多模态磁共振成像技术在糖尿病肾病中的研究进展

周倩，周纪宇，郭达，敬宗林

糖尿病肾病(diabetic nephropathy,DN)是糖尿病常见的微血管并发症之一，是导致慢性肾脏病及终末期肾病(肾衰竭)的重要原因[1,2]。目前临床诊断常用的实验室指标，如血清肌酐、微量蛋白尿、尿微量蛋白/肌酐比值(albumin creatinine ratio，ACR)及估算的肾小球滤过率(estimated glomerular filtration rate，eGFR)等，容易受到发热、感染、24h剧烈运动等的影响，故而对早期糖尿病肾病的诊断缺乏敏感性及特异性[2,3]。有研究表明，若在糖尿病肾病早期(微量蛋白尿期)及时诊断并进行有效治疗，可有效控制其病程进展甚至逆转肾功能损害，而一旦出现持续性蛋白尿则病情常很难逆转，最终会发展成终末期肾脏病(尿毒症期)[4]。在糖尿病肾损害的早期，肾脏出现缺血缺氧、分子扩散等功能性改变，但由于肾脏自身具有强大的代偿功能，实验室结果多表现为阴性[5]，当出现症状就诊时大多数患者已经进展到中晚期(肾小球滤过率持续性下降)，最终出现不可逆性肾损害。肾活检是检测早期DN的金标准，但由于其具有创伤性，故临床上不能广泛应用于DN的早期诊断。

DN的病理改变最初为肾脏肥大、肾小球血流量增加，接着肾小球系膜细胞增殖，细胞外基质积聚，肾小球及肾小管基底膜增厚，肾小球结节性病变(K-W结节)的形成，最终导致肾小球硬化、肾小管萎缩和间质纤维化。糖尿病早期肾体积增大，肾小球滤过率增加，呈高滤过状态，肾小管重吸收负荷增大，氧消耗增加；在持续高血糖、血流动力学改变等因素影响下，肾小管上皮细胞出现氧化应激反应，细胞线粒体受损，出现氧利用障碍及肾血流灌注减少，进一步加重肾组织细胞的缺氧。长期慢性缺氧会促进肾脏炎症反应，导致肾小球硬化、肾小管间质纤维化，从而引发恶性循环，加快糖尿病肾病的进展，导致终末期肾病[6,7]。

目前临床常用的影像学检查方法多需要使用外源性对比剂，这不仅加重肾脏的负担，且不能够早期发现肾功能的异常改变。对于糖尿病患者来说，对比剂肾病的发生率为5.7%～29.4%，而且随着血清肌酐水平的升高，对比剂肾病的发生风险会显著增高。近年来，影像学技术飞速发展，出现了很多新的技术，如磁共振弹性成像(magnetic resonance elastography,MRE)、磁共振动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)、血氧水平依赖(blood oxygen level dependence,BOLD)成像、扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)及扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)、体素内不相干运动成像(intravoxel incoherent motion,IVIM)等功能磁共振技术，这些成像技术在提供肾脏形态学信息的同时还能反映肾脏功能改变，为解决上述临床遇到的困境提供了无创、可靠的技术支持。本文就功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技术在DN中的应用进行综述。

血氧水平依赖成像

BOLD成像是以脱氧血红蛋白作为内源性对比剂，利用脱氧血红蛋白的顺磁特性来评估局部组织氧合情况的一种新的fMRI技术。脱氧血红蛋白通过改变周围水分子的自旋特性，引起局部肾组织周围磁场不均匀，来缩短表观自旋-自旋弛豫时间(T2*)。表观弛豫速率(R2*)与特征T2*弛豫时间成反比，R2*(=1/T2*)反映组织脱氧血红蛋白水平，与脱氧血红蛋白水平呈正相关[8]。R2*值降低意味着脱氧血红蛋白浓度的降低和组织pO2的增加。

越来越多的研究表明，长期慢性缺氧在DN的病理生理变化中起主导作用，且缺氧的变化可在早期DN中观察到[9-11]。dos Santos等[12]在2007年就通过动物实验发现，BOLD-MRI在糖尿病大鼠造模2天后就能检测到其肾脏缺氧的变化，Chen等[13]的研究同样证实，在肾实质和间质发生任何不可逆损伤之前，BOLD-MRI就可以检测到肾内氧代谢的变化。Feng等[14]的研究发现单纯糖尿病患者的髓质R2*值显著高于对照组和微量白蛋白尿患者，这一发现也证实了髓质缺氧发生在早期(正常白蛋白尿期)，这可能与糖尿病患者早期受高血糖、高灌注影响，使肾小球滤过功能增加、肾小管重吸收负荷增大，肾脏氧耗增加，从而引起肾小管功能性缺氧有关[6]，说明BOLD-MRI在糖尿病患者早期肾功能改变的无创性评估中具有重要作用，为临床早期对DN进行诊断、干预提供了依据。Jiang等[15]的研究显示，肾髓质R2*鉴别正常肾脏、早期DN (eGFR≥60 mL·min-1·1.73m-2)及肾皮质R2*值在区分早期、中晚期糖尿病肾脏疾病(diabetes kidney disease，DKD)(eGFR<60 ml·min-1·1.73m-2)方面具有较高的诊断效能，说明BOLD-MRI在区分不同分期DN方面也具有一定的临床价值。目前利用BOLD-MRI预测DN进展、评估药物对DN的影响及疗效是新的研究方向，但由于目前研究所纳入的DN患者较少，且不同病因导致的慢性肾病肾缺氧机制并不相同，因此还需要更多的研究来验证BOLD-MRI能否预测未来DN的功能变化。

动脉自旋标记

动脉自旋标记(ASL)是一种无需静脉造影就能量化组织灌注的成像技术。MRI对于流动质子与静态组织质子自旋磁化程度的差异十分敏感，ASL正是基于这一原理，利用磁性标记的动脉血内的水质子流入成像层面与组织交换产生的信号差异进行成像，对标记前后的图像进行减影分析，可以得到肾血流量(Renal blood flow,RBF)的定性、定量图[16,17]。

目前可用于评估糖尿病患者肾脏灌注的方法有很多，如多普勒超声可以检测肾动脉狭窄或肾静脉血栓的形成，也可以通过阻力指数间接测量肾内血管生成情况，但不能直接量化肾灌注血流量；另外更准确量化肾脏灌注情况的方法，如内源性对氨基马尿酸(Para-aminohippuric acid，PAH)清除试验或放射性核素显像，但这些检查方法需要侵入性技术，同时会加重DN患者对比剂肾病发生的风险。而ASL既克服了有创性，又能直接量化肾脏的灌注情况。

肾脏灌注受损被认为是不同病因条件下肾脏损害的早期标志,然而，定量评估肾脏微血管灌注仍然是一个挑战[18]。已经有研究发现ASL测得的肾血流量与动态磁敏感对比增强扫描(dynamic sensitivity comparison,DSC)测得的血流量具有良好的相关性[19]，这为ASL评估糖尿病患者肾脏灌注水平提供了可能。José等[18]研究显示，与非糖尿病患者相比，糖尿病患者的肾脏灌注减少，同时在肾小球滤过率正常的DM2患者中也观察到肾脏灌注的改变，这可能与高血糖、高蛋白饮食、肾小管流量增加、肾素-血管紧张素-醛固酮系统引起的高滤过率以及肾小管直径相对增宽有关[20]，说明ASL能够检测糖尿病患者在不同阶段肾脏损害时肾脏灌注的微小变化。刘波等[21]的研究也证实了DN中重度患者皮质RBF值显著低于单纯糖尿病组及DN轻度组，并且皮质RBF值与eGFR呈正相关,提示糖尿病肾病的进展会加重肾功能损伤，说明ASL能够准确、简便、安全地评估糖尿病患者肾皮质的灌注情况及肾小球的滤过功能。Li等[22]的研究同时发现ASL测得的肾血流量与胱抑素C的肾小球滤过率直接的相关性更高。章娜等[23]研究发现，ASL鉴别单纯糖尿病组与糖尿病肾病肾功能受损组的敏感度、特异度分别为76%、82%，提示ASL测得的RBF可作为早期筛选糖尿病肾病患者肾功能受损的指标。

扩散峰度成像

扩散峰度成像(DKI)是近年来兴起的一种基于非高斯分布的扩散加权磁共振成像技术。DKI是扩散张量成像(DTI)的一个直接扩展，DTI是用于描述水分子随机位移分布的常用模型，很多研究已经证实DTI中反映各项异性的参数FA与肾脏的微观结构变化相关[14,24]。而对于真实的生物组织，水分子的扩散实际上是在细胞间隙、细胞内运动，其运动必然不是自由运动，而是非高斯分布的。DKI是最常用的非高斯模型之一，在该模型中除了分数各向异性(FA)和平均扩散系数(MD)等传统的扩散度量外，还得到了包括平均峰度(MK)、径向峰度(K⊥)、轴向峰度(K //)和峰度各向异性(FAK)在内的峰度参数，它们反映了扩散偏离高斯分布的程度，从而能反映水分子在组织结构中的复杂程度[25-27]。

全组峰度参数的初步结果很好地证明了水在人体肾脏特别是肾髓质中的非高斯扩散行为，提示DKI的峰度图可以为揭示肾的微观结构和功能改变提供补充信息，DKI在其他肾脏疾病的初步探索也证实了它在评估肾脏结构和功能改变方面的可行性[28-31]。糖尿病肾病患者的肾脏微观组织结构会随着疾病的进展越来越复杂，如出现肾小球硬化、肾小管间质纤维化等改变，从而限制水分子的扩散。吕杰财等[32]研究证实，随着疾病进展，皮质与髓质的峰度参数值(MK、K⊥、K //)逐渐升高，特别是皮质MK值的诊断准确度最高(AUC>0.8)，同时皮质MK、K⊥、K //值与尿白蛋白排泄率(urinary albumin excretion rate，UAER)呈正相关，提示DKI的皮质MK值可以提示DN的早期肾损害情况，同时对糖尿病肾病的分期具有一定参考意义，可作为DN进展情况的动态监测指标。魏伟等[33]研究发现，DN患者组MD及FA值均低于对照组，而MK值高于对照组，ROC曲线显示DKI各参数(MD、MK、FA)曲线下面积分别为0.776、0.806、0.755，敏感度和特异度分别为87.5%和52.6%、84.2%和62.5%、68.8%和63.2%，说明DKI可间接反映糖尿病患者肾脏的早期水分子变化，定量参数MD、MK、FA可作为反映早期肾病的无创性指标。

体素内不相干运动扩散加权成像

由于生物体内的组织结构复杂，包含多种组织成分，因此临床上常用的单e指数(mono-exponential)模型只能得到体素内的平均扩散系数，反映扩散的一个总体情况。为了获得更多的微观结构信息，出现了许多多b值扩散模型，可以从不同方面来揭示微观结构的扩散信息。IVIM通过双e指数模型(bi-exponential)来计算得到快扩散(D*)和慢扩散(D)两个扩散系数，以及快扩散对应的比例系数(f)。这两个扩散系数能同时反映毛细血管微灌注情况及组织外间隙扩散的信息。D*值与血流运动的速率相关，反映了灌注方面的信息；D值则是我们常规理解的扩散系数，与细胞间水分子的扩散速率相关，反映了细胞外间隙的密度与结构差异。多项研究已经证明了IVIM-DWI在糖尿病肾病中的应用价值，并认为在预测肾功能改变时，IVIM较单纯DWI更具价值[34-37]。

Feng等[34]的研究结果显示微量蛋白尿(moderately increased albuminuria，MAU)组及正常蛋白尿(normal to mildlyincreased albuminuria，NAU)组糖尿病患者的髓质和皮质D值均低于健康对照组，且MAU组较NAU组明显降低。这一结果表明，在蛋白尿检测到异常之前，某些糖尿病患者的肾脏微观结构就已经发生了变化，这可能与肾小球基底膜增厚、肾小管上皮细胞肿胀、系膜增生、透明物质在肾小球基底膜上皮细胞内积聚、毛细血管和包膜粘连及能量代谢受损有关[38-40]，这些组织学变化减少了细胞外间隙和肾脏的含水量，从而使得肾脏皮髓质水分子扩散受限[41]。此外，在早期过程中少量炎性细胞的浸润，也会增加细胞密度[38]。Feng等还发现，MAU组髓质D*值、皮质f值均显著高于健康对照组，且MAU组髓质D*值较NAU组显著降低，提示随着病情发展，皮质高灌注持续存在，而当蛋白尿再适度增加时，髓质高灌注降低到接近正常水平，说明肾皮质对损失有一定的储备能力，而髓质易受缺血缺氧的损伤，这与BOLD中髓质R2*值的变化趋势一致。李标达等[36]的研究也印证了这一点。而通常ACR在30～300 mg/g之间的糖尿病患者，临床上才被认为是DN的先兆，它反映了肾小球和肾小管间质的损害，结合先前的研究我们知道，IVIM的参数D、D*、f值在蛋白尿出现异常之前都被检测到有变化，说明这些评价指标在检测DN患者早期肾脏改变时比ACR更敏感。

磁共振弹性成像

磁共振弹性成像(MRE)是一种非侵入性定量检测软组织弹性及结构的影像检查手段。在MRE的检测过程中，通过外界的振动装置将轻微的机械震动(30～70 Hz之间)传播到所需研究的组织部位，再经MRI对振动波进行采集。在后处理中，根据振动波在组织内部的波长及振幅，便可以重建出组织的结构及弹性值，也就是量化组织的软硬程度[42]。

糖尿病是慢性肾脏病(CKD)最常见的病因，肾纤维化是导致终末期肾脏病的最终共同途径的关键组成部分。DN病理表现主要包括肾小球系膜细胞增殖、肾小球基底膜增厚及肾小球结节性病变(K-W结节)的形成，最终发展为肾小管间质纤维化及肾小管萎缩等。目前MRE对于移植肾肾病的纤维化程度的评估已取得初步进展[43-44]，Lee等[44]前瞻性地评估了MRE在肾移植患者中的可行性，并将测量的磁共振弹性硬度值与活检证实的组织病理纤维化联系起来，发现中度纤维化患者的平均僵硬度有高于轻度纤维化患者的趋势，这为MRE评估DN患者肾间质纤维化程度提供了可能。目前，MRE在糖尿病肾病中的研究较少，Brown等[45]研究发现，在90HZ时MRE显示随着糖尿病肾病的恶化，肾脏弹性值逐渐下降，3期、4期和5期CKD患者的测量值明显低于正常对照组，提示肾实质硬度随着DN的进展逐渐增加，但由于DN患者同时伴随着肾脏灌注的减低，这会降低组织的肿胀及僵硬程度，故在采用MRE评估糖尿病肾病肾纤维化程度时，不能单纯地把所测得的磁共振弹性硬度值完全等价于肾脏纤维化程度，还应考虑到灌注的影响。目前，MRE在肾脏方面的研究尚处于初级阶段，还需要进行更多的研究进一步证实。

问题与展望

fMRI是一种安全、无创、可重复性好、灵敏度高的成像方法，能够提供定量参数来评价肾脏微观结构和功能的改变。然而BOLD、ASL-MRI、DKI、IVIM-MRI及MRE尚处于研究的初级阶段，目前国内外对于DN早期诊断及分期等方面的研究缺乏统一标准，同时由于穿刺活检的时效性及有创性，大多数研究结果缺乏相应的金标准进行对照。同时，以往对于DN的研究多局限于灌注、氧合水平或水分子运动变化的某一方面的改变，缺乏对肾脏功能进行整体、全面的分析。以上几种fMRI技术分别从不同的层面对DN患者进行评估，为临床提供了更全面的影像学信息，目前联合运用多种fMRI技术对DN进行评估以及关于DN的疗效评估、预后判断方面的研究较少，可作为今后研究的方向。