赵凯,隋雪晴,王蕊,林志勇,王素霞,王霄英
双能量CT多期增强扫描评价兔糖尿病肾病模型滤过功能受损的初步研究
赵凯,隋雪晴,王蕊,林志勇,王素霞,王霄英
【摘要】目的:以兔糖尿病肾病(DN)模型为研究对象,利用双能量CT(DECT)多期增强扫描评估肾脏滤过功能的变化。方法:10只新西兰大白兔入组,注射四氧嘧啶72h后,血糖浓度>16 .0 m m ol/L认为DM模型诱导成功,DM诱导成功者在注射后28 d血糖浓度仍保持>16 .0 m m ol/L认为DN模型制作成功。采集2个时刻的DECT数据:四氧嘧啶注射前的基线数据和DN模型数据。用双能量分析软件测量6个时间点(注射对比剂10~60 min内,每隔10 min行1次DECT扫描)肾皮质碘浓度,比较基线与DN模型的时间-浓度曲线,并将正常肾脏与DN模型肾脏的光镜、电镜病理进行比较分析。结果:10只兔子中7只成功诱导DM,最终4只DN模型制作成功,并完成DECT数据采集。病理结果提示DN模型的肾脏均有明确DN病理改变。基线数据显示:对比剂注射后10~60 min内,兔子肾脏皮质碘浓度均呈现下降趋势;而DN模型数据显示:对比剂注射后10~60 min内,兔子肾脏皮质碘浓度无明显下降趋势,DN模型尚未进入对比剂分泌阶段,提示其肾脏滤过功能受损。结论:DECT多期增强扫描可检测DN模型肾脏滤过功能的受损。
【关键词】糖尿病;糖尿病肾病;肾小球滤过率;疾病模型,动物;体层摄影术,X线计算机
作者单位:100034 北京,北京大学第一医院医学影像科(赵凯、隋雪晴、王蕊、林志勇、王霄英),超微病理中心(王素霞)
糖尿病肾病(diabetic nephropathy,DN)是由糖尿病引起的、危害性最大的慢性并发症之一,其临床特征为蛋白尿、渐进性肾功能损害、高血压、水肿等,晚期可出现严重肾功能衰竭,是糖尿病患者的主要死亡原因之一[1]。DN的发病机制、疾病监测以及治疗还有许多未解决的问题。既往研究[2,3]表明糖尿病(diabetes mellitus,DM)早期表现为肾小球高滤过、高灌注,随着病程的延长,血糖的持续升高会导致肾小球系膜细胞增多、系膜基质增生等改变,肾小球的滤过功能会逐渐受损。
在临床工作中,对DN患者肾功能的准确评估及早期发现肾功能不全是至关重要的,其中肾小球滤过率(glo merular filtration rate,GFR)是最重要的评估指标[4]。使用外源性标志物来测定肾清除率(包括菊粉和99 mTc核素成像方法),其临床实用性欠佳;而采用内源性标志物评价肾小球滤过功能可行性更高,其中以24小时血清肌酐(seru m creatinine,Scr)清除率最为常用,但是其结果往往不够准确。
双能量CT(dual energy CT,DECT)可对某些物质进行定量分析,特别是对碘的定量测量,在临床用量范围内是非常准确的[5]。而碘对比剂在肾脏皮质内的代谢,可以非常好地反映肾小球滤过功能。本研究以兔DN模型为研究对象,探索DECT多期增强扫描评估肾脏滤过功能的可行性。
1 .实验动物
本研究通过北京大学第一医院实验动物伦理委员会批准。10只健康雄性新西兰大白兔被纳入此研究,体重2 .5~3 .5 kg。自由采食法饲养。
CT扫描前10 h禁食,自由进水。CT扫描时固定兔,利用呼吸式动物麻醉机(Matrx VME,Mid mark Corporation,Versailles,Ohio,USA),通过专用动物面罩使其吸入异氟醚直至麻醉成功。
2 .DN模型的建立
对每只兔子按照100 m g/kg的剂量静脉注射四氧嘧啶,注射完后72 h测试血糖,血糖浓度>16 .0 m m ol/L即认为DM诱导成功,其中在四氧嘧啶注射后28 d仍保持血糖增高且存活的兔子,认为DN模型制作成功。
3 .CT扫描方案
每只兔扫描2次,分别为四氧嘧啶注射前数据(基线值)和四氧嘧啶注射后28 d的数据(DN值)。
使用双源CT扫描仪(Siemens,Erlangen,Germany),行DECT多期增强扫描。对比剂为碘帕醇(370 m g I/m L),注射剂量4 m L。注射对比剂后10~60 min,每隔10 min进行1次DECT扫描(80 k Vp/Sn140 k Vp,100 m As,层厚1 .0 m m),扫描范围覆盖左肾,共获得连续6期的数据。
4 .数据后处理
在后处理工作站上,使用双能量分析软件测量6个时间点的肾脏皮质碘浓度。在碘图分析工具中选择肾脏最中央的层面,在左肾皮质区域手工勾画感兴趣区(region of interest,ROI),避开伪影较大的肾脏上下极区域。以所得肾皮质碘浓度值绘制时间-浓度曲线,用于观察肾脏对碘的滤过趋势。
5 .组织学检查
实验结束后用过量麻醉药(戊巴比妥钠)处死所有动物,以肾门为中心做3~5 m m短轴切片,用10 %福尔马林固定,依次用70 %、80 %、90 %、95 %酒精和无水酒精对组织进行脱水,然后用二甲苯替代出酒精对样本透明,将透明好的组织块置入已在温箱(56℃~58℃)内熔化的石蜡内,放置适当时间,使石蜡浸入组织并替换出二甲苯,后经包埋、切片,完成HE染色。用光镜观察肾脏组织结构变化。取部分肾脏标本用戊二醛固定,后经包埋、切片,制作电镜标本。由一名有30年工作经验的肾脏病理学专家阅片,观察肾小球、肾小管、肾间质及肾血管等。
1 .DN模型的情况
10只兔子中7只兔子成功诱导出DM,其中4只在注射后28 d仍保持血糖增高且存活,完成DN模型的制作。
2 .DECT结果
基线DECT多期增强扫描过程中(延迟扫描60 min),4只兔子肾脏皮质碘浓度均呈下降趋势(表1);而4只DN模型兔在DECT多期增强扫描中,肾脏皮质碘浓度均无明显下降趋势(表2),提示尚未进入对比剂代谢的第二阶段,肾脏滤过功能受损。
表1 基线状态兔肾脏皮质碘浓度变化
表2 DN兔肾脏皮质碘浓度变化
3 .病理结果
大体病理:正常兔肾脏(本课题组其他研究提供)外观暗红,表面光滑,无凹痕及出血点,皮髓质分界清晰。DN兔的肾脏,外观普遍缺少色泽,颜色苍白,另可见凹痕及出血点,皮髓质分界模糊(图1)。
光镜:正常肾脏的肾小球无明显病变,毛细血管袢开放良好,系膜细胞和基质未见明显增生。而DN兔肾小球系膜细胞和基质呈轻至中度增生,毛细血管袢开放不良,肾小球体积未见肥大(图2)。
电镜:正常肾脏足细胞的足突排列整齐,足突孔规则统一。DN兔肾脏足突细胞可见较多的融合,足突孔变小或者消失(图3)。
各种肾实质病变的发生、发展及康复几乎均能引起血流灌注及滤过功能的改变,从而导致GFR的改变。多种方法可用于GFR的检测,其中菊粉检测法虽然是金标准,但其过程繁琐,目前已较少使用。在临床实际工作中,经常使用方便快捷的Scr水平估算GFR,但是其结果不够准确。研究显示,只有当GFR下降超过50 %,Scr才会升高[4]。
影像技术对肾脏的血流灌注滤过功能的研究逐渐从形态学检测向功能学评价发展。核医学肾图是根据核素在肾脏中的吸收和排泄信息来反映肾脏功能的,临床上主要依据肾图的各段图形来判断肾功能,然而核素显像的分辨率较低,不能清晰区分皮质及髓质,提供肾脏的精细解剖信息,且检查耗时较长,具有一定的放射性危害,因此影响了其在临床上的广泛开展。磁共振功能成像也可用于肾脏功能的评估[6-10],但其技术复杂,对各项功能参数的解释尚未达成一致,临床推广也受到一定限制。
DECT利用物质对不同能量X线吸收的不同来进行物质分离,在提供临床诊断信息的同时,也为基础研究提供了新的工具。多项研究已证明,CT增强扫描中使用的碘对比剂有着和菊粉相似的肾脏代谢(被肾小球滤过且不会被肾小管重吸收),可以用来进行肾脏GFR的估算[6,7]。对比剂进入人体后,在随血液运输到各个器官和组织的过程中,不断地被吸收、分布、代谢,最终排出体外。对比剂在血液中的浓度,即单位容量(m L)血液中对比剂的含量(m g)随时间和空间而变化。根据对比剂浓度随时间变化的情况计算GFR,多是应用房室模型来模拟其生理过程。
大多数肾脏功能成像估算GFR时使用双室模型,本研究也是如此。对比剂进入系统后几乎立即分布到中央房室,然后缓慢地分布到周边房室。中央房室包括血液与能瞬时取得平衡的组织,如心、肝、肾、脑、腺体、肌肉等。周边房室包括血液灌注贫乏的、难以瞬时取得平衡的组织,如骨、脂肪、皮肤等。对比剂静脉注射后瞬时进入中央房室,之后一边消除,一边流入周边房室,此阶段称为分布阶段(第一时相);达到分布平衡后,曲线进入下降较慢的消除阶段,此阶段主要反映对比剂的消除过程(第二时相)[8,9]。细胞外液量(extracellular fluid volu me,ECFV)、C(t)与GFR之间关系为:C(t)= Cmax e- Qt,Q= GFR/ECFV,C(t)为某一时间点靶器官细胞外间隙对比剂浓度,Cmax理论上为第一时相末、第二时相初时对比剂浓度。使用这个公式进行分析的前提条件是对比剂代谢已经进入了第二阶段,也就是碘对比剂在血浆和细胞外液已经达到了完全的平衡。有研究报道通过拟合时间-信号强度曲线估算GFR发现,在肾功能正常的情况下,最合适的图像采集时间是40~65 min,过早测量会与第一时相交叉,过高估计GFR;而过晚测量会使图像噪声增加,影响测量的准确性[11]。
本实验中,因DN模型的数量较少,且DN模型的肾脏明显受损,60 min仍未达第二时相,所以没有进行eGFR的计算,仅比较了DN模型建立前后,碘对比剂在肾脏皮质的清除趋势。本研究结果显示,当兔肾脏未受到损害时,在10~60 min内,肾脏皮质碘浓度均呈明显下降趋势,说明已经进入第二时相;DN造模成功后,兔肾脏受损,在10~60 min内,肾脏皮质碘浓度无明显下降趋势,而是呈波动改变,提示此时尚未进入对比剂代谢的第二时相,故此时无法通过双室模型方法进行GFR的估算,需要延长扫描时间。
在DN的发生、发展过程中,肾脏的血流灌注模式与肾脏病理变化关系密切。本研究结果显示:与正常兔比较,DN兔肾脏滤过功能减低,考虑与系膜细胞增生、系膜基质增厚、足突细胞融合等有关,最终导致肾小球滤过膜功能减低,GFR减低,还可能导致部分毛细血管管腔狭窄或闭塞、血管阻力增加、血流灌注速度减低、血容量降低、血流量减少[12],最终导致对比剂廓清速率减慢,血流淤滞,而病理的相关改变也证实了这一点。
本研究存在不足之处:①由于DM诱导有一定失败率,在兔饲养期间也存在意外死亡或者自我恢复正常的可能,导致本研究最终DN样本量较少,将来可进一步增加样本量、延长扫描时间进行GFR的测试。②本研究以肾脏病理结果作为金标准,可以说明肾脏的镜下微观改变,如果加上核素测量GFR等作为金标准,结果会更有说服力。③本研究使用DECT多期增强扫描,应注意到射线辐射的问题。目前本方案仅推荐用于动物实验,做疾病机制的研究,不建议用于人体。人体肾脏功能的研究,仍建议用无创的MR功能成像。将来可联合使用DECT与MR功能成像两种方法,优化试验设计,用DECT所揭示的碘浓度变化,对MR功能成像所得参数进行解释。
总之,针对DN模型,使用DECT多期增强扫描,可反映肾脏滤过功能受损的变化;将来可进一步加大样本量,对DECT定量测定GFR的能力进行评估。
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·糖尿病影像学专题·
Evaluation of renal filtration function impairmentin diabetic nephropathy rabbit model:a preliminary study evaluated by m ul-tiphase contrast-enhanced dual energy CT
ZHAOKai,SUIXue-qing,WANGRui,etal.Department of Radiology,Peking University First Hospital,Beijing 100034,P.R.China
【Abstract】Objective:To evaluate the changes of renal filtration function in diabetic nephropathy(DN)rabbit m odel by m ultiphase contrast-enhanced dual energy CT(DECT).Methods:Ten New Zealand rabbits were included .The rabbits were induced to diabetes mellitus(DM)by intravenous injection of alloxan .If the blood glucose level was m ore than 16 .0 m m ol/Lafter 72 hours of injection,the DMm odel was considered to be successfully established .DECTwas scanned prior to and 28 days after injection of alloxan,w hich was considered as baseline data and diabetic nephropathy(DN)data,respectively .Dynamic DECTimages were post - processed to quantify the iodine concentration of renal cortex at each time point .Light and electron microscope pathology results were obtained .Results:The DNdata of 4 rabbits were obtained and pathological changes could be seen in the kidneys .For the data of baseline,the iodine concentration of rabbit kidney cortex fro m 10 min to 60 min showed a trend of decline .But for data of DN,this trend disappeared,indicating the im pairment of renal filtration function .Conclusion:For DNm odel of rabbit,the filtration function of kidney can be detected by m ultiphase contrast - enhanced DECT.
【Key words】Diabetes mellitus;Diabetic nephropathies;Glo merular filtration rate;Disease m odels,animal;To m ography,X-ray co m puted
收稿日期:(2015-12-20 修回日期:2016-01-10)
通讯作者:王霄英,E-mail:cjr .wangxiaoying@vip .163 .co m
作者简介:赵凯(1987 -),男,山东泰安人,博士,住院医师,主要从事影像新技术研究。
DOI:10 .13609/j.cnki.1000-0313 .2016 .02 .008
【中图分类号】R587 .24;R814 .42;R- 332
【文献标识码】A
【文章编号】1000-0313(2016)02-0129-04