fMRI评价移植肾功能异常的研究进展

陈丽华 张雪宁 沈文*

肾移植术后肾功能损伤的原因较多，如手术因素,感染,急、慢性排异反应（acute rejection,AR）等均会引起肾功能减低，药物相关毒性及肾功能延迟恢复（delayed graft function，DGF）等也是引起早期移植肾功能失功的较为常见因素。对不同病因的及时、准确诊断直接影响其治疗及预后。临床上通常采用常规测定血清肌酐以及估算肾小球滤过率（estimated glomerular filtration rate，eGFR）来进行判断，但该检查有一定的局限性，其不但对移植肾脏功能评估具有一定延后性，并且会受性别、饮食等较多因素影响[1]。虽然组织病理学活检是诊断肾脏病变的金标准，但其有创性所带来的风险，如出血、感染、移植物丢失等对于移植肾病人来说难以接受；对于弥漫性肾脏病变来说，穿刺活检同样受抽样误差等因素影响。其他一些临床上评估肾功能的方法，如超声、核素等检查均有一定的不足。目前，多种功能MRI（functional MRI,fMRI）技术，包括多种扩散成像、血氧水平依赖成像（BOLD）、动脉自旋标记（arterial spin labeling,ASL）、磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）等，已广泛应用于原位肾脏以及移植肾脏的早期功能损伤的评价。本文从水分子扩散、血流灌注及血氧水平等微观角度对近年来各项技术应用于移植肾脏方面的研究及新进展进行分析，以期为肾移植术后移植肾功能异常早期评估、无创诊断提供更多的方法和证据，为临床诊断及治疗提供帮助。

1 移植肾的病生理变化

移植肾的病生理改变主要与手术过程中缺血再灌注损伤、排异反应及免疫抑制剂使用等药物毒性相关。正常肾脏的皮髓质结构不同，皮质由肾小体以及迂曲的近曲、远曲小管组成，其血流约占肾脏的94%，因此较髓质水分子扩散活跃、血流灌注丰富，而髓质相对低血流、低氧，使得皮、髓质氧分压差较大。供肾在移植过程中经历缺血、缺氧及再灌注损伤，缺血使得细胞内能量代谢障碍，氧自由基产生增多，细胞内钙积聚，再灌注损伤导致肾小管上皮细胞变性、缺血及坏死，最终造成移植肾功能恢复障碍（即DGF），最常见的原因为急性肾小管坏死（acute tubular necrosis，ATN）；而急性排异反应主要表现为肾脏炎性细胞浸润、间质水肿、肾小管炎、肾小球炎等。这些因素均会引起皮髓质血流灌注减低、水分子扩散受限、耗氧量下降，以及肾小管重吸收受限致皮髓质水含量增加等一系列改变。慢性排异反应引起肾间质纤维化、肾小管萎缩等。另外，免疫抑制剂使用会引起肾小管上皮空泡变，感染可导致血管内皮损伤、炎症反应，这些因素均会影响移植肾功能。

2 移植肾水分子扩散的fMRI评估

MR扩散成像可在体无创评价组织病理生理状态下组织间水分子交换的功能状态，目前已用于移植肾功能的评价。最初多采用单参数ADC值评价，逐渐发展为多参数及多种技术联合应用。常用成像技术包括扩散加权成像（DWI）、扩散张量成像（DTI）、体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion,IVIM）、扩散峰度成像（DKI）。

2.1 扩散受限程度评价 DWI定量评价指标表观扩散系数（ADC）可反映活体组织内水分子扩散受限程度的改变，受肾脏扩散敏感因子（b值）影响，b值越高，ADC值越低，b值大多采用 300～700 s/mm2。Thoeny等[2]采用DWI对15例功能良好移植肾病人及15例健康志愿者的肾功能及总ADC值（ADCtot）进行分析，结果显示健康志愿者肾脏皮质ADCtot值明显大于髓质，与皮质血流灌注丰富、水分子扩散活跃有关；而移植肾的皮髓质间ADCtot值差异无统计学意义，认为与移植肾去神经支配或免疫抑制剂的使用有关。Eisenberger等[3-4]采用DWI比较功能良好移植肾与功能受损移植肾（包括AR、ATN）得出相似结论，研究发现后者皮、髓质ADC值不同程度减低，但ADC值只能反映水分子扩散运动幅度的改变，且同时包含了微血管灌注及小管内液体流动等除单纯的水分子扩散以外的信息。

2.2 扩散方向评估 DTI定量指标各向异性分数（FA）可以显示水分子扩散各向异性成分在整个扩散张量中所占的比例。髓质由放射状排列的肾小管及直小血管等结构组成，因此水分子扩散具有明显的各向异性；而皮质水分子扩散各向异性不明显。Fan等[5]对54例肾移植术后早期移植肾受者及26例健康志愿者进行DTI研究，发现健康肾脏及移植肾皮质FA值明显小于髓质FA值，且移植肾功能受损时皮质FA值不减低，而髓质FA值明显减低，可能由于髓质内肾小管坏死、炎性细胞浸润等使水分子扩散方向改变。有研究[6-7]结合移植肾穿刺结果发现DGF、AR病人髓质FA值显著减低，而皮质FA值无明显变化。Hueper等[6]发现髓质FA值、ADC值与eGFR、肾纤维化评分相关。对DTI数据进行后处理可生成扩散张量示踪成像（DTT）影像，能够直观显示髓质内肾小管、直小血管等纤维束样结构的走行、方向和疏密情况。Fan等[5]的DTT研究发现移植肾功能受损时，髓质内放射状分布的纤维束样结构稀疏、减少。

2.3 真实水分子的扩散评估 IVIM模型采用多b值成像，可以将组织内真实的水分子扩散（ADCd）以及微循环灌注形成的假性扩散成分（ADCp）分离开来，用灌注分数（Fp）表示微循环灌注（如血液及小管液流动）在DWI信号衰减中所占的比例，能够更为细致精确地描述组织微观结构及功能的改变[8]。高b值范围700～1 000 s/mm2。移植肾位于左/右侧髂窝，受呼吸影响较小。另外，小视野DWI可用于移植肾功能评价，提高空间分辨力，减少影像伪影及失真[9]。IVIM各参数值与eGFR具有一定相关性，对移植术后并发症的鉴别及长期随访均有一定价值[3-4，6，9]。Eisenberger等[3]发现4例AR病人肾皮髓质Fp值均明显低于功能稳定组。Rheinheimer等[10]采用11个b值的IVIM成像对37例不同冷缺血时间移植肾病人及健康志愿者对比分析，结果显示移植肾皮髓质ADCd、ADCp、Fp值均低于健康志愿者，且肾脏冷缺血时间延长，皮质ADCd、Fp值显著减低，可能与缺血再灌注损伤、毛细血管萎缩等使组织水扩散运动减少有关。Hueper等[6]采用多b值成像对移植肾功能正常病人与DGF、AR病人对比研究，发现DGF及AR时，皮髓质ADCd、Fp均减低，但各参数在AR与DGF间没有显著差异，对于鉴别病因的作用有限。

2.4 非高斯分布的水分子扩散评估 DKI参数平均扩散系数（mean diffusivity，MD）为经过非高斯分布校正过的ADC值；平均峰度（mean kurtosis，MK）代表了兴趣区内组织微结构的复杂程度，结构越复杂，非高斯分布的水分子扩散受限越明显，MK值也越高[11]。Huang等[12]对42名健康志愿者肾脏进行DKI检查，髓质MK值明显高于皮质，可能由于髓质肾小管和集合管排列具有明显方向性，使得水分子运动较皮质偏离高斯分布更明显。肾脏DKI扫描时，高 b 值范围 600～2 500 s/mm2[12-14]。b 值越大，影像变形会越严重，使得DKI在腹部成像应用受限。近年来出现了快速采集技术，如同时多层采集技术（simultaneous multi-slice，SMS）采用鸡尾酒并行采集技术（controlled aliasing in parallel imaging results in higher acceleration，CAIPIRINHA）及特殊的K空间填充，可以同一时间对多个层面同时激发，在短时间内同时获得多层信息，也可在不延长扫描时间的情况下一次扫描同时采集低b值和高b值影像，同时完成IVIM和DKI成像，有效提高了影像信噪比，缩短了采集时间[13]。目前已有研究者[12，15-16]将DKI用于健康肾脏、肾透明细胞癌分级、小鼠肾纤维化的研究，将来有可能用于移植肾功能的评价。

3 移植肾血氧代谢的fMRI评估

3.1 血氧代谢改变 正常肾脏皮髓质间氧分压差大，使得处于低氧环境的髓质对血流灌注及氧消耗变化非常敏感，为BOLD MRI在肾脏的应用奠定了理论基础。BOLD MRI借助脱氧血红蛋白这一内源性对比剂，通过检测组织中氧分压改变，能够无创性评价活体组织氧合状态。其定量参数表观自旋弛豫率（）水平增加提示组织内脱氧血红蛋白增加，氧分压下降。BOLD成像的信号强度一般受扫描条件、血液氧合度、组织氧耗量、局部血液容量、血流速度、血管通透性、呼吸等多种因素影响。常用短回波时间（TE）来降低磁场场强引起的磁敏感伪影。通常选择5～8个不同的TE值，最大的TE值设置为肾组织值，可提高影像信噪比。目前有研究[17-18]报道5%～18%的肾移植术后病人BOLD影像不能满足临床观察，虽然移植肾位置较为固定，但术后早期疼痛等原因可能引起屏气不足，从而影响影像质量。

Niles等[17]对移植肾病人进行随访，发现术后3个月、1年髓质值均明显低于术前。Liu等[19]采用BOLD对10例AR、5例ATN及35例功能正常移植肾进行成像，结果显示发生AR的移植肾髓质值明显低于功能正常移植肾和发生ATN的移植肾。其原因可能是移植肾发生AR时，局部炎症反应和细胞因子释放、eGFR减低、耗氧量下降等因素引起血流由皮质向髓质分流，使得移植肾髓质血流相对增加，脱氧血红蛋白下降；而ATN和AR临床表现相似但病理过程不同，ATN主要为缺血再灌注损伤，早期表现为缺血缺氧，其皮髓质较功能正常移植肾增加。正常肾脏髓质乏氧所含脱氧血红蛋白量较高，对氧含量变化较皮质敏感。Sławińska 等[18]发现移植肾皮质值明显低于健康志愿者，但与eGFR无明显相关，可能与该研究只选取皮质进行分析有关；同时，移植肾eGFR以40mL/（min·1.73m2）为界，显示值≤11.7提示早期肾功能不良，但不能鉴别DGF。

3.2 氧分压梯度评估 SWI对脱氧血红蛋白等磁敏感性物质的显示敏感，可利用肾脏皮髓质交界区显著的氧分压梯度差进行相位对比增强成像来评价肾功能，相比BOLD可提供肾血氧代谢更多信息。由于缺血再灌注损伤使皮髓质内顺磁性物质脱氧血红蛋白及反磁性物质静脉血氧合血红蛋白含量发生变化，局部磁场不均匀引起磁敏感差异，从而可被SWI检测到[20]。Sun等[20]采用SWI分析34例发生DGF的移植肾病人，发现16例出现皮髓质交界区异常低信号，提示肾功能受损程度严重，并与eGFR相关，特异度为100%；而另外18例功能相对良好的DGF病人SWI上无相应改变，诊断敏感度较低。

4 移植肾血流灌注的fMRI评估

4.1 血流灌注评估 肾脏ASL成像可定量评价肾脏血流灌注水平，评价指标为肾血流量（renal blood flow，RBF）。ASL以体内的水质子作为内源性示踪剂，通过不同的标记方法对动脉血质子标记，从而进行无创性血流灌注成像。目前肾脏ASL成像方法主要有两种：①脉冲式 ASL（pulsed ASL，PASL），包括血流敏感交替反转恢复（flow-sensitive alternating inversion recovery，FAIR）序列；②伪连续ASL（pseudo-continuous ASL，pCASL），主要应用单反转时间（inversion time,TI）或标记后延迟时间（post-labeling delay,PLD）成像，TI及PLD的选取比较关键，但目前对不同方法肾脏ASL参数优化尚未达到共识[21]。ASL评估健康肾脏、移植肾皮质RBF具有较好的可重复性，且与eGFR相关[22-24]。肾脏髓质由于具有低灌注的生理特点，且受ASL低信噪比、低对比噪声比的影响，其测得的髓质灌注值的可信度较低。肾脏ASL成像会产生运动伪影，需配合屏气、呼吸触发、背景抑制、运动矫正等手段提高成像质量。Lanzman等[22]发现移植肾功能减退时，其皮质RBF值明显低于健康志愿者及肾功能相对良好的移植肾，其原因可能是，当功能受损时其毛细血管受损、血流灌注减低均会影响皮质血流量。Ren等[23]对功能良好组和功能受损组移植肾与健康对照组进行分析，结果显示移植肾功能良好组皮质RBF值明显低于健康志愿者，功能受损组明显低于功能良好组。发生DGF时移植肾RBF明显减低，DGF主要为缺血再灌注损伤，相比氧分压变化，灌注改变更为明显，对临床有一定的提示意义[24]。

随着技术的进步，应用多个PLD或TI的ASL成像还能获得可反映肾脏血流动力学改变的参数，如动脉通过时间、团注到达时间[25-26]等，可能为临床提供更多信息。

4.2 微循环灌注评估 IVIM成像不仅能反映肾脏水分子扩散，还可根据ADCp、Fp判断微灌注的情况。Eisenberger等[3]对15例移植肾进行多b值DWI研究，发现4例AR病人皮髓质f值明显低于功能稳定者，提示了微循环灌注降低，而真实水分子扩散并未发生明显变化。有研究[27]表明慢性肾病时肾脏灌注减低早于水分子扩散改变。这些研究均提示当肾脏功能受损时，其血流灌注改变可能更敏感。

5 联合应用多种fMRI技术对移植肾功能的评价

联合应用不同MRI技术对移植肾功能评价可为临床提供更多有价值的信息。BOLD综合了肾脏血流灌注及氧耗变化的信息，ASL可反映灌注情况，两者相结合可提供更为准确的灌注及氧耗情况。值升高可能提示氧供减少或者耗氧增加，如同时伴有RBF值减低，说明肾脏主要病理改变为灌注减低。Niles等[17]利用ASL和BOLD纵向随访亲体供肾和移植肾时发现，移植肾皮质灌注下降，且髓质减低，认为移植手术缺血再灌注损伤、搭桥血管解剖以及药物等原因均可能导致移植肾血流灌注减低，而髓质钠的重吸收减少，肾小管氧利用度减低，供氧增加；同时发现ASL能敏感发现注射药物后移植肾皮质灌注增高。

Liu等[19]联合应用多b值DWI及BOLD成像对35例功能正常移植肾及经穿刺病理证实的10例AR、5例ATN病人进行研究，发现移植肾功能减低，尤其是发生AR和ATN时，皮髓质ADC值显著减低，但两者间ADC值无明显差异，而AR病人髓质值明显低于ATN病人，提示DWI与BOLD联合应用有助于鉴别AR和ATN。IVIM同时可提供肾脏皮髓质水分子扩散及灌注信息，ASL反映肾皮质血流灌注变化，两者相结合可同时提供移植肾皮髓质水分子扩散及灌注改变。联合IVIM和ASL对移植肾进行分析，均提示反映肾脏微循环灌注信息的定量指标Fp与RBF具有良好的相关性[23,28]。

6 其他fMRI技术评价移植肾功能

6.1 水含量评估 移植肾在病理状态下会引起T1值增加，不同病理状态肾脏中水含量的不同会导致弛豫时间的差异性，且组织中T1值的变化早于T2值的变化。T1mapping可通过定量测量肾脏T1值反映肾脏水含量改变。Dekkers等[29]采用T1mapping对健康肾脏及糖尿病肾病进行研究，认为T1mapping评价肾脏皮、髓质T1值的可重复性较好。Friedli等[30]采用T1mapping对大鼠肾脏纤维化及移植肾病人进行分析发现，T1mapping可敏感地发现肾脏纤维化，且移植肾皮髓质T1值差异与eGFR明显相关。移植肾皮、髓质T1值明显高于健康肾脏，移植肾功能受损时皮、髓质T1值均高于功能良好组[31]；但由于受炎性细胞浸润、水肿因素影响，使得结果尚待进一步研究。

6.2 硬度评估 MR弹性成像通过测量肾脏硬度来评价肾功能。有动物研究[32]认为急性肾功能损伤时肾皮质硬度随着血流减少而减少，而慢性组灌注减低时硬度无明显改变。Lee等[33]将MR弹性成像与移植肾穿刺结果对比发现，移植肾中度纤维化者较轻度纤维化组织硬度有增高趋势，可能与灌注压有关，但差异没有统计学意义。而Marticorena Garcia等[34]分析了22例有穿刺结果的移植肾和11例健康肾脏，显示移植肾功能减低时肾脏硬度明显减低，且低于健康肾脏，并与eGFR具有良好的相关性。认为肾脏灌注改变主要影响硬度而非纤维化，与肝脏纤维化直接影响其硬度不同。MR弹性成像对于移植肾研究结果不一，有待进一步研究。

7 小结

目前，扩散加权成像、BOLD、ASL等技术评价肾移植术后移植肾功能的可行性已得到广泛认可，但由于其特殊的扫描序列、专门的后处理软件，缺乏标准化，有待不同设备及多中心研究。SWI、MR弹性成像等用于移植肾功能评价尚处于初期阶段，需要进一步研究探讨其检测移植肾功能异常的价值。对于鉴别AR、DGF等不同病因的作用意见不一，尚需系列临床研究。MR多种成像技术可获得肾脏水分子扩散、血氧代谢、血流灌注等病生理信息，随着技术的进一步完善及提高，将有可能广泛应用于临床中。