31P-磁共振波谱成像对糖尿病肌病的诊断价值

张韵综述,陈东审校

（四川医科大学附属医院放射科四川泸州646000）

31P-磁共振波谱成像对糖尿病肌病的诊断价值

张韵综述,陈东审校

（四川医科大学附属医院放射科四川泸州646000）

葡萄糖是维持人体细胞正常生长发育的必备因子，骨骼肌既是胰岛素作用的重要靶细胞，同时也是胰岛素抵抗的主要部位[1-2]。实验证实,葡萄糖灌注后有大于60%被骨骼肌细胞所摄取，当机体血糖升高超过人体可调节范围时，骨骼肌各类组成细胞及基质均可受损[3]，继发机体微小血管病变及大血管动脉粥样硬化，导致肌肉缺血，从而产生一系列炎性免疫反应致肌肉病变坏死[4]，即所谓的“糖尿病肌病”，本病于1965年由Stener首先报道，总结其特点为“肿瘤样局灶性肌变性肌病”。现代临床认为糖尿病肌病是一谱系疾病，其临床症状有肌肉出血，心肌梗死、坏死、纤维化和脂肪萎缩[5]，于糖尿病病程长，症状重，血糖不能很好控制的患者尤其常见，发病早期患者可常有肌肉不适、微痛，其后可出现皮肤肿胀或肿块[6]。

1 糖尿病肌病的发病原理

糖尿病肌病主要继发于2型糖尿病，是由于机体骨骼肌对胰岛素作用的敏感性降低所致。胰岛素抵抗(insulin resistance IR)被视为2型糖尿病的发病基础。研究表明，糖尿病肌病的发病原理主要包括以下因素：

1.1 血管因素

血管因素包括血管基底膜增厚和新生血管减少[7]。基底膜是血液和组织间的屏障，位于表皮与真皮交界处，为一层厚约0.5～1 μm薄膜,由表皮细胞和真皮结缔组织细胞分泌形成。糖尿病肌病发生时，血管基底膜增厚，氧弥散及物质交换代谢距离增加，肌肉组织从而发生缺氧损伤[8-10]。另外，人体肌肉细胞生长发育、血管形成及肌肉损伤后修复均需要血管内皮细胞因子（VEGF）及碱性成纤维细胞因子（bFGF）[11]。有作者对糖尿病患者腓肠肌进行肌肉活检可发现[12]：糖尿病骨骼肌中由于病理原因闭塞的小血管周围新生的侧枝循环明显减少，说明高糖环境会抑制碱性成纤维细胞因子的基因表达，而导致骨骼肌细胞有丝分裂活性的丧失[13]，从而机体出现肌无力或肌萎缩的临床症状。肌肉缺氧、缺血时会导致VEGF的低水平表达，这也是致糖尿病骨骼肌损伤的重要原因[14]。

1.2 代谢因素

糖尿病肌病发生中心环节是氧化应激（Oxidative Stress，OS），最早由Brownlee提出。具体来说，即是体内氧化与抗氧化作用失衡，机体高血糖导致内皮细胞线粒体生成超氧阴离子增多，引起细胞生物功能紊乱，从而导致糖尿病并发症的发生[15-18]。实验表明，糖尿病患者骨骼肌肌细胞在光镜下由于细胞及间质水肿，发生肌纤维溶解，导致异常蛋白质沉着，从而骨骼肌细胞发生萎缩及凋亡。线粒体损伤后，引起细胞内酶系统活性的降低，最终导致肌组织的变形、崩解。

2 磁共振波谱(MRS)的基本原理及常用技术

磁共振波谱(Magnetic Resonance Spectrum,MRS)常用于测定活体内某一特定组织区域的化学成分，具有无创性，是磁共振成像和磁共振波谱技术完美结合衍生的现代成像技术，可通过共振现象和化学位移作用使原子核上的磁场发生变化，引起原子核发生化学位移，并以波谱的形式表现出来，从而达到在分子水平上反应人体内部器官、组织代谢、生理生化功能的诊断水平。目前，可用于MRS检测的核素有13C、1H、23Na、19F、31P等，相比氢原子波谱等，31P-磁共振波谱的化学位移范围较大,因此，在临床工作中31P-磁共振波谱常用于定量测定混合物中不同成分各自的含量，鉴别由磷元素组成的不同结构类型化合物的微小环境差异。人体骨骼肌细胞组成成分较其他组织更均匀，高能磷酸化合物含量高，是磁共振磷波谱研究最理想的器官[5]。同时，31P-磁共振波谱具有可多次重复性的特征，为临床研究提供较为充足、准确的理论依据。另外，骨骼肌的可收缩性，更是让磁共振磷谱动态化，成为目前评价骨骼肌线粒体功能唯一、无创的研究工具。

31P-磁共振波谱的常用序列和定位方法包括PRESS技术、DRESS技术、活体内图像选择波谱及TEAM模式等。MRS定位技术因其敏感性高、定位准确等优势在当下临床应用中具有较大的发展趋势。

331P-磁共振波谱检测到的代谢物及其生物学意义

骨骼肌成分较单一，31P-磁共振波谱较为简单。在人体肌肉组织中可以检测出5种不同代谢物的共振峰，分别是无机磷(Pi)、磷酸肌酸(PCr)及三磷酸腺苷(ATP)，在正常肌肉组织中还可以看到磷酸单酯(PME)和磷酸二酯(PDE)峰，其中PME、PDE及三个ATP的波峰较平坦、宽大，Pi的波峰最陡，临床上常将其参考值定义为其峰下面积。ATP在能量代谢中占据重要地位，是参与直接供能的化合物，磷谱中的ATP峰是三磷酸腺苷与镁离子所形成化合物的总波峰，由β、α、γ三个共振波峰从右向左以此排列。ADP的部分共振波峰与ATP的α、γ峰重叠，但由于人体的能量转换的即时性，ADP浓度非常低，通常不显示。PCr峰的高低代表组织的能量状态，位于ATP峰的左侧，是高能磷酸盐的储存形式。随着ATP的增多，肌肉能量储存增多，从而PCr合成增多，波峰呈正增长趋势；当ATP减少时，PCr分解成ATP和肌酸，PCr合成减少，波峰呈减少趋势。Pi波峰位于磷谱最左侧，是由一价及二价无机磷酸盐组成。生理情况下，两种价态的磷酸盐处于快速转换的状态，因此Pi的化学位移可以反应两种离子的不同位移，同时Pi波峰对骨骼肌的PH变化十分灵敏，酸中毒时Pi向右移位，碱中毒时Pi峰则左移。PME波峰主要是由磷酸胆碱、磷酸氨基醇及磷酸化糖等多种物质构成，和细胞膜的合成、讲解有关，细胞代谢越旺盛，PME波峰峰值就越高，因此在某些肿瘤、恶性细胞增殖旺盛的组织可检测到PME呈高波峰状态[19]。PDE波峰主要由三磷酸甘油-氨基乙醇及三磷酸甘油-胆碱构成，后两者是细胞膜及髓鞘的重要组成成分，是磷脂的最终分解产物。因此，当细胞膜破坏、降解越旺盛，PDE峰值就会越高，临床上常见于骨肌系统恶性肿瘤[6]。

3.131P–磁共振波谱对正常骨骼肌细胞代谢的评价

活体细胞的31P–磁共振波谱研究可得到以下信息[20]：(1)测定细胞内PH值(PHi)；(2)定性和定量监测细胞内各代谢物共振峰的动态变化；(3)定量监测细胞内游离镁离子浓度及胞浆中的磷酸化作用电位等信息。正常人体骨骼肌细胞磷波谱研究一般包括标准静息-运动-恢复三个阶段[21],各阶段的波谱变化可以反应不同阶段的能量代谢变化[22]。正常骨骼肌细胞静息状态下PCr、ATP含量高，PDE、PME含量少，ATP浓度基本保持稳定，ATP不断通过磷酸激酶（CK）的水解释放能量，通过氧化代谢和糖酵解消耗PCr，产生Pi，随着PCr浓度的下降，Pi浓度逐渐升高，细胞内pH值呈轻度碱性(7.09± 0.2)。当骨骼肌运动时糖酵解产生乳酸，胞浆PH值发生则会急剧变化。骨骼肌细胞一旦静息则会再一次恢复平衡，此时31P–MRS可显示PCr逐渐增加的同时Pi则逐渐下降，最后达静息水平。这一点在瞬时实验研究中也可得到证实[23]，有研究表明对人体大腿MRI断面进行瞬时PCr（高能磷酸盐）的监测，可见PCr含量多位于20～40 mM，随着时间的延长，PCr的含量显著下降，至第6.8 s几乎含量几乎为0。

3.231P–磁共振波谱对糖尿病肌病骨骼肌细胞代谢的评价

胰岛素抵抗(IR)被视为2型糖尿病的发病基础。研究表明[24],2型糖尿病伴IR患者随着骨骼肌内脂质含量增加，IR严重程度越高，即检测肌肉内脂质可在一定程度上反映患者的IR情况，更进一步说明2型糖尿病患者骨骼肌线粒体功能的损伤程度与胰岛素抵抗程度之间有密切且呈正相关关系。

Bajpeyi等[24]学者研究发现,胰岛素抵抗与线粒体功能障碍之间存在一定联系，这种关系可利用31P–磁共振波谱进行线粒体功能检测。第一种方法即是检测在线粒体内完成的ATP转化为磷酸肌酸的过程，其转化速度直接反映了线粒体功能情况，可通过31P–磁共振波谱检测骨骼肌细胞内由ATP转化成磷酸肌酸的总含量，从而了解线粒体的功能；另一种方法是检测不同时间点细胞内无机磷酸盐含量的变化，以了解ATP合成情况。该方法需要结合磁化传递技术，对ATP进行其信号饱和处理，也可以间接反映线粒体功能。综上研究发现，细胞内脂肪沉积程度与线粒体功能低下直接相关，提示线粒体功能障碍是IR的主要发病因素之一，IR是导致糖尿病肌病的主要原因，而31P–磁共振波谱能够准确检测并反映糖尿病肌病患者骨骼肌细胞线粒体的功能情况。

有在体研究实验[25]，结果也表明2型糖尿病骨骼肌线粒体功能的损伤程度与胰岛素抵抗程度之间有密切且呈正相关关系。另一方面，当糖尿病肌病发生时，骨胳肌组织处于缺血、缺氧的状态，细胞内的PH值会低于正常骨骼肌细胞的PH值。研究表明[25]，使用31P–MRS可以测定无机磷酸盐的化学位移值，可以将所测得的化学位移值对pH作图，即得到无机磷酸盐的31P–MRS化学位移与pH值的关系曲线，进而将磁共振波谱测得骨骼肌组织中无机磷酸盐的化学位移峰换算成细胞内的pH值。用31P–MRS测定细胞内pH时,可采用外标和内标两种方法计算无机磷酸盐的化学位移，内标可选择磷酸肌酸的31P峰,也可选择2,3一二磷酸甘油酸盐，国外一般选用正磷酸的31P峰。研究表明糖尿病肌病发生时，骨骼肌组织缺血越长，骨骼肌细胞内pH值越低，当缺血时间达到3个小时，骨骼肌细胞内的PH值可降低至6.2[23]。

另有研究表明[26]，2型糖尿病患者子女罹患糖尿病的几率也明显高于无糖尿病家族史的人群，该组研究利用31P–磁共振波谱定量分析2型糖尿病患者子女骨骼肌的能量代谢及线粒体功能。实验结果表明，运动末期，糖尿病患者子女组β-ATP低于正常对照组，PCr含量及PH值在恢复期均低于正常对照组。

431P磁共振波谱对糖尿病肌病的诊断价值及优势

31P磁共振波谱技术在临床应用上具有非常大的潜力，通过对糖尿病肌病骨骼肌代谢病理生理特点的研究，同时结合其临床表现，跟踪其治疗过程，总结出具有特征性的波谱变化及详细的参数指标，对该病的影像检查及诊断做出全面的诠释，并将研究结果运用于探讨该病的发病机制，既可继续开拓31P-MRS的应用范围，解决骨肌系统中较多疑难疾病的诊断，也能向临床医师提供更多可靠的诊断与治疗信息，对控制及防止糖尿病慢性并发症的恶化具有一定的临床意义，同时丰富多样化的无创检查诊断手段可以给临床医师及患者提供更多选择空间。

综上所述，磁共振波谱作为无创性监测活体组织能量代谢的最佳手段，伴随高场磁共振及波谱技术的广泛应用和完善，必将对糖尿病肌病的临床研究应用提供更好的诊断价值。

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（2015-09-23收稿）

R445.2

A

10.3969/j.issn.1000-2669.2016.01.020

张韵（1991-），女，硕士生。E-mail:226073290@qq.com