糖尿病骨髓微血管病变影像学研究进展

杨柳，查云飞

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一种以胰岛素抵抗和(或)胰岛素分泌缺陷为基本病理改变所引起的以高血糖为主要临床特征的慢性内分泌代谢性疾病。骨组织作为一个拥有内分泌功能的器官，对维持全身的血糖稳定至关重要。由于糖尿病易出现多种并发症且难以治愈[1]，如患骨折、退变及骨质疏松等骨病的风险明显增加，提示骨髓组织是糖尿病另一个重要的靶器官[2]。近年来，糖尿病骨髓脂肪生成增加、骨髓微血管病变已逐渐引起广泛关注[3]。越来越多的研究结果显示，微血管并发症可能导致糖尿病骨骼脆性增加[4]，由此推测糖尿病骨病可能是一种慢性骨髓微血管并发症[5]。影像学的高速发展，为探讨糖尿病骨病与微血管病变提供更多思路与可视化证据。

1 骨密度、骨微结构与糖尿病骨髓微血管病变

Oikawa等[6]研究结果首次显示1型糖尿病小鼠骨髓微血管病变的病理特征，包括造血成分减少、血流量和微血管密度显著降低及骨髓微血管的渗透性明显增强，同时发现糖尿病小鼠骨量减少及骨髓脂肪浸润。

骨密度(bone mineral density，BMD)一般由双能X线吸收测定法测定。患有1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)或2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的患者，骨折的风险均增加。与健康对照组相比，T1DM患者BMD通常降低，但T2DM患者的BMD通常正常或升高[4]。临床研究结果显示，T1DM成年患者在没有合并微血管疾病的情况下，骨骼结构和骨密度正常[7]。T2DM患者的BMD的改变在各研究中不一致，这些不一致可能与研究设计、BMD测量技术、BMD检查部位、患者的选择以及是否存在并发症等因素有关。Meta分析表明，T2DM患者的骨密度略等于或高于一般人群的骨密度[8-9]，尽管如此，T2DM患者骨折风险仍增加，这表明除骨密度改变外，还有其他的变化可能导致糖尿病骨骼脆性增加[5]。

高分辨率外周定量计算机断层扫描(high-resolution peripheral quantitative computed tomography，HR-pQCT)可以评估骨小梁和皮质的微结构。Shanbhogu等[10]使用HR-pQCT评估T1DM且未合并微血管疾病的成人患者的骨微结构，与健康对照组的骨结构等参数相比没有明显差异。进一步评估了成人T1DM合并微血管疾病患者及健康对照组的骨密度、骨微结构等，结果发现前者较对照组骨密度减低、骨皮质变薄，这也证实糖尿病微血管疾病的存在与受损的骨微结构相关[10]。Yu等[11]使用HR-pQCT评估骨微结构的改变，结果显示，与78名非糖尿病非裔美国女性相比，22例患有T2DM的非裔美国女性桡骨远端皮质孔隙增加及皮质密度降低，这可能是T2DM成年患者骨折风险较高的原因。

此外，骨小梁评分(trabecular bone score，TBS)可以在腰椎双能X线吸收测定图像上进行新的灰度级纹理分析，从而得到与骨小梁微结构相关的信息[12]。迄今为止，多个研究报道，T1DM患者和T2DM患者的腰椎骨折风险与TBS呈负相关，证实腰椎TBS可以作为糖尿病患者椎骨骨质恶化的指标[13]。

Zhong等[14]对绝经后T2DM女性患者和与之年龄匹配的男性T2DM患者研究，探索微血管病变与骨密度之间的相关性，结果表明微血管病变与T2DM女性患者的骨质流失有关。Viegas等[15]亦报道绝经后T2DM女性患者无论血糖控制如何，骨质疏松症和椎骨骨折患病率均较高，特别在合并微血管病变的患者中更常见。Stabley等[16]通过构建T2DM动物模型[ZDF (zucker diabetic fatty)大鼠]，探索骨血管调控机制是否在2型糖尿病进程中发生改变，结果表明在长期T2DM进程中，大鼠骨血管循环系统受到严重损害，骨血流减少，骨灌注减低，这可能不利于骨形成。

Zeitoun等[17]首次使用micro-CT对糖尿病骨微结构和血管的形成进行评估，研究结果表明，与对照组相比，ZDF大鼠股骨的骨小梁体积显著降低，股骨头中骨小梁厚度也显著降低，且ZDF大鼠股骨颈和远端干骺端的血管数量较低，骨血管形成较差，进一步证实了在ZDF大鼠中，糖尿病骨结构受损与骨血管形成不良有关。

基于对比剂首过效应的动态增强磁共振成像(dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)采用Gd-DTPA作为小分子对比剂，假设动脉血管中的对比剂流入成像体素，并且以转移常数(Ktrans)向间质渗透。同时，间质内的小分子对比剂也会以速率常数(Kep)被血管收集并流出体素，同时定义血管外细胞外间隙(extravascular extracellular space，EES)占整个体素的容积分数比为血管外细胞外间隙(Ve)。通过多参数的曲线拟和计算，可以获得反映血管通透性的Ktrans、反映血管外细胞外间隙比例的Ve和血管在体素内的比例参数fPV等客观定量参数[18]。

Zhu等[19]通过DCE-MRI探索卵巢切除后大鼠骨质疏松模型中腰椎血流灌注，结果显示血管密度减少，Ktrans值在第2周显著降低且Ktrans与 BMD显著相关，表明定量DCE-MRI可以显示骨髓灌注情况以及骨质疏松症早期病理生理的变化。Hu等[20]用DCE-MRI评价经四氧嘧啶诱导的糖尿病兔模型的腰椎骨髓灌注情况，研究结果显示糖尿病组在各时间节点(注射四氧嘧啶后0、4、8、12和16周)椎体骨髓的DCE-MRI定量参数Ktrans、Kep、Vp、Ve值差异存在统计学意义；在12周时糖尿病组Ktrans、Kep值呈显著上升趋势，而Vp显著降低，在16周后Ve的体积显著下降。Ktrans代表了单位时间内对比剂从血管进入细胞外间隙的数目，糖尿病导致骨髓微血管内皮细胞损伤，使骨髓局部微血管渗透性增大，故Ktrans值升高；Ve值在16周后明显减小，而骨髓脂肪分数呈上升趋势，Ve值的下降可能与血管外细胞外间隙脂肪沉积有关，由此推测糖尿病导致的血管渗透性变化早于血管外脂肪细胞的沉积。以上研究结果也证实了DCEMRI可用于评价早期糖尿病骨髓微血管渗透性变化。

2 骨代谢与糖尿病骨髓微血管病变

关于骨代谢与糖尿病骨髓微血管病变的研究较少。晚期糖基化终产物(advanced glycation end products，AGEs)是在正常机体内通过还原糖与蛋白质、脂质和核酸上的胺残基之间的非酶促反应产生的多种化合物，但糖尿病患者引起的高血糖会大大加速这一进程，AGEs与糖尿病骨质变化密切相关[21]，AGEs导致胶原纤维之间相互交联，使胶原纤维的柔韧性降低但整体硬度增加。Marin等[22]评估了经高脂饮食诱导的肥胖小鼠股骨中的AGEs水平，结果显示与正常对照组小鼠相比，糖尿病小鼠的股骨皮质区AGEs明显富集；同时，应用micro-CT分析显示T2DM小鼠的骨强度明显降低，这提示检测AGEs对于糖尿病患者骨质量和骨折风险的评估非常重要。

Koike等[23]揭示了AGEs对大鼠血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)的作用，研究显示AGEs会诱导VSMC凋亡，表明AGEs积聚不利于血管形成；进一步发现，与对照组相比，和AGEs一起培育的细胞钙沉积显著增加。Wang等[24]的研究表明AGEs使动脉更易钙化，而钙化会损害脉管系统的功能已得到研究证实[25]。

内皮祖细胞(endothelial progenitor cells，EPCs)是血管内皮细胞的前体细胞，在血管新生和血管内皮修复中具有重要作用[26]。EPC功能不全是导致糖尿病血管疾病的重要机制之一[27-28]。

EPC是一类能增殖分化为成熟内皮细胞的祖细胞群，Mohler等[28]首次用糖尿病猪模型开展研究，结果证实糖尿病骨髓EPCs和循环EPCs均显著减少。谭强等[29]用四氧嘧啶法制造家兔糖尿病模型，进一步探索糖尿病对兔骨髓内皮祖细胞及循环内皮祖细胞功能的影响，结果显示糖尿病不仅损害了兔循环EPC功能，使循环EPC的集落数、增殖力、粘附力及成血管能力均较正常对照兔明显下降，同时也影响了骨髓EPC成血管功能。

谭强等[29]发现糖尿病兔在移植骨髓EPC后，心肌组织血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor，bFGF)表达增加，证实骨髓EPC具有旁分泌功能。VEGF是一种促血管生成因子[30-31]，使血管的通透性增加，有利于内皮细胞的增殖和存活以及血管结构的形成[32]。但T2DM会使EPCs的成熟受损[33]，使促血管生成因子生成降低，进而新生血管减少，血管内皮修复作用受损。

骨髓脂肪组织(marrow adipose tissue，MAT)在以往被认为是惰性脂肪库，但现在已明确是一种内分泌器官，以调节和组成两种形式存在，在功能上不同于白色和棕色脂肪组织，可以调节全身及局部骨代谢[34]；在骨髓微环境中，脂肪细胞和成骨细胞均起源于同种间充质干细胞前体，骨髓脂肪作为脂肪和骨代谢之间相互作用的潜在生物标志物或调节因子已经获得了越来越多的关注[35]。

已知骨髓脂肪含量增加与骨骼健康呈负相关，骨髓脂肪含量越高，骨强度越低，越不利于骨骼健康。糖尿病是与骨髓脂肪代谢密切相关的疾病，糖尿病会导致骨髓脂肪增多。在T1DM或T2DM的小鼠模型中，骨髓脂肪含量明显升高[36]，表明糖尿病患者骨骼脆性可能是通过骨髓脂肪影响的[37]。在患有T2DM的女性中，较高的糖化血红蛋白(HbA1c)水平与较高的骨髓脂肪相关，骨髓脂肪可能会影响血糖水平或受血糖水平的影响[38]。

质子磁共振波谱(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)已被证明是一种用于准确测量椎骨骨髓脂肪含量的非侵入性方法[38]。1H-MRS通过傅里叶变换，将磁共振信号转换成为直观可视化的频率谱，在不同频率的位置上通过波峰显示水和脂肪质子基团，计算脂峰下相对面积与总面积的百分比即可得出脂肪信号分数(fat fraction，FF)。Patsch等[38]对既往有骨折史的绝经后妇女进行研究，分为糖尿病组及非糖尿病组，运用1H-MRS量化其椎体骨髓脂肪含量和组成，并将其与患有和不患有T2DM的非骨折对照进行比较，结果显示无论患或者不患糖尿病，骨折和非骨折患者的总骨髓脂肪含量相似，但有骨折史的糖尿病患者骨髓中不饱和脂肪酸含量最低，饱和脂肪酸含量最高，进一步证实了MRS可以作为不依赖BMD进行骨折风险评估的新工具。Yu等[39]及Aoki等[40]均应用1H-MRS探索糖尿病患者的骨髓脂肪的变化，研究一致发现腰椎椎体的MAT与HbA1c呈正相关，与非糖尿病组相比，绝经后T2DM女性骨髓内非饱和脂肪酸明显减少，而饱和脂肪酸显著增加，这种改变与骨骼完整性受损及脆性骨折相关，研究结果表明MAT的组成可能会影响糖尿病患者的骨骼健康和新陈代谢。

利用回波不对称和最小二乘法(iterativedecompositionof water and fat with echo asymmetric and least-squares estimation，IDEAL)成像对水和脂肪进行迭代分解是一种利用3个不对称回波时间和三点Dixon方法稳定分离脂肪和水的新方法[41]。它是一种快速且可高度重复的检测方法，可作为一种定量评估骨髓中的脂肪含量及评估潜在骨折风险的实用工具[40]，相对于其他脂肪定量技术(quantitative FAT/R2*imaging)的优势在于操作简便、可重复性高，近年其在骨髓脂肪定量研究中发挥了重要作用[42]。Hu等[20]首次应用IDEAL-IQ探索糖尿病兔椎体脂肪含量的改变，结果显示，糖尿病兔腰椎骨髓脂肪含量在第16周时较0、4、8和12周明显增高，且IDEAL-IQ测量椎体脂肪含量与病理切片的脂肪细胞计数高度相关，IDEAL-IQ可以便捷、有效、动态检测糖尿病骨髓脂肪含量的变化；同时，研究发现糖尿病导致的血管渗透性变化早于血管外脂肪细胞的沉积，为揭示早期糖尿病骨髓微血管及脂肪病变的时序关系提供了可视化的影像学证据。

3 总结与展望

糖尿病骨病已经受到越来越多的学者关注，虽然已有大量的研究表明骨髓微血管病变、骨髓脂肪沉积与糖尿病骨骼病变密切相关，但是BMD无法充分预测糖尿病患者的骨折风险，而且糖尿病骨微血管病变与骨髓脂肪病变的因果时序关系至今尚不清楚。

HR-pQCT、DCE-MRI、磁共振波谱及IDEAL-IQ等影像学技术，可以较为准确地评估骨小梁和皮质的微结构、骨髓灌注、水脂组成等变化，为糖尿病骨病的病理生理机制提供可视化影像学的研究证据。新型的影像组学分析方法融合数字影像信息、统计学、人工智能、机器学习和深度学习等方法，将传统视觉影像信息转化为深层次特征信息来量化研究，可能在糖尿病骨病的研究中具有潜在的巨大价值。而且糖尿病是严重肢体缺血的重要独立危险因素[43]，且肢体缺血与微血管病变密不可分，未来研究还应关注糖尿病合并严重肢体缺血患者骨髓早期微血管变化，实现早期检测、早期干预，进而设计出个性化的治疗方案，对于改善糖尿病患者骨髓靶器官功能具有重大意义。

利益冲突：无。