-脂肪界面產生的磁化率梯度都造成信號快速衰減，導致BAT通常具有比WAT更低的T2*值[22]。Deng等[23]認為T2*弛豫時間可能隨著耗氧量或血液灌注比例變化而改變。耗氧量增加導致血液中的脫氧血紅蛋白水平升高，導致T2*降低。但血流會帶來更多的氧合血紅蛋白，導致局部脫氧血紅蛋白減少，從而導致T2*升高。當較高的耗氧量超過血液供氧量時，T2*將減少，反之當較高的血液供氧量超過耗氧量時，T2*將增加。Deng等[23]研究發現經過個體化顫栗性產熱的降溫處理的15名受試者，其BAT的R2*值既有降低，也有升高，R2*變化的不確定性可能是由于BAT的生熱過程中局部組織溫度變化所致。目前研究BAT的T2*尚無標準閾值[12]。

3.2 PET/MRI

PET/MRI作為能夠對BAT進行形態和功能評估的工具之一，可通過18F-FDG PET顯示代謝活躍的脂肪組織，通常是使用Dixon水脂分離技術。Fr anz等[14]在一群多次接受PET/MRI檢查而且鎖骨上發現有代謝活性的BAT(PET陽性)的腫瘤兒童中發現他們體內SUV的平均值波動很大，中位數變化為91%，而體內FF的變化很小，中位變化僅為5%，這表明FF值可能與脂肪組織的成分有關，而與當前的代謝活性狀態無關，無論BAT代謝狀態是否活躍，FF均保持相對穩定，所以當檢查者BAT的代謝不活躍而無法在PET圖像上檢測到時，可以使用FF來分析。Hol st il a等[12]發現與皮下WAT相比，健康成人鎖骨上BAT的FF和T2*值明顯降低，FF和T2*值在冷暴露和熱中性溫度下與18F-FDG PET測量的葡萄糖攝入量呈反比，但寒冷暴露沒有明顯影響FF和T2*值，MRI測量值與BAT活性無關。

3.3 磁共振波譜

磁共振波譜(magnet ic r esonance spect r oscopy，MRS)是利用磁共振現象和化學位移作用對特定原子核及其化合物進性分析的無損傷性方法，用以研究活體組織器官代謝和生化變化以及化合物定量分析。理論上甘油三酸酯模型可通過雙鍵數和亞甲基斷裂雙鍵數代表脂肪。光譜學可以利用甘油三酯化學結構的知識來確定甘油三酯的類型。每個共振峰代表一個特異的質子，每個峰的相對面積可通過加入甘油三酯分子中氫原子核的數目及其相關鍵類型來確定[24]。在離體實驗中，Hamil t on等[24]通過MRS檢查發現小鼠棕色和白色脂肪組織之間的3個關鍵的物理特性：脂肪分數、水的T1弛豫率和脂質飽和度，并且它們的差異均基于內源性生化和組織學特征。無論組織的激活狀態如何，這些差異在BAT中均可觀察到。同時由于存在的甘油三酸酯類型不同，發現峰面積不同，研究發現WAT具有比BAT高的雙鍵數和亞甲基斷裂雙鍵數，表明WAT具有更大比例的不飽和甘油三酸酯。Raiko等[25]通過對25名健康志愿者的1H-MRS測量結果發現鎖骨上BAT的甘油三酸酯含量較皮下WAT明顯減低，推測鎖骨上脂肪沉積物中的甘油三酸酯可能是全身胰島素敏感性的獨立標志物，與BAT代謝活化無關。

3.4 血氧水平依賴性MRI

血氧水平依賴性(bl ood oxygen l evel dependent，BOLD)MRI是基于血液氧合水平的功能磁共振成像技術，常用于腦功能的測定[26]。其信號強度主要取決于血液中氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的比例。

Chen等[13]利用水循環背心將健康成人暴露于冷刺激下60 min發現BOLD MRI可連續監測BAT活性變化，同時BAT中的BOLD信號增加了(10.7 ±1.8 )%，其信號變化程度明顯大于腦功能磁共振成像。BAT中的高BOLD信號變化可能是由于BAT激活造成的高代謝需求狀態需要更多的血流動力學來滿足。還有一些研究不僅僅局限于BAT本身，而延伸到其他心臟及神經系統等。Panagia等[27]發現使用BOLD MRI來探測心力衰竭對BAT形態和功能的影響，心力衰竭導致BAT的慢性激活，同時BAT體積減少，可能與急性生理刺激的反應能力明顯下降有關。Muzik等[28]發現在人類中觀察到的冷暴露BAT量的可變性可能在一定程度上與感覺間的大腦皮層區域對皮膚溫度變化的不同敏感度有關。

3.5 動態對比增強MRI

動態對比增強MRI(dynamic contr ast enhanced MRI，DCE-MRI)是一種T1加權成像技術，可通過獲取靜脈注射對比劑(釓螯合物Gd-DTPA或超順磁性氧化鐵納米顆粒SPIO)之前、之中、之后的連續多期的高分辨率的圖像，通過計算機處理評估組織的血流情況，獲得組織微循環功能的各種參數。例如容量轉移常數(vol ume t r ansf er constant，Ktrans)、速率常數(flux rate constant，Kep)、血管外細胞外間隙容積分數(volume f r act ion of ext r avascul ar ext r a vascul ar space，Ve)等。Ktrans是從血漿到組織間隙的體積轉移常數的量度，代表對比劑的攝取。Kep是從組織間隙返回血漿的轉移常數，代表對比劑廓清。計算公式為Kep=Ktrans/Ve。Ktrans反映的是組織內毛細血管通透性及血漿流量共同作用的結果，Ktrans值越高則表示組織的血漿流量和組織血管滲透性越高。

Jung等[29]在冷暴露后小鼠的BAT中檢測到鑲嵌于富含甘油三酸酯的脂蛋白的Fe標記的SPIO攝取明顯增高，可以提供有關BAT在脂蛋白代謝中的信息。Yal igar等[30]發現冷暴露和β3-腎上腺素能激動劑均使小鼠肩胛間區BAT的Ktrans顯著增加。Ktrans的增加是由于激活過程中BAT的血流灌注增加，對比劑攝取增加。與BAT相比，WAT中的對比劑攝取量非常小。

3.6 擴散加權成像

擴散加權成像(dif f usio n weight ed imaging，DWI)是一種MR成像技術，廣泛應用于腫瘤學和神經影像學領域，依賴于水分子在不同組織中的擴散運動能力不同來檢測組織的微觀結構。ADC是量化DWI的參數，表示不同方向的分子擴散運動的速度和范圍，目前在脂肪評估應用較少。由于水分子不能通過線粒體內膜，因此線粒體內外的水分子擴散受到很大限制，受限的水分子形成較小的ADC，同樣由于脂質被限制在BAT中較小的脂質液滴中，因此脂質分子在BAT中的擴散也受到更大的限制。擴散加權MRI中，與WAT相比，BAT中可以測量到更小的脂肪ADC[22]。Deng等[31]利用DW-BLADE序列發現相比于正常兒童，肥胖兒童的BAT所含的脂肪細胞比例和體積更大，導致細胞外空間減少，降低組織的水分流動性，從而導致擴散系數低，ADC略低。

3.7 超極化MRI

超極化MRI是指利用傳統MRI檢測注射入生物體內可自旋極化的超極化生物探針大幅度提高MRI信號的技術，是研究BAT的新方法，有助于鑒定和表達BAT的代謝活性。常用原子核為13C和129氙(129Xe)。

Riis-Vest ergaard等[32]通過[1-13C]丙酮酸MRI發現與熱中性條件相比，冷暴露的小鼠肩胛間區BAT丙酮酸代謝增加了5.5 倍，這與通過PET/MRI測量的FDG攝取的5倍增加非常吻合，說明超極化MRI可檢測到BAT活性，可能是用于促進人體BAT激活的有希望的無輻射工具。

超極化129氙氣MRI通過自旋交換光學泵浦的過程對氣體進行預先超極化，超極化之后，受試者或動物吸入的氣體從肺腔擴散到肺實質和血液。隨后溶解的氣體被輸送到遠端器官，按組織灌注率和組織血液分配系數成比例累積。隨著氙氣擴散到不同的組織間隙中，其化學位移發生變化，從而可以區分溶解在血液中的氙氣和溶解在組織或脂質中的氙氣[33-34]。Br anca等[33]利用氙的親脂性質檢測BAT溫度變化(＜1°C)和刺激后激活的BAT對氙氣的吸收增強15倍以上來區分該BAT與周圍組織。Antonacci等[34]通過超極化氙氣使用磁共振測溫法發現腎上腺素刺激后UCP1基因敲除小鼠肩胛間區BAT溫度比直腸溫度升高更快，證明了UCP1敲處小鼠的肩胛間區BAT中可能存在獨立于UCP1的非顫栗產熱機制。

3.8 分子間零量子相干

分子間零量子相干(int er mol ecul ar zer o-quant um coher ence，i ZQC)是一種高分辨率的核磁共振譜，可以在細胞水平上探測脂肪和水自旋之間的空間相關性，從而克服檢測WAT和BAT混合物或位于內臟器官周圍的BAT時出現測量脂肪分數的誤差。該方法可以在約100μm的距離處檢測水和脂肪自旋之間的分子間零量子相干躍遷，Br anca等[35]研究發現在小鼠肩胛間區BAT的i ZQC光譜中檢測到亞甲基水峰，該峰在WAT和肌肉組織的光譜中完全不存在，可以視為BAT組織的標記。

4 臨床意義

4.1 肥胖

肥胖是指體內脂肪堆積過多、體質量增加，與高糖尿、血脂異常、高血壓等代謝性疾病，甚至結腸癌、胰腺癌等密切相關。MRI技術FF、T2*均可顯示BAT在調節體內脂肪儲存中的重要作用。

Hu等[17]通過比較體質量較瘦小鼠和ob/ob小鼠(瘦素激素不足導致肥胖)之間的BAT的FF差異，發現ob/ob小鼠的FF更大，同時每組中BAT的FF值始終低于WAT，差異在瘦小鼠中更明顯，提示瘦小鼠對BAT生熱的需求增加，ob/ob小鼠出現瘦素激素缺乏和BAT代謝活性降低。在嬰兒和兒童中，Hu等[16]發現嬰兒的鎖骨上BAT的FF低于兒童，體質量指數偏小的兒童的BAT的FF低于超重兒童，推測是BAT數量和代謝活性在嬰兒和瘦弱兒童多，與體質量指數呈反比。Deng等[31]在9～15歲的兒童中發現BAT的T2*值，正常體質量者為(12.5 ±4.0 )ms，肥胖者為(15.6 ±4.9 )ms。Hui等[36]發現在青少年中正常體質量的BAT T2*[(13.7 ±2.5 )ms]與肥胖組[(17.0 ±4.4)ms]相比較低。

4.2 骨質疏松癥

骨質疏松癥是指以骨量減少，骨小梁稀疏、斷裂導致骨的脆性增高及骨折危險性增加的一種全身性骨病，已經成為影響老年人生活質量甚至死亡的常見原因，據報道，我國每14人中就有1人患有骨質疏松癥[37]。越來越多的證據表明BAT與骨合成代謝之間存在聯系。Seal e等[38]通過譜系追蹤的方法證實棕色脂肪細胞和白色脂肪細胞不是來源于同一個祖細胞，經典棕色脂肪從祖細胞發育開始，在某一時間點會表達肌源性標記基因Myf 5，而白色脂肪不表達相關基因。目前BAT與骨聯系的研究大多通過PET/CT來進行，Lee等[39]研究表明健康女性體內BAT量與骨密度呈正相關。Ponr art ana等[40]在兒童和青少年中BAT的體積與骨量和股骨的橫截面大小正相關，Ander sson等[19]對7歲兒童進行MRI檢查發現頸部-鎖骨上-腋窩BAT的FF與大腿肌肉體積呈負相關。這些研究結果提示BAT活性與骨代謝是正性相關的。雖然MRI上目前很少有相關報道，但利用MRI探究BAT與骨量的關系是一種防治骨質疏松的新途徑。

5 目前研究方法及技術的局限性及展望

目前水脂分離技術的FF值已經成為最常于表達BAT的指標，但不能準確檢測脂質含量。即使在MRI體素的亞毫米空間分辨率下，僅靠FF值也不能區分純棕色脂肪細胞和白色與棕色脂肪的混合物，脂肪滲入器官和骨骼肌的情況也會影響FF值。而基于水和脂肪自旋之間的i ZQC可克服該限制，但臨床掃描儀的低信噪比限制了其在人體上的應用，目前僅用于高場強7.0 T、9.4 T的動物研究中。MRS定量脂肪準確性很高，但由于對磁場均勻度要求高，采集需要使用長重復時間降低T1加權效應和多重回波時間來校正T2加權效應，技術穩定性差，影響了測量準確性。PET-MRI是目前BAT的理想功能成像，但PET本身分辨率不高，無法對廣泛分布在全身的BAT微小區域進行更好地評估。BAT的成像是具有挑戰性的，BAT的形態和活性取決于一系列的環境(例如溫度)和激素條件，未來的成像研究設計應該更加注意這些因素。BAT易受到呼吸運動及動脈搏動的影響，引起的組織移位和主磁場的波動，會明顯影響DWI、T2*等圖像，也需要進一步解決。

綜上所述，MRI作為評估BAT的工具之一，具有高組織分辨率、低電離輻射、可多參數表征脂肪的特點。水脂分離技術、MRS、PET-MRI這些是研究BAT功能的常用技術，而BOLD、DEC-MR是目前被認為可探測BAT活性的技術，DWI、超極化MRI、i ZQC是進一步研究的有趣的途徑，FF、T2*及R2*都是用于測量BAT的穩健參數，使得MRI可以用于BAT的識別和量化。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。