3.0T MR T1ρ及T2 mapping评估兔股骨内侧髁关节软骨退变

罗慕晴，李宏伟，向辉春，何业文 ，刘音其 ，黎建宇，颜路悠，张 堃*，李 平

(1.湖南中医药大学第一附属医院放射科，湖南 长沙 410007；2.怀化市中医医院影像科，湖南 怀化 418099)

评估膝骨关节炎所致膝关节软骨退变对指导临床早期治疗具有较高价值。多参数MR功能成像新技术，如T1ρ及T2 mapping等，能在不同程度上反映软骨发生形态学改变之前的生化成分变化，进而早期检测软骨损伤[1-2]；但目前缺乏全面、有效的MRI定量评价骨关节炎体系标准，且对于定量参数与病理生化改变的关系尚存争议。本研究观察3.0T MR T1ρ及T2 mapping评估兔股骨内侧髁关节软骨退变的价值。

1 材料与方法

1.1 实验动物 清洁级新西兰大白兔40只，由湖南省中医药研究院动物实验中心提供，许可证号：SCXK(湘)2015-0008，雌、雄各20只，月龄2～3个月，体质量1.67～2.42 kg、平均(2.00±0.18)kg。本实验获湖南省中医药研究院伦理委员会批准(伦理审查备案号：2017-0021)。

1.2 建模 适应性饲养1周后，将兔随机分为2周组、4周组、6周组及对照组，每组10只，单独笼养。对2周组、4周组及6周组以改良伸直位制动法[3]建立右后肢膝骨关节炎模型，并分别制动2周、4周及6周。对照组不予处理。

1.3 MR检查 于造模结束后48 h内行MR检查。采用GE HDxT Signa 3.0T MR仪及膝关节线圈，将兔仰卧位保定于操作台，足先进，常规麻醉后行右后肢膝关节成像。参数：矢状位T1WI，TR 550 ms，TE 12 ms，FOV 16 cm×16 cm，矩阵256×256，层厚 3 mm；矢状位脂肪抑制快速自旋回波质子加权序列，TR 3 000 ms，TE 13 ms，FOV 16 cm×16 cm，矩阵256×256，层厚3 mm；矢状位T2 mapping，TR 1 100 ms，TE 9、18、27、36、45、54、63、72 ms，FOV 16 cm×16 cm，矩阵256×256，层厚3 mm；矢状位T1ρ mapping，TR 9.7 ms，TE 2.9 ms，恢复时间1 175 ms，FOV 16 cm×16 cm，矩阵300×200，层厚3 mm，自旋锁定时间0、10、30、60 ms，自旋锁定频率500 Hz。

1.4 组织学检查 以空气栓塞法处死动物，取右后肢股骨内侧髁，肉眼判断关节软骨病变最严重区域，记录其几何中心点至股骨内侧髁外缘的直线距离，切片保存；行番红O-固绿染色后，根据国际骨关节炎研究学会(Osteoarthritis Research Society International, OARSI)[4]半定量评分系统进行评估并分组：OARSI 0分为正常关节软骨(正常组)，1.0、1.5、2.0及2.5分为早期退变(早期退变组)，3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0及6.5分为中晚期退变(中晚期退变组)。以半定量免疫组织化学法测定关节软骨内Ⅱ型胶原、蛋白多糖、β-Catenin及基质金属蛋白酶(matrix metallopeptidase, MMP)-13。

1.5 检测T2、T1ρ值 将图像数据输入后处理工作站，以Functool软件获得T1ρ及T2 mapping伪彩图。由分别具有8年和10年骨骼肌肉影像学诊断经验的影像科副主任医师各1名，参考矢状位脂肪抑制快速自旋回波质子加权序列图像及大体病理所示软骨病变最严重区域，避开周围非软骨区域，选取T1ρ及T2 mapping图像显示关节面最佳层面放置约1.3 mm2的ROI，并尽量使T1ρ与T2 mapping伪彩图中ROI的大小及形状一致。测量股骨内侧髁关节软骨(即ROI)T2值和T1ρ值，重复3次，取平均值作为最终结果。

1.6 统计学分析 采用MedCalc 15.6.1及SPSS 22.0统计分析软件。以中位数(上下四分位数)表示非正态分布的计量资料，采用Kruskal-WallisH检验行多组间比较、以Bonferroni法行两组间比较；以频数表示计数资料。行Spearman相关分析及多变量logistic回归分析，绘制受试者工作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲线，以DeLong检验比较曲线下面积(area under the curve, AUC)。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2周组、4周组、6周组及对照组兔性别及体质量差异均无统计学意义(χ2=0.64、F=0.25，P均>0.05)。4周组1只、6周组2只兔于造模后死亡，共对37只兔造模成功。

2.1 关节软骨T2值及T1ρ值 37只模型兔中，正常组8只，早期退变组20只，中晚期退变组9只。3组右后肢股骨内侧髁关节软骨T1ρ值及T2值差异均有统计学意义(P均<0.05)，两两比较差异亦有统计学意义(P均<0.05)；见表1和图1。

表1 不同退变程度兔右后肢股骨内侧髁关节软骨T2值及T1ρ值比较(ms)

图1 不同OARSI评分的兔右后肢股骨内侧髁关节软骨番红0-固绿染色图(×200)、T2 mapping及T1ρ mapping伪彩图

T1ρ值及T2值与OARSI分级(r=0.72、0.73，P均<0.01)、MMP-13表达(r=0.84、0.59，P均<0.01)及β-Catenin表达(r=0.76、0.66，P均<0.01)均呈正相关，与Ⅱ型胶原含量(r=-0.70、-0.61，P均<0.01)及蛋白多糖含量(r=-0.82、-0.57，P均<0.01)均呈负相关，见图2、3。

图2 兔右后肢股骨内侧髁关节软骨T1ρ值及T2值与OARSI分级、Ⅱ型胶原含量、蛋白多糖含量、β-Catenin表达及MMP-13表达的相关性图 (蓝色表示负相关，红色表示正相关；颜色越深、色块面积越大，表示相关性越高)

2.2 logistic回归分析 对正常组及早期退变组共28只兔行logistic回归分析，以T1ρ值联合T2值预测兔右后肢股骨内侧髁关节软骨早期退变的AUC为0.84，高于单一T2值(0.80；Z=1.19，P=0.03)而与单一T1ρ值差异无统计学意义(0.82；Z=0.37，P=0.31)，其敏感度及特异度分别为90.40%及75.26%。见表2、图4。

图3 不同退变程度的兔右后肢股骨内侧髁关节软骨Ⅱ型胶原、蛋白多糖、β-Catenin及MMP-13免疫组织化学染色图(苏木素，×200)

图4 T1ρ值、T2值及二者联合评估兔右后肢股骨内侧髁关节软骨早期退变的ROC曲线

表2 T1ρ值、T2值及二者联合评估兔右后肢股骨内侧髁关节软骨早期退变的效能

3 讨论

中老年人下肢疼痛及活动障碍多由膝骨关节炎引起，严重时可致关节畸形甚至丧失关节功能。软骨损伤为膝骨关节炎的核心病变，其细胞外基质成分改变，包括水分及蛋白聚糖含量降低、胶原纤维变性丢失等[5]，均发生于软骨形态改变之前。常规MRI主要基于形态学评估软骨病变，而对其早期基质成分变化不敏感[6]。关节镜是诊断软骨病变的金标准，但有创，且存在部分角度不易探查及无法观察关节软骨内部情况等缺陷。T1ρ及T2 mapping可反映关节软骨基质成分代谢变化，但既往膝骨关节炎相关研究[7-9]多针对经酶消化处理的动物标本(难以同时分析软骨多种组织学改变)及膝关节置换术后患者(缺乏不同退变程度软骨病变标本)。

软骨内细胞外基质合成与分解代谢失调是软骨退变的重要病理生理基础。胶原纤维变性可影响依赖胶原网架保护的蛋白多糖。本研究采用改良伸直制动法[3]建立兔膝骨关节炎模型，并依据病理所见将兔分为正常组、早期退变组及中晚期退变组，发现3组间股骨内侧髁关节软骨T1ρ值及T2值差异均有统计学意义，两两比较差异亦有统计学意义，T1ρ值及T2值随退变程度加重而升高，与SASHO等[8]的结果基本相符，提示膝骨关节炎兔在软骨出现明显形态改变之前，软骨基质中的相关分子已发生微观水平改变[10]。本研究较好地模拟了活体软骨退变的病理生化状态，并发现兔股骨内侧髁关节软骨T1ρ值及T2值与Ⅱ型胶原含量及蛋白多糖含量呈负相关，与GOLD等[11-12]的结果类似，且T2值及与蛋白多糖密切相关的T1ρ值均已发生变化。

有学者[13]认为Wnt/β-Catenin通路可能是骨关节炎发生软骨退变最重要的通路；β-Catenin为通路枢纽蛋白，其表达水平影响通路下游相关基因(如MMP)表达[14]，MMP-13可降解软骨基质中多种蛋白多糖及胶原纤维的分子结构而导致软骨退变[15]。本研究发现β-Catenin及MMP-13均与兔股骨内侧髁关节软骨T1ρ值及T2值呈正相关，表明T1ρ值及T2值可反映软骨相关退变基因表达水平，即采用T2 mapping及T1ρ mapping可无创评估兔关节软骨超早期、低水平病损，其敏感性可能与组织学相当。

本研究中，T1ρ值联合T2值鉴别兔正常与早期退变股骨内侧髁关节软骨的AUC为0.84，高于单一T2值而与单一T1ρ值差异无统计学意义，即T1ρ mapping用于检测兔关节软骨早期退变的效能高于T2 mapping，提示蛋白多糖含量减少在软骨退变过程中发生较早[13]。

本研究的主要不足：①样本量小；②选择ROI具有主观性，未来可考虑采用自动分割等方法；③T2值用于评估形态学发生明显改变的重度退变软骨的价值有限[11]，故本研究仅针对T1ρ值及T2值鉴别正常与早期退变关节软骨的效能进行分析。

综上，3.0T MR T1ρ及T2 mapping可定量评估兔股骨内侧髁关节软骨退变，用于判断早期退变具有较高价值。