定量磁共振成像在大鼠脑内钆沉积的实验研究

王旭聪，李健，张睿，摆玉财，马耀兴，陈兵*

1.宁夏医科大学总医院放射科，宁夏 银川 750004；2.宁夏医科大学，宁夏 银川 750004；*通信作者 陈兵chenbing135501@163.com

MRI增强检查中，钆对比剂（gadolinium-based contrast agent，GBCAs）已广泛用于检测各类病变[1-2]。近年实验研究表明，多次重复给予线性GBCAs后，健康大鼠小脑深部核团（deep cerebellar nucleus，DCN）T1WI呈现高信号，表明脑内存在钆沉积[3-7]。电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）实验可证实钆沉积的存在及精确测量钆浓度[8-9]。目前MRI信号强度的测定主要受扫描设备和参数的影响，且缺乏重复性。与常规MRI相比，定量磁共振成像技术MR集合（magnetic resonance image compilation，MAGiC）序列实现了磁共振的图像从常规灰阶图到组织定量图谱的转变，一次扫描可以得到T1及其他弛豫时间定量化数据，无需多次测量计算强度比值即可完成对感兴趣区（ROI）弛豫值的评估。

本研究通过测量接受GBCAs钆双胺注射后的大鼠DCN T1值与DCN/小脑皮质T1WI信号比值，以ICPMS实验测定小脑DCN钆浓度为“金标准”，评估定量磁共振成像技术新型MAGiC序列相对于传统MRI图像信号强度的准确度，旨在为定量磁共振成像技术MAGiC序列在临床中评估弛豫值的准确度及便捷性提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 钆沉积大鼠模型的建立 本实验已通过宁夏医科大学实验动物伦理学要求。2021年12月—2022年4月，选取21只体重为（210±29）g的健康雄性Sprague-Dawley大鼠，动物生产许可证号：SCXK[宁]2009-0001，在正常条件下进行饲养。对所有大鼠使用3%～3.5%异氟烷在全身麻醉下经尾静脉注射钆双胺注射液（GE），4次/周，共5周；单次剂量均为0.06 mmol/kg（GBCAs的临床应用剂量为0.1 mmol/kg，根据FDA关于动物相对于人体的药物剂量换算方案，对应大鼠单次注射剂量为0.06 mmol/kg），随机选取5只大鼠安乐死后提取小脑DCN组织进行ICP-MS实验测定钆浓度，将剩余大鼠随机分为两组：①钆双胺组7只，继续注射钆双胺，注射次数与剂量与之前相当；②无干预对照组7只，除正常饲养无其他干预措施。在首次注射前及每周注射后对所有大鼠进行头部MRI扫描，最后一次扫描完成后立刻处死大鼠，提取组织进行ICP-MS实验测定小脑DCN钆浓度。21只大鼠中，19只完成实验。1只大鼠（W2）死于麻醉并发症，1只大鼠（W4）死于尾静脉感染。具体分组见图1。

图1 本实验钆沉积大鼠模型注射钆双胺、行MRI方案。首先对21只大鼠进行钆双胺注射，4次/周，共5周，单次剂量为0.06 mmol/kg；分组后钆双胺注射剂量、次数与之前相当，钆双胺组大鼠累积注射周期为10周

1.2 MRI成像及图像分析 参照本课题组既往研究[10]，大鼠经异氟烷吸入麻醉后，选取俯卧位固定于大鼠8通道脑专用线圈（上海辰光医疗科技有限公司），使用3.0T MR（GE SIGNA Architect）对大鼠脑部进行扫描，行T1WI（FSE序列）：TR 470 ms、TE 10 ms；T2WI（FSE序列）：TR 2 500 ms、TE 85 ms；Synthetic MRI（MAGiC）序列：TR 4 200 ms、TE 30 ms，轴位扫描，各序列采集12层，层厚2 mm，间距0.2 mm，矩阵128×128，视野8.0 mm×8.0 mm。所有图像分析均在盲法和随机条件下进行，由2名放射科医师（分别为本科室硕士研究生与副主任医师）对图像定量分析，取两者测量的平均值，有争议时再由上一级MRI影像诊断医师决定。采用机器自带可自动生成伪彩图的后处理软件SynMRI（版本100.0.0）进行图像分析和数据测量，在左右两侧DCN实质上勾画ROI（2 mm2），见图2，左右两侧取平均值，记录T1时间弛豫值；分别在左右两侧DCN及小脑皮质实质上勾画ROI（2 mm2），见图3，左右两侧取平均值，记录DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值。

图2 大鼠小脑深部核团和齿状核感兴趣区勾画。A. MRI T1WI图像；B. SynMRI图像

图3 大鼠MRI T1WI图像中小脑深部核团、小脑皮质T1WI感兴趣区勾画

1.3 DCN钆浓度测定 将小脑整块提取并半切用于ICP-MS定量分析，小脑组织标本采用显微解剖法仔细提取DCN，在80℃65%硝酸中矿化8 h后，在水中稀释。用0.05～100 μg/L无机钆（标准值1 000 mg/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心）在6.5%硝酸中的标准曲线监测158Gd同位素。定量限为每升0.32 nmol Gd，检测限为每升0.10 nmol Gd。接受极限（总误差）设定为14%。结果以每克湿组织重量（组织样品）的Gd微克（μg/g）表示，测定大鼠DCN组织的钆浓度。

1.4 统计学分析 采用SPSS 25.0软件。利用组内相关系数（ICC）评价2位放射科医师对MRI扫描结果测量的一致性。计量资料以±s表示，采用方差分析计算各组大鼠DCN T1值、DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值、DCN浓度的差异，组间两两比较采用LSD检验；利用Spearman相关系数评估大鼠DCN T1值与DCN钆浓度、DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值与DCN钆浓度的相关性。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一致性检验 2位放射科医师对MRI扫描结果测量的一致性较好（ICC=0.89）。

2.2 MRI图像分析 注射第3周大鼠DCN区域出现显著高信号，并在之后的第4周与第5周更明显（图4），钆双胺组在实验期间MRI图像DCN区域呈现显著持续递增的高信号（图5）。末次注射后钆双胺组DCN T1值显著低于第5周处死大鼠与无干预对照组，DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值显著高于第5周处死大鼠与无干预对照组（均P＜0.01），见表1。

表1 钆双胺组与对照组大鼠核磁与ICP-MS数据比较（±s）

表1 钆双胺组与对照组大鼠核磁与ICP-MS数据比较（±s）

分组末次注射后DCN T1值（ms）末次注射后DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值DCN浓度（μg/g）钆双胺组 595.50±20.96 1.15±0.01 2.25±0.14 0.90±0.02第5周处死大鼠 814.92±17.45 0.90±0.02 1.08±0.02对照组994.38±7.86 1.01±0.01 F值0.002 7 0.008 4 0.000 3 P值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.001

图4 大鼠注射钆双胺前（A）与注射1周（B）、2周（C）、3周（D）、4周（E）、5周（F）后的颅脑T1WI图像。DCN信号在累计12次注射（第3周）后起明显增高（D～F，箭），并随着累计注射剂量的增多而呈持续而显著的高信号（箭）

图5 钆双胺组与对照组大鼠颅脑T1WI图像。A～E可见钆双胺组DCN信号在注射6周、7周、8周、9周、10周后持续及进行性增高（箭），而相同时期的对照组DCN信号未见明显持续增高（箭）

随着钆双胺的持续注射，DCN T1呈线性下降趋势，DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值呈上升趋势；钆双胺组大鼠DCN T1在第7周后显著低于对照组，钆双胺组大鼠DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值在第7周后显著高于对照组（均P＜0.01），见图6。

图6 大鼠两侧DCN T1均值、两侧DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值随时间变化情况。A、B分别为大鼠分组前两侧DCN T1均值、两侧DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值平均值随注射累计时间的改变；C、D分别为分组后大鼠两侧DCN T1均值与两侧DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值平均值随注射累计时间的改变；*P＜0.1，**P＜0.01

2.3 DCN钆浓度测定 钆双胺组大鼠小脑DCN组织中钆浓度高于第5周处死大鼠和对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。DCN T1值与DCN组织钆浓度呈显著负相关（r=-0.932，P＜0.001），DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值与DCN钆浓度呈显著正相关（r=0.907，P＜0.001）。

3 讨论

3.1 钆对比剂在大鼠体内的代谢排出与沉积 钆对比剂已广泛应用于增强MRI检查。既往普遍认为钆对比剂不能通过血-脑屏障，但是近年多项研究[11-13]表明反复多次注射钆对比剂可在脑内沉积。DCN中具有丰富的金属成分，这些金属有机化合物与钆剂通过金属间的跨金属现象发生交换，从而释放出游离的Gd3+，引起钆在齿状核中沉积[14]，在影像学图像中表现出该区域的T1值减低，与本研究中钆双胺组DCN T1值低于对照组的结果一致。临床中常规GBCAs用量为0.1 mmol/kg（0.2 ml/kg），在人体内排泄半衰期约为1.2～2 h，而在健康大鼠体内约为0.3 h，明显短于人体。本研究中，每周注射4次（间隔24 h）在10周内共给药40次，可减少组织暴露，并支持较短的给药时间间隔。

Rober等[15]及McDonald等[16]在大鼠颅内钆沉积的研究中以高渗盐水或等渗盐水注射组为对照组，以排除渗透压或注射本身带来的影响；本研究设定无干预对照组以评估GBCAs在自然代谢排出体外对磁共振信号有无影响。在对照组大鼠的MRI图像中观察到DCN T1值持续上升，与GBCAs随着时间会自然排出部分有关，推测尽管GBCAs会随着时间代谢排出体外，但无法全部排出。既往研究显示在注射GBCAs后进行无干预措施的大鼠体内钆沉积并未完全代谢排出体外[17]，与本研究结论一致。

3.2 定量磁共振成像技术的可行性 本研究采用定量图谱磁共振成像技术MAGiC对大鼠DCN T1弛豫值进行量化，并同时采用传统信号强度比值进行对比。MAGiC序列是基于多个回波多个延迟序列的一种新型MRI集成序列，具有快速扫描、多组成像等特点，通过调整TE、TR及反转时间参数可得到任意对比的图像以满足不同诊断需求，目前已经用于脑白质脑老化研究[18]、乳腺良恶性疾病鉴别[19]及其他全身影像检查中。目前关于钆沉积的报道多为同时比较注射GBCAs后脑内DCN与其他区域信号强度比值的研究[4,6,15]，而关于MAGiC序列在大鼠DCN钆沉积的报道较少。由于钆的顺磁性效应，可缩短T1弛豫时间，增高T1信号强度。本研究结果显示大鼠DCN T1值与DCN钆浓度呈负相关，DCN/小脑皮质T1WI信号强度比值与DCN钆浓度呈正相关，大鼠DCN T1值与DCN钆浓度相关系数差异有统计学意义且绝对值较高，提示定量磁共振成像技术在大鼠DCN钆沉积定量测量中具有可行性。

3.3 局限性与未来展望 本研究的局限性：①样本量较少，需要更大样本量研究进一步验证。②与临床患者所接受GBCAs的剂量相比，本研究中的大鼠接受更高、更频繁的剂量；而在临床患者所接受GBCAs的剂量及常见次数下，DCN T1值的降低程度可能不如实验动物的显著，且微量元素钆的检测水平预计会大幅度降低。同时，使用通常的人体剂量时可能会低于大多数分析仪器的检测限度，还需要进一步研究更低的剂量和更少地使用GBCAs。③定量磁共振成像技术仍然存在一些不足：图像质量在原始图像扫描结束并进行图像合成后才能评估，难以在序列扫描过程中通过原始图像及时、有效地发现图像质量问题；原始图像的质量会影响定量弛豫图的准确度以及合成对比加权图像的图像质量。

同时，本研究表明钆对比剂无法完全代谢排出体外，近期有研究表明钆对比剂过量沉积对线粒体呼吸功能和细胞活力均会有影响[20]，因此临床患者接受多次钆对比剂注射时仍值得关注。

总之，本研究通过前瞻性评估大鼠在连续多次注射GBCAs后DCN T1的变化，并与传统的MRI信号强度比值进行比较，结果显示出显著相关性，提示定量磁共振成像技术在大鼠DCN钆沉积定量测量中的可行性，为定量磁共振成像技术MAGiC序列在临床中评估弛豫值的运用提供了一定的依据。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突

志谢 本研究得到宁夏医科大学颅脑疾病重点实验室胡旭磊博士在数据分析上的协助