大鼠去势后骨量及骨松质骨髓脂肪变化的DXA、QCT和CSI表现及其相关性研究

冯银波赵江民杨振燕张 蕾

许多疾病的病程与骨髓改变密切相关。如骨量减少或骨质疏松者的骨髓脂肪含量明显比正常骨密度者要高[1];成人股骨头缺血性坏死患者在骨形态改变之前,骨髓脂水成分就有变化[2];再生障碍性贫血造血骨髓的水含量要比正常者要高。临床上诊断骨量减少的金标准是双能X线骨密度(DXA)和骨松质容积骨量(QCT),检查骨髓脂肪含量的金标准是骨髓活检,这几种方法各有利弊。本研究采用骨质疏松大鼠模型建立方法,制作不同脂肪含量的骨松质改变,通过DXA、QCT、化学位移率(CSR)和骨髓脂肪含量(%FF)之间的比较,探讨无辐射、无创伤的磁共振成像技术评价相关疾病的骨髓成分构成改变的价值。

方 法

1.实验动物及实验流程

SD大鼠(12周龄)雌雄各30只,完全随机化方法:雌雄各10只行假手术;雌雄各20只行去势手术。术后第12周和第16周,随机取半数进行影像学检查,之后处死大鼠,取出髂骨病理检查(大鼠均在相同常规环境中正常喂养)。

1.1DXA:大鼠麻醉后俯卧位固定于LUNAR骨密度仪扫描床上,采用小动物Total Body Bone Density模式,从大鼠鼻尖扫描至尾端。仪器每天开机时扫描厂家提供的标准体模,对双能骨密度仪常规校正。本仪器系统所测量值为大鼠全身骨质的骨密度,单位以mg/cm2表示(图 1)。

图1 2114号大鼠DXA为 0.334g/cm 2。图2 大鼠QCT扫描,仰卧于QCT专用扫描垫。

1.2QCT:使用(GE,Lightspeed)16排螺旋CT机,扫描大鼠脊柱中段至骨盆层面,层厚8mm(图2)。扫描时侧位定位片上,扫描线平行与椎间盘。感兴趣区随机定位于3个椎体及两侧髂骨骨松质区域,测量得到容积骨密度的平均值,单位以mg/cm3表示(图3)。测量时注意避开周围骨皮质。

1.3CSI:使用M arconi 1.5T Edge Eclipse型超导MRI机。大鼠俯卧位,固定于膝关节线圈内,冠状面扫面脊柱中段至骨盆区域(图4)。化学位移成像扫描参数为同相位序列TR/TE:2500/4.5ms,翻转角:90°,带宽:15.62kH z,层厚:3.0mm,层间距 :0mm,矩阵:256×256,信号激励次数:2。反相位序列TR/TE:2500/6.7ms,翻转角:90°,带宽:15.62kH z,层厚:3.0mm,层间距:0mm,矩阵:256×256,信号激励次数:2。运用Dicom Works软件分析图像,感兴趣区(ROI)放置于大鼠髂骨及椎体骨松质区域,分别测量相同层面,相同感兴趣区椎体和髂前上棘的信号强度值(图5,6),按公式“CSR=Iop posed phase/Iin phase”计算化学位移率。取两处化学位移率的平均值,获得骨松质区域的平均化学位移率。

1.4骨松质病理检查:迅速取出大鼠的髂骨(处死后1h内)。选取骨松质较多的部分脱钙、固定、常规石蜡包埋、连续 5μm切片,做HE染色。经两名经验丰富病理科医师光镜下判读切片脂肪含量(图7,8)。本实验骨髓脂肪含量为半定量数据。我们将所有大鼠按骨松质骨髓脂肪含量:低脂肪(0～50%),高脂肪(50%～100%)由低到高分成两个等级。由于假手术组雄鼠在12周手术时有1只死亡,有影像学数据的大鼠有59只;9只大鼠取骨松质时,死亡已超过4h,尸僵出现,病理组织取出无效,故有效病理只有50只。

图3 2114号大鼠QCT为 644.2g/cm 3。

图4 大鼠MR扫描,俯卧于膝关节线圈内。

图5 髂骨及椎体同相位图形及其骨髓ROI的信号强度。椎体骨松质信号强度为127,髂骨骨松质区域信号强度为88。图 6髂骨及椎体反相位图形及其骨髓ROI的信号强度。椎体骨松质信号强度为148,髂骨骨松质区域信号强度为136。

图7 2223号大鼠骨松质HE染色,脂肪含量约为90%(×400)。图8 1105号大鼠骨松质HE染色,脂肪含量约为45%(×400)。

2.统计学分析

运用SPSS11.0统计包进行数据处理,在50只大鼠骨松质模型中,使用最小有差别(LSD)检验,比较不同脂肪级别间的DXA、CSR和QCT的差异及变化趋势;并对CSR与DXA和QCT、DXA与QCT关系分别进行简单线性回归,以探讨CSR、DXA、QCT三者间是否有相关性。运用95%可信区间进行平均值和标准差计算,取双侧P＜0.05为统计意义。

结 果

在50只实验数据齐全的大鼠中,骨髓脂肪含量低于50%的有24只,骨髓脂肪含量高于50%的有26只。骨髓高脂肪组的DXA为0.310±0.014mg/cm2,比骨髓低脂肪组的(0.320±0.014mg/cm2)要低,且差别有统计学意义(P=0.003)。骨髓高脂肪组的QCT(427.88±39.25m g/cm3)比骨髓低脂肪组的(503.86±79.02mg/cm3)要低,且差别有统计学意义(P=0.000)。骨髓高脂肪组的CSR为0.673±0.167,骨髓低脂肪组的为0.828±0.245,两者间差别有统计学意义(P=0.013)(表1)。

表 1 高、低骨髓脂肪组间DXA、QCT、CSR的最小有差别(LSD)检验

DXA与CSR的Pearson检验表明两者间的相关性没有统计学意义 (P=0.254)。DXA与QCT的Pearson检验表明两者间的相关性有统计学意义(P=0.021),随着QCT的增加DXA增加。进行回归分析,得出回归方程QCT/100=-0.182+15.408×DXA。CSR与QCT的Pearson检验,表明两者间的相关性有统计学意义 (P=0.016),随着QCT的增加CSR增加。对两变量进行回归分析,得出回归方程CSR=0.272+0.001×QCT(表2)。

表2 DXA、CSR、QCT间的回归分析

讨 论

有学者[3-5]假设骨松质是由骨小梁和骨髓以不同比例组成的立体骨模型,这样就可以实验获得由骨小梁决定的骨松质容积骨量(QCT)、骨髓脂肪含量(%FF)和磁共振化学位移率(CSR)。同时,我们用双能X线检测大鼠全身骨量(DXA),比较分析上述四种实验数据。

磁共振化学位移成像(CSI)是利用射频脉冲的聚相位作用,选择不同的回波时间(TE)使水和脂肪的氢质子周期性出现相位差 180°(反相位,opposedphase)和相位差 0°(同相位,in-phase)[6]。理论上,化学位移率(CSR)由“Iopposed-phase/Iin-phase”决定,Iopposed-phase为骨松质骨髓区域内脂肪信号(If)和水信号(Iw)相减的信号强度,Iin-phase为同一区域内If和Iw相加的信号强度,进行数学转换得到CSR与 “1-2×If/(If+Iw)”成正比。If/(If+Iw)为脂肪信号在脂水总信号中所占的比率,即反映了骨髓脂肪含量。本实验表明,高脂肪含量骨松质骨髓的CSR要比低脂肪含量小。

对于本实验大鼠,DXA测量大鼠全身面积骨密度,为二维骨密度测量值;QCT测量局部骨松质体积骨密度,是三维骨密度测量值。高脂肪含量骨髓大鼠的DXA和QCT都要比低脂肪含量的要小。这两种检查骨量的方法都可以反映大鼠骨量和骨髓脂肪含量的变化,骨髓脂肪含量高者的骨量少,其机制[4]可能为:第一,骨髓脂肪含量的增加就需要骨小梁的变薄进行代偿;第二,红骨髓具有高静水压和较少的可压缩性,其被有较大可压缩性的黄骨髓替代,就增加了椎体的脆性;第三,成骨细胞和脂肪细胞在红骨髓中具有共同的起源,脂肪形成的增多就会导致成骨活动的减少。Tanaka等[7]研究发现骨质疏松时骨量减少与脂肪的沉积交替进行,最早发生在椎体的中部区域,以椎基血管处最显著,在骨质疏松的后期才波及到椎体周边部的骨质。椎体内骨髓的活动性可以代表正常人全身骨髓变化,这使椎体成为骨质疏松时影像学检查的最敏感部位,也是检查部位选择的原因。

骨松质骨髓的CSR随着骨松质QCT的增加而增大,呈“CSR=0.272+0.001×QCT”的关系。同时,高脂肪含量骨松质骨髓的CSR和QCT要比低脂肪含量骨松质骨髓要小。化学位移成像的原理除了射频脉冲聚相位作用外,还有不同解释。Schicketal等[4]曾用骨松质为主体的骨模型来解释使用磁共振波谱(M RS)中的谱线宽(LW)测量骨密度,认为骨小梁的密度和空间分布影响了骨髓的磁场均匀性而产生了化学位移效应。还有学者[8]解释为骨松质内骨小梁与骨髓接触面的不均匀性导致了磁场不均匀,引起了氢质子弛豫时间的变化,因此可以用磁共振磁场不均匀性的数据来检测骨松质骨密度。James等[9]对骨质疏松组、骨量减少组和正常组,进行PRESS序列波谱(TR/TE=3000/25ms)分析,发现骨质疏松组的骨髓脂肪含量最高是 (58.23±7.8)%,骨量减少组为(55.68±10.2)%,正常组为(50.45±8.7)%。David等[1]用非抑水PRESS序列(TR/TE=3000/25ms)的H-MRS检测绝经后妇女腰椎骨髓脂肪,发现骨密度的变化与骨髓脂肪含量和骨髓脂肪成分 (不饱和脂肪的含量)有关。由于实验有限,设备和条件不一,关于正常骨髓脂肪含量和CSR的数据标准各不相同,但我们可以发现,总的趋势表现为,随年龄增长,骨髓脂肪含量增加,CSR减少。CSR可以作为临床预测骨髓疾病一个指标。

本实验还发现,QCT与DXA之间呈正比关系,DXA与CSR间相关性没有统计学意义。由于DXA反映了大鼠全身总骨量的变化,包括骨松质和骨皮质,QCT反映了局部骨松质密度[5],而CSR反映了局部骨松质骨髓脂肪含量的变化。大鼠全身总骨量的减少,以目前的实验检查手段还不能用CSR的变化反映出来。以成人为例,全身骨骼中80%的骨量是骨皮质,另外20%为骨松质[3]。骨质疏松者总骨量的减少以骨松质为主,如果骨皮质骨量的减少对总骨量的减少有一定影响,则总骨量减少是否可以用CSR检测出来就有待进一步验证。因为,CSR是通过检测骨松质骨髓脂肪含量的变化而间接反映骨松质骨量变化,这就导致检测骨松质骨髓脂肪含量变化的方法对发现全身骨量变化不敏感。随着磁共振成像设备的更新和技术的改进,骨松质骨髓CSR更加精确的测量,我们可以进一步获得CSR和DXA之间的相关关系。

本实验获得的骨髓脂肪含量为半定量数据,如果改进实验手段,用专业软件分析光镜下图片,获得脂肪含量的精确定量数据,就能够更加深入研究脂肪含量和化学位移率之间的关系。

总之,大鼠骨矿含量减少,骨密度降低,骨髓脂肪含量增加,导致化学位移率降低。本研究认为可以通过测量化学位移率无创伤、无辐射的检测骨髓脂肪含量的变化,间接推测骨松质骨矿含量的变化。