棕色脂肪MRI定量研究现状及进展

邵书盈，赵建

棕色脂肪组织(br own adipose t issue，BAT)第一次被提出是在15世纪60年代，瑞士科学家Konr ad von Gessner认为棕色脂肪是介于肌肉和脂肪的一种组织[1]。1966年，Aher ne等[2]首次发现人类婴儿肩胛间区、腋下和颈部的棕色脂肪团块，并证实BAT不是白色脂肪组织(whit e adipose t issue，WAT)发育中的一个阶段，而是产生热量的成熟特殊组织。既往认为BAT随着年龄的增长而消退，并在一个人成年时完全消失。2009年通过葡萄糖类似物18F-脱氧葡萄糖(f l uor odeoxygl ucose，FDG)作为示踪剂进行正电子发射和计算机断层扫描(positr on emission and computed t omogr aphy，PET-CT)证实了成年人颈部、锁骨上部和脊柱旁存在大量代谢活跃的BAT[3]。本文着重介绍BAT的生理功能及MRI评估BAT的各种信号对比和潜在机制，综述水脂分离技术、PET-MRI、磁共振波谱、血氧水平依赖性MRI、动态对比增强MRI、扩散加权成像、超极化MRI、分子间零量子相干等这些无创定量BAT的磁共振方法的研究进展。

1 BAT的生理功能

BAT几乎存在所有哺乳动物体内，在新生儿、幼小哺乳动物相对较多，对体温及能量平衡有重要作用。主要分布于肩胛间、颈部、腋下、肾脏周围、脊柱等区域，部分WAT中可有少量分布[4]。解偶联蛋白1(uncoupl ing prot ein1，UCP1)特异性表达于BAT，被称为BAT产热活性的生物学标志物[5]。当休息状态时，UCP1处于抑制状态，而外界因素发生变化时可促进UCP1表达，UCP1可使H+回流入线粒体内膜，消除质子梯度而与ADP发生解偶联，使能量以热能形式释放[6]。研究表明冷暴露或运动均可激活BAT。当人体受到寒冷刺激时，BAT通过下丘脑激活交感神经系统，释放去甲肾上腺素作用于β3-肾上腺素受体，依赖于环磷酸腺苷的信号通路被激活，诱导棕色脂肪细胞UCPl蛋白表达，促使储存的甘油三酯发生脂解作用释放游离脂肪酸并增加产热[7]。运动可通过增加线粒体活性加速葡萄糖和脂肪酸的消耗，减少WAT并改善代谢状况[8]。去甲肾上腺素输注，胰岛素、啮齿类动物研究中麻黄碱或者饮食中的甲基黄嘌呤(例如咖啡因)等也可增加BAT活性[9]。

2 MRI检测BAT的优势

传统非侵入性检测BAT活性的标准是PET-CT[10]，但其局限性很明显。首先这种方法涉及静脉注射放射性示踪剂以及CT检查导致放射性暴露，限制健康人群及儿童的广泛应用。同时为了获得BAT在激活状态下FDG的摄取，检查者必须经过长时间的冷暴露，准备时间过长且不舒服。由于个体差异例如肥胖程度等导致耐受冷暴露的能力不同以及是否制定个性化颤栗阈值的降温程序，对探测BAT的体积及活性可重复结果影响很大[11]。而MRI有优秀的组织对比度和空间分辨率，利用目标组织的化学组成和微观结构的直接影响可以检测到核自旋的频率、扩散和弛豫特性等，不需提前冷暴露准备，也无电离辐射的担忧，可以安全地用于所有年龄段的人类受试者的纵向研究中，了解BAT在整个生命过程中是如何进化的。同时BAT和WAT在组织学上的内在差异可以为MRI定量分析提供不同的信号对比。WAT通常是大的单房空泡样脂肪滴细胞，而BAT是较小的多房不规则的脂肪滴细胞，相比于WAT，BAT的细胞质数目多，小动脉和小静脉口径较大，毛细血管细胞及交感神经纤维末梢更密集，导致更多的血液灌注、耗氧量及代谢活性[12]。

3 定量检测BAT的MRI序列及其基本应用原理

3.1 水脂分离技术

水分子中氢质子的化学键为O-H键，而脂肪分子中质子的化学键为C-H键，造成水分子中的氢质子的进动频率始终比脂肪分子稍快，射频脉冲关闭后，水质子相位超前于脂肪质子，当其相位相差180°时可采集检测水和脂肪组织信号相减的差值，获得反相位图像，当其相位相差360°时可采集检测水和脂肪组织信号相加的和，获得同相位图像。水脂分离技术是1984年Dixon利用同向位像和反相位像，单独产生纯水或者纯脂肪信号的图像的技术。常用的技术包括2点Dixon法[13-15]、mDixon(modif ied Dixon)[12,16]、最小二乘法估计和不对称回波迭代分解的水脂分离技术(it er at ive decomposit ion of water and f at wit h echo asymmet ry and l east-squares estimation，IDEAL)[17-19]。2点Dixon法是指在一次扫描中可同时采集同相位和反相位两幅图像，利用后处理分离出水和脂肪信号，主要缺点是当磁场B0不均匀或有显著磁化率效应时会产生相位误差，导致不纯的水相和脂肪相。IDEAL技术是一种三点Dixon法，不仅可以解决磁场不均匀性的系统缺陷、消除T1弛豫偏差以及校正T2*，还能同时生成脂肪相、水相、同相位、反相位、脂肪分数(f at f ract ion，FF)及T2*，可分辨0～100%的脂肪含量[17]。mDixon技术是基于传统两点Dixon水脂成像的六回波重建的改良方法，类似于IDEAL方法[16]。其中FF和T2*、R2*是应用水脂分离技术定量BAT主要的指标。

FF为脂肪信号强度(F)与水(W)和脂肪信号强度的总和之比，即FF=F/(F+W)。棕色脂肪细胞含有比白色脂肪细胞更多的水和更少的甘油三酯含量。在小鼠模型[17-18]和健康人类[13,15]研究中均发现BAT的FF比WAT低。Lundst röm等[20]通过长时间冷刺激后加热发现成人颈部及锁骨上BAT的FF持续降低，表明导致BAT-FF降低的主要原因是脂质消耗，而不是血流灌注。Jones等[21]的研究基于Dixon MRI发现该技术在某些情况下可有效区分BAT和WAT，但无法确定成人体内BAT和WAT的FF的标准阈值。

T2*表示横向磁化强度的衰减的弛豫时间，是由自旋-自旋弛豫和局部磁场的不均匀性共同引起的[12]，其中R2*=1/T2*。线粒体内膜上铁的存在以及水-脂肪界面产生的磁化率梯度都造成信号快速衰减，导致BAT通常具有比WAT更低的T2*值[22]。Deng等[23]认为T2*弛豫时间可能随着耗氧量或血液灌注比例变化而改变。耗氧量增加导致血液中的脱氧血红蛋白水平升高，导致T2*降低。但血流会带来更多的氧合血红蛋白，导致局部脱氧血红蛋白减少，从而导致T2*升高。当较高的耗氧量超过血液供氧量时，T2*将减少，反之当较高的血液供氧量超过耗氧量时，T2*将增加。Deng等[23]研究发现经过个体化颤栗性产热的降温处理的15名受试者，其BAT的R2*值既有降低，也有升高，R2*变化的不确定性可能是由于BAT的生热过程中局部组织温度变化所致。目前研究BAT的T2*尚无标准阈值[12]。

3.2 PET/MRI

PET/MRI作为能够对BAT进行形态和功能评估的工具之一，可通过18F-FDG PET显示代谢活跃的脂肪组织，通常是使用Dixon水脂分离技术。Fr anz等[14]在一群多次接受PET/MRI检查而且锁骨上发现有代谢活性的BAT(PET阳性)的肿瘤儿童中发现他们体内SUV的平均值波动很大，中位数变化为91%，而体内FF的变化很小，中位变化仅为5%，这表明FF值可能与脂肪组织的成分有关，而与当前的代谢活性状态无关，无论BAT代谢状态是否活跃，FF均保持相对稳定，所以当检查者BAT的代谢不活跃而无法在PET图像上检测到时，可以使用FF来分析。Hol st il a等[12]发现与皮下WAT相比，健康成人锁骨上BAT的FF和T2*值明显降低，FF和T2*值在冷暴露和热中性温度下与18F-FDG PET测量的葡萄糖摄入量呈反比，但寒冷暴露没有明显影响FF和T2*值，MRI测量值与BAT活性无关。

3.3 磁共振波谱

磁共振波谱(magnet ic r esonance spect r oscopy，MRS)是利用磁共振现象和化学位移作用对特定原子核及其化合物进性分析的无损伤性方法，用以研究活体组织器官代谢和生化变化以及化合物定量分析。理论上甘油三酸酯模型可通过双键数和亚甲基断裂双键数代表脂肪。光谱学可以利用甘油三酯化学结构的知识来确定甘油三酯的类型。每个共振峰代表一个特异的质子，每个峰的相对面积可通过加入甘油三酯分子中氢原子核的数目及其相关键类型来确定[24]。在离体实验中，Hamil t on等[24]通过MRS检查发现小鼠棕色和白色脂肪组织之间的3个关键的物理特性：脂肪分数、水的T1弛豫率和脂质饱和度，并且它们的差异均基于内源性生化和组织学特征。无论组织的激活状态如何，这些差异在BAT中均可观察到。同时由于存在的甘油三酸酯类型不同，发现峰面积不同，研究发现WAT具有比BAT高的双键数和亚甲基断裂双键数，表明WAT具有更大比例的不饱和甘油三酸酯。Raiko等[25]通过对25名健康志愿者的1H-MRS测量结果发现锁骨上BAT的甘油三酸酯含量较皮下WAT明显减低，推测锁骨上脂肪沉积物中的甘油三酸酯可能是全身胰岛素敏感性的独立标志物，与BAT代谢活化无关。

3.4 血氧水平依赖性MRI

血氧水平依赖性(bl ood oxygen l evel dependent，BOLD)MRI是基于血液氧合水平的功能磁共振成像技术，常用于脑功能的测定[26]。其信号强度主要取决于血液中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的比例。

Chen等[13]利用水循环背心将健康成人暴露于冷刺激下60 min发现BOLD MRI可连续监测BAT活性变化，同时BAT中的BOLD信号增加了(10.7 ±1.8 )%，其信号变化程度明显大于脑功能磁共振成像。BAT中的高BOLD信号变化可能是由于BAT激活造成的高代谢需求状态需要更多的血流动力学来满足。还有一些研究不仅仅局限于BAT本身，而延伸到其他心脏及神经系统等。Panagia等[27]发现使用BOLD MRI来探测心力衰竭对BAT形态和功能的影响，心力衰竭导致BAT的慢性激活，同时BAT体积减少，可能与急性生理刺激的反应能力明显下降有关。Muzik等[28]发现在人类中观察到的冷暴露BAT量的可变性可能在一定程度上与感觉间的大脑皮层区域对皮肤温度变化的不同敏感度有关。

3.5 动态对比增强MRI

动态对比增强MRI(dynamic contr ast enhanced MRI，DCE-MRI)是一种T1加权成像技术，可通过获取静脉注射对比剂(钆螯合物Gd-DTPA或超顺磁性氧化铁纳米颗粒SPIO)之前、之中、之后的连续多期的高分辨率的图像，通过计算机处理评估组织的血流情况，获得组织微循环功能的各种参数。例如容量转移常数(vol ume t r ansf er constant，Ktrans)、速率常数(flux rate constant，Kep)、血管外细胞外间隙容积分数(volume f r act ion of ext r avascul ar ext r a vascul ar space，Ve)等。Ktrans是从血浆到组织间隙的体积转移常数的量度，代表对比剂的摄取。Kep是从组织间隙返回血浆的转移常数，代表对比剂廓清。计算公式为Kep=Ktrans/Ve。Ktrans反映的是组织内毛细血管通透性及血浆流量共同作用的结果，Ktrans值越高则表示组织的血浆流量和组织血管渗透性越高。

Jung等[29]在冷暴露后小鼠的BAT中检测到镶嵌于富含甘油三酸酯的脂蛋白的Fe标记的SPIO摄取明显增高，可以提供有关BAT在脂蛋白代谢中的信息。Yal igar等[30]发现冷暴露和β3-肾上腺素能激动剂均使小鼠肩胛间区BAT的Ktrans显著增加。Ktrans的增加是由于激活过程中BAT的血流灌注增加，对比剂摄取增加。与BAT相比，WAT中的对比剂摄取量非常小。

3.6 扩散加权成像

扩散加权成像(dif f usio n weight ed imaging，DWI)是一种MR成像技术，广泛应用于肿瘤学和神经影像学领域，依赖于水分子在不同组织中的扩散运动能力不同来检测组织的微观结构。ADC是量化DWI的参数，表示不同方向的分子扩散运动的速度和范围，目前在脂肪评估应用较少。由于水分子不能通过线粒体内膜，因此线粒体内外的水分子扩散受到很大限制，受限的水分子形成较小的ADC，同样由于脂质被限制在BAT中较小的脂质液滴中，因此脂质分子在BAT中的扩散也受到更大的限制。扩散加权MRI中，与WAT相比，BAT中可以测量到更小的脂肪ADC[22]。Deng等[31]利用DW-BLADE序列发现相比于正常儿童，肥胖儿童的BAT所含的脂肪细胞比例和体积更大，导致细胞外空间减少，降低组织的水分流动性，从而导致扩散系数低，ADC略低。

3.7 超极化MRI

超极化MRI是指利用传统MRI检测注射入生物体内可自旋极化的超极化生物探针大幅度提高MRI信号的技术，是研究BAT的新方法，有助于鉴定和表达BAT的代谢活性。常用原子核为13C和129氙(129Xe)。

Riis-Vest ergaard等[32]通过[1-13C]丙酮酸MRI发现与热中性条件相比，冷暴露的小鼠肩胛间区BAT丙酮酸代谢增加了5.5 倍，这与通过PET/MRI测量的FDG摄取的5倍增加非常吻合，说明超极化MRI可检测到BAT活性，可能是用于促进人体BAT激活的有希望的无辐射工具。

超极化129氙气MRI通过自旋交换光学泵浦的过程对气体进行预先超极化，超极化之后，受试者或动物吸入的气体从肺腔扩散到肺实质和血液。随后溶解的气体被输送到远端器官，按组织灌注率和组织血液分配系数成比例累积。随着氙气扩散到不同的组织间隙中，其化学位移发生变化，从而可以区分溶解在血液中的氙气和溶解在组织或脂质中的氙气[33-34]。Br anca等[33]利用氙的亲脂性质检测BAT温度变化(＜1°C)和刺激后激活的BAT对氙气的吸收增强15倍以上来区分该BAT与周围组织。Antonacci等[34]通过超极化氙气使用磁共振测温法发现肾上腺素刺激后UCP1基因敲除小鼠肩胛间区BAT温度比直肠温度升高更快，证明了UCP1敲处小鼠的肩胛间区BAT中可能存在独立于UCP1的非颤栗产热机制。

3.8 分子间零量子相干

分子间零量子相干(int er mol ecul ar zer o-quant um coher ence，i ZQC)是一种高分辨率的核磁共振谱，可以在细胞水平上探测脂肪和水自旋之间的空间相关性，从而克服检测WAT和BAT混合物或位于内脏器官周围的BAT时出现测量脂肪分数的误差。该方法可以在约100μm的距离处检测水和脂肪自旋之间的分子间零量子相干跃迁，Br anca等[35]研究发现在小鼠肩胛间区BAT的i ZQC光谱中检测到亚甲基水峰，该峰在WAT和肌肉组织的光谱中完全不存在，可以视为BAT组织的标记。

4 临床意义

4.1 肥胖

肥胖是指体内脂肪堆积过多、体质量增加，与高糖尿、血脂异常、高血压等代谢性疾病，甚至结肠癌、胰腺癌等密切相关。MRI技术FF、T2*均可显示BAT在调节体内脂肪储存中的重要作用。

Hu等[17]通过比较体质量较瘦小鼠和ob/ob小鼠(瘦素激素不足导致肥胖)之间的BAT的FF差异，发现ob/ob小鼠的FF更大，同时每组中BAT的FF值始终低于WAT，差异在瘦小鼠中更明显，提示瘦小鼠对BAT生热的需求增加，ob/ob小鼠出现瘦素激素缺乏和BAT代谢活性降低。在婴儿和儿童中，Hu等[16]发现婴儿的锁骨上BAT的FF低于儿童，体质量指数偏小的儿童的BAT的FF低于超重儿童，推测是BAT数量和代谢活性在婴儿和瘦弱儿童多，与体质量指数呈反比。Deng等[31]在9～15岁的儿童中发现BAT的T2*值，正常体质量者为(12.5 ±4.0 )ms，肥胖者为(15.6 ±4.9 )ms。Hui等[36]发现在青少年中正常体质量的BAT T2*[(13.7 ±2.5 )ms]与肥胖组[(17.0 ±4.4)ms]相比较低。

4.2 骨质疏松症

骨质疏松症是指以骨量减少，骨小梁稀疏、断裂导致骨的脆性增高及骨折危险性增加的一种全身性骨病，已经成为影响老年人生活质量甚至死亡的常见原因，据报道，我国每14人中就有1人患有骨质疏松症[37]。越来越多的证据表明BAT与骨合成代谢之间存在联系。Seal e等[38]通过谱系追踪的方法证实棕色脂肪细胞和白色脂肪细胞不是来源于同一个祖细胞，经典棕色脂肪从祖细胞发育开始，在某一时间点会表达肌源性标记基因Myf 5，而白色脂肪不表达相关基因。目前BAT与骨联系的研究大多通过PET/CT来进行，Lee等[39]研究表明健康女性体内BAT量与骨密度呈正相关。Ponr art ana等[40]在儿童和青少年中BAT的体积与骨量和股骨的横截面大小正相关，Ander sson等[19]对7岁儿童进行MRI检查发现颈部-锁骨上-腋窝BAT的FF与大腿肌肉体积呈负相关。这些研究结果提示BAT活性与骨代谢是正性相关的。虽然MRI上目前很少有相关报道，但利用MRI探究BAT与骨量的关系是一种防治骨质疏松的新途径。

5 目前研究方法及技术的局限性及展望

目前水脂分离技术的FF值已经成为最常于表达BAT的指标，但不能准确检测脂质含量。即使在MRI体素的亚毫米空间分辨率下，仅靠FF值也不能区分纯棕色脂肪细胞和白色与棕色脂肪的混合物，脂肪渗入器官和骨骼肌的情况也会影响FF值。而基于水和脂肪自旋之间的i ZQC可克服该限制，但临床扫描仪的低信噪比限制了其在人体上的应用，目前仅用于高场强7.0 T、9.4 T的动物研究中。MRS定量脂肪准确性很高，但由于对磁场均匀度要求高，采集需要使用长重复时间降低T1加权效应和多重回波时间来校正T2加权效应，技术稳定性差，影响了测量准确性。PET-MRI是目前BAT的理想功能成像，但PET本身分辨率不高，无法对广泛分布在全身的BAT微小区域进行更好地评估。BAT的成像是具有挑战性的，BAT的形态和活性取决于一系列的环境(例如温度)和激素条件，未来的成像研究设计应该更加注意这些因素。BAT易受到呼吸运动及动脉搏动的影响，引起的组织移位和主磁场的波动，会明显影响DWI、T2*等图像，也需要进一步解决。

综上所述，MRI作为评估BAT的工具之一，具有高组织分辨率、低电离辐射、可多参数表征脂肪的特点。水脂分离技术、MRS、PET-MRI这些是研究BAT功能的常用技术，而BOLD、DEC-MR是目前被认为可探测BAT活性的技术，DWI、超极化MRI、i ZQC是进一步研究的有趣的途径，FF、T2*及R2*都是用于测量BAT的稳健参数，使得MRI可以用于BAT的识别和量化。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。