腎的血氧水平依賴磁共振成像boldmr的研究進(jìn)展

腎的血氧水平依賴磁共振成像boldmr的研究進(jìn)展

不同區(qū)域的腎實(shí)質(zhì)的解剖和生理過程存在顯著差異。這意味著腎髓的物質(zhì)在低氧環(huán)境下發(fā)揮著功能，對(duì)血液減少和氧氣消耗的增加非常敏感。以往對(duì)腎內(nèi)氧分壓的測(cè)量多利用微電極等有創(chuàng)性手段進(jìn)行,但不能用于人類研究。血氧水平依賴磁共振成像(BOLDMRI)是目前唯一能無創(chuàng)性繪制腎內(nèi)氧分布的技術(shù),與微電極測(cè)量數(shù)據(jù)之間具有良好的一致性。本文綜述腎的BOLDMRI的理論基礎(chǔ)、技術(shù)、臨床應(yīng)用以及與其他技術(shù)相比的優(yōu)劣勢(shì)。1脫氧血紅蛋白含量BOLD是基于血紅蛋白氧飽和水平的改變而成像的。氧合血紅蛋白具有抗磁性,而脫氧血紅蛋白具有順磁性。脫氧血紅蛋白可形成一個(gè)小的磁場(chǎng),引起質(zhì)子的自旋去相位,在T2*WI圖像上表現(xiàn)為信號(hào)降低。對(duì)于腎BOLDMRI而言,R2*常用于定量評(píng)價(jià)氧含量的改變。R2*(=1/T2*)的比率與組織脫氧血紅蛋白的含量密切相關(guān),BOLDMRI估計(jì)的改變可以被解釋為組織氧分壓(PaO2)的改變。因此隨脫氧血紅蛋白含量增加,T2*降低,R2*值會(huì)逐漸升高。即高的R2*值代表組織氧含量較低,而低的R2*值則代表組織氧含量較高。腎的解剖和生理學(xué)因素使腎皮、髓質(zhì)處于不同的氧分壓下,腎皮質(zhì)的PaO2為50mmHg,而髓質(zhì)僅為10~20mmHg,可見,正常情況下髓質(zhì)即在低氧環(huán)境下起作用。腎皮、髓質(zhì)不同的氧分壓使血紅蛋白處于其解離曲線的不同部分。髓質(zhì)的PaO2<40mmHg,其氧含量的輕微改變會(huì)導(dǎo)致氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白濃度比例的很大變化,可用BOLD檢測(cè)到這些變化;皮質(zhì)的PaO2>50mmHg,血紅蛋白處于解離曲線的淺部,氧含量的輕微改變不會(huì)與髓質(zhì)相似程度地影響血紅蛋白的飽和,用BOLD不能檢測(cè)到這些變化。因此BOLDMRI對(duì)髓質(zhì)PaO2的改變非常敏感,而對(duì)皮質(zhì)氧的改變不敏感,是評(píng)價(jià)腎髓質(zhì)氧含量的理想手段。2腎boldmri的測(cè)量受試者檢查前的準(zhǔn)備對(duì)于腎BOLDMRI的成功非常關(guān)鍵。在檢查前要求受試者禁食禁水12h。因?yàn)檠芯匡@示水利尿會(huì)改善髓質(zhì)的氧含量,導(dǎo)致基線R2*值明顯降低。這樣做的目的是避免因?yàn)榉么罅恳后w對(duì)基線BOLDMRI測(cè)量的影響。目前腎BOLDMRI的掃描序列主要是應(yīng)用回波平面成像(EPI)和二維或三維多梯度回波序列(multiplegradientecho,mGRE)[8,9,10,11,12,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26]。EPI也是最早應(yīng)用于研究腎內(nèi)氧含量的BOLDMRI方法。盡管具有采集速度快、對(duì)BOLD效應(yīng)非常敏感等優(yōu)點(diǎn),但其空間分辨力低、對(duì)磁敏感差異非常敏感導(dǎo)致信號(hào)衰減和空間扭曲。這種敏感性在腹部的應(yīng)用尤其重要,因?yàn)槟c氣可導(dǎo)致嚴(yán)重的磁敏感偽影。二維或三維mGRE也被用于研究腎內(nèi)的氧含量[8,9,10,11,12,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26],與EPI技術(shù)相比,其主要優(yōu)勢(shì)是不需要特殊的軟硬件,更容易廣泛應(yīng)用,提高了空間分辨力。二維mGRE盡管能有效進(jìn)行R2*繪圖,但需要多次采集以取得合適的空間覆蓋,尤其是每一層的數(shù)據(jù)采集都需要閉氣。三維mGRE采集的腎髓質(zhì)R2*值與二維mGRE采集的數(shù)值相似,其主要優(yōu)勢(shì)是具有更好的空間分辨力,可研究速尿注射后腎BOLD反應(yīng)的時(shí)間變化,而不降低空間覆蓋、可采集更薄的層厚,獲得各向同性的掃描數(shù)據(jù),更有利于臨床的應(yīng)用;但閉氣時(shí)間較長(zhǎng),約需23s,這限制了在一些病人,如老年人、重癥病人或其他不能合作進(jìn)行閉氣病人中的應(yīng)用。目前腎BOLDMRI的采集序列大多應(yīng)用mGRE。最好在閉氣期間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;不能閉氣的人,可采用信號(hào)的多次平均。此外,可以應(yīng)用其他技術(shù),如呼氣觸發(fā)、導(dǎo)航技術(shù)。在諸多的掃描參數(shù)中,需要注意選擇回波時(shí)間的范圍,通常為了獲得最佳的信噪比,將最長(zhǎng)的TE值限定為感興趣組織(如腎髓質(zhì))的T2*值。場(chǎng)強(qiáng)影響B(tài)OLD信號(hào),磁敏感效應(yīng)與場(chǎng)強(qiáng)成比例,BOLD的敏感性隨場(chǎng)強(qiáng)增加而增加。初步研究已經(jīng)證實(shí),與1.5T場(chǎng)強(qiáng)相比,3.0T場(chǎng)強(qiáng)的R2*值增加1倍。R2*值對(duì)速尿反應(yīng)的改變也相似增加。同時(shí),磁敏感偽影的嚴(yán)重性與1.5T場(chǎng)強(qiáng)相比也未見明顯增加。這些觀察結(jié)果提示3.0T場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量更好。高場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)是信噪比和空間分辨力的增加。此外,高場(chǎng)信噪比的增加也允許使用并行成像技術(shù)進(jìn)行更快的采集和獲得更好的空間分辨力;回波時(shí)間的降低可以進(jìn)行短重復(fù)時(shí)間的采集,有助于提高器官的覆蓋范圍。3腎波爾曼瑞的臨床應(yīng)用3.1腎髓質(zhì)氧含量的變化許多研究一致性發(fā)現(xiàn)基線腎髓質(zhì)的R2*值明顯高于腎皮質(zhì)的R2*值,提示正常人的腎髓質(zhì)相對(duì)于腎皮質(zhì)而言處于低氧狀態(tài)。在彩色R2*圖上可以很容易地區(qū)分腎皮、髓質(zhì)的結(jié)構(gòu)。腎髓質(zhì)包括外髓的內(nèi)、外紋及內(nèi)髓。盡管目前的空間分辨力水平還不清楚是否在人類可進(jìn)行內(nèi)、外髓質(zhì)的區(qū)分,但研究顯示在鼠腎根據(jù)測(cè)量的R2*值BOLDMRI可以區(qū)分所有腎內(nèi)間隔,最高的R2*值位于外髓的外紋,因?yàn)樵摬课缓竦乃桉嵘У闹鲃?dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)致最大的氧消耗,內(nèi)髓測(cè)量的R2*值在腎內(nèi)最低(較皮質(zhì)低)。準(zhǔn)確的原因并不清楚,可能與內(nèi)髓紅細(xì)胞的數(shù)量(即血容量和/或血球容積)較低有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)髓質(zhì)的氧含量隨年齡以及使用藥物而改變,且隨場(chǎng)強(qiáng)增加而增加。Prasad等利用BOLDMRI研究了正常人利尿情況下的氧分布,發(fā)現(xiàn)水利尿改善了年輕人腎髓質(zhì)的氧含量,同時(shí)伴有前列腺素E2(PGE2)含量的增加;而老年人則沒有誘導(dǎo)出上述改變,異丁苯丙酸抑制了PGE2的分泌,阻止了年輕人水利尿后腎髓質(zhì)氧的增加。其他生理學(xué)因素或藥物也可影響腎髓質(zhì)的氧含量,可能是導(dǎo)致腎損害或功能改善的原因之一。例如水利尿以及速尿(抑制髓襻厚的升支鈉的主動(dòng)再吸收及氧的消耗)的使用改善了腎髓質(zhì)的氧含量;注射碘對(duì)比劑后可引起腎髓質(zhì)R2*迅速持續(xù)的下降;靜脈注射血管緊張素A2也降低了腎的BOLD信號(hào);而一些藥物則不影響腎髓質(zhì)氧含量的改變,如單倍口服劑量的消炎痛、他克莫斯(一種具有免疫活性的大環(huán)內(nèi)酯類抗生素,有很強(qiáng)的免疫抑制作用)及乙酰唑胺(抑制腎皮質(zhì)近段小管鈉的再吸收)對(duì)髓質(zhì)的PaO2沒有影響。這些結(jié)果與以前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)之間很好的一致性提供了BOLDMRI可準(zhǔn)確顯示腎內(nèi)氧水平改變的可靠證據(jù),進(jìn)一步顯示了BOLDMRI在研究人類腎生理學(xué)機(jī)制方面的前景。3.2腎內(nèi)部氧變化各種原因引起的腎缺血可明顯降低腎的血流量,隨缺血時(shí)間延長(zhǎng),因細(xì)胞損傷和壞死可導(dǎo)致腎功能下降。如能早期發(fā)現(xiàn)潛在的缺血原因,進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?可最大程度地降低腎損害,保留或改善腎功能。利用BOLDMRI已經(jīng)證實(shí)在急性缺血情況下腎皮、髓質(zhì)的氧含量明顯下降。Juillard等利用BOLDMRI在豬的腎動(dòng)脈狹窄模型中發(fā)現(xiàn),腎皮、髓質(zhì)的BOLD信號(hào)在逐漸閉塞及完全閉塞期間逐漸增加,在腎動(dòng)脈閉塞解除后恢復(fù)到基線水平,因此利用BOLD可以無創(chuàng)性檢測(cè)腎血流量急性降低時(shí)腎內(nèi)氧的變化。作者還發(fā)現(xiàn)血流量降低時(shí)皮質(zhì)的氧含量低于髓質(zhì),這與微電極測(cè)量的結(jié)果一致,可能與髓質(zhì)內(nèi)血流量的相對(duì)保留有關(guān)。這種皮、髓質(zhì)氧含量的再分布提示皮質(zhì)內(nèi)存在明顯的缺氧。Alford等也利用BOLDMRI研究了腎動(dòng)脈完全閉塞后腎的氧變化,發(fā)現(xiàn)皮、髓質(zhì)的R2*值在急性腎缺血時(shí)明顯增加。盡管目前BOLDMRI在腎缺血的研究范圍仍然有限,但可以推測(cè)BOLDMRI有助于判斷一些治療措施是否能改善人類腎髓質(zhì)的氧動(dòng)力學(xué)以及髓質(zhì)氧的恢復(fù)是否與腎功能的改善有關(guān)。該方法也可以作為估計(jì)早期腎損傷嚴(yán)重程度的輔助方法,預(yù)測(cè)潛在的可逆性及對(duì)腎損傷治療的反應(yīng),闡明新的及現(xiàn)存藥物的腎毒性機(jī)制,更敏感地證實(shí)那些缺血性或腎毒性損傷的高危病人。3.3腎髓質(zhì)氧含量變化糖尿病腎受累是終末期腎病的一個(gè)重要原因,是糖尿病病人發(fā)病率和死亡率的主要原因?？赡苁翘悄虿』蚰I髓質(zhì)血流量降低引起的腎小管負(fù)荷增加使得腎處于缺氧狀態(tài)。但是人類的BOLDMRI研究發(fā)現(xiàn),即使沒有糖尿病腎病,糖尿病病人腎髓質(zhì)的氧含量也出現(xiàn)降低。Epstein等利用BOLDMRI研究了水利尿?qū)o糖尿病腎病的病人腎內(nèi)氧變化的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)正常對(duì)照組腎髓質(zhì)氧含量明顯改善,R2*降低,而糖尿病病人腎髓質(zhì)的R2*則未見明顯變化,這種現(xiàn)象與老年人對(duì)水利尿的效應(yīng)相似,提示腎髓質(zhì)調(diào)節(jié)性血管擴(kuò)張機(jī)制的早期損害。Ries等利用BOLDMRI在鏈脲酶素誘導(dǎo)的大鼠Ⅰ型糖尿病模型中證實(shí)腎內(nèi)所有間隔(腎皮、髓質(zhì))的氧含量明顯降低,這與微電極測(cè)量的結(jié)果一致;但根據(jù)病理學(xué)結(jié)果對(duì)測(cè)量的T2*值重新進(jìn)行分組后,各組之間的差別沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,認(rèn)為所觀察的MR改變沒有受到解剖或組織學(xué)改變的影響,而僅僅受到功能改變的影響。但這些結(jié)果仍需要進(jìn)一步證實(shí)。3.4no的生物活性隨組織藥物的變化腎功能障礙在人類和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物所有形式高血壓的發(fā)生中起著重要作用。很多實(shí)驗(yàn)顯示高血壓時(shí)髓質(zhì)血流(和髓質(zhì)的氧含量)減少,更重要的是,髓質(zhì)血流的減少足以引起高血壓。腎髓質(zhì)血流的減少是由一氧化氮(NO)的生物活性降低引起的。一些藥物或分子可通過抑制或與NO作用影響NO的生物活性。例如,注射一氧化氮合成酶抑制劑(L-NAME)可阻止NO合成導(dǎo)致血管收縮,血流量減少,血壓升高;而在高血壓病人由于氧化降解過度或合成障礙NO的生物活性降低,因此在注射L-NAME后無反應(yīng)。O2-作為主要的氧自由基,可與NO反應(yīng)形成過氧亞硝基陰離子,降低血管內(nèi)皮的NO。自由基清除劑(氮氧化物)可抑制超氧化物與NO的反應(yīng),釋放未激活的NO。注射氮氧化物后可導(dǎo)致自發(fā)性高血壓大鼠(SHR)腎髓質(zhì)血流量增加,平均動(dòng)脈壓降低。利用BOLDMRI復(fù)制了上述這些現(xiàn)象。因此利用BOLDMRI可以更好地理解這些腎保護(hù)性機(jī)制,無創(chuàng)性地評(píng)價(jià)一些藥物預(yù)防高血壓腎病的效果。3.5boldmi檢測(cè)腎移植是終末期腎病的最佳治療方法,盡管手術(shù)技術(shù)和免疫抑制劑的進(jìn)展使得腎移植病人的1年生存率>90%,但移植腎早期功能障礙依然是一個(gè)重要的臨床問題。早期定性對(duì)于預(yù)防不可逆的腎功能降低至關(guān)重要。Sadowski等首次利用BOLDMRI評(píng)價(jià)了20例腎移植病人腎內(nèi)的氧狀態(tài),發(fā)現(xiàn)急性排斥移植腎髓質(zhì)的R2*值明顯低于功能正常的移植腎和ATN,利用18s-的閾值可以準(zhǔn)確鑒別急性排斥與功能正常的移植腎和ATN;而ATN腎皮質(zhì)的R2*高于急性排斥者,提示ATN腎皮質(zhì)處于缺氧狀態(tài),腎髓質(zhì)氧含量正常,可能與髓質(zhì)在低氧狀態(tài)下通過平衡血流量與再吸收負(fù)荷能維持正常的氧梯度,皮質(zhì)則沒有相似的能力有關(guān)。同一研究小組最近的報(bào)道還顯示髓質(zhì)R2*及髓、皮質(zhì)R2*比值能準(zhǔn)確鑒別C4d(+)及ⅡA排斥腎與正常功能移植腎及ATN,提示BOLDMRI可作為一種無創(chuàng)性的技術(shù)用于篩查腎移植后的排斥反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)的重要性在于能最大程度地減少經(jīng)皮穿刺活檢的應(yīng)用。3.6no、pge的作用對(duì)比劑腎病是繼手術(shù)和低血壓之后醫(yī)源性急性腎功能衰竭的第三大原因,占醫(yī)源性急性腎功能衰竭發(fā)病率的10%。盡管對(duì)其病理生理學(xué)機(jī)制進(jìn)行了大量的研究,然而準(zhǔn)確的機(jī)制依然未明,NO及PGE可能在其中起一定作用。Prasad等的研究發(fā)現(xiàn),在注射L-NAME和消炎痛(抑制PGE合成)以及對(duì)比劑后R2*增加,提示髓質(zhì)氧含量降低;注射碘酞葡胺后,髓質(zhì)R2*出現(xiàn)立即短時(shí)的降低(這與短暫的髓質(zhì)充血一致)及氧分壓升高,隨后一致性迅速恢復(fù)到基線水平。最近Hofmann等還在正常人觀察到在注射對(duì)比劑后20min腎髓質(zhì)R2*增加,而皮質(zhì)則未見R2*值的改變,提示注射對(duì)比劑后影響腎髓質(zhì)氧含量,這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)BOLDMRI可能用于檢測(cè)不同因素引起的腎髓質(zhì)氧含量的變化。4boldmi主要用于腎髓質(zhì)氧測(cè)量研究腎髓質(zhì)缺氧最廣泛應(yīng)用的方法是利用微電極測(cè)量組織的PaO2,需要直接將微電極插入腎內(nèi),因此具有很大的創(chuàng)傷性。其他技術(shù),例如利用煙堿腺嘌呤二核苷酸磷酸鹽(NADPH)減少哌莫硝唑的組織學(xué)方法、免疫組織化學(xué)證實(shí)缺氧的內(nèi)源性標(biāo)記物,如乏氧誘導(dǎo)因子(HIF-a)以及電子順磁性共振(EPR)等也用于繪制缺氧區(qū)域。但這些技術(shù)均為有創(chuàng)性技術(shù),還沒有一種研究目前可以用于人類。BOLDMRI為無創(chuàng)性技術(shù),操作與解釋相對(duì)比較簡(jiǎn)單,提供了解剖及時(shí)間細(xì)節(jié),無需注射外源性對(duì)比劑,可以在完整動(dòng)物進(jìn)行連續(xù)的縱向研究?？焖倏芍貜?fù)的采集圖像可以對(duì)組織氧供應(yīng)(血流)及消耗的凈改變進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。如上所述,BO