应用功能磁共振成像评估狼疮性肾炎患者肾功能预后

汤 雄 张 炯 余元蒙 张龙江 刘志红

狼疮性肾炎(LN)是我国常见的继发性肾小球肾炎，是导致系统性红斑狼疮(SLE)患者死亡的重要原因之一。2003年国际肾脏病协会和肾脏病理组织(ISN/RPS)主要根据肾小球病变对LN进行了分型[1]。肾组织形态学的活动性评分(AI)和慢性化评分(CI)与LN患者肾功能预后密切相关[2-3]。

近来，功能磁共振(functional magnetic resonance imaging,fMRI)如磁共振弥散加权成像(diffusion-weighted imaging,DWI)、弥散张量成像(diffusion-tensor imaging,DTI)、血氧水平依赖成像(blood oxygen level dependent,BOLD)、体素内不相干运动成像(introvoxel incoherent imotion,IVIM)和磁共振弹性成像(magnetic resonance elastography,MRE)等,广泛应用于器官功能和病理生理改变的研究和临床诊断，可评估肾脏组织灌注、肾组织氧合、肾间质弥散以及细胞代谢和分子表达等[4]。DWI和IVIM检查发现，慢性肾脏病(CKD)患者肾脏纤维化程度、血清肌酐(SCr)与DWI-表观弥散系数(ADC)呈负相关[5-6]。有作者发现LN患者基线肾功能及其预后均与DWI及BOLD呈相关性，基线ADC值高，肾功能预后相对较好[7]。

临床上对肾组织病变程度的评价主要依靠经皮肾穿刺组织活检病理学分析[3]，缺乏将功能影像结合组织病理，并对LN患者远期肾功能变化进行评估的研究。本研究拟通过观察多模态fMRI与LN患者肾组织活动性评分及SCr变化斜率的相关性，评估LN患者肾组织损伤程度和预后。

对象和方法

研究对象选取2017年6月至2018年9月在国家肾脏疾病临床医学研究中心就诊的LN患者。入选标准：(1)符合1997年美国风湿病学会制定的SLE诊断标准[8]，肾组织病理学诊断符合LN诊断标准[1]；(2)具备肾组织活检常规病理检查资料[9]；(3)行fMRI成像。本研究为单中心、回顾性研究，经过东部战区总医院医学伦理委员会批准。收集患者一般资料，肾活检前3天内SCr、血清白蛋白、尿蛋白定量等检验结果，并在临床随访中收集上述资料。

功能磁共振成像数据采集所有患者在禁食、禁饮4～6h后，行磁共振(美国GE公司，场强3.0T)检查(肾活检前3天内)，所有扫描均使用32通道的体部线圈，在检查前进行呼吸训练以保证扫描过程中节律性自由呼吸[10-11]。

IVIM评价肾脏水分子运动和微循环的功能状态，使用以下16个扩散梯度b值进行轴向多部分回波平面DW MR成像以获取表观扩散系数(ADC)图：0、10 s/mm2、30 s/mm2、50 s/mm2、70 s/mm2、100 s/mm2、150 s/mm2、200 s/mm2、400 s/mm2、800 s/mm2、1 000 s/mm2、1 500 s/mm2、2 000 s/mm2、2 500 s/mm2、3 000 s/mm2、3 500 s/mm2和4 000 s/mm2。 在三个正交方向上施加梯度，随后进行平均化以最小化扩散各向异性的影响。呼吸触发扫描，平均采集时间6 min。

DTI使用三个b值(0、1 000 s/mm2、2 000 s/mm2)30个不同的扩散梯度方向进行轴向回波平面DTI序列。呼吸触发扫描，平均采集时间约为6 min。

BOLD评价肾脏皮髓质的氧和状态。使用T2*加权多回波快速梯度回波序列扫描肾脏4个层面。屏气扫描，屏气时间11s。

MRE评价肾脏的硬度变化，弹性成像的机械振动来源于外置的主动气动驱动系统，通过超声定位将驱动器致动器放置在左肾的相应表面投影上。振动频率60 Hz，屏气扫描。使用流动补偿的二维回波平面冠状MRE脉冲序列进行采集，以获得肾的幅度图和相应的硬度图。每次屏气时间为20s，总共80s。

fMRI成像数据分析参与者的原始成像数据均由两名经验丰富影像科医师(对临床，实验室和组织学数据不知情)独立分析，排除成像不佳病例(肾脏多发囊肿、结石，呼吸伪影大及腹水较多等)后，再由商业成像工作站(Advantage Workstation 5; GE Healthcare)的Functool进行后处理。

IVIM和DTI：在ADC和FA图上，左侧肾脏上中下极，依水平位于肾脏前面、后面、侧面，皮髓质各选取ROI区域1个，总计18个ROI区域。(图1A/2B、图1C/2D)分别计算肾皮质和髓质的平均扩散值。

BOLD：在BOLD伪彩图上，左肾肾门部分冠状位皮髓质各选取ROI区域8个，总计16个ROI区域(图1E/1F)。利用T1加权图像和彩色图来辅助ROI放置。

获取数据值如IVIM-ADC值、DTI-FA值等，取均值，如数值差距过大则共同重新分析图像进行ROI划定及数据分析，再取均值。

MRE：通过使用供应商提供的内置软件对每个切片所有三个方向和所有四个运动时间点求平均来生成硬度图。为每个患者生成最少三个硬度图冠状层面用于硬度测量。 使用幅度MRE图像手动追踪肾实质作为每个成像层面上的感兴趣区域。左侧肾脏冠状位由背侧面至腹侧面，选取ROI区域4个(图1G/H)。

肾活检组织病理学资料收集肾活检常规病理数据(包括AI、CI，球性硬化比例、间质纤维化评分)以及LN分型。对肾活检组织Masson染色进行图像分析(Aperio ImageScope,版本 12.3.3.1014)，量化肾活检组织皮质区纤维化百分比(图1I/J)。

图1 IVIM、DTI、BOLE及MRE兴趣区选取方法A、B：IVIM在左侧肾脏上中下极，依水平位于肾脏前面、后面、侧面，皮髓质各选取ROI区域1个；C、D：DTI兴趣区选取方法同IVIM；E、F：左侧肾脏肾门部分冠状位皮髓质各选取ROI区域8个;G、H：左侧肾脏冠状位由背侧面至腹侧面，选取ROI区域4个；I、J：病理Masson切片排除肾小球及小血管后进行纤维化定量分析;IVIM：体素内不相干运动成像；ROI：兴趣区；DTI：弥散张量成像；FA：各向异性分数；BOLD：血氧水平依赖成像；MRE：磁共振弹性成像

统计学方法采用统计学软件SPSS.24(IBM SPSS Statistics，版本 24.0.0.0)，对所有测量结果行正态分布及方差齐性检验。如连续变量符合正态分布，采用均数±标准差的形式表示，t检验，若不符合正态分布采用中位数(四分位数间距)表示，采取Wilcoxon秩和检验。分类变量采用Person卡方检验或Fisher精确检验。非参数相关分析采用Spearman分析。P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

一般情况共纳入LN患者32例，27例有随访资料，其中肾活检基线合并AKI者10例。所有患者的基线临床和组织学资料见表1。

fMRI序列与临床病理数据的相关性AKI组肾皮质IVIM Standard-ADC值及肾皮质FA值均显著低于非AKI组；AKI组髓质FA值也显著低于非AKI组。然而，BOLD、MRE皮、髓质区数据在AKI和非AKI患者之间无差异(表2)。皮质FA值与肾组织AI呈负相关(R=-0.36，P<0.05)，与CI之间也呈负相关(R=-0.37，P<0.05)。然而IVIM、MRE，BOLD序列值与AI和CI之间相关性不明显。

fMRI序列与肾功能变化的相关性分析27例患者随访资料，SCr升高组(定义为SCr上升>30%或规律透析)基线皮质DTI-FA值显著低于SCr平稳组，(0.164±0.031 μm2/msvs0.195±0.065 μm2/ms，P<0.001)。DTI-FA值与SCr升高速率呈负相关(R=-0.681，P<0.05)。在AKI亚组中，随访7例患者，3例肾功能未恢复或进入规律透析，4例患者SCr下降,其DTI值之间比较无统计学差异。肾功能预后与病理评分CI、DTI-FA值分别进行受试者工作特征曲线分析，可见CI与SCr升高组(AUC 0.651，最佳截断值：CI=3分,灵敏度 57%，特异度64% )，与DTI-FA值(AUC 0.615，最佳截断值：DTI-FA 0.168，灵敏度55%，特异度62%)。

表1 LN患者临床病理基线数据

LN：狼疮性肾炎；AKI：急性肾损伤；eGFR 估算的肾小球滤过率；AI：活动性病变评分；CI：慢性化病变评分

表2 LN患者基线fMRI序列值

fMRI：功能磁共振成像；IVIM：体素内不相干运动成像；stand-ADC标准表观弥散系数；DTI：弥散张量成像；FA：各向异性分数；BOLDL血氧水平依赖成像；MRE：磁共振弹性成像

讨 论

LN患者肾脏病变程度往往决定肾功能预后及治疗干预效果[2-3]，对存在肾活检禁忌及需动态监测肾组织形态学改变的LN患者，fMRI可作为辅助诊断。既往的研究证实，对LN患者行DWI检查，基线与随访过程中，肾功能预后均与DWI-ADC值关系密切[7]。IVIM作为DWI最新进展，进一步显示肾组织灌注与弥散，可更加准确地反映LN患者肾组织微循环状态。在本研究中，我们发现基线水平LN患者合并AKI时，其IVIM Standard-ADC值显著低于非AKI组，可能与毛细血管内、毛细血管外增殖性病变使血管袢堵塞，血流灌注降低、血液流速减慢而导致水分子运动减弱相关。同时小管间质病变如急性肾小管坏死，急性间质性肾炎，大量炎细胞浸润及小管腔堵塞、坏死，水分子(小管间质中的尿液和组织液)运动减弱，也可导致肾小球滤过功能快速下降，SCr一过性升高[12]。本研究显示肾脏急性病变越重，ADC值降低越明显，提示了IVIM Standard-ADC值可反映肾脏急性病变程度。

DTI作为DWI的另一项进展，不仅反映水分子布朗运动程度，同时也反映水分子运动方向性[11,13-14]。本研究发现，基线水平LN患者合并AKI组皮髓质FA值均显著低于非AKI组患者，同时FA值与狼疮AI、CI评分呈负相关，即FA值越低，患者肾脏急慢性病变程度均加重，表明FA值可准确反映LN患者肾脏病变组织形态学急慢性改变。既往动物实验中，发现大鼠肾脏结构功能的损伤，会导致水分子(血液、小管间质中的尿液、组织液)弥散程度减弱，弥散方向较正常肾组织减少，皮髓质DTI-FA值均降低[11]。也有类似研究发现在糖尿病患者肾病早期(无尿检异常、SCr升高)即可观察到FA值降低[15]，表明DTI-FA值也可较早期发现肾脏病的结构功能变化。

CKD进展时，管周毛细血管稀疏化，肾小管氧供降低、坏死，导致间质纤维化进一步加重，肾脏氧弥散功能、组织氧合状态及肾脏硬度值发生改变[16-17]。基于以上病理生理特点，BOLD、MRE作为应用于肾脏领域的热点[10,18-19]，在本研究中并未发现这些序列与LN肾脏病理活动性评分间相关性。BOLD利用去氧血红蛋白的顺磁性，可用来反映肾脏组织的氧合水平，既往研究结论也往往不同，主要考虑肾组织氧供减弱的同时，肾脏耗氧量及氧气弥散程度均降低，因而无法准确评估肾组织的氧合状况[7,19-21]。而作为在肾移植肾功能评估中较为成熟的MRE，可准确地评估移植肾纤维化程度及预测其肾功能变化[10,18]。在本研究中并未发现MRE与基线肾功能相关性及预测价值，考虑到原位肾脏较移植肾位置较深，剪切波受干扰大。同时，本研究LN患者随访时间较短，不能准确记录肾功能长期变化，因而相较于肾移植受者，其应用受限。

值得关注的是，本研究通过对LN患者进行6个月短期随访，发现SCr升高组(SCr较基线上升超过30%或持续肾脏替代治疗)较SCr平稳患者，基线DTI-FA值显著降低，说明DTI具有较好稳定性，可在肾脏病早期预测肾功能预后，且随访过程中，基线DTI-FA值与SCr升高斜率呈负相关，即基线DTI-FA值高的患者，肾功能恢复较快。LN-AKI亚组中，功能未恢复或规律透析与SCr下降患者相比,前者DTI值较后者降低，但无统计学意义。而非AKI组患者中，有3例患者出现SCr升高，其FA值与非AKI组均值相比无差异。本研究分别将CI、DTI-FA值与SCr升高组进行受试者曲线分析，发现两者预测肾功能变化能力相近，表明DTI-FA值可预测短期内肾功能变化。

本研究首次将fMRI序列DTI应用于LN患者的肾功能评估，作为观察性研究，发现DTI不仅能够反映LN患者基线肾脏状态，同时也能较好地预测其肾功能转归状态。

本研究样本量小，随访时间短，后续进一步扩大样本量、延长随访时间，并构建fMRI预测模型，以阐明fMRI参数对LN肾功能远期预后的评估价值。

小结：本文发现IVIM及DTI等功能影像序列，可用于LN组织形态学改变的评估，并借此预测短期内肾功能的变化趋势。未来需要进一步扩大样本量和随访时间进行研究探索。