慢性肾病磁共振功能成像研究进展

马小梅，和建伟，常飞霞，贾应梅，王莉莉，高博，黄刚*

慢性肾脏病目前已成为影响全球约10%人口的主要全球公共卫生问题，每年造成数百万人死亡，并且数十万人需要通过透析来维持生命[1]。因此，让慢性肾病引起人们的足够重视，并且做到早诊断，早治疗，防止病情恶化，改善患者预后是非常必要的。

1 慢性肾病的病理学基础

大量研究表明，肾间质纤维化是多种肾脏疾病进展到慢性肾病的共同途径和病理基础[2-3]，在肾间质纤维化过程中，首先组织因受损启动了肾脏纤维化，而纤维化会导致肾小管萎缩，毛细血管进行性减少，导致肾脏灌注减低[4-5]，导致血流减少和向肾脏实质的肾小管上皮细胞的氧气输送减少，又可以进一步促进纤维化[6]。因此，毛细血管丢失不仅是纤维化肾的关键特征，而且是与纤维化相关的进一步损伤的驱动因素[7-8]。随着肾单位的瘢痕形成，沉积的细胞外基质会增加[9]，从而增加肾脏的僵硬度。

有研究表明，在肾间质纤维化形成的慢性进展过程中，患者早期可以没有明显的临床表现，甚至在肾小球纤维化时，肾小球滤过率(glomerular filtration rate，GFR)仍可维持数年，直到肾小球间质纤维化的发展，最终导致GFR下降[10]，因此在肾小球纤维化发展为严重的肾损伤之前，早期发现纤维化并定量评价纤维化程度在理论上可以早期评估患者病情进展的风险，由于许多新的抗纤维化药物正在开发中，这种早期的鉴定可能在患者发展为明显的肾功能障碍之前，给予药物干预，早期治疗，有助于延缓肾纤维化的发生及发展[11]，改善患者预后，提高患者生存质量。

2 慢性肾病诊断金标准

肾活检是目前用组织学技术对肾纤维化进行特异性诊断和分期的金标准[12]，但因其具有创伤性，可重复性差，不适用于疾病进展或治疗反应的长期监测，尽管近年来这种检查技术变得更加安全，但并发症和局限性依然存在。首先，肾脏穿刺活检有出血的风险，严重者还可能会产生动静脉瘘和肾周软组织感染，甚至死亡[12-13]。其次，因为活检样本的直径只有2 mm，即使是“满意的”样本也几乎不包括髓质，因此肾活检分析也必然受到抽样偏差的影响[14]。

考虑到这些安全性和取样问题，患者往往不愿接受活检，当非侵入性检测不能提供诊断时，临床医生往往得不到有助于临床诊疗决策的关键信息。因此尽管活检是目前评估肾纤维化的金标准，但从临床和研究的角度来看，它都是不完善的。很显然，安全、准确地评估全肾纤维化负担的非侵入性新方法是必要的。

3 慢性肾病的MRI研究进展

传统的MRI通常无法实现组织纤维化成像，然而，结合对纤维化病理生理学的进一步理解，有学者使用钆对比剂增强MRI行心肌纤维化成像取得诸多成效[15-16]，这也为MRI纤维化成像提供了可能性，然而，由于钆对比剂对肾功能障碍患者的风险，这些技术不能适用于肾脏[17]。值得注意的是，随着磁共振功能成像技术的进展，其他无钆技术也已被开发出来，例如扩散加权成像(diffusion-weighted imaging，DWI)、动脉自旋标记成像(arterial spin labeling，ASL)、磁共振弹性成像(magnetic resonance elastography，MRE)、血氧水平依赖性磁共振成像(blood oxygenation level-dependent MRI，BOLD-MRI)以及磁化转移成像等，有望改善无创地检测肾脏内结构、功能和分子变化的能力。有几篇文章评论了这些无创MRI技术在肾脏中的应用[18-20]，包括Ebrahimi等[21]对肾脏功能MRI的精彩综述，认识到微血管损伤和肾硬化对肾脏纤维化的重要性。

3.1 扩散加权成像

DWI是一种能够无创地探测到组织中自由水分子布朗运动的磁共振成像技术，通常用ADC来描述水分子的净移动。肾间质纤维化的病理表现包括肾小管周围微血管减少、细胞外间质中成纤维细胞的增殖以及基质沉淀，这些改变均有可能导致组织中水分子的扩散受限，从而减低ADC值。

在动物模型和人类中的大量研究表明，与健康肾脏相比，患病肾脏的ADC值显著降低[22]。目前的证据表明DWI对肾间质变化特别敏感，例如肾纤维化、细胞(炎性或肿瘤性)浸润和水肿[23]，肾纤维化核心活检标本的纤维化百分率与ADC显著相关[24]。近年来大量的研究显示，CKD患者肾脏的ADC值与其肾纤维化量呈负相关[25]，并且随着慢性肾病患者肾功能的降低，肾脏的ADC值也明显下降[26-27]。

使用体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion，IVIM)模型对扩散信号进行高级建模，分别估计扩散(ADC扩散)和灌注(ADC灌注)对总ADC值的贡献[28-29]，这种能力可能会极大地提高对扩散机制的理解。Feng等[30]和Deng等[31]利用IVIM-DWI评估2型糖尿病患者的早期肾功能变化，发现IVIM参数值在检测早期肾脏变化中比白蛋白/肌酐比值更敏感。Mao等[29，32]用IVIM-DWI对于肾脏功能和CKD病理学的无创评估可能是可行的，尤其是在早期发现肾功能不全时。

DWI的另一个延伸序列称为扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)，使用各向异性分数(fractional anisotropy，FA)来测量沿不同轴线的水的流动性。因此，理论上使用扩散张量成像有利于捕捉到水在特定方向运动的有序结构的破坏，例如大脑中的轴突或肾脏中的小管。基于这种功能，DWI已被广泛应用于神经成像，特别是缺血性脑损伤的早期检测和肿瘤成像[33-34]。有关肾脏的研究显示，由于肾小管结构的存在，使得肾髓质内各向异性程度比肾皮质更高；使用DTI，无论GFR是否降低，CKD患者肾皮质及髓质的FA值明显低于健康对照组，对肾小球病变及肾小管损伤行进量化评分显示，FA与损伤评分呈负相关[24，35]。

总之，DWI可能是所有类型CKD的首选成像技术，甚至在肾功能衰退之前，用于评估组织纤维化程度、预测功能演变和跟踪治疗过程中出现的微结构变化，这可以减少诊断和随访的肾活检的数量[25]。为了提高DWI的特异性，将其与其他有前途的MRI (多参数MRI)相结合进行肾组织表征和随访，将有助于对正常和病变肾脏进行完整的形态学和功能评估。

3.2 肾脏血氧水平依赖MRI

考虑到肾实质缺氧会引起一系列复杂的细胞因子和其他因素的激活，最终引起肾小管间质纤维化，导致肾功能进行性受损。利用这一现象，Ogawa等[36]用一种对血氧变化敏感的技术BOLD-MRI对肾脏进行成像，获取图像用来估计组织的含氧量，目前，BOLD-MRI已被广泛验证为脑氧合的一种测量方法[37]。Prasad等[38]首先在肾脏中进行了BOLD-MRI测试，结果显示髓质的T2*信号低于皮质，这与髓质在近缺氧条件下工作的事实相符。另有研究[39]显示糖尿病患者的肾皮质及髓质R2*信号均明显高于正常对照组。髓质R2*信号与肾小球滤过率呈正相关，皮质R2*信号强度与eGFR呈负相关。髓质与皮质R2*值之比在糖尿病早期升高，随着糖尿病肾病的加重而降低。Feng等[40]的研究表明髓质R2*值可能是一种新的更敏感的糖尿病肾病早期预测指标。同时，BOLD-MRI检测到单纯糖尿病期髓质缺氧，DTI未检测到此期髓质定向扩散的变化，基于上述假设，笔者推测BOLD成像对早期肾功能改变的评估可能比DTI更敏感。

3.3 动脉自旋标记成像

ASL通过磁标记动脉血液来测量组织灌注。由于肾脏较高的生理灌注，原则上肾脏是可以用磁共振动脉自旋标记技术进行灌注成像的理想脏器。ASL在动物[41]和人类[42]中的应用表明，与金标准的测量相比，该技术提供了合理的、可重复的肾皮质微血管血流估计。广泛的研究表明，ASL对动脉狭窄或肾脏疾病的再循环是敏感的[43]。在CKD病人中，ASL显示的微血管流速随着eGFR不同程度减低而减低[44-45]。考虑到肾纤维化与毛细血管损失和微血管灌注受损有关，CKD中可见的ASL反映的血流减少可能是衡量全肾纤维化负担的替代指标，也可能预测进展风险。一项糖尿病肾病的研究显示[46]，ASL血流量的MRI可以无创测量肾皮质组织灌注的减少，且随着病程的进展，组织灌注减少。

虽然肾脏ASL是一种具有肾间质纤维化的潜能，还有一些局限性需要解决。首先，测量结果受到低信噪比和相应的低分辨率的困扰，这限制了对皮质和髓质进行分别评估的能力，尤其是对皮质变薄的慢性损伤的肾脏。其次，ASL测量肾髓质灌注是困难的，因为髓质只接收总肾血流的10%，使得ASL信号通常比大脑皮层弱，那么要进行多次采集来改善信号测量，但这会延长扫描时间，使ASL对呼吸运动伪影更敏感。Nery等[47]应用背景抑制3D梯度自旋回波序列(a single-shot background-suppressed 3D gradient and spin-echo，3D-GRASE)可明显改善ASL的运动伪影，使其可应用于患有重度肾病的儿童。

3.4 磁共振弹性成像

肾纤维化的另外一个重要特征经常被忽视，那就是肾脏硬度的增加。器官硬化是由柔软的肾实质细胞被刚性纤维基质所替代[48]，并通过这些基质胶原纤维的交联进一步增强；这种器官硬化可以通过MRE来捕捉，得到组织刚度和感兴趣区域弹性可视化的定量值[40]。Rouvière等[50]首次显示了MRE在健康成年人中的可行性和可重复性。MRE已经是一种成熟的肝纤维化成像技术，已被证明可以准确反映活检来源的肝纤维化测量结果[51]，MRE用于肾脏的可行性已在国内外多项研究中得到证实。在一项动物研究中，MRE被用于检测猪慢性肾动脉狭窄引起的髓质纤维化，研究结果表明随着肾组织纤维化的增加，MRE测得髓质刚度值也明显增加[52]。然而Brown等[46]对CKD患者肾脏MRE的一项研究显示MRE的刚度会随着CKD的恶化而降低，这很可能与较低的血液流速引起的组织膨大有关。

虽然这些初步研究结果令人鼓舞，但仍存在一些问题，与相对同质的肝脏不同，肾脏在结构上非常不均匀，因此，从活检取样点测量的硬度指标是否与活检获得的纤维化评分有更好的相关性需要进一步验证。

3.5 其他成像方法

过度的组织瘢痕形成或纤维化是导致终末期肾脏疾病的关键因素，磁化转移成像(magnetization transfer-MRI，MTMRI)利用附着在基质蛋白等大分子上的水质子(与自由水分子的质子相比)的不同磁性能，提供有关组织大分子组成的间接信息。Jiang等[20]应用该技术对进行的肾动脉狭窄手术的小鼠在基线及术后不同时段进行检测，结果显示，肾动脉狭窄的肾脏，磁化转移率显示从基线到术后6周逐渐增加(皮层和髓质分别增加13.7%和21.3%)，同时还伴有肾脏容量、灌注、血流量和氧合的逐渐减少，并且患侧肾脏的磁化传递比图显示与离体标本测得的纤维化程度有良好的相关性；另外，该研究团队进一步改进研究方案，在胶原体膜中选择合适的MT参数，并将其应用于体内磁化转移成像，研究结果证实了MTI在评估猪肾动脉狭窄性肾脏纤维化中的作用，研究显示无论肾皮层还是髓质，在频率为600 Hz和1000 Hz时的磁化转移率均与天狼星红染色法测定的肾间质纤维化呈良好的相关性[53]。

T1 mapping、T2 mapping：前面笔者阐述的肾纤维化的成像方法主要集中在MRI功能成像模式上，即图像要么揭示肾脏的微血管灌注、氧合情况，要么就是肾脏硬化的改变，而目前，基于MRI的技术也在发展中，以检查纤维化组织的其他特性。有一项动物实验表明[54]，慢性肾病模型中肾纤维化程度与T1值呈良好的正相关性。

分子MRI也是检测和评估器官病变的先进MRI工具。最近的一项研究取得了显著进展。Sun等[43]使用弹性蛋白磁共振特异性显像剂(elastin-specific magnetic resonance imaging agent，ESMA)进行无创性分析肾纤维化，弹性蛋白在健康的小鼠、大鼠和人的肾脏中几乎不表达，而在进行性CKD的皮质、髓质和血管周围区域中过表达；其次，在已经建立的纤维化模型给予伊马替尼进行治疗，发现治疗后ESMA分子成像获得的信号强度显著低于对照组小鼠，说明弹性蛋白成像可以对肾纤维化进行重复和可重复的评估，从而准确记录抗纤维化治疗的效果。

4 小结

间质纤维化是慢性肾损伤的主要原因，目前主要靠肾活检组织学来对其评价，功能磁共振成像克服了活检分析的创伤性和取样偏差限制，为肾纤维化评估的无创成像提供了广泛的可能性。以上笔者已经强调了几种基于MRI的技术，它们可以展示肾脏纤维化的两个重要病理特征：毛细血管减少和肾硬化，但每种方法仍需要进一步的发展和验证。到目前为止，实验数据显示MR结果与肾纤维化和肾功能有良好的相关性，尤其是DWI可在一定程度上反映肾间质纤维化的程度，ASL及BOLD-MRI则与肾间质氧分压则有很好的相关性；但是这些研究成果都处于基础阶段，还不能适用于临床，这需要继续发展和改进MRI肾脏成像方法来评估肾纤维化，早日将其转化为临床成果。

利益冲突：无。