肾脏缺血再灌注损伤的功能MRI 实验研究进展

任燕 崔建民 沈文*

肾移植术是终末期肾病的有效治疗手段。肾脏缺血再灌注损伤（ischemia reperfusion injury,IRI）是造成急性肾损伤（acute kidney injury,AKI）和移植物功能延迟恢复的重要原因[1]。临床上用于评估肾功能的方法尚存在一定局限性[2]，而功能MRI 可动态监测肾脏IRI 的微观病理变化， 且具有无辐射、定量、 敏感等优点。目前常用于评估肾脏IRI 的功能MRI 方法包括扩散加权成像（DWI）、体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）成像、血氧水平依赖（BOLD）、动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）、纵向弛豫时间定量成像（T1mapping）MRI。肾脏IRI 的发生机制复杂，以人为对象进行研究，实验设计和伦理评估均存在一定局限性，因此建立动物模型有利于多角度、 多模态研究病生理改变及时间依赖性变化。本文就肾脏IRI 的功能MRI 实验研究进展予以综述。

1 肾脏缺血再灌注的概念

肾脏缺血包括热缺血和冷缺血。热缺血是指供肾血流中断至冷保存前的过程。冷缺血是指冷保存至植入受体的过程。从时间长短来说，冷缺血时间明显更长；就损伤程度而言，热缺血对肾功能影响更严重[3]。肾脏再灌注是指移植肾在受体中重新建立血管通路，恢复血流供应。肾脏IRI 大多为可逆性损伤，因此通过功能MRI 早期监测肾功能变化显得尤为重要。

2 肾脏IRI 的病生理基础

肾脏是高灌注器官， 虽然质量约为体质量的0.5%，但血流灌注量约占心输出量的25%，因此对IRI 十分敏感。肾缺血过程中，内皮细胞受损，产生内皮素和表达多种受体[4]，氧自由基产生、Ca2+超载、多种因子共同作用导致肾内微循环紊乱和血流动力学改变[5]。肾再灌注过程中，细胞结构破坏、代谢障碍较缺血时更加严重， 位于髓质的肾小管上皮细胞引发炎症反应导致细胞水肿。由于肾髓质供血量少，含氧量低，肾小管重吸收氧耗大[6]，所以肾髓质对缺氧缺血耐受性较差，对IRI 更敏感[7]。晚期肾小管间隙被大量胶原、细胞外基质和细胞替代，重吸收功能受损，出现肾间质纤维化。

3 肾脏IRI 的功能MRI 应用

3.1 DWI DWI 是基于水分子布朗运动特点来评价肾结构和功能的MR 成像方式，可提供细胞内、外间隙水分子扩散及组织微循环灌注的信息。扫描参数为扩散敏感因子（b 值），定量指标为表观扩散系数（ADC）。ADC 值反映水分子运动的快慢[8]。水分子扩散速度越快，ADC 值越高。b 值越高，ADC 值测量越可靠。Ko 等[9]夹闭大鼠双侧肾蒂60 min 再灌注后6h 发现，外髓内带（innerstripesofoutermedulla,ISOM）和外髓外带（outer stripes of outer medulla,OSOM）的单核细胞趋化蛋白-1 （monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）升高，此时测得的ADC 值下降，提示IRI 发生后，ISOM 和OSOM 的ADC 值减低可作为IRI 超急性期改变的标志。此外，发现MCP-1与ADC 值有显著相关性。Hueper 等[10]研究发现，鼠肾ADC 值随再灌注时间的延长逐渐接近正常水平。徐等[11]建立猪肾动脉主干阻断模型，术后ADC 值下降，第7 天降到最低后逐渐上升，到第90 天后逐渐恢复。表明DWI 可以监测肾脏IRI 动态变化，结合病理考虑早期ADC 值下降与细胞水肿相关， 晚期ADC 值下降与间质纤维化相关。有研究[12]表明，线粒体特异性抗氧化剂（MitoQ）对肾脏IRI 有保护作用。刘等[13]评估MitoQ 对大鼠左侧肾脏IRI 的影响，于术后不同时间点扫描发现左肾OSOM 的ADC 值逐渐升高，提示DWI 可评价MitoQ 对大鼠肾脏IRI 的保护作用。Amdisen 等[14]建立猪单侧肾脏IRI 模型，利用DWI 观察细胞间隙连接蛋白43（ZP1609）作为保护剂的成像特点，发现ADC 值与对照组比较无显著差异，推测其对肾脏IRI 可能没有保护作用。DWI利用单指数模型计算方便， 但不能区分真实水分子扩散和微循环灌注信息。

3.2 IVIM IVIM 采用双指数模型同时获得水分子扩散和微循环灌注信息， 其定量指标包括单纯扩散系数（ADCslow或D）、微循环灌注系数（ADCfast或D*）和灌注分数（f），分别反映组织内真实的水分子扩散、灌注相关的扩散运动、局部微循环灌注效应在整体扩散中所占比例。由于毛细血管网呈伪随机分布，所以血液的微循环被认为是不相干运动[15]。Rheinheimer等[16]根据肾移植病人的肾冷缺血时间（cold ischemia time,CIT）分组（CIT<15 h 和CIT≥15 h），于术后行DWI 和IVIM 扫描， 结果发现，CIT≥15 h 组的扩散值（ADC 值、D 值、f 值）显著低于CIT<15 h 组。ADC值和D 值取决于CIT。其中，ADC 值与CIT 相关性较强。CIT≥15 h 组的ADC 值和D 值减低可能与肾实质的毛细血管萎缩和肾间质纤维化相关，有助于提示移植肾功能下降。由此可见，IVIM 和DWI 联合应用可为随访监测肾功能变化提供新的手段。Cheung等[15]建立大鼠右肾热缺血60 min 再灌注5 h 模型，结果发现右肾皮髓质的D 值和f 值均较对侧明显减低（均P<0.01），患侧肾皮髓质D 值减低可能与细胞毒性水肿导致细胞内分子扩散运动受限有关，f 值减低可能因为红细胞阻塞引起的微血流循环障碍，导致活性血管体积分数减小。以上研究表明，IVIM成像能够区分水分子扩散和真实的血流灌注信息，有助于分析肾脏IRI 的微观病生理改变。

3.3 BOLD Ogawa 等在1990 年发现脱氧血红蛋白具有顺磁性， 可作为一种内源性对比剂监测血氧变化。BOLD 采用表观自旋-自旋去弛豫率即R2*（R2*=1/T2*，单位Hz）作为定量指标。R2*值随脱氧血红蛋白浓度升高而升高， 提示组织含氧量下降。查等[17]依据左肾动脉夹闭时间将兔分成3 组（40、60、80 min），再灌注48 h 后测量双肾皮质、外髓层的R2*值，测量左肾与右肾相同位置的兴趣区（ROI）R2*值并做比值（rR2*） ，计算IRI 前后rR2*的差值（ΔrR2*），这种测量方法有助于消除个体差异及不同时间点兔肾血流变化差异。该研究发现，肾脏缺血时间越长，ΔrR2*越高，提示肾脏IRI 越严重。3 组外髓的ΔrR2*均高于皮质， 表明IRI 使得肾外髓质比皮质的氧合水平更高。BOLD 能反映不同缺血时间的肾脏IRI后肾功能的改变。Pedersen 等[18]对大鼠左肾动脉结扎45 min 术后3 d 扫描发现肾髓质的R2*值明显降低， 病理结果提示OSOM 的肾小管上皮细胞水肿、萎缩、坏死，造成髓质血氧利用率减低。这两项实验均提示IRI 短时间内髓质较皮质对IRI 更敏感。Oostendorp 等[19]建立大鼠单侧肾动脉常温缺血模型，于缺血时、再灌注后1 h 和24 h 分别进行扫描，发现缺血时皮质、内外髓R2*值均升高，再灌注1 h后内髓的R2*值降低至基线水平， 提示内髓血氧含量最先恢复。再灌注后24 h 外髓的R2*值仍然高于对照组，皮质的R2*值较对照组减低，表明IRI 对外髓可能更明显。因此，R2*值有助于评价肾脏IRI 后的不同部位血氧灌注水平。但是，BOLD MRI 不能区分脱氧血红蛋白浓度的改变是血流灌注还是组织代谢水平变化引起，因此还需要结合ASL 序列，两者联合应用以探究IRI 的血氧水平机制。

3.4 ASL ASL 是将动脉血中的自由水质子作为内源性示踪剂， 定量分析血流灌注情况的一种功能成像技术。其定量指标为肾血流量 （renal blood flow，RBF），ASL 在评价肾功能方面应用广泛[20]。由于肾皮质含有丰富血供， 恢复血流后皮质灌注水平高于髓质，因此皮质对低氧、低灌注相对不敏感。Hueper等[21]应用7 T MRI 评价大鼠热缺血35、45 min 再灌注后不同时间的皮质灌注值，发现术后第7 天RBF值显著减低，21 天时35 min 组可恢复基线水平，而45 min 组持续减低至第28 天。第28 天时，2 组在肾脏体积、 肾小管损伤程度等方面有显著差异。该研究表明，肾脏皮质RBF 的降低具有潜在预测急性肾损伤的价值。Hueper 等[22]继续利用2 种大鼠建立同种异体和同基因肾移植模型， 前者代表移植肾排异反应， 后者代表仅有肾缺血再灌注损伤而无排异反应。根据CIT 分为30 min 组和60 min 组，结果发现，30 min 组于术后第1、6 天肾脏RBF 值均呈逐渐下降趋势，同种异体组下降程度明显大于同基因组，提示IRI 会造成灌注值下降， 但发生排异的灌注值下降更明显。60 min 组于术后第3、6 周测量肾灌注值，同基因移植组呈先下降再恢复至正常水平， 同种异体移植组则呈明显下降，无法恢复至正常水平，表明仅发生肾脏IRI 的血流灌注值可在远期恢复， 但若发生排异反应， 其数值可逐渐减低并维持低水平。该研究表明， 通过监测RBF 值可纵向评估不同缺血时间的肾排异反应和IRI 的肾功能变化趋势特点。Tewes 等[23]应用7 T MRI 分别评价C57BL/6 和129/Sv 2 种大鼠热缺血35、45 min 的皮质RBF 值，发现不同种类大鼠的肾脏损伤程度不同，129/Sv 大鼠有2 套肾素基因，血浆紧张素活性较高，因此缺血35 min 的129/Sv 大鼠肾脏RBF 值恢复较好。另外，缺血45 min 再灌注28 d 后2 种大鼠的RBF 值均没有恢复到基线值，提示缺血45 min 可能出现无法修复的肾脏损伤。Baligand 等[24]采用14 T MRI 建立大鼠单侧肾脏缺血40 min 再灌注7 d 模型， 对侧肾脏作为对照组， 发现IRI 肾脏的RBF 值明显降低，对侧肾脏未见明显变化，表明7 d 后患肾的RBF 值仍没有恢复到正常水平， 而对侧肾脏代偿能力恢复较好。Zimmer 等[25]对大鼠左侧肾脏于热缺血45 min 再灌注5 d 后扫描， 发现左肾RBF 值均较右肾减低，提示左肾损伤后血流灌注减少。两项实验均表明ASL 可以反映肾脏IRI 后血流灌注水平变化， 但其信噪比低， 易出现运动伪影， 因此还需要高场强MRI 改善成像质量，提供更精确的分析。

3.5 T1mapping T1mapping 与常规T1WI 不同，能够定量测量组织的T1大小， 判断组织的内环境状态[26]。反转恢复（IR）序列目前被认为是临床常用的T1mapping 扫描序列。肾脏IRI 程度不同，组织含水量亦不同，T1值可用于观察肾结构和评价肾功能[27]。Hueper 等[28]利用T1mapping 对不同缺血时间（35、45 min）的2 组小鼠进行研究，发现该技术可无创监测AKI，因为T1值可在一定程度上反映AKI 引起的炎症反应、细胞肿胀、间质水肿导致的含水量改变，AKI 发展为慢性期后，T1值变化与肾间质纤维化及预后相关。Ko 等[9]对T1mapping 联合免疫病理因素研究发现， 再灌注后不同时间的皮质、OSOM、ISOM 3 层的T1值与单核细胞趋化蛋白、CD68 细胞含量有一定相关性，从微观免疫的角度验证T1值评价肾脏IRI 的可行性。Tewes 等[23]建立大鼠肾脏热缺血35、45 min 再灌注后第1、7、28 天模型， 应用7 T MRI 分别评价C57BL/6 和129/Sv 大鼠的肾脏T1值，在皮质、OSOM、ISOM 选取ROI，2 个缺血时间组于再灌注后相同时间点所测得的T1值有差异，认为不同缺血时间的肾组织水肿程度不同， 结合病理发现，患侧肾脏T1值升高与细胞水肿和毛细血管扩张有关。因此，T1mapping 序列利用纵向弛豫时间评估肾脏皮髓质含水量，能够间接动态观察肾脏IRI 的组织水肿变化， 对于监测慢性肾损伤所致肾间质纤维化更为敏感。

4 小结

综上所述，MRI 在肾脏IRI 的动物实验研究中应用广泛， 为解释其微观病生理特点及功能变化提供了新的视角和手段，但仍存在一些不足，如热缺血损伤研究较多，冷缺血损伤研究较少，可能与动物模型建立难度较大有关，但冷缺血时间更长，对肾功能影响同样不能忽视。多数研究以短期观察急性肾损伤为主，远期观察慢性损伤研究较少，因此还应注重长期动态监测。相信MRI 在肾脏IRI 的应用研究中将具有更广阔的前景。