王蕊 綜述　　王霄英 審校

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·綜述·

腎臟功能磁共振成像的動物實驗研究進展

王蕊 綜述王霄英 審校

腎臟作為人體重要的功能代謝器官，其病理生理機制十分復雜。腎臟功能磁共振成像可無創(chuàng)性反映腎臟血流灌注、氧耗及擴散方面的變化。本文對腎臟功能磁共振成像在動物實驗方面目前國內外研究進展及面臨的問題進行綜述。

腎臟； 磁共振成像； 功能成像； 動物實驗

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、清除體內代謝廢物、維持內環(huán)境穩(wěn)定。腎臟具有內分泌功能，能生成腎素、促紅細胞生成素、活性維生素D3、前列腺素及激肽等，同時腎臟又是機體部分內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制十分復雜，以人作為實驗對象來研究疾病發(fā)生機制，不僅在倫理上存在限制，同時在實驗方法上存在局限性；而借助于動物模型，可通過改變自然條件下不可能或不易排除的因素，以便更好地獲得實驗結果，并與人類疾病進行比較，有助于更方便、有效地認識人類疾病的發(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構，而且可采用功能成像技術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如動脈自旋標記成像(arterial spin labeling，ASL)、評估組織氧合水平的技術如血氧水平依賴成像(blood oxygen level dependent，BOLD)和氧攝取分數成像(oxygen extraction fraction，OEF)、評估組織水分子擴散運動的技術如擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)和擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)。本文將根據以上分類對腎臟功能成像動物實驗研究進展進行綜述。

動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，已廣泛應用于顱腦，近年來在腎臟中的應用逐漸增多，且多與BOLD成像相結合，可同時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)現對比劑注射后1 h腎皮質血流量(renal blood flow，RBF)顯著減低，24 h后降至最低，48 h后恢復至基線水平，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)現在對比劑注射后12～48 h腎臟皮質及外髓RBF值均顯著降低，而在72～96 h恢復至基線水平。Wentland等[3]以小型豬為研究對象，通過注射乙酰膽堿誘導腎臟高灌注，注射異氟烷誘導腎臟低灌注，發(fā)現ASL可以敏感反映腎臟血流動力學變化。Zimmer等[4]在單側腎缺血模型中應用ASL及動態(tài)對比增強成像(dynamic contrast enhanced,DCE)，并對兩者結果進行對比，發(fā)現無論ASL還是DCE，均可檢出急性缺血側腎臟灌注的減低，且兩者結果相近，提示ASL可用于腎臟血流灌注異常的檢出。

隨著MR技術的發(fā)展，ASL在腎臟灌注成像動物模型中的應用越來越廣泛，但仍面臨一些挑戰(zhàn)：①易受磁場不均勻性及呼吸運動影響；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算；③標記效率有待提高。

動物腎臟氧合水平研究

1.BOLD

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

近年來，BOLD成像被認為是無創(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對比機制，即血液中順磁性的脫氧血紅蛋白會導致血管和周圍組織之間產生較大的磁敏感差異，使血管周圍氫質子的共振頻率發(fā)生變化，在高場強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，并可進行成像。

BOLD最早在1996年由Prasad等[7]應用于腎臟MR成像研究。楊學東等[8]以Wistar大鼠為研究對象，評價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)，并評價兩位觀察者間及觀察者內的一致性，結果發(fā)現腎臟BOLD在兩位觀察者間及觀察者內均具有較好的一致性，可用于研究。在此實驗基礎上，楊學東等[9]分別評價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)現第30天和第50天大鼠注射呋塞米前，大鼠在不同時間點皮髓質R2*值穩(wěn)定，而注射呋塞米后大鼠腎臟皮髓質R2*值均降低。Pedersen等[10]以豬為研究對象，評價腎臟BOLD成像測得的R2*與氧敏感電極測得的氧分壓之間的關系，發(fā)現豬腎臟皮髓質R2*與氧分壓有很好的相關性。

腎臟BOLD在動物疾病模型里有廣泛的應用。Ries等[11]以糖尿病腎病大鼠模型為研究對象，發(fā)現與對照組正常腎臟相比，糖尿病大鼠腎臟皮質、外髓外帶、外髓內帶及內髓的T2*值明顯降低，推測由于糖尿病腎病大鼠繼發(fā)于高濾過的主動水重吸收增加，導致耗氧量增加；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]在腎缺血模型中應用BOLD成像，以豬為研究對象，評價急性腎動脈閉塞后腎臟皮髓質R2*值變化，研究發(fā)現急性腎動脈閉塞時腎臟皮髓質R2*值明顯升高，而閉塞解除后腎臟皮髓質R2*則很快恢復，提示BOLD成像能敏感且可靠地反映急性腎缺血，此結果與Pohlmann等[13]在大鼠缺血再灌注損傷模型中的研究結果一致。BOLD在高血壓腎臟模型中也有研究，Li等[14]發(fā)現高血壓組大鼠與對照組正常大鼠基礎R2*值接近，但在注射NO合成抑制劑后，正常對照組大鼠髓質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)現靜脈注射對比劑1h后，兔子腎臟外髓內帶R2*值顯著升高，并持續(xù)升高至對比劑注射后24 h，但48 h后恢復至基線水平。Chen等[2]以SD大鼠為研究對象，經靜脈注射對比劑，發(fā)現注射后0.5～48 h大鼠腎臟髓質R2*值顯著升高，提示對比劑注射后腎臟髓質耗氧量增加。

目前腎臟BOLD成像仍存在局限性：①BOLD成像的基礎為磁敏感效應，B1場不均勻及腹腔腸管磁敏感偽影會干擾成像；②BOLD信號受到生理條件的影響，如心輸出量、血管搏動，而呈現波動性；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果，而BOLD成像只能檢測到氧合狀態(tài)的綜合結果，無法反映血流灌注和氧耗的獨立貢獻。 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)，血流量相應減少，此時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脈結扎后獲得急性腎缺血模型，發(fā)現術后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。

動物腎臟水分子擴散研究

1.DWI

DWI是目前唯一能夠無創(chuàng)性檢測活體組織內水分子擴散運動的檢查手段，隨著MRI設備及技術的發(fā)展，DWI在腎臟研究中的價值得以展示。

Liu等[20]對狗的左腎動脈進行不同時間的結扎，發(fā)現腎臟急性缺血模型左腎皮髓質表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)值明顯減低，隨后去除結扎，得到缺血再灌注模型，左腎髓質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壓力增加均有關。Wang等[21]通過對兔靜脈注射碘對比劑，發(fā)現腎臟ADC值在注射后1 h內下降，24～48 h達最低值，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。

DWI作為目前唯一可對活體組織進行無創(chuàng)性分子成像研究的MR技術，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值，但目前多采用單激發(fā)SE-EPI序列，臨床應用尚存在一定的局限性。

2.DTI

DTI是對DWI技術的延伸和改進，由于擴散張量成像并非平面過程，除了能觀察水分子擴散幅度上的受限程度，DTI還可顯示水分子擴散運動方向性的差異。DTI目前多應用于神經系統的研究，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)現腎臟DTI通過分析各向異性分數(fractional anisotraphy，FA)可以提示腎臟腎小球硬化、間質纖維化及腎小管損傷等病理學改變，提示DTI可能作為無創(chuàng)性檢測糖尿病腎病相應病理學改變的一種檢查手段。

綜上所述，隨著MR技術不斷進展，ASL、BOLD、DWI分別作為無創(chuàng)性評估腎臟灌注、耗氧及水擴散的檢查手段，在動物模型中已廣泛使用，可以敏感地反映多種動物疾病模型早期的腎臟血流、氧耗及組織水分子擴散方面的改變，通過結合功能磁共振定量參數和生化指標、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)生機制。隨著MR技術的進一發(fā)展、動物研究工作的成熟，可以預見，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作用。

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100034北京，北京大學第一醫(yī)院醫(yī)學影像科

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)