IVIM-DWI评价静脉水化对碘对比剂所致家兔肾损伤的预防效果

2019-03-21由贺任克刘璐王永芳孙文阁赵丽

放射学实践 2019年3期

由贺，任克，刘璐，王永芳，孙文阁，赵丽

随着人们对于碘对比剂对肾脏影响的更进一步认识，碘对比剂注射后导致的急性肾损伤(post-contrast acute kidney injury，PC-AKI)这一新概念被提出[1]。目前，对比剂安全委员会更新对比剂使用指南并规定PC-AKI是指静脉注射碘对比剂后2～3 d，血清肌酐水平出现短暂性的升高并超过基础值的1.5倍或绝对值增加0.3 mg/dL(26.5 μmol/L)[1]。而之前对比剂安全委员会将对比剂肾损伤定义为静脉注射碘对比剂后2～3 d，并排除其他肾脏损害因素，血清肌酐水平出现短暂性的升高并超过基础值的25%或绝对值增加0.5 mg/dL(44.2 μmol/L)[2]。国际改善全球肾脏病预后组织目前也采用了PC-AKI的定义更新了有关对比剂肾损伤标准，认为血肌酐增加0.3 mg/dL(26.5 μmol/L)，或者血肌酐超过基线水平的1.5～1.9倍，而这一定义也被欧洲肾脏最佳实践指南工作组所推荐[1]。不同机构对碘对比剂肾损伤的定义及诊断标准不同，不利于其早期发现、诊断、治疗及对发病率的准确评估。PC-AKI的重要危险因素是慢性肾脏病和脱水[1]，而对于肾功能正常的患者脱水成为主要危险因素。针对碘对比剂肾损伤并无特殊有效的治疗手段，静脉水化是临床上最常用的预防方法，但关于水化方式、时间、途径的选择尚无统一标准[3-4]。临床主要采用静脉水化和口服水化两种方式，根据美国放射学会指导方针，口服水化效果不太理想，静脉水化液体优选等渗盐水。功能磁共振成像(fMRI)是一种高效无创的检查技术，可多方位成像、具有良好的软组织分辨力，目前被广泛应用于肾脏检查[5-8]。基于体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion，IVIM)的扩散加权成像(diffusion-weighted imaging，DWI)可用于量化体素内的两种运动成分，即单纯水分子扩散及血液灌注[9]，能够准确反映肾脏的水分子扩散及血液灌注情况，对于碘对比剂肾损伤的诊断有重要意义[5-8,10]。水通道蛋白(APQ)是位于细胞膜上的孔道，控制水分子的转运，在肾组织细胞中APQ1的表达与水分重吸收和尿液的浓缩有关[11]。相关研究表明在高渗透压环境作用下细胞内APQ1在蛋白激酶A的作用下向细胞膜移动，诱导细胞膜APQ1表达增加[12]。本实验使用的碘海醇350注入静脉后血浆渗透压增高，APQ1表达增加。此外碘对比剂会引起渗透性利尿，而急性肾损伤尿量增多以APQ1为媒介。因而APQ1的表达反映了肾损伤的程度。本实验利用IVIM-DWI来评价静脉水化对碘对比剂所致家兔肾功能损伤的预防作用，并进行病理验证。

材料与方法

1.实验动物

本实验选用的家兔由中国医科大学动物部提供并经伦理许可。36只健康雄性家兔给予正常喂养条件，每只体重2.5～3.0 kg，所有实验操作均遵守中国医科大学动物使用和保护规定。

2.实验分组

36只家兔随机分成4组(每组9只)。A组：注射等量生理盐水；B组：注射碘对比剂前3 h静脉水化；C组：注射碘对比剂后3h静脉水化；D组：注射等量碘对比剂。

3.研究方法

图1 兴趣区放置示意图。

参数A组B组C组D组FPD(×10-4mm2/s)6.81±0.595.91±0.66∗#4.90±0.93∗3.93±0.4530.278<0.01D∗(×10-4mm2/s)8.89±1.318.65±0.608.49±1.038.37±0.840.4670.708f(%)48.50±4.7145.30±5.9344.10±6.7443.10±6.281.3870.264

注：*与D组相比差异有统计学意义，#与C组相比差异有统计学意义。

表2 注射对比剂后3 h肾脏髓质D值、D*值、f值

注：*与D组相比差异有统计学意义，#与C组相比差异有统计学意义。D*值及f值为非正态分布，采用Kruskal-Wallis检验。

表3 注射对比剂后24 h肾脏皮质D值、D*值、f值

注：*与D组相比差异有统计学意义，#与C组相比差异有统计学意义。

采用GE Twin Speed 3.0T磁共振扫描仪器，8通道阵列体线圈。扫描前4 h禁水，12 h禁食，每组家兔肌肉注射3%戊巴比妥钠(1 mL/kg)及速眠新(0.1 mL/kg)进行麻醉。水化方式为经家兔耳缘静脉滴注生理盐水(0.9% NaCl)，时间为3 h，流率为4 mL/kg/h。本实验所用碘对比剂为碘海醇350，将对比剂在恒温箱中提前预热至37℃，按照1 g I/kg[13-15]经家兔耳缘静脉手推注射，流率为4～4.5 mL/s。注射碘对比剂后3 h、24 h、72 h将家兔仰卧位、头先进放置于配套的动物线圈中进行肾脏IVIM-DWI扫描。因左肾易受胃泡结构的影响，故选取右肾扫描值。扫描参数：采用单次激发自旋回波扩散加权平面回波成像，b值为10,20,50,100,200,400,600,800,1200 s/mm2，行冠状面扫描，层数5层，视野16 cm×16 cm，层厚2.4 mm，TR 4050 ms，TE 96.3 ms，激励次数2，扫描时间为6分41秒。

4.观察指标

将扫描所得IVIM-DWI图像传至GE-ADW4.4工作站，选取右肾冠状面在皮质、髓质勾画半月形兴趣区(ROI)，ROI面积≥20 mm2，避开肾窦周围大血管及脂肪(图1)。获得IVIM-DWI参数值(D、D*、f)及伪彩图。在每个时间点扫描结束后，每组分别随机处死3只家兔，取右肾放入4%甲醛溶液中固定，样本进行HE染色及APQ1免疫组化检查，分析肾脏的病理生理变化。

5.统计学分析

所有数据均采用SPSS 22.0软件进行统计学分析，以均数±标准差表示，对样本均数进行正态性及方差齐性检验，符合正态分布和方差齐性采用单因素方差分析方法，两两比较采用LSD方法，对非正态分布采用Kruskal-Wallis检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

结果

1.IVIM扫描各参数测量结果

与A组相比，B、C、D三组注射对比剂后3 h肾脏皮、髓质D值明显下降，D*值、f值仅轻度下降。B组与D组间、C组与D组间、B组与C组间D值差异具有统计学意义(P<0.05)，D*值、f值差异无统计学意义(P>0.05)(表1、2)。24 h、72 h时B组与D组间、C组与D组间、B组与C组间肾脏皮、髓质D值、D*值、f值差异均具有统计学意义(P<0.05)(表3～6)。肾脏皮质D值、D*值、f值于注射对比剂后3 h下降，24 h降至最低，72 h呈恢复趋势，髓质D值、D*值、f值于3 h开始至72 h持续下降。

表4 注射对比剂后24h肾脏髓质D值、D*值、f值

注：*与D组相比差异有统计学意义，#与C组相比差异有统计学意义。

表5 注射对比剂后72h肾脏皮质D值、D*值、f值

注：*与D组相比差异有统计学意义，#与C组相比差异有统计学意义。

表6 注射对比剂后72h肾脏髓质D值、D*值、f值

注：*与D组相比差异有统计学意义，#与C组相比差异有统计学意义。

2.IVIM扫描获取伪彩图

24 h的T2WI、D值、D*值及f值伪彩图(图2)。各组D值、D*值及f值在同一窗宽窗位下A组肾脏皮质、髓质D值、D*值及f值伪彩图呈明显暖色调改变，说明此时肾脏组织内、血管内无水分子扩散和微循环灌注受限；B组、C组、D组肾脏皮质、髓质D值、D*值及f值伪彩图呈逐渐冷色调改变，说明扩散受限逐渐加重；D组冷色调改变最明显，说明此时扩散受限最严重。

3.病理学分析结果

24 h的HE染色及APQ1免疫组化结果，如图3。A组肾小球结构正常，未见肿胀，近曲小管上皮未见异常，包浆红染，间质疏松，毛细血管分布正常；细胞膜呈轻度着色。B组肾小球轻度肿胀，近曲小管上皮胞浆略丰富，呈细颗粒状，未见坏死及变性，集合管无管型形成，间质未见明显改变；细胞膜着色较A组重。C组肾小球结构不清，肿胀明显，近曲小管上皮体积增大，空泡变性明显，集合管内未见管型，间质轻度纤维化，部分毛细血管扩张伴充血；细胞膜着色较B组重。D组肾小球结构萎缩，近曲小管上皮弥漫空泡变性，集合管内可见管型，间质纤维化伴出血；细胞膜着色最为严重，APQ1表达最多。

讨论

临床工作中，对比增强CT检查平均碘注射剂量为0.3～0.7 g I/kg体重，按照人与兔体表面积比值(1∶3)换算，兔碘对比剂的注射剂量应0.9～2.1 g I/kg体重[13]。本实验的剂量选为1 g I/kg，这与文献的所选用的剂量保持一致[14-15]。相关研究表明兔对碘对比剂反应敏感[14,16]，有利于模拟临床肾功能正常的人在接受碘对比剂及水化治疗的肾脏变化。传统磁共振DWI用于检测活体组织水分子扩散运动，其表观扩散系数(apparent diffusion coeficient，ADC)因存在受体素内微循环血流灌注的影响不能单纯的反应水分子扩散运动[17-18]。Le Bihan等[9]提出体素内不相干运动扩散加权成像(IVIM-DWI)，该技术通过多个不同b值扫描获得DWI信息，利用双指数模型进行拟合同时获得单个体素内的扩散和灌注信息，将水分子的真性扩散与血管灌注的假性扩散分离。近来研究表明，IVIM-DWI能够反映全面真实的肾脏内部信息[5-9]。本实验发现通过IVIM-DWI能有效监测家兔静脉注射碘对比剂后肾脏的动态变化。

注射对比剂后不同时间点D值、 D*值、f值均下降，其中D值为组织扩散系数，反映纯水分子的扩散状态，D值减小，说明水分子扩散受限，与碘对比剂诱发的肾血管灌注不足、细胞肿胀、间质纤维化、肾小管内液体流动阻力增加有关；D*值为血管灌注相关的扩散系数，反应组织微循环的不相干运动，D*值减小，与碘对比剂所致的肾血管收缩有关；f值为灌注分数，反应灌注扩散占体素内总扩散的比重，f值减小，说明微循环灌注降低，与碘对比剂所致的肾小球硬化、肾小管重吸收功能降低有关[8-9]。在注射对比剂后3 h时D值下降较为显著，D*值、f值仅轻度下降，这可能与D值敏感程度高有关。在注射对比剂后72 h皮质D值、 D*值、f值呈恢复趋势，而髓质D值、 D*值、f值持续下降，说明髓质恢复较皮质慢。这种差异首先是因为正常生理状态下肾脏皮质血流丰富，肾组织灌注充分，髓质管径细小，血供较差，并且髓质由于肾小管的重吸收而处于较高的代谢程度，这种生理及解剖因素使得肾脏皮、髓质的位于不同的氧分压环境[15]，当皮、髓质同时暴露于碘对比剂中，皮质的代偿能力大于髓质；其次是因为碘对比剂本质是不可吸收的溶质，进入体内经肾小球率过后肾小管含碘量增多，血液黏度增加，流速减慢，导致单位时间内肾脏髓质小血管血供进一步减少；最后碘对比剂会破坏肾小管上皮细胞的稳态，引发细胞凋亡、坏死，此外红细胞接触碘对比剂后失水变形，导致内部粘度增加，诱发肾小管血栓形成[19-21]。由此，碘对比剂对髓质的损伤重于皮质。

图2 IVIM扫描伪彩图。T2WI、D值、D*值、f值。

注射碘对比剂水化组较单纯注射对比剂组能在一定程度上减轻肾脏损伤，这一结果与HE染色及APQ1免疫组化结果相一致。这可能因为水化能通过降低碘对比剂渗透压，减轻渗透性利尿，进而有效减少APQ1的表达有关。其次还能与下述机制有关[22-24]：增加肾组织的灌注提高肾脏血流量，对抗肾素-血管肾张素系统，抑制血管加压素分泌，改善肾脏缺血状况；稀释对比剂和血管收缩介质，抑制集合管重吸收，降低肾小管中对比剂浓度，增加尿量促进对比剂排泄，降低对比剂在肾小管的停留时间，减轻肾小管上皮细胞的毒性损伤；降低尿液的粘滞度，增加血液流速，防止肾小管微栓塞，减少管型形成。笔者研究发现注射碘对比剂前水化效果优于注射碘对比剂后水化，笔者推测注射碘对比剂前水化首先能纠正亚临床脱水；其次碘对比剂在体内不发生代谢，经肾小球率过后大部分剂量在短时间内排除体外，而静脉水化通过代谢最终形成尿液需要1～3 h，因此注射对比剂前水化能及时增加肾血流量，减轻肾髓质缺血，中和碘对比剂，尽可能保证了碘对比剂与尿液同时排泄。相对于注射对比剂后水化在单位时间内减少肾脏的损伤。然而事实上门诊患者在接受碘对比剂前通常没有进行预水化，并且暴露于对比剂时常处于脱水状态，在这种情况下给予注射对比剂后的水化治疗是相当有必要的。

结合病理结果，本研究进一步证实了IVIM-DWI技术可以监测碘对比剂肾损伤的发生、发展，能较准确地评价静脉水化的保护作用。注射碘对比剂前后给予静脉水化在一定程度上能够预防损伤，且注射碘对比剂前水化效果优于注射对比剂后水化。临床中应结合患者的实际情况进行个体化应对，例如对于高龄、心衰等需要限制体液摄入量的患者应优先选择在注射碘对比剂前水化，而对于特殊条件下未能行注射碘对比剂前水化的患者应在注射碘对比剂后及时水化。