基于磁共振成像的棕色脂肪检测研究现状

祝翠玲，张晓东

作者单位：

南方医科大学第三附属医院影像科(广东省骨科研究院)，广州 510630

随着人类生活质量的提高，肥胖逐渐成为困扰人类日常生活中的重要问题，过度肥胖将导致糖尿病、血管性疾病、心脏功能障碍或其他代谢相关性疾病。棕色脂肪(brown adipose tissue，BAT)是一种存在于人类和啮齿类动物的产热组织，因为其线粒体中存在特异性的解耦联蛋白(uncoupling protein1，UCP-1)，能够将能量转化为热量释放，从而改善糖、脂代谢，因此可预防肥胖的发生。如何对棕色脂肪的量和活性进行准确的定量检测也成为当今的研究热点和难点，目前棕色脂肪的检测尚无统一标准，18F-FDG正电子发射断层扫描和计算机断层扫描(18F-FDG positron emission tomography computer tomography，18F-FDG PET-CT)是最早在成人体内有棕色脂肪显像的一种成像检测技术[1-3]，然而进行PET-CT检测时，BAT摄取会受多种因素影响，如外界环境温度、体重指数、β肾上腺素能受体阻滞药物等，并且会低估18F-FDG的摄取率[4]。另外，PET-CT检查费用昂贵，有辐射，无法短期重复检查，不能检测未激活状态的棕色脂肪[5]。而MRI因为具有无辐射、对脂肪等软组织有良好的分辨率、可同时检测未激活和激活状态的BAT、相对PET-CT价格低等优势，在检测棕色脂肪方面引起了广泛的研究兴趣。笔者对多种检测棕色脂肪的MRI技术分别进行介绍。

1 棕色脂肪的基础和临床研究现状概述

人体内至少有两种脂肪组织：白色脂肪(white adipose tissue，WAT)和BAT，二者的结构组成及功能均不同，白色脂肪主要作用是脂肪储存和保持体温，主要分布于皮下、网膜和肠系膜等处。婴幼儿的棕色脂肪主要分布于肩胛区、锁骨上区、心包旁、肾上腺区和主动脉旁，而成人的棕色脂肪主要分布在颈部、锁骨上、主动脉旁、椎旁和肾上腺区的脂肪库内，以颈部锁骨上区最为常见及显著，主要作用是产生热量[6-7]。BAT早期被认为仅存于新生儿及婴幼儿体内，但随着年龄的增长其逐渐消失[8]。有学者在PET-CT检查中发现，棕色脂肪也可存在于成人，并且其含量、活性与胰岛素的敏感性、肥胖程度和年龄呈负相关[9-10]。棕色脂肪产热的具体机制是：棕色脂肪细胞内含大量的线粒体，而线粒体内含有一种独特的产热蛋白，UCP-1[11]，通过消耗体内脂质和葡萄糖等能源物质，使机体产生ATP的途径解偶联，直接产生热量。寒冷等刺激可安全有效地激活棕色脂肪，棕色脂肪激活后灌注和代谢增加，UCP-1表达增加[12]，活化的棕色脂肪优先氧化脂质作为燃料，也可用葡萄糖作为底物[13-14]，其产热增加、促进脂肪和糖代谢。另有研究表明，在动物实验中，移植的外源性棕色脂肪也可刺激内源性棕色脂肪调节代谢的功能增强，棕色脂肪细胞相关基因表达显著增加使动物糖耐量提高，能量消耗显著增加[15]。因此，增加内源性能量代谢新的途径-激活棕色脂肪，已成为肥胖及糖尿病等影响人类健康的代谢性疾病的潜在治疗靶点。

有效检测不同代谢状态的BAT在肥胖症的治疗中起重要作用。18F-FDG PET-CT早期应用于临床检测BAT，但因其存在诸多缺点且只能检测代谢活跃的棕色脂肪[16]，现已不作为首选方式，其他还有间接气体交换测温法、红外线测温法、交感神经张力测定法、棕色脂肪称重，但这些方法都局限于特定的实验室中进行，或者测量单一、准确性差，UCP-1水平监测虽是最客观的量化检测方法，但需要有创的基因学技术，均无法在临床上进行活体评估或动态监测。由于棕色脂肪和白色脂肪的饱和脂肪酸与水含量不同[17]，且棕色脂肪毛细血管密集，具有丰富的氧气、血液供应和富含铁的线粒体，这些生理特性使得可以利用MR成像方法来区分棕色脂肪和白色脂肪、定位棕色脂肪及估算棕色脂肪含量与检测棕色脂肪活性。

2 磁共振成像检测棕色脂肪的研究现状

2.1 基于弛豫时间的磁共振成像

T1WI和T2WI最早用于检测棕色脂肪是利用棕色脂肪与白色脂肪的T1和T2弛豫时间差异进行检测，因为棕色脂肪与白色脂肪相比细胞内外水含量更高，且含铁量和线粒体密度和血管密度都要高于白色脂肪，因此棕色脂肪T2WI和T2*的弛豫值更低，信号较白色脂肪低，在肩胛区三角形白色脂肪深部定位可见形似“翅膀”的棕色脂肪。在Grimpo等[18]的实验中，能够通过T1WI和T2WI图像观察小鼠的棕色脂肪激活状态与寒冷或肾上腺素刺激后的体积与信号，常温情况下，在T1加权图像上，棕色脂肪表现为不均匀的信号，中心区域为低信号而周围为相对高的信号，表明中心含有更多的线粒体和细胞质，有更大的代谢潜力，而外周的脂质含量更多；使用肾上腺素或寒冷刺激后，低信号范围明显扩大，而5℃时整个肩胛区脂肪组织转变为低信号，棕色脂肪已完全活化，脂质成分降低，血供增加。Khanna等[19]在T2加权图像上观察代谢状态活跃的棕色脂肪，活化的棕色脂肪因为血氧减少而信号下降20%左右。尽管该方法简单快速且近年的研究进一步优化，但是棕色脂肪的T1和T2成像仍无法辨别其组成和细微结构，且棕色脂肪和白色脂肪的T1WI和T2WI信号存在较多重叠，有时难以区分二者。

2.2 基于化学位移的磁共振成像

棕色脂肪相对白色脂肪，不饱和甘油三酯比例低、水含量较高[20-21]，因此，可利用化学位移现象，用氢质子磁共振波谱成像或者基于Dixon的脂肪定量技术，计算组织水和脂肪的相对比例，得到脂肪分数(fat fraction，FF)或者脂肪信号分数(fat signal fraction，FSF)，从而识别棕色脂肪和估算其体积。氢质子磁共振波谱成像由于易受磁场不均匀性的影响、单体素定位差且后处理过程复杂，应用较少，但由于WAT比BAT有更高的双键数及亚甲基间双键数，因此其可检测棕色脂肪的不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸比例。研究证实基于Dixon的磁共振成像测量FF可检测未激活状态及激活状态的棕色脂肪，棕色脂肪激活后代谢增加，脂质消耗增加以及血流灌注增加[22]，导致水含量增加，FF下降。Smith等[23]在不同环境下使用水脂分离MRI测量FF，发现小鼠肩胛区BATFF与温度呈正相关。在啮齿类动物，大多数研究表明棕色脂肪的FF (20%～50%)明显低于白色脂肪(70%～90%)，个别研究提示棕色脂肪的FF可高达80%[16]。Hu等[24]发现，随着年龄的增长，小鼠棕色脂肪的FF也会增长(从50%涨至60%)。在Holstila等[25]的研究中，在正常温度条件下，将传统的双回波(正反相位)序列与饱和反转恢复序列(spectral presaturation inversion recovery，SPIR)结合，创造出命名为DUAL-SPIR的序列，用于检测棕色脂肪的代谢状态与体积，结果与18F-FDG PET-CT和棕色脂肪解剖标本做比较，认为18F-FDG PET/CT图像测量的棕色脂肪范围要小于实际标本的大小与DUAL-SPIR测得的棕色脂肪大小，而传统正反相位成像得出的棕色脂肪体积要稍大于标本的体积，仅DUAL-SPIR上测得的棕色脂肪量与实际最相符。另外，FF与18F-FDG PET-CT的摄取增加具有一致性，许多棕色脂肪成像的研究都将基于化学位移的成像技术与18F-FDG PET-CT结合起来，观察在寒冷或肾上腺素注射刺激后，棕色脂肪的体积或信号变化。

水脂分离技术本质是两点Dixon技术，采用梯度双回波化学位移成像，可以同时生成水图和脂肪图，这些图像用于构建FF图，得到脂肪分数FF=FF(fat)/FF(water)+FF(fat)。Franz等[26]利用PET、MRI与两点Dixon水脂分离方法来区分棕色脂肪和白色脂肪，研究证实在所有小儿受试者中，锁骨上BAT的SFF显著低于臀部WAT，且老年组的锁骨上SFF明显高于小儿组。由于棕色脂肪自身的动态[27]变化特性(FF可由于产热或代谢在相对短时间内发生变化)，且棕色脂肪和白色脂肪可混合存在，FF往往体现的是棕色脂肪与白色脂肪混合的脂肪区域的总体脂肪分数，BAT的测量存在部分容积效应，因此Romu等[28]使用相对脂肪含量(RFC)来量化棕色脂肪体积及脂肪分数，RFC是通过去除WAT体素(定义为脂肪分数高于0.90的体素)估计的信号偏差来计算的，从而校准图像，使用WAT作为内部信号参考。另外该技术B0磁场不均匀会产生相位误差，影响定量测量的准确性。

迭代最小二乘法非对称水脂分离技术(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetric and leastsquares estimation，IDEAL)除可以生成FF图以外还可以生成T2*图。相对于脂肪细胞本身的大小来说，MRI所用体素大(在白色脂肪棕色化的过程中，棕色脂肪相对体积过小而难以识别)，所以不能把棕色脂肪的FF作为绝对或者单一明确识别棕色脂肪的指标。又因为脂肪不是棕色脂肪独有的信号特征，且棕色脂肪含铁量与线粒体密度高，在T2*上多表现为低信号，但FF图像的分辨率高于T2*图像和PET-CT的分辨率，所以多将T2*与FF结合起来共同鉴别棕色脂肪与白色脂肪[29-30]。Hu等[31]利用IDEAL技术进行小鼠BAT离体扫描发现与瘦小鼠组相比，肥胖组小鼠BAT的T2*更长，质子密度脂肪分数(proton density fat fraction，PDFF)更大。然而该技术的缺点是不能从根本上消除T2*效应[32]，且空间分辨率有限，随着分辨率的提高，回波次数增加，每个回波的采集时间也随之延长，而在应用于人体扫描时高分辨率和短时间扫描对于减少部分容积效应和运动伪影非常重要。

目前，随着Dixon技术的发展，改良Dixon脂肪定量技术如最小二乘法估计和不对称回波迭代分解水和脂肪成像(IDEAL-IQ)或(mDixon-Quant)最常应用于脂肪的识别与检测，也是目前最为便捷、准确的磁共振脂肪定量技术[33-34]。最常用的是6回波mDixon技术，一次可采集6个回波，缩短了扫描时间从而保证了图像的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。Lundström等[35]在研究超重-肥胖表型的青少年中得出FF和T2*与肥胖呈正相关。Deng等[36]通过研究正常、超重及肥胖青年男性在激活与未激活状态下棕色脂肪的特征，发现FF和R2*是非肥胖人群和肥胖人群鉴别的良好预测因子。Gashi等[37]等在健康成人冷暴露时使用6回波Dixon技术进行动态MRI扫描，可以直接观察FF和R2*(R2*=1/T2*)的变化。而最近有学者[38]在人体内利用20回波多回波梯度采集与6回波进行比较，证实其可以对脂肪组织进行PDFF和T2*的多参数分析，进行T2*校正并可提高其准确。该技术可以同时获得R2*图，无需复杂的后处理及校正步骤。

2.3 血流灌注成像

棕色脂肪存在丰富的血流灌注，通过磁共振相关反映血流灌注的技术也可以间接检测棕色脂肪。有学者[39]使用对比增强MRI利用超顺磁性氧化铁纳米晶体(SPIOs)，可以通过实时MRI测量BAT活性，比较增强前、后信号强度变化，筛选出高血流灌注的脂肪组织，间接估测其体积。对比增强MRI通过观察对比剂随时间扩散至周围组织的情况，主要用于反映组织内微血管的渗透特性，但使用对比剂有一定的副作用，不利于短期内重复检查。体素内不相干运动成像(intravoxel incoherent motion imaging，IVIM)是DWI的扩展，已用于多种病变的解剖定位和肿瘤学领域[40]，可测量组织微血管中循环血液(毛细血管灌注)和微观水流动(扩散)特性。灌注系数(D*)反映毛细血管血流的水流动性，灌注分数描述毛细血管在单位组织体积内占据的空间量。Deng等[41]用IVIMDWI评估正常体重和肥胖儿童BAT血流灌注，发现青春期前肥胖儿童BAT灌注下降即代表灌注的假扩散系数(D*)值降低，青春期儿童亚组之间统计学有显著性差异。虽然IVIM无需使用对比剂，可重复监测BAT的血流灌注，但IVIM相关参数受计算模型的影响，b值大小和数量的选取尚无统一参考值，准确性较低。

也有学者利用血氧水平依赖功能磁共振成像(bloodoxygen-level-dependent，BOLD-fMRI)检测棕色脂肪的活性[19]，发现大鼠激活的棕色脂肪BOLD信号明显增强，且与18F-FDG PET-CT的摄取增加具有一致性[29]。BOLD-fMRI基于氧耗和血流量增加的原理，能敏感地检测到氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白相对含量的变化和氧的消耗，这有利于动态观察棕色脂肪激活后的变化，而BOLD-fMRI仅限于检测激活后的棕色脂肪。此外，研究表明，在棕色脂肪活跃、血流增加时，耗氧量的增加是血流增加的10倍，导致棕色脂肪内氧含量明显降低，T2*信号下降[19]；且在用胰岛素激活棕色脂肪的实验中[42]，棕色脂肪的灌注增加并不明显，而耗氧量增加，所以通过灌注成像来进行棕色脂肪检测只是间接的方法。

2.4 其他磁共振成像方法

超极化磁共振成像使用体外核自旋极化，可以极大提高信噪比，基于氙气的超极化MRI也被用于研究啮齿类动物的BAT[43]，吸入的超极化氙气被输送到肺等器官，溶解的气体按组织灌注率的比例在不同的组织中积累，高度血管化的BAT在激活时对氙的吸收增加了15倍以上；后来又有学者[44-45]使用超极化(1-13C)丙酮酸及超极化氙(129Xe) MRI对小鼠进行活性棕色脂肪组织的评估，由于此种方法对磁共振设备要求高，因此未能受到广泛应用。Z谱成像(ZSI)由于不受B0场非均匀性和脂肪-水交换的影响，常用来区分BAT和WAT，但目前该技术应用于检测BAT仅见两篇[46-47]；红外热成像(infrared thermography，IRT)检测棕色脂肪的温度可以反映其产热功能，目前主要是用红外成像仪测量，但由于其只能检测浅表组织及探头对应区域中的棕色脂肪，受局部组织血流量的变化影响，对体内深层区域的温度变化不敏感，测量结果的不准确等局限性，不能真正反映棕色脂肪的温度及功能。最近有学者[48-49]同时应用PET、MR及IRT实现解剖与功能的融合，能够比较全面地检测棕色脂肪，但其研究尚处于初步阶段。

3 小结及展望

综上所述，BAT对于诊治肥胖、糖尿病代谢性疾病具有潜在价值，准确检测其作用及机制对此类疾病的临床诊疗具有重要意义。随着MR技术的不断深入研究，其可进一步反映BAT的形态学与结构组成特点，从而揭示其作用机理。当然，不同的MRI技术及参数各有优势与局限性，在活体检测棕色脂肪时联合应用多个MRI参数，进一步开发新的MRI定量检测BAT技术及监测指标或许是新的研究趋势。

利益冲突：无