骨质疏松症骨髓脂肪的影像学研究进展

唐睿 汤光宇 诸静其

同济大学附属第十人民医院放射科，上海 200072

骨质疏松症(osteoporosis,OP)是一种与骨强度降低有关的全身代谢性疾病，其特点是骨量减少、骨微结构破坏以及骨脆性增加。OP的患病率随着年龄的增长而增加，且女性患病率显著高于男性，已成为老年人骨折最常见的原因之一，可见，早期诊断是临床防治的关键。目前临床诊断OP的金标准-双能X线吸收测量仪(dual X-ray absorptiometry,DXA)不能敏感地诊断OP以及预测脆性骨折已有大量报道，因此，寻找新的影像学诊断靶点、准确评估OP是目前研究的热点。

虽然国内外学者对OP的病理发生机制目前尚未达成共识，但普遍认同骨髓微环境的变化与OP的发生、发展密切相关，骨髓微环境主要由骨髓基质、微血管、成骨细胞、破骨细胞、脂肪细胞、造血细胞及相关细胞因子等组成，是骨吸收和骨重建的重要场所[1]。近年来，随着骨髓干细胞研究的进一步深入，发现骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSC)向成骨细胞和脂肪细胞分化紊乱可能是导致OP的重要原因，形成了“骨髓脂肪细胞过剩”导致OP的学说。围绕着这一学说,一些评估OP骨髓脂肪的影像学技术得到了更进一步的研究，本文就这一方面的影像学研究近况进行综述。

1 OP与骨髓脂肪

人体骨髓包括红骨髓及黄骨髓，红骨髓以造血细胞为主，黄骨髓以脂肪细胞为主。随着年龄的增长，红骨髓逐渐被黄骨髓所替代。骨髓脂肪细胞作为一个特殊的脂肪库，储存大量脂肪提供能源，同时产生瘦素、脂联素等脂肪因子引起成骨细胞的凋亡，并增强破骨细胞活动[2]。

值得注意的是，近年来脂肪酸在OP骨髓微环境中的调节作用逐渐成为国内外研究的热点。脂肪酸是由羧酸基、碳原子和氢原子链组成的疏水分子，包括饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸，碳原子之间的键类型决定了脂肪酸分子是饱和还是不饱和，如果任何碳原子间没有双键，称为饱和脂肪酸，在骨髓脂肪中，饱和脂肪酸占28 %，主要为棕榈酸；含有一个双键称为单不饱和脂肪酸，占51 %，主要为油酸；而含有一个以上双键的则称为多不饱和脂肪酸，其中双不饱和脂肪酸占14 %，主要为以亚油酸为代表的ω-6脂肪酸，三不饱和脂肪酸占1 %，主要为以亚麻酸为代表的ω-3脂肪酸[3]。目前较多文献认为炎症在OP中扮演着重要的角色，炎症能够刺激破骨细胞活性并抑制成骨细胞的骨形成，随后导致骨组织结构退化和骨丢失[4]。尽管目前脂肪酸在OP骨髓炎症中的作用并没有完全阐明，但目前的研究发现，饱和脂肪酸和ω-6脂肪酸可能发挥着促炎和细胞毒性的作用，而单不饱和脂肪酸和ω-3脂肪酸有利于消除对细胞的毒性作用和促炎反应[5-6]。不同的多不饱和脂肪酸对MSC分化的调节作用亦不同，ω-6脂肪酸能促进MSC分化为脂肪细胞，并抑制其向成骨细胞分化，而ω-3脂肪酸则不诱导脂肪细胞形成[7]。但近年来也有研究[8]发现同是ω-6脂肪酸的共轭亚油酸能够促进成骨，抑制脂肪细胞分化。

2 OP骨髓脂肪的影像学研究

2.1 CT

2.1.1定量CT(quantitative computed tomography,QCT)：QCT是基于X射线的成像方法，通过建立各种校准模型和计算理论从CT的衰减值中得出骨矿物质密度(bone mineral density,BMD)，已被越来越多地用于骨量和骨强度的评估，但单能QCT由于技术限制无法准确定量骨髓脂肪含量，应用双能QCT能有效解决这一问题。双能QCT使用两种不同的球管电压对物体进行扫描，利用不同物质能量曲线吸收的差异，计算组织在不同能量下的衰减，能推算物体的成分构成，可用于组织定性[9]。研究[10-11]发现双能QCT能同时评估骨髓脂肪含量及BMD，与利用质子磁共振波谱(proton magnetic resonance spectroscopy,1H-MRS)评估骨髓脂肪含量得出的结果有较高的一致性。Hui等[12]利用双能QCT及水脂分离MRI技术测量了卵巢切除术后患者腰椎椎体的骨髓脂肪，结果均显示两种技术测得的骨髓脂肪含量与BMD呈负相关且结果具有高度相关性。

2.1.2显微CT(Micro-CT)：Micro-CT具备高分辨率显示骨微观结构的优势，能够通过对BMD和骨小梁结构的三维分析评估骨强度，被认为是评估离体骨OP严重程度最敏感、准确的方法[13]。Scheller等[14]应用Micro-CT扫描锇染色的骨标本，提出了一种新的定量骨髓脂肪组织的方法，四氧化锇曾被用来鉴定细胞器的结构与功能，由于其可溶于脂肪的特性，能对成熟脂肪细胞中的脂质进行特异性的染色，该技术结合三维骨形态计量学能测量锇染脂肪的体积分数，可用于测定离体骨骨髓脂肪含量。Scheller等[15]在另一项研究中应用了该方法，在饮食诱导肥胖的小鼠模型中，通过给予雄性小鼠高脂饮食12、16及20周后，发现胫骨内骨髓脂肪含量逐渐增加，同时骨体积分数、骨矿物质含量均出现降低，骨髓脂肪含量显著增加(16周)、骨强度显著降低(12周)，提示该方法对离体骨脂肪定量检测较敏感。

2.2 MRI

2.2.1水脂分离技术：水脂分离技术又称DIXON技术，近年来逐渐被用于定量骨髓脂肪含量，该技术利用水质子和脂肪质子之间的拉莫尔频率差,通过化学位移编码(chemical shift encoded,CSE)调节回波时间做多次采集，在一次屏气中采集6个回波，结合7脂峰模型和T2*校正对椎体脂肪含量进行量化，可同时获得同相位、反相位、水相、脂相等图像，该序列具有良好的空间覆盖性，获取时间短，技术要求相对简单。在非骨髓组织和器官中相对成熟的应用研究已证实，水脂分离技术与1H-MRS所测得的脂肪分数(fat fraction，FF)值有较强的相关性，但同时也提出当所测面积较小时，水脂分离技术所测量结果会略大于1H-MRS[16-17]。目前应用较广泛的水脂分离技术主要包括GE公司的IDEAL-IQ技术和Philips公司的mDixon-Quant技术。Ergen等[18]首次应用了IDEAL-IQ技术比较女性腰椎BMD与FF，结果显示BMD与FF之间存在中度负相关(r=-0.42)。随后国内相关研究也论证了这一结果，随着BMD的增高，FF呈逐渐降低趋势，两者之间呈负相关(r=-0.66)，在经受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve,ROC)分析后得到的阈值(FF=48.05 %)对OP的诊断具有较高的敏感性(0.871)[19]。郑召龙等[20]的研究进一步指出采用IDEAL-IQ技术进行FF的测定对鉴别OP与转移瘤所致的压缩性骨折具有重要诊断价值，同时指出原理相同的IDEAL-IQ技术与mDixon-Quant技术测量结果一致性较好。Zhao等[21]用mDixon quant技术研究骨髓脂肪与BMD的关系，指出其对骨量减少和OP的诊断具有较高的预测能力，在以QCT测量的BMD为参照标准时，OP组和骨量减少组患者骨髓脂肪含量高于正常组，骨髓脂肪含量与BMD呈中度负相关，在控制了年龄、性别和BMI后，这一相关性仍具有统计学意义。Cheng等[22]研究发现mDixon quant技术测定的骨髓质子密度脂肪分数(proton density fat fraction,PDFF)与体积BMD相关性较好。Guo等[23]使用mDixon quant技术和定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping,QSM)分别扫描了108名绝经后女性，结果显示PDFF与BMD呈显著负相关，椎体QSM值随BMD的增加而降低，随PDFF的增高而升高，三者呈现较好的相关性。Kühn等[24]表示联合应用PDFF和脂肪校正的R2*可提高正常骨量和OP的诊断准确率。

2.2.21H-MRS：1H-MRS是一种无创性研究活体器官组织代谢、生化变化及化合物定量分析的功能MRI技术，是目前监测OP骨髓脂肪的理想方法，骨髓1H-MRS谱线中水峰峰值信号强度主要来源于红骨髓，而脂峰峰值信号强度主要来源于黄骨髓，这是骨髓1H-MRS成像的基础，可以通过测定活体骨髓中水、脂两峰的高度(水峰位于4.7 ppm，脂峰位于1.3 ppm)、峰底宽度以及半峰值的宽度等参数对脂肪进行半定量分析，常用的指标包括FF、脂水峰比以及脂水峰线宽，以FF最常用。通过对OP动物模型以及绝经后OP妇女的1H-MRS研究发现，骨髓FF与BMD呈负相关，并且FF与BMD同步变化，OP动物骨髓病理显示脂肪增加早期为脂肪细胞数量的增多，晚期为脂肪细胞体积的增大，通过1H-MRS亦证实催产素可通过减少骨髓脂肪堆积改善BMD[25-26]。同时，上述动物实验结果在临床研究中得到验证，双侧卵巢切除患者在术后的最初3个月，骨髓FF急剧增加，同时BMD急剧降低，骨髓灌注出现迅速下降，在随后21个月的随访期间，骨密度和骨髓灌注持续下降，骨髓FF持续增加[27]。因此，1H-MRS测定的FF可作为评估OP骨髓脂肪含量的重要标志物。1H-MRS技术除了用于测量骨髓FF外，还可用于分析骨髓脂肪酸的组成变化。Yeung等[28]报道骨量减少组和OP组患者的椎体FF明显高于正常BMD人群，但不饱和脂肪酸指数明显降低，提示FF升高的原因主要是饱和脂肪酸增加，BMD与不饱和脂肪酸呈正相关。Patsch等[29]指出，发生脆性骨折的绝经后妇女具有更低的不饱和脂肪酸水平和更高的饱和脂肪酸水平，骨髓的不饱和脂肪酸水平与脆性骨折的患病率成反比。Martel等[30]进一步的研究显示原发性OP患者及糖皮质激素性OP患者都表现出较低的单不饱和、多不饱和脂肪酸以及更高的饱和脂肪酸。但Griffith等[31]的研究发现不同BMD患者的骨髓脂肪酸的组成及含量无明显差异，包括ω-3/ω-6骨髓脂肪酸的比值、多不饱和脂肪酸以及多种参与骨重塑的脂肪酸，同时随着年龄的增长其相对含量也保持不变，因此认为骨髓脂肪酸的组成与BMD之间没有显著相关性。

虽然目前国内外学者对骨髓脂肪酸与OP的关系尚未达成共识，但是随着对OP骨髓脂肪认识的不断深入，OP骨髓脂肪影像学的研究热点正逐渐转向脂肪酸成分的组学分析。高分辨率魔角自旋质子磁共振波谱(high-resolution magic angle spinning 1-hydrogen mr spectroscopy,HRMAS-1HMRS)技术能显著降低化学位移各向异性和偶极相互作用，通过非常快的频率(约2 kHz)和特定的角度旋转离体样品，有效改善了分辨率，可以获得谱线宽度较窄的类溶液波谱，全面、准确地获取高分辨率的脂肪酸波谱。Yeung等[28]发现通过在体1.5 T1H-MRS 测得的OP组和骨量减少组的骨髓脂肪含量(FF值分别为65.5 %、63.5 %)显著低于正常组(56.3 %)及年轻对照组(29 %)，不饱和脂肪酸指数(分别为0.091、0.097)显著低于正常组(0.114)、年轻对照组(0.127)。Li等[32]利用11.7 T HRMAS-1HMRS研究绝经后妇女离体骨髓液中脂肪酸的组成，结果显示单不饱和脂肪酸水平、多不饱和脂肪酸水平和饱和脂肪酸水平存在显著差异，骨量减少组和OP组相较于正常骨量组，不饱和(26.9 % VS.30.8 % VS.37.8 %)及多不饱和脂肪酸(15.4 % VS.15.8 % VS.26.7 %)水平显著降低，而饱和脂肪酸(73.1 % VS.69.2 % VS.62.2 %)水平显著升高，其结论与在体1H-MRS临床研究结果一致，表明OP的发生、发展与骨髓脂肪的增加有关，且与骨髓脂肪酸成分的变化密切相关。总之，应用HRMAS-1HMRS测量各种脂肪酸水平，掌握OP病理过程中骨髓不同脂肪酸成分代谢的动态变化，有利于深入了解脂肪酸在调节OP骨髓微环境过程中的重要作用，可能为早期预测OP及干预评估提供潜在的重要信息。

影像组学是近年来迅速发展的一门学科，利用纹理分析、大数据获取图像信息，从医学影像中提取定量数据，通过熵、偏度、异质性等纹理分析，寻找其与诊断金标准的相关性，可作为疾病诊疗的辅助支持工具，已在OP的诊断和评估方面显示出潜在的价值[33]。但在研究OP脂肪1H-MRS特征方面尚处于探索阶段，相关报道罕见。Burian等[34]对基于水脂分离技术获取的PDFF图进行纹理分析，通过提取每个椎体的平均PDFF值和纹理特征(方差、偏度、峰度)发现绝经后妇女的PDFF显著高于绝经前妇女，而在绝经后妇女中，基于纹理分析的骨髓异质性显著增加，对比度和差异性在区分绝经前后妇女方面表现最好(AUC分别为0.97和0.96)，与PDFF相比差异不大(AUC=0.97)，该研究表明纹理分析能为骨强度的变化提供额外的信息，并可能成为未来的影像学标志物。

3 小结

OP的发生伴随骨髓脂肪细胞的增多及多种骨髓脂肪酸含量的动态变化，影像学新技术的应用可早期、全面、无创的评估骨髓脂肪含量以及脂肪酸成分的变化。双能QCT能同时评估BMD和骨髓脂肪，但X线辐射限制了其推广应用；Micro-CT可进行骨髓脂肪锇染色定量分析，但目前仅用于动物离体骨评价，且操作过程复杂、标本制备耗时；mDixon quant技术能够快速、准确地测量骨髓脂肪含量，有望成为临床评估OP骨髓脂肪的有效手段，但无法区分骨髓脂肪酸成分仍是其不足之处；1H-MRS作为目前唯一能够全面评估骨髓脂肪酸的理想方法，可用于监测OP脂肪酸的病理变化过程，正逐步推广应用于临床及基础研究。影像组学的应用为OP的诊断、评估提供了新的思路，可能成为未来诊断OP、评估预后的重要补充手段。

总之，OP与骨髓脂肪、脂肪酸关系密切，骨髓脂肪的定量分析有助于综合评估OP骨髓微环境的变化，为临床诊治提供新的无创手段。相信随着影像技术和设备的不断发展，OP骨髓脂肪精准定量评估将会发挥更重要的作用。