USPIO增强MRI检测兔动脉粥样硬化斑块的实验研究

李勇刚朱 默戴颖钰陈剑华倪健坤郭 亮

动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)及其并发症是威胁人类健康的重要疾病之一,是心脑血管疾病的主要病理基础。在我国,本病的发病率呈逐年增加的趋势[1]。巨噬细胞参与了AS发生发展的全过程,并与斑块的稳定性密切相关[2]。超小顺磁性氧化铁(ultrasm-all superparamag netic iron oxide,USPIO)是一种新型的血池型磁共振对比剂,能被巨噬细胞特异性吞噬。因此,采用USPIO增强MRI有望通过显示AS斑块内的巨噬细胞,实现早期诊断及评估AS斑块稳定性。本研究通过球囊损伤结合高脂饮食饲养的办法建立实验性兔AS模型,采用USPIO增强MRI检测兔AS斑块的形态、数目和成分,探索一种新的AS斑块检测及稳定性评估方法。

方 法

1.实验动物及模型制作

选用健康雄性新西兰大白兔30只,体重1.5～2.0kg,由苏州大学医学院实验动物中心提供。所有动物随机分为两组,实验组20只,对照组10只。

AS模型制作采用球囊损伤结合高脂饮食饲养法。采用4F球囊导管,经股动脉穿刺插入至胸主动脉,加压注入稀释的碘普胺使球囊张开,压力维持在4～5kPa。透视下定位,自胸主动脉开始拉动球囊至腹主动脉末端,反复3次,术后每日肌注青霉素40万单位,连续 3d。2周后,模型兔行高脂饲料喂养(高脂饲料委托苏州双狮实验动物饲料公司配制,成分比例为2%胆固醇、10%猪油、88%基础饲料),饲养14周后行MRI检查。

2.磁共振检查

2.1 动物麻醉:先经耳缘静脉注射地西泮(安定)1m l,然后肌注速眠新Ⅱ0.2m l/kg。

2.2 MR扫描序列及参数:采用Philips Eclipse 1.5TMRI扫描仪,膝关节线圈。USPIO增强前、后扫描序列包括:3D-TOF(TR=30ms,TE=6.7ms,翻转角 30°,层厚 2mm,层间距0mm,矩阵 192×512);横断面TFET1WI(TR=470m s,TE=5ms,翻转角为80°,层厚 5mm,层间距 0mm,矩阵256×256);横断面脂肪抑制SE T1WI(TR=300ms,TE=15m s,层厚5mm,层间距0mm,矩阵256×256);横断面FSET2WI(TR=3000ms,TE=85ms,层厚 5mm,层间距0mm,矩阵256×256);横断面FSEPDWI(TR=2500m s,TE=11.5ms,层厚5mm,层间距0mm,矩阵256×256)和横断面FFE T2WI(TR=600ms,TE=13.4ms,翻转角为 30°,层厚 5mm,层间距 0mm,矩阵192×256)。横断面扫描范围包括右肾动脉上、下方各4cm范围。经耳缘静脉注入USPIO(苏州大学材料与化工学部自制,直径20nm)0.05mm ol/kg后,行MRI增强扫描,并间隔24h重复扫描一次,连续观察5d。

2.3 图像分析:观察斑块在不同序列上的信号变化,实验组测量USPIO增强前、后斑块区域信号强度,对照组测量相应部位正常管壁信号强度。图像信噪比计算公式如下:SNR=SI/SD。

SI(感兴趣区)为腹主动脉管壁的平均信号强度,SD(背景)为扫描野背景信号强度的标准差。在实验组和对照组的T2WI上,测量管壁SNR。连续观察5d,根据SNR变化情况确定增强后斑块强化的峰值时间。

3.病理检查

利用空气栓塞法处死动物,解剖取出完整的主动脉,10%福尔马林液固定。实验组计算右肾动脉上、下4cm范围内的斑块,以各个斑块为中心取病理标本。对照组相应范围腹主动脉取5个标本,共获得25张HE切片。所有标本行HE染色和普鲁士蓝染色,光学显微镜下观察斑块的形态、成分以及铁染色情况。

4.统计学分析

采用SPSS13.0软件进行统计分析,将模型组和对照组在注射USPIO前与注射后第4天所测的管壁SNR进行配对t检验。

结 果

1.动物模型及病理检查结果

实验组20例中,模型成功12例,8只意外死亡。存活12只兔均有斑块形成,斑块大部分位于腹主动脉,模型成功率为60%。对照组未出现意外死亡。

病理检查显示对照组血管壁柔软、富有弹性,管壁光滑未见AS斑块,镜下见管壁各层结构清晰,动脉内膜厚度均匀一致,内膜下未见泡沫细胞。普鲁士蓝染色显示对照组兔腹主动脉管壁标本均未见铁颗粒沉积。

实验组12例扫描范围内共可见86个AS斑块,腹主动脉血管壁僵硬、弹性差,管腔内高低不平,可见多个淡黄色斑块凸出于管腔(图1)。镜下见动脉内膜明显增厚,内膜下可见大量含脂质的泡沫细胞,粥样坏死物,管壁肌层可见增厚,平滑肌细胞增生,8个斑块内可见钙化成分,11个斑块纤维帽破损;高倍镜下斑块内可见胆固醇针形结晶。普鲁士蓝染色显示86个斑块中,67个斑块内可见数量不等的铁颗粒沉积,呈紫蓝色(图2)。

2.MRI表现

对照组USPIIO增强前、后MRI示扫描范围内腹主动脉管腔清晰,未见异常信号。3D-TOF序列示管壁光整,未见管腔狭窄。

与病理检查对照发现,实验组67个普鲁士蓝染色阳性斑块中,USPIO增强MRI可见明显信号改变者共53个,占79.1%。根据斑块内成分不同,MRI扫描信号各异。中央脂质核心呈不规则小点片状T1WI(图3A)、PDWI(图 3B)及 T2＊WI(图3C)稍高信号区,T2WI(图3D)呈等、低信号,脂肪抑制SE T1WI序列斑块中央高信号区信号减低不明显。纤维帽呈等T1、等T2信号,在 PDW I序列显示较好,呈稍高信号,7个斑块示纤维帽不完整,主要表现为纤维帽表面不规则。钙化部分呈点状长T1、短 T2信号。USPIO增强后T2WI及T2＊WI可见斑块中央信号明显明显降低,以T2＊WI更为明显(图3E),注射对比剂后 96h负性强化达峰值,斑块表面纤维帽及斑块深部管壁信号变化均未见明显变化。T1WI序列的斑块早期信号轻度增高,以后信号变化不明显。USPIO增强后各序列对纤维帽信号区别能力没有明显增加。MRI平扫白血序列显示斑块局部管腔不同程度环形或偏心狭窄,USPIO增强后后96h白血序列显示斑块区管壁信号明显减低(图3F)。对照病灶部位普鲁士蓝染色及HE染色结果发现,蓝染的铁颗粒主要沉积在内膜下、泡沫细胞中以及泡沫细胞融合崩解的粥样坏死物中。在内膜脱落区及破裂的纤维帽裂口处亦可见部分蓝染的铁颗粒沉积。在完整的纤维帽、钙化区、斑块内纤维素样坏死区、深部平滑肌增殖区、深部及管周炎性反应区均未见铁颗粒沉积。普鲁士蓝染色阳性斑块中,MRI未发现明显信号改变者共14个,与病理对照发现,其内铁颗粒沉积较少。

3.注射USPIO前后管壁SNR的定量测量。

实验组与对照组USPIO增强前、后T2WI上病变区SNR测量结果见表1。实验组USPIO增强前、后T2WI上病变区SNR的变化趋势是起始逐渐下降,第4天达到最低点然后开始回升(图4)。

表1 两组注射USPIO前后血管壁SNR的定量测量结果

讨 论

新西兰大白兔是目前应用广泛的实验性AS模型动物,Rekhter等[3]研究发现兔AS斑块与人类AS斑块在病理特征上具有极大相似性。目前,实验性兔动脉粥样硬化模型建立的方法主要有高脂饮食饲养以及球囊损伤结合高脂饮食饲养的方法。单纯高脂饮食饲养动脉粥样硬化斑块好发于胸主动脉、主动脉弓及颈动脉分叉等处。本实验采用高脂饲养加球囊拉伤的方法可使粥样斑块发生在易行磁共振检查的腹主动脉,研究结果显示,腹主动脉的中下段即球囊损伤的主要部位,可见较多斑块,部分呈片状分布,与胸主动脉及颈动脉分叉等部位比较,腹主动脉中下段背景噪声小,血流伪影较少,图像质量易控制,且模型成功率高、制作周期短。

在AS发生发展过程中,巨噬细胞充当了至关重要的作用。病变早期在局部细胞因子、趋化因子作用下,外周血单核细胞黏附于血管内膜,转化为巨噬细胞。巨噬细胞吞噬脂质,形成泡沫细胞,泡沫细胞的沉积,构成了粥样硬化斑块的主要成分。随着AS病变进一步加重,在巨噬细胞、血管平滑肌细胞以及炎症细胞作用下,使T辅助细胞和树突细胞相互间的作用加强导致了斑块的破裂和血管内血栓形成[4]。巨噬细胞参与了AS发生发展的全过程,并与斑块的稳定性密切相关,诸多组织学资料表明斑块内的炎症细胞(主要是巨噬细胞)的多少是决定宏观上斑块不稳定性程度的重要因素,即斑块内巨噬细胞越多则越趋于不稳定[5,6]。因此,将巨噬细胞作为成像的靶细胞可早期诊断AS病变并有助于评估斑块稳定性。

本研究显示静脉注入USPIO能被AS斑块内巨噬细胞吞噬,其引起的信号变化能被MRI白血及黑血成像序列检测到。斑块内的脂质成分在T1WI、PDW I和 T2＊WI为稍高信号,在T2WI上呈等低信号,这主要是由于纤维斑块期脂质核心形成后,其中心主要成分是胆固醇和含固态结晶或液晶态的胆固醇酯,由于胆固醇固体结晶及液晶态的胆固醇酯的T 2值较脂类明显缩短,故其信号强度降低[7,8]。斑块内不规则颗粒状脂质核心的高信号在T1WI脂肪抑制序列上没有完全的降低,这说明脂质核心的高信号与普通脂肪的高信号是有区别的,病理切片上也发现了病灶内存在胆固醇结晶。国内、外研究也发现[9-11],复合斑块中的脂质核心成分较复杂,其中有胆固醇、胆固醇结晶、中性脂肪、磷脂等,所以常规的脂肪抑制序列不能被抑制。纤维帽成分在PDW I序列显示较其他序列清晰,呈稍高信号。虽然在部分病理切片发现斑块内存在钙化改变但在MRI上不易明确区分。注射USPIO后,MRI上主要表现为斑块中央高信号的脂质核心区信号降低明显,纤维帽及深部管壁信号降低不明显。铁颗粒主要沉积在内膜下、泡沫细胞中以及泡沫细胞融合崩解的粥样坏死物中。在内膜脱落区及破裂的纤维帽裂口处亦可见部分蓝染的铁颗粒沉积。完整的纤维帽、钙化区、斑块内纤维素样坏死区、深部平滑肌增殖区、深部及管周炎性反应区均未见铁颗粒沉积。这提示静脉注射USPIO后,对比剂主要被大量聚集于内膜下及脂质核心区的巨噬细胞吞噬,从而引起MRI信号变化,也说明巨噬细胞在斑块脂质核心形成、扩大、斑块破裂中起着重要的作用,其聚集程度是判断斑块的活动性及稳定性的重要指标。在MRI上,完整或破裂纤维帽区信号变化均不明显,可能是由于该区铁颗粒沉积不如脂质核心区多,且纤维帽在各个序列上信号强度偏低,USPIO主要是负性强化,因此,信号变化不如脂质核心明显。T2WI上监测管壁SNR变化曲线显示,注射USPIO前和以后的连续5d SNR的变化趋势是起始逐渐下降,在第4天达到最低点,然后开始回升,这说明巨噬细胞对铁颗粒吞噬的峰值时间在96h左右。本研究结果显示,USPIO增强MRI基本能反映AS斑块内巨噬细胞聚集部位及聚集程度,有望用于斑块活动性及稳定性评估。本研究由于受MRI仪场强及线圈等因素影响,图像分辨率有待提高。采用超高场强及专用线圈,提高探测敏感性及图像分辨率,有望更精确地评估病变内巨噬细胞的分布及聚集程度。

多序列MRI成像有助于AS斑块成分的分析及斑块稳定性判断,PDW I序列对纤维帽显示较佳,有利于观察纤维帽完整性。T2＊WI序列对USPIO增强后斑块的负性强化显示较敏感,有利于评估斑块内巨噬细胞的数量及评估斑块炎症反应。MRI白血序列检出斑块数多于黑血序列,黑血技术对显示斑块大小、形态及成分优于白血技术,对斑块性质及稳定性的评估价值较大,3D-TOF MRA覆盖范围大,对斑块检出敏感、直观,可作为黑血成像前的定位手段。

总之,静脉注入血池型MRI对比剂USPIO能被兔AS斑块中巨噬细胞吞噬并导致斑块MRI信号发生明显变化,且持续时间较长,MRI多序列成像有助于显示斑块内不同成分,USPIO增强MRI有望用于AS诊断及斑块稳定性评估。

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