DCE-MRI参数联合IFIT1基因对腰椎间盘突出患者椎间盘退变程度的评估价值

杜志坡，马淑芳，李 警，王建波，张 朝，崔坤坤

保定市第四中心医院，河北 保定 072350

腰背部疼痛是21世纪重要的社会健康问题，据统计，近80%的人一生中至少有过一次腰痛发作[1]。最常见的腰痛来源是椎间盘退变(intervertebral disc degeneration，IDD)，导致退行性椎间盘疾病和腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation，LDH)[2]。目前，多种病理和影像学检测手段已经在临床上用于评价IDD情况，其中包括组织学检测、X线片、椎管造影、腰椎间盘CT和MRI等[3-6]。其中，MRI是公认的效果最好的检测手段。目前，一些新技术已经逐渐应用于IDD的评价中，如动态对比增强磁共振成像(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)[7,8]。由于DCE-MRI可以观察并量化钆对比剂从毛细血管进入特定组织间隙的速率，即跨膜转运常数(K-trans)，可反映椎间盘血供和微血管的浸润情况，从而有助于IDD的诊断[9]。然而，目前尚不清楚K-trans对LDH患者IDD程度的评估价值。另外，炎症在LDH产生神经疼痛中的作用已经得到了充分的证实。另外，其他文献报道，干扰素诱导基因(IFITs)在退变的人椎间盘中上调并且可能加速退变[10]。然而，目前尚不清楚IFITs是否可反映LDH患者的IDD程度。本研究进一步分析了K-trans和IFIT1基因与日本骨科学会评分(Japanese Orthopaedic Association score，JOA)、视觉模拟评分(visual analogue score，VAS)的相关性，及其联合诊断LDH患者IDD程度的潜在价值，从而为LDH患者IDD程度的诊断提供新的候选方法。

1 资料与方法

1.1 一般资料

随机选取2016年2月至2020年7月在我院确诊的66例LDH患者作为研究对象，其中，男36例，女30例，年龄范围21～68岁。所有患者均知情同意，本研究已经过医院伦理委员会批准。根据改良Pfirrmann分级法[11]将患者分为2组：轻中度IDD(Ⅰ～Ⅲ级)组(46例)和重度IDD(Ⅳ～Ⅴ级)组(20例)。纳入标准：年龄20～70岁；临床信息完整；图像符合诊断需要既往无脊柱手术史；患者已签署同意书。排除标准：存在脊柱严重感染、恶性肿瘤等其他严重疾病；伴有严重心脑血管疾病、神经系统性疾病、内分泌系统疾病及其他疾病；伴有腰部手术病史或受到过外伤；已经接受过治疗的患者或近期有抗生素等药物服用史；存在精神障碍，无法自主完成检查。

1.2 方法

1.2.1DCE-MRI检查

采用美国GE Signa Excite 1.5T超导磁共振成像系统及脊柱表面线圈，取仰卧位对患者进行MRI检查，范围为L1/L2～L5/S1椎间盘。对比剂为钆喷酸葡胺注射液(广州康臣药业有限公司)。DCE-MRI扫描主要序列包括T1WI冠状面，T2WI横断面及动态增强序列(3D-THRIVE)。检查过程中可见髓核与椎体间存在条带状低信号区，参考文献[12]所述方法，将患者的腰椎正中矢状位层面的终板区域的椎间隙的分为7个区域，即上椎体、下椎体、上终板、下终板、上周围髓核、下周围髓核及中央髓核区域，将这一区域确定为感兴趣区(ROI)。K-trans值定义为被观测区域的K-trans最大值。

1.2.2腰椎功能和疼痛评估

患者入组当天，采用日本骨科学会评分(JOA)[13]评估腰椎功能，评分越高说明患者的腰椎功能越好。采用视觉模拟评分(VAS)[14]评估腰部疼痛，评分越高说明患者的疼痛程度越高。

1.2.3IFIT1的mRNA表达检测

抽取患者的外周静脉血5 mL，枸橼酸钠抗凝后，应用淋巴细胞分离液(上海吉至生化科技有限公司)分离外周血单个核细胞(PBMC)。使用TRIzol试剂(美国Invitrogen)提取PBMC总RNA，用super一步法RT-PCR(M-MLV)试剂盒(江苏凯基生物技术股份有限公司)合成cDNA。在美国ABI 7900HT实时荧光定量PCR仪上使用SYBR Premix Ex Taq(日本TaKaRa公司)进行聚合酶链反应。将IFIT3的表达水平标准化为β-actin。通过2-ΔΔCt方法确定IFIT1的mRNA相对表达量。

1.3 统计学方法

2 结果

2.1 轻中度IDD组和重度IDD组患者的基线资料比较

患者的基线资料如表1所示，两组患者的性别、年龄和病程比较差异无统计学意义(P>0.05)。然而，轻中度IDD组VAS评分显著低于重度IDD组，而JOA评分显著高于重度IDD组(P<0.05)。

表1 轻中度IDD(Ⅰ～Ⅲ级)组(46例)和重度IDD(Ⅳ～Ⅴ级)组患者的基线资料

2.2 轻中度IDD组和重度IDD组患者的K-trans值比较

DCE-MRI检查中获取的K-trans值如图1所示，轻中度IDD组的K-trans值显著低于重度IDD组[0.09(0.07, 0.11)vs0.14(0.13, 0.14)，Z=-6.068，P<0.001]。

图1 轻中度IDD组和重度IDD组患者的K-trans值

2.3 轻中度IDD组和重度IDD组患者PBMC中的IFIT1 mRNA水平比较

RT-PCR检测的PBMC中的IFIT1mRNA水平如图2所示，轻中度IDD组患者PBMC中的IFIT1mRNA相对表达量显著低于重度IDD组[0.99(0.87, 1.10)vs2.12(1.59, 2.27)，Z=-5.171，P<0.001]。

图2 轻中度IDD组和重度IDD组患者PBMC中的IFIT1 mRNA水平

2.4 K-trans值和PBMC中的IFIT1 mRNA水平与JOA和VAS评分的相关性

Pearson相关分析结果如表2所示，K-trans值与PBMC中的IFIT1mRNA水平和VAS评分显著正相关，与JOA评分显著负相关(P<0.05)。PBMC中的IFIT1mRNA水平与VAS评分显著正相关，与JOA评分显著负相关(P<0.05)。VAS评分与JOA评分显著负相关(P<0.05)。

表2 K-trans值和PBMC中的IFIT1 mRNA水平与JOA和VAS评分的相关性

2.5 K-trans值和PBMC中的IFIT1 mRNA水平对LDH患者IDD程度的诊断价值

通过ROC曲线(图3)分析了K-trans值和PBMC中的IFIT1mRNA水平对LDH患者IDD程度的诊断价值。由表3可知，K-trans值、PBMC中的IFIT1mRNA水平，以及两者联合诊断重度IDD的曲线下面积(AUC)值分别为0.970、0.903和0.991,诊断价值高。

表3 K-trans值和PBMC中的IFIT1 mRNA水平对LDH患者IDD程度的诊断价值

图3 K-trans值、PBMC中的IFIT1 mRNA水平及二者联合诊断IDD程度的ROC曲线

3 讨论

随着年龄的增加，IDD的风险也在逐渐升高，临床研究显示，一般左右的腰痛与IDD有关[15]。IDD发生后会引起髓核突出破裂纤维外环(AF)并压迫神经根，导致LDH的形成，这也是腰痛及下肢麻木的主要致病原因[16]。目前，国内外研究均证实MRI在成像方面的优势可为LDH诊断提供更准确的数据[17]。DCE-MRI已被广泛用于评价活体骨髓的血流灌注，用于检查骨髓良恶性病变和淋巴增生性疾病伴骨髓弥漫性病变的患者，并监测对化疗的反应[18]。此外，DCE-MRI检查中的K-trans值已被广泛用于研究肿瘤及软组织的微循环状况，可有效反映肿瘤血管密度及灌注量[19,20]。然而，目前尚无文献报道DCE-MRI对LDH患者IDD程度的评估价值。

由于腰椎间盘是成人体内的无血管组织。通过从周围血管扩散向椎间盘提供营养[21]。2001年，Kurunlahti等[22]通过磁共振血管造影观察到腰动脉血流受损与血液向腰椎间盘的扩散减少有关，并可能作为椎间盘退变的促进剂。同样，其他研究人员也报道腰椎区域的动脉粥样硬化改变与椎间盘退变[23]和下腰痛[24]密切相关。在本研究中，轻中度IDD患者的K-trans值显著低于重度IDD患者，并且K-trans值与VAS评分正相关，与JOA评分负相关。这些结果说明DCE-MRI检查中的K-trans值可反映IDD程度、患者的腰椎功能及疼痛程度。其原因可能是退变越严重的椎间盘内越容易出现微血管的浸润。

椎间盘由髓内核(NP)和纤维外环(AF)组成。中央NP是胶原蛋白分泌的部位，含有大量的蛋白多糖，有助于保持水分，产生静水压力来抵抗脊柱的轴向压缩[25]。NP主要由II型胶原蛋白组成，占其总干重的20%。相反，AF的功能是在蛋白多糖含量较低的情况下将NP保持在椎间盘的中心[25]。椎间盘生物学上的几个变化是导致LDH的原因之一。这些包括NP中的水分保持减少，NP和内AF中I型胶原的百分比增加，胶原和细胞外基质的降解，以及细胞凋亡、基质金属蛋白酶(MMP)表达和炎症途径等降解系统的上调[26-28]。炎症在腰椎间盘突出症产生神经疼痛中的作用已经得到了充分的证实。椎间盘是免疫缺陷区域。因此，椎间盘的内容物，特别是NP，如果NP组织伸入硬膜外间隙时，血管内皮细胞的变化会引发血管通透性增加、血管扩张、免疫细胞向该部位的黏附和迁移，以及炎症细胞因子信号传递[29]。此外，COX-2、肿瘤坏死因子α(TNF-α)等炎症因子在LDH患者的椎间盘局部和全身浓度则会增加[30]。本研究中观察到的重度IDD患者的K-trans值升高可能是由于血管浸润越来越显著，导致炎性因子通过微血管浸润到椎间盘基质和髓核细胞内，从而加重了IDD。

干扰素诱导基因IFIT家族与炎症反应密切相关[31]。已有研究表明，IFITs可能通过抑制细胞增殖，负调控细胞周期，直接或间接诱导细胞凋亡[32]，从而导致AF细胞生长停滞[32]。另外，Guo等[10]的蛋白质-蛋白质相互作用网络结果显示，干扰素诱导的3个基因(IFIT1、IFIT2和IFIT3)在退变的人椎间盘中富集，上调的IFITs可能会负向调节细胞周期，从而减少椎间盘细胞的数量，从而加速退变。然而，目前尚不清楚IFITs是否可反映LDH患者的IDD程度。本研究RT-PCR检测到轻中度IDD患者PBMC中的IFIT1mRNA相对表达量显著低于重度IDD患者，并且PBMC中的IFIT1mRNA水平与VAS评分正相关，与JOA评分负相关。这些结果也说明IFIT1mRNA水平可反映IDD程度、患者的腰椎功能及疼痛程度。

本研究通过ROC曲线进一步评价了K-trans值和PBMC中的IFIT1mRNA水平对LDH患者IDD程度的诊断价值。结果显示K-trans值和PBMC中的IFIT1mRNA水平联合诊断重度IDD的AUC值和特异性均高于单独诊断，提示二者结合可能在临床中有助于判断LDH患者的IDD变化趋势。此外，K-trans值反映的椎间盘微血管浸润增加可能导致IFIT1在病变部位富集，IFIT1可能会负向调节细胞周期，从而减少椎间盘细胞的数量，最终加速椎间盘退变。

总之，本研究结果表明DCE-MRI检查中的K-trans值联合PBMC中的IFIT1mRNA水平可用于LDH患者IDD程度的诊断，并且可反映患者的腰椎功能和疼痛程度。