磁共振T2 mapping和dGEMRIC对膝关节再生软骨的纵向评估

徐贤，陈敏，张君，钟立森，安宁豫，李雪

1.解放军总医院第二医学中心＆国家老年疾病临床医学研究中心放射科，北京 100853；2.北京朝阳医院放射科，北京 100027；3.解放军总医院第六医学中心医学影像科，北京 100048；*通信作者 徐贤 xuxian_301@163.com

近年来，基质诱导的自体软骨细胞移植术（matrix-associated autologous chondrocyte implantation，MACI）已逐步用于治疗关节软骨损伤，其临床效果也得到认可[1]。但MACI术后关节再生软骨在生物学上出现的动态变化，其是否形成透明样软骨修复，对于明确软骨细胞移植术后临床有效性的评价非常重要。MRI无创且软组织分辨率高，是评估软骨的最佳方法。既往研究证实，软骨的T2值与软骨内的含水量、胶原纤维的空间构象相关；软骨延迟增强的程度与软骨内糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）含量呈负相关[2-4]。本研究采用磁共振横向弛豫时间成像（T2 mapping）和磁共振软骨延迟增强成像（delayed gadolinium enhanced MRI of the cartilage，dGEMRIC）技术对人体膝关节MACI术后再生软骨的胶原纤维空间构象和GAG含量进行动态评估，从生物学角度动态评估再生软骨的修复过程。

1 资料与方法

1.1 研究对象 本研究为前瞻性研究。选择2014年1月—2017年12月13例膝关节MACI术后患者的20处软骨缺损进行MRI评估，其中股骨内侧髁4处，股骨外侧髁3处，股骨滑车6处，髌骨7处。13例患者中，男8例，女5例；年龄28～57岁，平均（44.3±9.2）岁。软骨缺损面积0.6～5.0 cm2，平均（1.71±1.00）cm2，按照国际软骨修复协会（ICRS）标准[5]，缺损程度均为Ⅲ～Ⅳ度。所有受试者均在MACI术后1、3、6、12个月进行磁共振T2 mapping和dGEMRIC扫描，检查前所有受试者均签署知情同意书。本研究通过解放军总医院伦理委员会批准（编号S2015-084-01）。

1.2 MRI检查 采用3.0 T高场强MR扫描仪（Skyra，Siemens）和15通道膝关节表面线圈。采用脚先进、仰卧位模式。患者先行矢状位3D-VIBE，高分辨矢状位脂肪抑制PDWI扫描，上述序列用于定位再生软骨位置。此后行矢状位T2 mapping成像和注药前、后T1 mapping序列扫描，T1 mapping成像采用多翻转角的3D-VIBE序列。于注药前T1 mapping扫描后，静脉注射钆喷替酸葡甲胺（Gd-DTPA）0.2 mmol/kg，匀速走动10 min，于注射后90～120 min再行T1 mapping扫描。注药前、后T1 mapping扫描参数相同，采用西门子智多星引擎技术保持注药前后扫描位置一致。

成像参数：矢状位3D-VIBE：TR 11.6 ms，TE 5.4 ms，视野（FOV）160 mm×160 mm，矩阵384×384，扫描时间5 min 27 s；高分辨矢状位PDWI：TR 3 000 ms，TE 31 ms，FOV 160 mm×160 mm，矩阵384×384，层厚3 mm，扫描时间3 min 44 s；T2 mapping：TR 1 921.3 ms，TE 13.8/27.6/41.4/55.2/69 ms，FOV 160 mm×160 mm，矩阵384×384，层厚3 mm，扫描时间8 min 42 s；T1 mapping：TR 15 ms，TE 2.7 ms，FOV 160 mm×160 mm，矩阵384×384，翻转角分别为5°、26°，扫描时间5 min 37 s。

1.3 测量方法 MR图像数据传至Siemens syngo workplace后处理工作站，生成T2 map和T1 map伪彩图，结合外科手术记录、矢状位3D-VIBE、高分辨矢状位FS-PDWI选择显示再生软骨最佳层面，由2名具有5年以上骨关节MRI诊断经验的影像医师手工勾画感兴趣区（ROI）。移植区ROI根据再生软骨的形态勾画，包括再生软骨全层，对照区ROI为移植区旁5 mm，且PDWI和3D-VIBE图像上厚度正常、表面完整、内部无信号异常的软骨，ROI的勾画避开软骨下骨及关节腔液体。在T2 map融合图和T1 map融合图上分别测量T2值和T1值（图1），并计算ΔR1值（纵向弛豫率差），ΔR1=1/T1增强后－1/T1增强前。

图1 髌骨后缘移植软骨T2值测量图。矢状位FS-PDWI（A）勾画ROI并在同层面匹配到T2 map融合图（B）测量T2值，高分辨PDWI（C）清晰显示再生软骨形态（箭）

1.4 测量者自身及测量者间的一致性评估 对15处再生软骨进行T2值测量，评估测量者自身及测量者之间的一致性。医师1勾画ROI，测量T2值，1周后再次测量T2值，用2次测量的T2值评估测量者自身的一致性。医师2仅进行1次T2值测量，与医师1的第1次测量结果比较，评估测量者之间的一致性。采用组内相关系数（ICC）进行一致性评价，ICC>0.75认为一致性较好。

1.5 统计学方法 采用SPSS 19.0软件进行统计分析，正态分布的计量资料以±s表示。各时间点移植区与对照区的全层T2值和ΔR1值比较采用配对t检验；移植区各时间点全层T2值和ΔR1值差异比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD法，P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一致性分析 医师1两次测量T2值分别为（59.1±6.3）ms和（58.7±6.5）ms，测量者自身一致性检验ICC值为0.929（95%CI0.805～0.976）。医师1第1次和医师2第1次测量T2值分别为（59.1±6.3）ms和（58.0±5.4）ms，测量者之间的ICC值为0.916（95%CI0.755～0.972）。

2.2 T2 mapping结果 移植区与对照区术后1、3、6、12个月的T2值见表1。对照区T2值在术后1、3、6、12个月之间差异均无统计学意义（P=0.19）。移植区T2值在术后1、3、6、12个月呈逐渐下降趋势，且差异有统计学意义（P<0.01）。组间比较发现，移植区T2值在术后1个月与3个月、3个月与6个月间、6个月与12个月间差异均有统计学意义（P<0.01）。MACI术后1、3、6个月移植区T2值均大于对照区，差异有统计学意义（P<0.01），而术后12个月移植区和对照区差异无统计学意义（P=0.24）。移植区和对照区T2值的差异随着术后随访时间的延长逐渐缩小。

表1 MACI术后1、3、6、12个月移植区与对照区T2值（ms）

2.3 dGEMRIC结果 移植区与对照区术后1、3、6、12个月T1增强前、T1增强后和ΔR1值见表2。对照区ΔR1，T1增强前，T1增强后值在术后1、3、6、12个月之间差异均无统计学意义（P均>0.05）。移植区ΔR1值在术后1、3、6、12个月逐渐降低，且差异有统计学意义（P<0.01）。组间比较发现，移植区ΔR1值在术后1和3个月、3和6个月、6和12个月之间差异均有统计学意义（P<0.01）。MACI术后1、3、6个月移植区ΔR1值均大于对照区（P<0.01），而术后12个月移植区和对照区比较差异无统计学意义（P=0.06），移植区和对照区ΔR1值的差异随着术后随访时间的延长逐渐缩小。MACI术后再生软骨T2 mapping和dGEMRIC动态变化见图2。

图2 MACI术后再生软骨T2 mapping和dGEMRIC动态变化。A～D分别显示MACI术后1、3、6、12个月的T2值，E～H和I～L分别显示术后1、3、6、12个月的T1增强前和T1增强后

表2 MACI术后1、3、6、12个月移植区与对照区T1增强前、T1增强后和ΔR1值

3 讨论

随着细胞生物学和材料科学的迅速发展，应用组织工程学技术修复软骨缺损已成为可能。但对于活体再生软骨是否形成透明软骨样修复尚缺乏有效、准确的临床评估手段，对于组织工程再生软骨移植后的转归缺乏标准的判断依据。因此，如何采用无创方法在活体评估关节软骨再生组织的性状及组成成分，对于临床软骨移植工作的开展及疗效评估具有非常重要的意义。

关节软骨由软骨细胞和细胞外基质组成，细胞外基质的Ⅱ型胶原纤维及其空间构象和蛋白多糖决定了其透明软骨特性。Nieminen等[6]研究发现，软骨被胶原蛋白酶分解后T2值升高，提示T2值能反映软骨内胶原结构的完整性。既往研究证实磁共振dGEMRIC技术能准确反映软骨内的GAG含量[7]。软骨内没有血管成分，静脉注射的磁共振对比剂无法通过血流直接进入软骨，软骨内的对比剂通过关节腔内的滑液缓慢渗入。软骨内的GAG含负电荷，而磁共振造影剂Gd-DTPA也带负电荷，因此，Gd-DTPA渗入的多少与软骨内GAG含量呈负相关，GAG缺失的区域Gd-DTPA浓度会高于正常软骨，导致局部T1值减低，由此间接反映软骨内GAG含量的多少。此外，Bashir等[8]报道液体内的Gd-DTPA约在90 min逐渐渗入关节软骨，此时测得软骨的T1值与GAG含量具有相关性，因此，本研究的dGEMRIC在注射Gd-DTPA后90～120 min进行延迟扫描，并适当活动关节，保证滑液的造影剂充分渗入关节软骨内。结合dGEMRIC和T2 mapping技术能间接反映软骨内蛋白多糖、胶原和水的含量，是活体评估关节再生软骨无创、有效的手段。

本研究还发现：再生软骨的T2值随着术后时间的推移呈逐渐下降的过程，与既往研究报道一致。Watrin-Pinzano等[9]报道老鼠在接受MACI术后，修复组织T2值随时间延长而逐渐减低，指出T2 mapping可评估修复过程中细胞外基质成分及胶原网状结构的排列方向改变。本研究结果发现：MACI术后半年内，再生软骨的T2值高于邻近正常软骨，表明在术后半年内胶原空间构象尚未形成；但在术后1年，再生软骨的T2值与正常软骨无显著差异，说明再生软骨逐渐成熟，胶原空间构象逐渐形成。对dGEMRIC的研究发现，在MACI术后1、3、6、12个月，移植区T1增强后逐渐升高，证明再生软骨的Gd-DTPA渗入逐渐减少，间接反映软骨内GAG含量逐渐升高。Gillis等[10]在对ACI术后再生软骨GAG含量变化的研究中发现：ACI术后6个月内随访组的再生软骨GAG含量明显低于正常软骨，但是术后12个月随访的再生软骨GAG含量与正常软骨相似。Watanabe等[11]在ACI术后平均22.7个月的随访发现再生软骨含量低于正常软骨，认为Gillis等[10]仅对T1增强后进行测量，因而高估了GAG的含量，ΔR1评估GAG含量的准确性优于T1增强后。本研究发现：移植区ΔR1值在术后1年内呈逐渐下降趋势；术后半年内，再生软骨的ΔR1值高于正常软骨，再生软骨的GAG含量仍较低；术后1年时，再生软骨的ΔR1值虽然仍高于正常软骨（1.09±0.27比0.93±0.22），但无显著差异，表明术后1年左右，再生软骨逐渐成熟，GAG含量逐渐接近正常软骨。

结合本课题组前期工作[12-14]，本研究发现在MACI术后1年时，再生软骨水肿消退，胶原空间构象基本形成，但GAG含量的恢复需要更长的时间，证明再生软骨的成熟是一个长期的过程。本研究认为再生软骨T2值与正常对照软骨T2值比值越接近1，表示再生软骨的水含量和胶原排列越接近正常软骨；再生软骨ΔR1值与正常对照软骨ΔR1值比值越接近1，表示再生软骨GAG含量越接近正常软骨。

本研究存在一定的局限性。对于再生软骨特性的评估，力学特性的评估是评价软骨成熟程度和临床效能的重要指标，因此，未来需要加入力学特性的评估如弹力成像[15]。尽管MACI在国内患者数量有限，且长时间随访限制了患者的纳入，但未来仍需要纳入更大样本量，进行更长时间的随访观察，为临床提供更全面有效的信息。