趙英華　朱艷春　李　葳　胡紹勇　肖繼杰　李紹林

超短時間回波磁共振成像對類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)鈣化區(qū)的研究進展

趙英華1朱艷春2李葳1胡紹勇1肖繼杰1李紹林1

超短回波時間磁共振成像；間充質(zhì)干細(xì)胞；類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎；關(guān)節(jié)軟骨鈣化區(qū)；綜述

MRI是目前觀察干細(xì)胞在體內(nèi)移植的生長和發(fā)育最常用的方法。然而，準(zhǔn)確評估干細(xì)胞移植后類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎（rheumatoid arthritis，RA）的關(guān)節(jié)軟骨鈣化區(qū)（zone of calcified cartilage，ZCC）的治療效果是臨床面臨的一個問題，尤其是在評估RA的生理和生化變化方面。本文對基于超短時間回波磁共振成像（ultrashort time echo magnetic resonance imaging，UTE-MRI）觀察干細(xì)胞治療RA關(guān)節(jié)軟骨ZCC治療反應(yīng)的研究現(xiàn)狀及修復(fù)情況的最新進展進行總結(jié)，討論目前UTE-MRI技術(shù)的臨床應(yīng)用和未來發(fā)展的限制。

1　ZCC的結(jié)構(gòu)、功能及RA的ZCC發(fā)病機制、修復(fù)現(xiàn)狀

關(guān)節(jié)軟骨從表層到最深層分為表面區(qū)、過渡區(qū)、輻射區(qū)和ZCC共4個區(qū)［1］，其中ZCC占關(guān)節(jié)軟骨總厚度的3%～8%，其內(nèi)水含量約占65%，其作用是為軟骨提供一定的堅硬度，有利于軟骨細(xì)胞和滑液內(nèi)的氣體、營養(yǎng)和廢物之間的交換［2］。通常情況下，少部分水是以自由水的形式存在，大部分水與基質(zhì)蛋白聚糖（proteoglycan，PG）富含負(fù)電荷的硫酸酯及羧基結(jié)合形成結(jié)合水，以阻止水從負(fù)重軟骨表面孔隙中流失［3］。影響水含量的因素較復(fù)雜，包括膠原和PG的含量及結(jié)構(gòu)變化等［4］。ZCC是連接骨-軟骨功能單位的重要樞紐，具有傳導(dǎo)分散應(yīng)力、抵抗剪切力、緊密連接骨軟骨及限制組織液在骨和軟骨之間自由交換等作用［5］。

RA發(fā)病時，PG大分子結(jié)構(gòu)破壞，結(jié)合水減少；同時膠原纖維腫脹，膠原纖維的張力降低，使關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)交換的自由水增加，導(dǎo)致自由水容易流失［6］，出現(xiàn)肥大的軟骨細(xì)胞表型，引起潮線前移、ZCC重塑、礦化程度、硬度增加、通透性改變，破壞了ZCC緩解骨-軟骨界面應(yīng)力梯度的作用，最終將附著于骨組織的ZCC剝離，使軟骨完全損毀［7］。因此，關(guān)節(jié)軟骨ZCC的組織結(jié)構(gòu)及生物功能的修復(fù)對RA的功能修復(fù)至關(guān)重要，重建關(guān)節(jié)軟骨ZCC已成為近年興起的界面組織工程領(lǐng)域研究熱點。

目前治療RA的方法主要有非甾體抗炎藥、抗風(fēng)濕藥、生物制劑，或通過軟骨下鉆孔、軟骨骨膜移植等方法治療［8］，但是上述治療方法對于病程較長、疾病活動性頑固的RA患者療效不理想，對于RA所致的軟骨破壞無效，因此迫切需要一種新的具有修復(fù)受損關(guān)節(jié)的治療方法。

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone mesenchymal stem cells，MSCs）是一種基質(zhì)干細(xì)胞，具有修復(fù)軟骨的功能［9］。同時，MSCs還能夠抑制T細(xì)胞為主的免疫調(diào)節(jié)作用和炎癥因子的分泌，改善血管生成和防止纖維化，利用MSCs治療RA是一項新的有效的治療方法［10］。

近年來，界面組織工程正蓬勃發(fā)展，如何構(gòu)建既具備生物學(xué)效應(yīng)，又能執(zhí)行特殊生理、生化功能的精細(xì)ZCC界面結(jié)構(gòu)，是目前的一個難題［11］。既往研究采用MSCs及不同材料、方法構(gòu)建成具有ZCC界面的骨-軟骨復(fù)合支架植入體內(nèi)，較單純骨-軟骨雙支架具有更好的分散應(yīng)力和抗剪切力作用，優(yōu)于自體骨軟骨移植修復(fù)［12-16］。有關(guān)RA關(guān)節(jié)軟骨ZCC的生化、結(jié)構(gòu)和生物學(xué)變化，MSCs修復(fù)RA關(guān)節(jié)ZCC時如何構(gòu)建具備生物學(xué)效應(yīng)、執(zhí)行特殊生理和生化功能的精細(xì)界面結(jié)構(gòu)的機制有待研究。

2　活體觀察RA的ZCC的方法

目前多數(shù)研究通過顯微技術(shù)觀察ZCC的形成、生長、退變等，主要探討了ZCC表面粗糙度、厚度、膠原、羥基磷灰石的含量及所占比例［17-19］，顯示骨關(guān)節(jié)炎的ZCC增厚、細(xì)胞間質(zhì)被水解酶消化、I型膠原顯著增加、III型膠原保持不變、軟骨細(xì)胞基質(zhì)金屬蛋白酶-1和基質(zhì)金屬蛋白酶-3的表達(dá)顯著增加、通透性增加等病理改變［20］。然而，目前有關(guān)RA關(guān)節(jié)軟骨ZCC的研究較少，僅Zsch?bitz［21］報道1例RA關(guān)節(jié)軟骨ZCC被選擇性地破壞，非鈣化軟骨保持完好。既往活體觀察ZCC的方法不僅操作復(fù)雜，而且浪費了大量的實驗資源。

MRI可以顯示組織、細(xì)胞和亞細(xì)胞水平的特定分子，反映活體狀態(tài)下分子水平變化［22］，采用非侵入性的影像參數(shù)對生理和病理過程中的分子進行定性或定量的可視化觀察，幫助闡明治療過程中的生物學(xué)機制。然而，由于關(guān)節(jié)軟骨ZCC氫質(zhì)子的T2弛豫時間僅為200～500 μs，ZCC短T2成分的MRI信號在激發(fā)后迅速衰減，目前采用的梯度回波、快速自旋回波及反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列等常規(guī)MRI在ZCC表現(xiàn)為無信號或極低信號，不能觀察其代謝和生化信息［18］。近年來發(fā)展的陽性及陰性對比劑進行干細(xì)胞移植后MRI示蹤監(jiān)測技術(shù)，僅觀察移植干細(xì)胞在體內(nèi)的生長及發(fā)育情況，不能準(zhǔn)確顯示RA的發(fā)生及發(fā)展過程中關(guān)節(jié)軟骨ZCC的生理及生化演變過程［23-26］。

3　 用于關(guān)節(jié)軟骨ZCC的UTE-MRI應(yīng)用及存在的問題

隨著MRI技術(shù)的飛速發(fā)展，UTE-MRI使ZCC成像成為可能［27］，可以采集到如CCZ等短T2組織的信號［28］，再結(jié)合長T2組織（如肌肉、脂肪）的抑制［29］，可清晰顯示關(guān)節(jié)軟骨層面信息，使ZCC的線狀高信號界線清晰（圖1），有利于評價RA關(guān)節(jié)軟骨ZCC對MSCs修復(fù)RA的反應(yīng)。Brossmann等［30］報道，UTE（TE=150 μs）可顯示早期骨關(guān)節(jié)炎ZCC信號改變，其敏感度及特異度均為100%。ZCC內(nèi)結(jié)合水、自由水及總水含量是UTE-MRI用于檢測MSCs修復(fù)RA關(guān)節(jié)軟骨的生理學(xué)基礎(chǔ)。

圖1　雙梯度回波（上排）及雙自旋回波（下排）得到的健康志愿者關(guān)節(jié)圖像。發(fā)現(xiàn)自旋回波可以得到更好的關(guān)節(jié)軟骨ZCC的圖像（箭）

Du等［31］最早采用雙回波差UTE法（圖2A、B）研究骨關(guān)節(jié)及肌骨成像，顯示ZCC為明亮色，但其缺點是第2個回波的TE信號較弱，結(jié)果容易受到渦流、磁化率差異的影響。絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)UTE方法（圖2C、D）僅剩下大量未受影響的短T2組織信號，此方法的缺點是不能同時反轉(zhuǎn)長T2水和脂肪或?qū)е嘛@著的短T2信號衰減。雙絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)（DIR）UTE脈沖序列（圖2E、F）對短T2的磁化影響較小，其缺陷是需要2個隔熱反轉(zhuǎn)脈沖，可能導(dǎo)致吸收率增加。

二維DIR UTE成像（圖3A）應(yīng)用半射頻脈沖結(jié)合層面選擇梯度實現(xiàn)層面激發(fā)、放射狀或螺旋狀軌跡填充k空間，但對組織細(xì)微結(jié)構(gòu)成像時（層厚0.7 mm對厚度＜0.1 mm成像時）易受部分容積效應(yīng)影響，應(yīng)用短硬脈沖激發(fā)及三維放射狀采集實現(xiàn)三維UTE成像（圖3B），可消除容積效應(yīng)的影響。

圖2　雙回波UTE（A）、單絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)（C）及雙絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)（E）脈沖序列。B、D、F分別是3種脈沖序列對應(yīng)的短T2對比度形成機制

圖3　UTE脈沖序列。A.二維半射頻脈沖結(jié)合極性相反的優(yōu)化選層梯度激發(fā)一層，采用二維放射狀軌跡填充k空間；B.短矩形硬脈沖激發(fā)后三維放射狀軌跡填充k空間

UTE多回波脈沖序列對組織含水及生化結(jié)構(gòu)非常敏感。Pauli等［32］采用UTE-MRI序列觀察到的短T2*水成分與組織病理學(xué)分級（Mankin分級）和偏振光顯微鏡測試法 （Vaudey分級）有明顯的相關(guān)性。光譜成像UTE顯示ZCC的T2*值為1～2 ms［33-35］。Eliav等［36］研究認(rèn)為UTE-T2* mapping能定量評價ZCC內(nèi)自由水含量、結(jié)合水含量、總水含量及有機基質(zhì)含量，可間接反映PG的含量、膠原纖維的各向異性等結(jié)構(gòu)。磁化轉(zhuǎn)移UTE可用于定量評估短T2組織結(jié)合水與自由水的T1、T2及比例等［36］。DIR-UTE逐漸飽和恢復(fù)時間獲得T1ρ，可反映受限水分子運動和大分子環(huán)境之間的相互作用，對PG丟失高度敏感。Du等［34］收集6例尸體髕骨采用3T MR通過DIR-UTE成像，測得ZCC的T2*、T1及T1ρ值分別為（2.0±1.2）ms（1.0～3.3 ms）、（305±45）ms（256～389 ms）及（3.6±1.2）ms（2.2～4.6 ms）。Williams等［33］收集11例負(fù)重脛骨內(nèi)側(cè)髁及脛骨平臺，行增強3D UTE-T2* MRI檢查，發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)節(jié)軟骨深部的重復(fù)測量值均方根平均系數(shù)的變化分別為16%、13%，絕對誤差分別為1.5 ms、2.1 ms，證明增強3D UTE-T2* MRI是一種可重復(fù)定量檢測ZCC的新型技術(shù)。

綜上所述，基于UTE-MRI對RA關(guān)節(jié)軟骨ZCC的定量評估，可準(zhǔn)確測量總水含量、結(jié)合水與自由水含量及比例等信息［37］，準(zhǔn)確測量ZCC的T2*、T1及T1ρ值等影像生物標(biāo)志，間接反映有機基質(zhì)PG含量、膠原纖維結(jié)構(gòu)和排列、礦化程度和硬度及通透性改變等，可反映IB與RA關(guān)節(jié)軟骨ZCC的結(jié)構(gòu)、生理及生化的相關(guān)性［38］，彌補了既往需要處死動物取病理觀察治療效果及常規(guī)MRI檢查無法定量評估ZCC等不足，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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2016-04-08

2016-07-24

（本文編輯張春輝）

國家自然科學(xué)基金項目（81471810，81501463）；廣東省公益研究與能力建設(shè)科技項目（2014A 411308138 117，2014A020211018）；廣東省自然科學(xué)基金項目（2014A030310360）；廣東省創(chuàng)新科研團隊項目（2011S013）。

1.南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院，廣東省骨科研究院醫(yī)學(xué)影像科廣東廣州510630；2.中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所廣東深圳518055

李紹林 E-mail: 18926191928@189.cn