冠状动脉微栓塞动物模型磁共振成像研究及其进展

赵士海，金航*

1 冠状动脉微栓塞的简介及临床意义

冠状动脉微栓塞(coronary microembolization，CME)常发生于急性冠脉综合征患者和经皮冠状动脉介入治疗手术(percutaneous coronary intervention，PCI)中，其危害很大。近年来，国内接受PCI的患者数量大幅增长，由此引起的CME也越来越常见。PCI术中，斑块破裂产生的细小碎片可直接或继发性造成远端微小血管阻塞，所以PCI术后即使心外膜冠状动脉血流恢复达心肌梗死溶栓评级3级(thrombolysis in myocardial infarction 3，TIMI3)，仍有大概30%～40%的患者存在微循环障碍，心肌再灌注本身也可以导致心肌再灌注损伤，包括CME和心肌出血(intramyocardial haemorrhage，IMH)等。CME发生后，局部区域产生炎性反应，可能和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白介素-6(interleukin-6，IL-6)、腺苷、自由基等有关，并伴有内皮细胞和心肌细胞的坏死[1-2]，可导致PCI术中发生“无复流”(no-reflow)现象、心律失常、灌注-收缩不匹配及心肌收缩功能障碍等[3-4]。有研究报道当CME范围超过2.6%时，是ST段抬高心梗(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)患者最强的独立预后影响因素[5]。由于在临床心脏病变的研究中，较难获得心肌组织进行病理分析，为深入研究微栓塞病变的病理生理改变、心肌损伤机制，常需复制临床冠状动脉微栓塞病变的动物模型，目前已有关于该方面的一系列磁共振成像研究报道，本文将重点介绍微栓塞动物模型的MRI研究及其进展。

2 冠状动脉微栓塞动物模型MRI研究

2.1 动物模型复制概况

冠状动脉微栓塞动物模型的实验动物包括犬、羊和小型猪等，微栓塞剂有聚苯乙烯胶乳微球、自身的微血栓颗粒，也有研究使用月桂酸钠诱发冠状动脉内微血栓形成[6]，可通过开胸或经导管分次注射微栓塞剂的方法造模。由于聚苯乙烯胶乳微球大小和数量可控，在冠脉微栓塞动物模型中使用较多，常用的微球的直径有42 μm、100～300 μm、40～120 μm，冠脉内注射微球后，会造成微循环障碍，导致心肌缺血、微梗死等[4]，最近动物模型的研究已经表明，微循环的灌注障碍发生后，局部区域缺氧，可导致内皮屏障破坏，促使血细胞外渗，造成心肌出血[7]。但是这些微球是惰性生化颗粒，与人体内具有生物活性的微血栓成分有所不同，不能完全真实地反映人体内微血栓引起的病理生理特征[8]。

2.2 心脏磁共振成像在CME研究中的应用

心脏磁共振成像(cardiac magnetic resonance imaging，CMR)可用于评估CME及相关的心肌水肿、坏死、出血等，并可对损伤心肌进行定量分析。MR电影、首过灌注及延迟增强磁共振成像(Late gadolinium enhancement magnetic resonance imaging，LGE-MRI)为临床常用的经典序列，微栓塞动物模型研究大多采用这些方法，近年来MR-mapping定量分析技术也有应用，但目前在微栓塞动物模型中的应用仍较少。

2.2.1 MR电影

目前常用的电影序列是cine-SSFP序列，该序列信号取决于组织的T2/T1比值，采集速度快，可以在单次屏气情况下完成单一层面多相位影像的采集，结合相关软件，可以对心脏形态与功能进行评估。Breuckmann等[9]使用42 μm微球制作小猪的微栓塞模型，电影序列显示在微栓塞早期心肌收缩功能总体上是逐渐下降的。Carlsson等[10]研究采用100～300 μm的微球制作猪的微栓塞模型发现，CME发生后1 h和1 w时，心功能均是下降的，这种改变与微梗死范围的变化是不相关的。Carlsson等[11]又使用较小颗粒微球(40～120 μm，平均80 μm)制作猪的微栓塞模型，与之前较大颗粒微球微栓塞模型(100～300 μm)进行对比，结果发现MR提示CME发生后1 h局部区域径向应变和圆周应变是降低的，在7～8 w后部分恢复，MR电影序列提示CME急性期时心功能出现明显下降，这种改变在两种模型中是相似的，在7～8 w后也有部分恢复，所以CME可造成较持久的心功能障碍。Jin等[4]使用小颗粒(42 μm)微球，制作了猪的微栓塞模型，通过电影序列观察到心肌收缩功能在CME 6 h后和1 w后较基线有比较明显的下降。因此，各种不同微球直径微栓塞模型均会出现心肌收缩功能障碍，而且可能会持续存在一段时间，这是CME的重要改变之一。

2.2.2 首过灌注及延迟增强

MR首过灌注采用T1加权的GRE序列，对时间分辨率要求很高，可动态观察钆对比剂通过心肌时的分布情况计算灌注指数(上升曲线、最高信号强度及达峰时间)来定量评估心肌灌注[12]。LGE-MRI采用具备反转恢复的T1加权2D/3D GRE序列，可抑制正常心肌信号，多在注射钆对比剂后10～15 min采集图像，对检测急性心肌梗死及心肌瘢痕的阳性率可达90%以上，可用于评估心肌活性，评估微栓塞区域的范围。Dorge等[2]采用开胸法，42 μm微球颗粒制作犬的微栓塞模型，发现CME心肌血流量改变较为复杂，早期心肌血流量没有改变，甚至是增加的，Dorge等[2]认为可能是微栓塞后引起的炎症反应及缺血心肌释放腺苷造成邻近区域的血管充血，与早期血流量下降互相抵消所致，也有可能是取材有限，用彩色微球法计算心肌血流，难以发现微栓塞造成的灌注降低。Carlsson等[10]使用较大颗粒(100～300 μm)的微球制作猪的微栓塞模型，证实首过灌注可检测到微栓塞心肌缺血导致的灌注缺损，对CME急性期的敏感性高于LGE-MRI，对CME亚急性期来说，LGE-MRI更为敏感；急性期LGE-MRI隐约见延迟强化，而亚急性期可见较明显强化，并且氯化三苯基四氮唑(triphenyltetrazolium chloride，TTC)染色标本能够观察到微梗死区域，组织病理学也证实存在微梗死，其范围分布于微栓塞心肌全层，并非仅局限于心内膜下，与心外膜大动脉梗死的分布方式不同。Carlsson等[11]使用较小颗粒(40～120 μm)的微球制作猪的微栓塞模型，与之前较大颗粒微球模型(100～300 μm)进行对比，发现CME急性期的灌注缺损两者是相似的，7～8 w后，首过灌注未见明确缺损区域，仅能通过半定量方法发现局部区域仍有轻微的灌注减低；LGEMRI急性期未观察到延迟强化，7～8 w后可观察到清晰的延迟强化，此时TTC标本上可观察到微梗死区，组织病理学也证实存在微梗死，并且其分布方式与之前较大颗粒微球所造成的微梗死是相似的。Nassenstein等[13]使用42 μm微球在制作猪的微栓塞模型发现，CME急性期LGE-MRI也可以观察到微栓塞心肌中层或全层模糊的延迟强化，离体标本则可以更清楚地观察到延迟强化，Nassenstein等[13]认为这是因为离体标本不受运动伪影、心腔及血管内对比剂的影响，故所得影像分辨率更高；Nassenstein等[13]得出结论微梗死区域至少大于5%时，LGE-MRI可能才有阳性发现。Breuckmann等[9]使用42 μm微球制作小猪的微栓塞模型，证实CME急性期LGE-MRI可以观察到延迟强化，主要分布在心肌中层。Saeed等[12]的研究提示LGE-MRI延迟强化区域可能高估了心梗的真实范围，可能包含了梗死区域边缘的水肿。Jin等[4]使用42 μm微球制作了猪的微栓塞模型，也发现首过灌注减低在CME急性期更显著，而急性期LGE-MRI也可观察到延迟强化，亚急性期几乎看不到强化，亚急性期硝基蓝四唑氯化物(nitrobluetetrazolium chloride，NBT)染色标本上也没有发现微梗死区域，但HE染色显微镜下可以发现微梗死，与之前Carlsson等[10]使用较大颗粒的微球模型延迟强化出现在亚急性期明显不同，Jin等[4]认为这是所采用的微梗死的定义不同造成的，病理学家使用的微梗死的定义是指显微镜下的心肌坏死[14]，而不是在大体标本上能观察到的心肌坏死，因此，如果微梗死的区域非常小，加上部分容积效应，LGE-MRI可能会检测不到，TNF-α介导的炎症反应和局部的微梗死，可能是急性期延迟强化的病理生理机制。因此，不同颗粒大小的微球造成的微栓塞模型对心肌的影响有所差异，说明被栓塞的微血管内径与CME的影响相关。所采用的微梗死的定义不同也影响研究结果，微梗死的统一、明确的定义对CME的研究也很重要。

2.3 MR-mapping技术的应用研究情况

对于CME的MR研究，除了常用的MR首过灌注、cine电影序列、LGE-MRI之外，基于T1或T2的成像的mapping技术也用于CME时心肌水肿或出血时的评估，目前动物模型的应用上相对较少。可能是因为临床CME病例MR发现心肌出血等情况，尚缺乏动物模型进行病理分析深入对照，目前还没有报道。还有一个可能的原因是，目前动物模型所模拟的临床微栓塞病变，与真正临床病变的病理生理改变还存在一定的差异，心肌出血等情况还不能稳定地模拟成功。

2.3.1 心肌出血

Carrick等[15]在急性STEMI患者队列研究中发现，心肌出血只出现在微栓塞的区域，认为IMH是继发于CME的结果，IMH比CME对临床预后更不利。Kali等[16]在STEMI患者中的研究也发现了IMH总是伴随CME出现的。所以在发现CME病变时，也需要关注有无合并IMH。基于T2或T2*的MR方法，包括T2 mapping和T2*mapping，可用于检测心肌内出血，因为血红蛋白降解产物造成的磁场不均匀，缩短T2或T2*值，相应的T2或T2*成像表现为低信号核心区。但是，由于T2的成像对水肿高度敏感，CME常伴有水肿，可能导致继发的心肌出血在T2成像被掩盖，或信号降低，加上部分容积效应，使心肌出血的检出率减低，范围被低估。T2 mapping技术可以定量评估T2值，可以克服一些T2定性方法的缺点，但由于该技术对回波间距高度依赖及对顺磁性物质效应复杂等，使出血检测复杂化，T2 mapping的低信号核心区更能反映CME的存在，可以同时合并出血或不合并出血；不合并出血的情况可能是由于微循环灌注少，局部组织水的含量减少，因此T2 mapping技术对出血的检测效果欠佳。T2*成像对于水肿相对不敏感，对出血的特征显示更佳[12，16]。Kali等[16]的研究证实了基于T2*成像较T2成像对出血的检测更敏感，受水肿的影响更小。目前有关CME后心肌出血的报道主要来自于临床微栓塞病例，在动物模型上的研究还未见报道，这可能与目前的动物模型还不能成功模拟心肌出血有关。

2.3.2 心肌水肿

缺血再灌注损伤发生细胞内和细胞外的水肿，是心肌水肿的特征性表现，CME也属于缺血再灌注损伤，也常伴有心肌细胞内外的水肿[17]。T2WI和T2 mapping可以用于评估心肌水肿。Abdel-Aty等[18]采用开胸手术法，短时性夹闭狗的冠状动脉左前降支，制作心肌缺血-再灌注模型，发现T2WI上高信号区域持续存在，同异常心肌运动出现的区域是相符合的，认为心梗后的水肿要早于缺血性心肌出现不可逆损伤，因此，T2成像可用于心肌缺血的早期检测。但是，T2WI易受多种因素的影响，如血流缓慢、线圈信号变异、运动伪影等，从而限制了其被广泛用于检测水肿。Breuckmann等[9]使用42 μm微球制作小猪的微栓塞模型，发现TSE-T2WI对检测微栓塞所致的水肿敏感性较差，可能是微栓塞导致的心肌水肿程度、分布特点，有别于大血管闭塞心肌梗死导致的水肿，用更敏感的序列有望更好地检测微血管闭塞引起的心肌水肿。Kellman等[19]研究发现(T2-prepared)SSFP序列对心梗所致水肿的敏感性更高。Nordlund等[20]在2个多中心研究中对比了增强SSFP (contrast-enhanced SSFP，CE-SSFP)和T2-STIR对心梗所致水肿的敏感性，发现CE-SSFP效率及敏感性更高，水肿成分T2/T1信号比正常组织更高，而且该技术可以同时获得心功能、心室容积、标准电影序列，所耗费的时间更短，有更好的应用前景，不过该技术仍只是一种定性评价方式。T1 mapping和T2 mapping则可以定量评估水肿，优于传统的定性技术。Fernández-Jiménez等[21]制作猪的心肌缺血无再灌注与心肌缺血再灌注模型，采用T2 mapping和组织病理学的对比研究发现，心肌水肿不是固定的形式，而是波动的，再灌注治疗后的2 h增加，随后的24 h大幅下降，4～7 d后再缓慢上升。目前总体上针对微栓塞所致水肿报道较少，尤其是SSFP及mapping等新技术的应用还未见报道，仍待进一步研究探索。

3 药物抗炎治疗微栓塞病变的相关研究

微栓塞病变导致心肌损伤的机制较为复杂，TNF-a介导的炎症反应在其中起了重要作用，早期Skyschally等[22]用超声成像进行了该方面的研究，使用42 μm微球制作犬的模型，发现糖皮质激素可以改善微栓塞后心肌收缩功能障碍，同时可降低血清TNF的浓度，证实糖皮质激素对微栓塞病变有一定的疗效。Jin等[23]采用42 μm微球制作猪的微栓塞模型，糖皮质激素进行干预后，MRI电影序列显示心功能下降得到改善，首过灌注减低程度也较对照组有所改善，LGE-MRI则未观察到延迟强化，说明微梗死程度也得到改善。Chen等[24]采用42 μm微球制作猪的微栓塞模型，糖皮质激素进行干预，MR评价心功能，在基线水平、微栓塞后6 h和1 w采集MR图像，发现糖皮质激素可以改善早期心功能障碍，可能与抑制微栓塞后心肌表达TGF-b1/smad3和CTGF及心肌凋亡有关。Chen等[25]与之前研究采用相同动物模型，研究TNF-α抗体干预后对CME的影响，仍然采用MR评价心功能，发现TNF-α抗体也可以改善微栓塞后心功能障碍，可能与抑制了心肌细胞凋亡相关。因此，抗炎治疗可以改善CME对心肌的不良影响，有可能成为微栓塞病变的一种治疗方法。

4 结语

微栓塞动物模型在微栓塞病变的病理生理改变的研究中起着重要作用，CMR能提供较多微栓塞导致的心肌异常信息，随着MR新技术的开发和应用，有望在未来的研究中取得更多的进展。但是，CMR成像时间长，操作较为复杂，利用动物模型开展MR研究，仍有一定的难度，限制了其广泛应用，如何进一步优化检查流程，减少检查时间，提高效率，需要进一步完善。此外，动物模型仅能部分模拟临床微栓塞病变，与真实的人体环境有很多不同，所引发的微栓塞反应也与人体内有较大区别。不同的动物模型、不同的微梗死的定义也影响研究结果，所以微梗死的统一定义及理想的动物模型仍待进一步探索研究。

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