肾脏功能磁共振成像的动物实验研究进展

王蕊 综述　　王霄英 审校



·综述·

肾脏功能磁共振成像的动物实验研究进展

王蕊 综述王霄英 审校

肾脏作为人体重要的功能代谢器官，其病理生理机制十分复杂。肾脏功能磁共振成像可无创性反映肾脏血流灌注、氧耗及扩散方面的变化。本文对肾脏功能磁共振成像在动物实验方面目前国内外研究进展及面临的问题进行综述。

肾脏； 磁共振成像； 功能成像； 动物实验

肾脏是人体重要的功能及代谢器官，其基本功能为生成尿液、清除体内代谢废物、维持内环境稳定。肾脏具有内分泌功能，能生成肾素、促红细胞生成素、活性维生素D3、前列腺素及激肽等，同时肾脏又是机体部分内分泌激素的降解场所和肾外激素的靶器官。

肾脏疾病的病理生理机制十分复杂，以人作为实验对象来研究疾病发生机制，不仅在伦理上存在限制，同时在实验方法上存在局限性；而借助于动物模型，可通过改变自然条件下不可能或不易排除的因素，以便更好地获得实验结果，并与人类疾病进行比较，有助于更方便、有效地认识人类疾病的发生发展规律。

磁共振成像不仅可以清晰显示组织器官的解剖结构，而且可采用功能成像技术研究肾脏的功能改变。广义的功能MRI包括：评估组织血流的技术如动脉自旋标记成像(arterial spin labeling，ASL)、评估组织氧合水平的技术如血氧水平依赖成像(blood oxygen level dependent，BOLD)和氧摄取分数成像(oxygen extraction fraction，OEF)、评估组织水分子扩散运动的技术如扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)和扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)。本文将根据以上分类对肾脏功能成像动物实验研究进展进行综述。

动物肾脏血流及灌注研究

ASL是在不使用对比剂的情况下无创性得到组织灌注情况的检查方法，已广泛应用于颅脑，近年来在肾脏中的应用逐渐增多，且多与BOLD成像相结合，可同时反映肾脏组织灌注及氧合水平。Zhang等[1]在研究对比剂所致兔急性肾损伤模型中，发现对比剂注射后1 h肾皮质血流量(renal blood flow，RBF)显著减低，24 h后降至最低，48 h后恢复至基线水平，肾脏外髓同样在24 h后降至最低，但72 h后仍低于基线水平，提示对比剂造成兔肾脏整体灌注不足。而Chen等[2]在对比剂所致大鼠急性肾损伤模型中，发现在对比剂注射后12～48 h肾脏皮质及外髓RBF值均显著降低，而在72～96 h恢复至基线水平。Wentland等[3]以小型猪为研究对象，通过注射乙酰胆碱诱导肾脏高灌注，注射异氟烷诱导肾脏低灌注，发现ASL可以敏感反映肾脏血流动力学变化。Zimmer等[4]在单侧肾缺血模型中应用ASL及动态对比增强成像(dynamic contrast enhanced,DCE)，并对两者结果进行对比，发现无论ASL还是DCE，均可检出急性缺血侧肾脏灌注的减低，且两者结果相近，提示ASL可用于肾脏血流灌注异常的检出。

随着MR技术的发展，ASL在肾脏灌注成像动物模型中的应用越来越广泛，但仍面临一些挑战：①易受磁场不均匀性及呼吸运动影响；②绝对定量问题，目前ASL只能基于一定的简化模型做到一定程度的定量计算；③标记效率有待提高。

动物肾脏氧合水平研究

1.BOLD

肾脏的皮质和髓质之间存在氧浓度的差异，肾髓质血供少，但其重吸收功能又需要大量的氧供应，正常情况下肾皮质氧分压约50 mmHg，而髓质只有10～20 mmHg，因此髓质更容易受到缺氧影响。目前测量氧分压唯一的准确定量办法是将氧敏感性微电极植入肾实质内，此方法对人体创伤较大，故不适合实际应用[5]。

近年来，BOLD成像被认为是无创性检测氧合水平的新方法。1936年，Pauling等首次证明了脱氧血红蛋白的顺磁性。1990年Ogawa等[6]提出了BOLD对比机制，即血液中顺磁性的脱氧血红蛋白会导致血管和周围组织之间产生较大的磁敏感差异，使血管周围氢质子的共振频率发生变化，在高场强磁场中使用梯度回波序列可显示脱氧血红蛋白的顺磁性作用，并可进行成像。

BOLD最早在1996年由Prasad等[7]应用于肾脏MR成像研究。杨学东等[8]以Wistar大鼠为研究对象，评价3.0T MR肾脏BOLD成像的可行性，测量表观自旋-自旋弛豫率(R2*;1/T2*,单位Hz)，并评价两位观察者间及观察者内的一致性，结果发现肾脏BOLD在两位观察者间及观察者内均具有较好的一致性，可用于研究。在此实验基础上，杨学东等[9]分别评价5只大鼠第1天、第5天、第10天、第30天和第50天的肾脏BOLD成像，发现第30天和第50天大鼠注射呋塞米前，大鼠在不同时间点皮髓质R2*值稳定，而注射呋塞米后大鼠肾脏皮髓质R2*值均降低。Pedersen等[10]以猪为研究对象，评价肾脏BOLD成像测得的R2*与氧敏感电极测得的氧分压之间的关系，发现猪肾脏皮髓质R2*与氧分压有很好的相关性。

肾脏BOLD在动物疾病模型里有广泛的应用。Ries等[11]以糖尿病肾病大鼠模型为研究对象，发现与对照组正常肾脏相比，糖尿病大鼠肾脏皮质、外髓外带、外髓内带及内髓的T2*值明显降低，推测由于糖尿病肾病大鼠继发于高滤过的主动水重吸收增加，导致耗氧量增加；注射呋塞米后，对照组与糖尿病组肾脏各分区T2*均明显升高，而且糖尿病组升高更显著，提示糖尿病组大鼠肾脏缺氧。Alford等[12]在肾缺血模型中应用BOLD成像，以猪为研究对象，评价急性肾动脉闭塞后肾脏皮髓质R2*值变化，研究发现急性肾动脉闭塞时肾脏皮髓质R2*值明显升高，而闭塞解除后肾脏皮髓质R2*则很快恢复，提示BOLD成像能敏感且可靠地反映急性肾缺血，此结果与Pohlmann等[13]在大鼠缺血再灌注损伤模型中的研究结果一致。BOLD在高血压肾脏模型中也有研究，Li等[14]发现高血压组大鼠与对照组正常大鼠基础R2*值接近，但在注射NO合成抑制剂后，正常对照组大鼠髓质R2*明显增加，而高血压组R2*变化不明显，提示高血压组大鼠肾脏NO活性减低。Zhang等[1]发现静脉注射对比剂1h后，兔子肾脏外髓内带R2*值显著升高，并持续升高至对比剂注射后24 h，但48 h后恢复至基线水平。Chen等[2]以SD大鼠为研究对象，经静脉注射对比剂，发现注射后0.5～48 h大鼠肾脏髓质R2*值显著升高，提示对比剂注射后肾脏髓质耗氧量增加。

目前肾脏BOLD成像仍存在局限性：①BOLD成像的基础为磁敏感效应，B1场不均匀及腹腔肠管磁敏感伪影会干扰成像；②BOLD信号受到生理条件的影响，如心输出量、血管搏动，而呈现波动性；③BOLD信号反映组织脱氧血红蛋白含量变化，但组织脱氧血红蛋白含量除受氧和状态影响外，还受血流灌注及毛细血管容量等因素的影响。

2.OEF

氧合状态是供氧和耗氧两者共同作用的结果，而BOLD成像只能检测到氧合状态的综合结果，无法反映血流灌注和氧耗的独立贡献。 对于肾脏，肾血流量向组织供给氧，而氧需求则可以用OEF来描述，即肾组织所消耗的氧与动脉血携带的氧之间的比率。一般正常组织为维持基本功能，组织氧代谢率需保持在一定水平[15]。如果组织处于缺氧状态，血流量相应减少，此时组织为了维持其基本功能需求，从血液携带的氧中摄取的比率就要增加，即OEF增高。目前OEF定量测定多用于颅脑疾病的研究[16-18]，肾脏OEF研究非常少。张晓东等[19]对新西兰大白兔左肾动脉结扎后获得急性肾缺血模型，发现术后30 min和60 min OEF均显著增大，提示急性肾缺血早期肾脏耗氧量增加。

动物肾脏水分子扩散研究

1.DWI

DWI是目前唯一能够无创性检测活体组织内水分子扩散运动的检查手段，随着MRI设备及技术的发展，DWI在肾脏研究中的价值得以展示。

Liu等[20]对狗的左肾动脉进行不同时间的结扎，发现肾脏急性缺血模型左肾皮髓质表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值明显减低，随后去除结扎，得到缺血再灌注模型，左肾髓质ADC值仍低于右肾，考虑ADC值减低与GFR下降、肾小管损伤和肾小管内压力增加均有关。Wang等[21]通过对兔静脉注射碘对比剂，发现肾脏ADC值在注射后1 h内下降，24～48 h达最低值，且肾脏外髓ADC值变化最显著，提示碘对比剂所致肾毒性损伤是导致肾脏ADC值下降的直接原因。Yang等[22]以肾移植大鼠为研究对象，发现同种异体肾移植大鼠肾脏ADC值明显下降，而同基因移植大鼠则无明显改变，提示DWI可早期检出肾脏移植排斥反应。

DWI作为目前唯一可对活体组织进行无创性分子成像研究的MR技术，对各种肾脏疾病的诊断、治疗及疗效评估具有重要的临床价值，但目前多采用单激发SE-EPI序列，临床应用尚存在一定的局限性。

2.DTI

DTI是对DWI技术的延伸和改进，由于扩散张量成像并非平面过程，除了能观察水分子扩散幅度上的受限程度，DTI还可显示水分子扩散运动方向性的差异。DTI目前多应用于神经系统的研究，肾脏方面尚处于探索阶段。

Hueper等[23]以糖尿病肾病鼠为模型，发现肾脏DTI通过分析各向异性分数(fractional anisotraphy，FA)可以提示肾脏肾小球硬化、间质纤维化及肾小管损伤等病理学改变，提示DTI可能作为无创性检测糖尿病肾病相应病理学改变的一种检查手段。

综上所述，随着MR技术不断进展，ASL、BOLD、DWI分别作为无创性评估肾脏灌注、耗氧及水扩散的检查手段，在动物模型中已广泛使用，可以敏感地反映多种动物疾病模型早期的肾脏血流、氧耗及组织水分子扩散方面的改变，通过结合功能磁共振定量参数和生化指标、病理改变，有可能早期判断肾脏功能的改变，揭示疾病的发生机制。随着MR技术的进一发展、动物研究工作的成熟，可以预见，功能MR成像将逐步用于人体的研究，并对临床工作起到一定的指导作用。

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100034北京，北京大学第一医院医学影像科

王蕊(1990-)，女，河南南阳人，博士研究生，主要从事腹部功能磁共振诊断工作。

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)