糖尿病合并外周动脉疾病骨骼肌微血管病变影像学研究进展

杨琪，查云飞

作者单位：

武汉大学人民医院放射科，武汉 430000

糖尿病(diabetes mellitus，DM)患者发生外周动脉疾病(peripheral arterial disease，PAD)的风险较高，经皮腔内血管成形术和手术旁路效果较非糖尿病患者差，围手术期发病率和死亡率增加，截肢率高[1]。PAD是外周动脉栓塞或狭窄，严重肢体缺血(critical limb ischemia，CLI)是糖尿病外周动脉疾病的最晚期阶段，相关细胞因子及炎症细胞在高糖环境下表达或分化失衡使骨骼肌细胞及微血管发生一系列复杂的改变。骨骼肌是II型糖尿病患者的胰岛素抵抗的主要部位。在高糖环境下血管内皮细胞(endothelial cells，EC)功能障碍，骨骼肌肉的新生微血管的形成和血流恢复能力降低，外周肢体缺血肌肉的情况更为恶化。踝臂指数(ankle brachial index，ABI)是诊断PAD的常用检查，但不能评估病变区域的微血管病变。近年，影像学技术通过检测微循环中氧饱和度、局部微血管血流量的变化、评估外周肢体灌注情况，已经成为临床评估糖尿病外周动脉疾病骨骼肌微血管病变的新型诊断手段。笔者就糖尿病外周动脉疾病骨骼肌微血管病变的影像学研究进展进行综述。

1 糖尿病合并外周动脉疾病骨骼肌微血管病变的病理生理机制

1.1 慢性炎症机制

微血管是连通小动脉和小静脉间的细小血管，在显微镜下才能看到。慢性炎症是缺血/缺氧诱导新血管生成的必需过程[2]。当机体发生缺血/缺氧时，血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF) 是血管生成中最重要的因子之一，Li等[3]发现在2型糖尿病大鼠下肢缺血模型中，相比于简单的脐带间充质干细胞(human umbilical cord-mesenchymal stem cells，hUC-MSCs)移植，VEGF过表达的hUC-MSCs移植更有效地刺激了血管生成和增加血液灌注，缺氧是VEGF的有效诱导剂，尽管最初认为VEGF主要作用于内皮细胞，但VEGF受体也存在于骨髓来源的造血干细胞和炎症细胞上。VEGF诱导内皮祖细胞(endothelial progenitor cell，EPC)的动员并募集炎性细胞，包括单核细胞、巨噬细胞。而在高血脂、高血糖的环境下，促炎型巨噬细胞(M1型)，释放IL-1β和IL-12等致炎细胞分子延缓糖尿病患者伤口的愈合，而抗炎型巨噬细胞(M2型)的功能被减弱，产生的VEGF减少，并减低了对内皮细胞的粘附力[4-5]。骨骼肌细胞本身也可表达各种血管生成因子，在高糖环境下，血管生成因子特别是VEGF-A和中血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor，PDGF)-BB的分泌减少，降低了内皮细胞和平滑肌细胞的增殖和迁移潜力[6]。Xiao等[7]指出，当糖尿病合并外周动脉疾病时，缺血增加了糖尿病状态下缺血肌肉中的VEGF表达，单独增加的VEGF通过抑制血小板衍生生长因子受体(platelet derived growth receptor factor，PDGFR)-β磷酸化来负调节PDGF-BB依赖性血管成熟，只有当PDGF-BB与VEGF以平衡方式共表达，才能使血管正常化和血管功能改善。

1.2 氧化损伤和线粒体功能障碍机制

高血糖诱导的氧化应激可产生晚期糖基化终产物(advanced glycation end products，AGEs)，AGEs的作用包括通过与细胞外基质交联导致血管僵硬并刺激巨噬细胞和内皮细胞产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)，另外由于ROS的产生增加，其破坏周细胞的线粒体膜，导致周细胞色素C和细胞色素C的释放，激活caspase-3依赖的凋亡级联反应。周细胞数量的减少导致EC的解体，导致外周神经灌注减少和随后的缺氧[4，8]。血红素加氧酶(heme oxygenase，HO)-1的酶活性减弱氧化应激和炎症反应，增强血管生成，增加细胞存活，并影响细胞周期，HO-1的促血管生成特性被证明可以改善缺血性骨骼肌的血流恢复并促进肌肉再生，HO-1也影响肌卫星细胞(muscle satellite cell，MSC)和成肌细胞等祖细胞的功能。受损组织中HO-1的诱导促进新血管形成，该过程在糖尿病中受损[4，8]。血管内皮细胞受损引起的缺氧本可通过激活缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor，HIF)-1α相关途径来改善缺血后的血运重建过程，但在高血糖的环境下，HIF-1α的水平及内皮细胞对其的活性反应均减低，从而影响缺血肢体的血运重建[9-10]。

2 糖尿病合并外周动脉疾病骨骼肌微血管病变的影像学评价

2.1 磁共振成像

磁共振成像是能够定量监测缺血后骨骼肌的动态的损伤和修复能力的非侵入性成像方法[11]。Suo等[12]将15名健康年轻受试者，14例PAD患者和10名年龄匹配的健康老年受试者行动脉自旋标记(arterial spin labeling，ASL)，血氧水平依赖(blood oxygenation level-dependent，BOLD)和体内非相干运动(intravoxel incoherent motion，IVIM)灌注成像，结果显示与ASL和IVIM相比，BOLD可能是评估静息状态下PAD的更可靠技术，但是尚未见上述技术开展糖尿病外周动脉疾病骨骼肌微血管病变的影像学研究。

2.1.2 MR扩散-张量成像

扩散-张量成像(diffusion-tensor imaging，DTI)在近几年应用于骨骼肌肌纤维的评估。Zaccagnini等[13]采用7.0 T的MRI扫描仪监测急性下肢缺血时小鼠骨骼肌损伤和再生的动态变化。测量T2弛豫时间，扩散-张量成像(diffusion-tensor imaging，DTI)和动态对比增强磁共振成像(dynamic contrastenhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)的Ktrans，并将成像结果与腓肠肌和胫骨前肌的组织学形态学分析相关联。发现组织损伤与T2弛豫时间正相关，而肌纤维再生和微血管密度与分数各向异性正相关，Ktrans与微血管密度正相关。

2.1.4 MR波谱和血氧水平依赖成像

Delli等[14]研究结果显示T1WI和STIR序列发现糖尿病患者比非糖尿病的缺血肢体有更明显肿胀及高信号的改变，并且认为这与糖尿病患者肢体微血管密度降低有关，T2弛豫时间的变化可能反映了肌肉损伤和炎症浸润的程度。这与高血脂、高血糖的环境下，促炎型细胞释放致炎细胞分子浸润有关，在T2图像上得到反映。

质子磁共振波谱(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)显示糖尿病小鼠闭塞肢体的tCr/water值显著低于糖尿病小鼠非闭塞肢体肌肉。

糖尿病合并外周动脉疾病骨骼肌微血管病变的重要病理生理机制之一是氧化损伤，高血糖诱导的氧化应激使周细胞和内皮细胞受损。MRS和BOLD用于评价磷酸盐代谢物和骨骼肌氧合的变化。

Liu等[15]在9.4 T MRI上运用31P MRS和BOLD序列在年轻(12周)和成年(20周) Goto-Kakizaki (GK)大鼠(非肥胖2型糖尿病(T2D)大鼠模型)和Wistar (对照)大鼠的后肢上，用充气的袖带闭塞股动脉诱导缺血，期间连续获取数据以量化磷酸盐代谢物和骨骼肌氧合的变化，磷酸肌酸(phosphocreatine，PCr)恢复率的时间常数(线粒体氧化能力的指数)在GK大鼠和年龄匹配的对照组之间没有显着差异。然而，成年GK大鼠和对照组缺血后PCr恢复水平较年轻GK大鼠和对照组相比显着降低，预示糖尿病前期GK大鼠骨骼肌线粒体具有正常的氧化能力。与对照大鼠相比，年轻和成年GK大鼠在缺血期间腓肠肌的标准化BOLD信号显着降低，表明GK大鼠的骨骼肌氧合作用减弱。骨骼肌BOLD成像对比主要取决于微循环中氧饱和度的变化[16]。Ledermann等[17]比较了17例患有PAD患者的骨骼肌BOLD信号与由11名年龄相近的健康志愿者组成的对照组。在1.5 T MRI上使用T2*加权的单次多回波平面成像(echo planar imaging，EPI)序列，并使用袖带压缩使动脉闭塞引发缺血后反应性充血。患者组表现出较低的T2max*和达峰时间(time to peak，TTP)值的两倍以上的延长。

原本机体在缺氧状态下诱导生成的巨噬细胞、VEGF等一系列促血管生成相关细胞或因子在高糖环境下有了复杂的变化，这些改变最终导致骨骼肌灌注的改变。动脉自旋标记、动态对比增强磁共振成像、单光子发射计算机断层扫描均能提供骨骼肌灌注信息，进一步映证关于糖尿病合并外周动脉疾病骨骼肌微血管病变病理生理机制的研究和假说。

2.1.5 动脉自旋标记

Zheng等[18]采用ASL序列开发了一种新的MRI方法来评估骨骼肌灌注，可以获得骨骼肌血流量(skeletal muscle blood flow，SMBF)、氧提取分数(skeletal muscle oxygen extraction fraction，SMOEF)和氧消耗率(skeletal muscle oxygen consumption rate，SMVO2)。在等长运动期间，在比目鱼肌和腓肠肌中的所有健康志愿者中观察到SMBF，SMOEF和SMVO2显着增加。与此相反，DM患者的这些参数均显示有20%至55%的降低，由此证明骨骼肌的灌注和氧合可以在健康和糖尿病受试者中量化。Zheng等[19]在4名健康受试者和4例糖尿病足患者中，使用3.0 T临床磁共振成像扫描仪检查足部血氧测定法的可行性。健康受试者的SMOEF在休息和运动的百分比差异高于糖尿病足患者，该研究证明了在脚趾-屈曲等长运动期间测量足部骨骼肌SMOEF的可行性。Edalati等[20]在3.0 T的场强中，将7例无糖尿病和10例糖尿病合并足溃疡的参与者，分别在静息态和标准化的脚趾屈曲运动期间进行MR ASL灌注评估，证实此技术可用于评估足部溃疡的局部灌注，并将足溃疡周围的缺血区域与正常灌注的肌肉区域定量区分。Schewzow等[21]在7.0 T的场强中运用ASL和T2*加权MRI对运动中的小腿肌肉进行信号采集，发现腓肠肌这一主要运动肌肉在运动后峰值灌注值和T2*加权信号较其他非运动肌肉如比目鱼肌和胫骨前肌变化明显增大，这证明了在7.0 T场强中动态定量测量骨骼肌灌注的可行性。这可能有助于更好地研究骨骼肌以及糖尿病和外周动脉疾病等疾病的生理过程。

2.1.6 动态对比增强磁共振成像

DCE-MRI可以提供骨骼肌灌注的非侵入性定量评估。Kashiwagi等[22]采用DCE-MRI时间-信号强度曲线下的初始面积(initial area under the SI-time curve，IAUC)参数评价糖尿病大鼠后爪外周组织灌注，同时测定14C碘安替比林(iodoantipyrine，IAP)的外周组织摄取作为组织血流的标记。在链脲佐菌素注射后2周，糖尿病大鼠后爪外周组织灌注明显减少，并且在胰岛素治疗的糖尿病大鼠中其减少显着改善。通过DCE-MRI评估的组织灌注与通过14C IAP摄取测量的组织血流相似。以上研究结果显示DCE-MRI可以评估糖尿病患者的周围组织灌注障碍，据此推测微血管受损，在临床前和临床研究中，可能有助于开发新型药物以防止糖尿病血管并发症。Loerakker等[23]研究缺血后灌注与骨骼肌完整性变化之间的相互关系，对Brown Norway大鼠的后肢进行4 h缺血，然后再灌注2 h，使用DCE-MRI用于检查灌注，并用T2WI监测骨骼肌完整性的变化，DCE-MRI显示后肢缺血肌肉强化信号的不均匀性，可检测到对比剂流入的感兴趣区，T2WI信号较缺血前水平降低，无对比剂流入的感兴趣区T2WI信号较缺血前水平升高，这说明长时间缺血后的再灌注可能不完全，从而继续缺血状态并加重组织损伤。田浩等[24]在通过DCEMRI量化评估经皮血管腔内成形术(percutaneoius transluminal angioplasty，PTA)术后糖尿病患者下肢内皮细胞功能变化研究中，通过DCE-MRI扫描获得比目鱼肌的跨膜转运常数(Ktrans)值，发现糖尿病组下肢血管病变的Ktrans值明显低于正常对照组，间接反映了下肢血管的内皮功能改变。Wang等[25]使用DCE-MRI在经皮血管腔成形术前后对无糖尿病的健康对照组和糖尿病患者量化下肢肌肉的微血管通透性。在经皮血管成形术之前，糖尿病患者胫骨前肌的Ktrans值显着低于对照组。在经皮血管成形术后，这些值在患有糖尿病的组中增加，显示Ktrans可用于量化下肢肌肉微血管通透性的变化，反映下肢骨骼肌微循环。肌骨DCE-MRI作为一种无创、无辐射的影像诊断工具，可以定量评估骨骼肌肉的微血管通透性，而不是依赖诊断医师主观经验，为临床提供更为精准的诊断信息。

2.2 单光子发射计算机断层扫描

单光子发射计算机断层扫描(single photon emission computed tomography，SPECT)灌注成像允许在静止条件下对下肢区域微血管灌注进行连续体积评估，继而推测微血管的变化。Alvelo等[26]采用SPECT的图像分割方法和连续图像配准来定量评估患有CLI的糖尿病患者足部特定血管区域内的组织灌注。结果显示足部的SPECT成像是一种有用的非侵入性技术，可以在DM和CLI的情况下检测静息微血管灌注的区域异常，以及在CLI和健康受试者的糖尿病患者之间灌注的可量化差异。此外，还发现糖尿病患者的SPECT成像与踝臂指数没有显着相关性。

2.3 对比增强超声

对比增强超声(contrast-enhanced ultrasound，CEU)应用于评估下肢微血管的灌注情况，是在器官注射微泡对比剂后通过测量时间和分析组织再灌注动力学两种基本方法来进行组织灌注评价的[27]。Lindner等[28]对26名对照对象和39例有症状PAD的患者，其中19例患有2型糖尿病。进行了改良的跑步机运动测试，发现PAD患者运动期间骨骼肌血流量较低，CEU血流储备较低，而DM合并PAD患者的组织灌注情况特别差。Womack等[29]研究了20名对照受试者，22例DM患者和8例DM 合并微血管病变患者，对于处于禁食状态的患者，对前臂屈肌进行对比增强的超声灌注成像，以评估静止和低强度或高强度收缩运动(最大握力的25%和80%)期间的毛细血管血流量和血容量，结果表明只有DM合并微血管病变患者的毛细血管血流量和血容量明显减低。

3 前景与展望

糖尿病合并外周动脉疾病骨骼肌微血管病变的影像学技术在提供可量化灌注、氧合、能量学数据的同时保持良好的空间和时间分辨率。ASL、BOLD、DCE-MRI、31P MRS等技术联合使用，可以为骨骼肌微血管病变的发生机制研究以及早期干预评估提供客观依据。但是，目前这些技术也存在信噪比低，易受部分容积效应和动脉通过时间的影响，采集信号时间较长等问题，BOLD、ASL等影像学技术需要激发操作来诱导骨骼肌中可测量的信号改变，DCE-MRI和SPECT等影像学技术还要注意与对比剂相关的不良反应等问题。CEU具有便携性、实用性并可避免接触放射线及核示踪剂，但CEU是半定量检查技术，且有较强的主观性，需要临床经验丰富的超声科医师[30]。

未来可能的研究方向包括：(1)综合影像学技术评价糖尿病外周动脉疾病骨骼肌微血管病变，对于如何有针对性选择最佳血运重建策略(血管腔内成形术、旁路手术、溶栓治疗)具有指导意义；(2)对沙格雷酯等5-羟色胺受体阻滞剂、ROS清除剂等药物治疗前后，利用氧合、灌注及图像特征数据评价药效也逐渐成为可能，有利于推动靶向药物的研制与应用；(3)基于CT、MRI和CEU的纹理分析等新型图像后处理技术结合微血管影像学技术、临床特征深入探讨糖尿病外周动脉疾病骨骼肌微血管病变的组织结构和代谢的差异，最终降低PAD围手术期发病率和死亡率，降低截肢率。

利益冲突：无。