磁共振成像对胶原诱导性关节炎模型应用的研究进展

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  【摘 要】 文章就磁共振成像对胶原诱导性关节炎模型应用的研究进展进行了综述。主要探讨了磁共振成像及分子磁共振技术用于类风湿关节炎早期诊断以及胶原诱导性关节炎模型研究中的应用,认为磁共振成像对于类风湿关节炎早期诊断有一定的价值,其与分子生物学结合形成的分子磁共振成像技术将对类湿关节炎的研究起到推动作用。
  【关键词】 关节炎,类风湿;关节炎,胶原诱导性;磁共振成像;分子磁共振成像
  类风湿关节炎(rheumatoid arthritis,RA)是一种以关节及关节周围组织的非感染性炎症为主要表现的自身免疫性疾病。本病病情迁延,可出现关节软骨和骨破坏,最终导致关节畸形和功能丧失 [1]。有研究表明,RA疾病进展出现关节破坏多在发病后1年,甚至4个月内,该阶段之前的炎性改变是可逆的,因此该阶段是积极治疗、阻止关节破坏、避免关节畸形的关键时期。早期诊断、早期正规治疗对于RA的病情控制及预后改善至关重要,寻求一种早期诊断RA的敏感检查方法是各国学者研究的热点[2]。影像学检查是评估RA关节破坏的重要方法,常规X线片检查对早期RA的诊断作用有限[3];CT的分辨率明显优于常规X线片,对于早期RA的轻微骨质破坏有较高价值;而磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)对于软组织的分辨率优于CT,并可对RA滑膜炎症程度进行量化。早期RA 的MRI敏感性明显优于X线片,其能清晰显示关节正常结构及RA早期滑膜炎症改变,与病理改变有较好的相关性[4],有助于早期RA的诊断。
  1 胶原诱导性关节炎模型的建立 Ⅱ型胶原诱导性关节炎(collagen induced arthritis,CIA)大鼠模型是已被公认的研究人类RA的经典模型,但国内外实验室尚未采取统一的造模方法[5-6];目前CIA模型在大鼠品系、性别、乳化方法、注射剂量、注射部位等方面都存在差异,并且造模成功率普遍较低,约为65.00%[7]。因此,构建发病率、稳定性及可重复性高的CIA大鼠模型仍需进一步探索。
  李艳等[8]研究认为,CIA大鼠模型的造模成功率与胶原给药剂量有关,与性别因素无关。发病率与胶原给药剂量成正相关,200 μg发病率为50.00%,300 μg为83.30%,而400 μg的胶原蛋白注射量能够达到最高的100%发病率。200~400 μg
  胶原给药剂量是安全的。为了避免弗氏完全佐剂对实验的干扰,造成佐剂性关节炎(adjuvant arthritis,AA),建议选择弗氏不完全佐剂建立模型。另外,为了提高成模率,降低实验费用,许多研究者选用了相对经济且制剂纯度较高的鸡Ⅱ型胶原蛋白进行胶原乳剂制备。
  模型评价多为一般观察、足容积测定、关节炎评分、血清抗CⅡ抗体与TNF-α浓度测定及病理观察的联合评价。CIA病理改变自首次免疫后3~4周
  为急性期,为滑膜炎症增生期;免疫10 d后关节内只有纤维沉积物,而滑膜细胞未见明显改变;12 d
  后肉眼可见踝关节肿胀,光镜下滑膜细胞增多,层数增加到3~7层,并向软骨鼓面爬行,滑膜下有纤维沉积;19 d后为急性期的第2期,滑膜由6~10 μm
  增厚至200~250 μm,血管翳形成,并可见大量单核细胞、巨噬细胞等浸润,在微血管周围形成微脓肿,可见单核细胞侵入软骨连接处的软组织。7~8周为慢性期,逐渐出现软骨及软骨下骨破坏[9-10,17]。此过程动态模拟了RA的不同病变进程。
  2 磁共振成像
  急性期、慢性期CIA模型及正常对照大鼠在麻醉后,俯卧固定于扫描床使大鼠双膝关节呈屈曲位,经尾静脉注射钆喷替酸葡甲胺(Gd-DPTA)
  0.2 mmol·kg-1,5 min内增强造影,注射前后以1.5或3.0 T核磁扫描仪行膝关节磁共振扫描。扫描参数:快速自旋回波序列T1增强压脂像(TSE-FS-T1WI),重复时间(repetition time,TR)= 300 ms,回波时间(echo time,TE)= 14 ms;快速自旋回波序列T2增强压脂像(TSE-FS-T2WI),TR = 1 700 ms,
  TE = 103 ms,回波链长15,扫描方向为矢状位,层厚2 mm,矩阵256×154,视野42 mm×56 mm。第2次扫描结束后处死大鼠,取下双膝关节滑膜,质量分数10.00%中性甲醛溶液固定,常规固定、脱色、透明、包埋、制成蜡块、切片,行常规苏木素-伊红(HE)染色,病理学观察。
  正常滑膜在MRI各序列中均不显示,而CIA模型急性期滑膜逐渐增厚,在MRI上表现为关节边缘软组织信号影,其中T1加权像(T1 weighted image,T1WI)上显示为低到中等信号,T2WI上表现为中等到高等信号,T2压脂像上则表现为滑膜厚度大于正常,显示信号强于正常,注入增强剂后,T1WI上病灶出现强化。临床研究显示,T2压脂像和T1增强压脂像在轴位切面能较好显示滑膜炎症信号的强度与滑膜厚度,增强MRI能反应滑膜增生和炎性血管翳,准确显示滑膜炎[11],并且增强后动态MRI还可区分RA的活动性与非活动性。
  扫描序列一般包括自旋回波序列(SE)T1WI冠状面,快速自旋回波序列(TSE)T2WI冠状面及轴面扫描,应用抑脂技术。注射造影剂Gd-DTPA后行SE-T1WI冠状面及轴面扫描,应用抑脂技术。崔延安等[12]采用结合T1加权成像的三维脂肪抑制扰相梯度回波序列(FS-3D-FLASH)和结合T2加权成像的三维脂肪抑制快速进动成像序列(FS-3D-FISP),因为FS-3D-FLASH在滑膜增生或/和血管翳形成时多呈低信号改变,而FS-3D-FISP呈中高信号改变,早期RA由于滑膜增生及血管翳生成,血流灌注增加,注射钆对比剂后,增厚的滑膜在FS-3D-FLASH增强序列上明显呈高信号改变,明确显示滑膜增厚的部位和范围。   钆喷替酸葡甲胺(Gd-DPTA)是常用的快速增强造影剂,能够缩短被引入组织的 T1弛豫时间,增强组织的T1WI信号,对T2弛豫时间的影响较小,因其敏感性和特异性较高,已经广泛应用于临床与实验研究。王艳艳等[4]运用Gd-DPTA作为CIA大鼠关节炎早期病变的造影剂,比较MRI与普通X线片、病理组织检查的检出率,证实MRI对早期滑膜炎、滑膜增生、血管翳等病理学的诊断生成方面有明显的优势。但临床研究也证明其仍有一定的漏检率,并且大鼠关节和组成骨过小,炎症早期滑膜增生不明显,1.5 T的MRI分辨率偏低也是造成漏检的原因之一。
  3 分子磁共振成像
  随着分子生物学和医学影像学的发展,产生了通过无损害实时成像技术及目标靶向标记的分子显影相结合的交叉学科——分子影像学。分子MRI是在活体内组织水平、细胞及亚细胞水平,通过MRI成像技术对体内及特定探针结合的分子进行成像,并对特定分子进行分析研究。分子MRI已经应用于肿瘤、心血管及神经系统等的临床和实验研究[13],而在风湿疾病的应用研究相对较少。
  目前常采用巨噬细胞、细胞黏附分子、基质金属蛋白酶等作为标记物,与某些造影剂进行特异性结合,从而提高检出率,并进行特征性描述。MRI常规造影剂为钆类顺磁性螯合物(如Gd-DPTA),其结构非常稳定,难以与生物大分子螯合,不能作为生物分子标记物的载体应用于MRI分子影像学研究[14]。新型分子MRI造影剂成为分子影像学研究热点。
  超顺磁性氧化铁纳米颗粒(ultrasmall superparamagnetic iron oxide,USPIO)近年来受到较多关注,是一种能被巨噬细胞摄取的细胞特异性MR对比剂,它的粒径小,穿透力强,可以明显缩短T1、T2弛豫时间,从而提高信噪比多;另外,其纳米颗粒表面易于修饰,可以与特定物质连接,甚至携带治疗性物质,因此其应用前景较好。现主要应用于动脉粥样硬化、实体器官移植排斥反应、细菌软组织感染等多种炎性疾病的研究,但应用于RA相关文献报道不多。
  巨噬细胞在RA滑膜炎及关节破坏中发挥重要作用[15],大量存在于炎症滑膜和软骨-血管翳连接处,活化后具有广泛的促炎和组织破坏能力。特异性对比剂USPIO被巨噬细胞吞噬后,在局部造成不均匀磁场,可缩短T2弛豫时间,使T2WI和T2*WI信号降低[16],运用高分辨率核磁成像扫描仪,或许从细胞分子水平上显示RA滑膜炎症,为RA的早期诊断提供新思路。
  顾娟芳等[17]对CIA大鼠模型早、中、晚期行静脉注射USPIO,注射前及24 h后分别在7.0 T动物磁共振扫描仪上行膝关节T1WI、T2WI和T2*WI序列扫描,随后取膝关节滑膜制成病理组织切片,行HE染色、普鲁士蓝染色及CD68免疫组织化学染色。结果提示,USPIO增强T2WI和T2*WI序列上,CIA模型早、中、晚期均可见到滑膜组织的负增强效应,且病理组织学证实由巨噬细胞吞噬铁颗粒引起。
  由于USPIO既能被骨关节、脑等组织的巨噬细胞摄取,还能被网状内皮系统(如肝、脾、淋巴结)中的巨噬细胞吞噬[16],不可避免的存在很高的假阳性率。而且进入体内的SPIO迅速为巨噬细胞吞噬或经肝清除,因而影响其与靶分子的结合效率,用于细胞标记时,SPIO也可能抑制标记细胞的增殖和分化,甚至导致细胞的死亡。
  细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule,ICAM-1)是滑膜内皮细胞的主要表达成分,有助于募集淋巴细胞、单核细胞和中性粒细胞等至炎性关节,并且在活化的中性粒细胞与在滑膜衬里下层的纤维样滑膜细胞和巨噬细胞样滑膜细胞相互作用中占重要角色。另外,由于ICAM-1免疫组化的结果在RA不同阶段是不同的,因此,ICAM-1可以作为特异性靶向分子成像的目标分子。
  Lee S-II等[18]尝试用ICAM-1抗体与Gd-DPTA螯合物作为CIA模型MRI的造影剂。实验选取Gd-DPTA作为非靶向造影剂,Gd-DPTA-抗-ICAM-1作为靶向造影剂,Gd-DPTA-IgG作为控制造影剂,以无关节炎小鼠、早期CIA模型(造模28 d后)小鼠、慢性CIA模型(造模56 d后)小鼠为实验对象,动态观察各造影剂经小鼠尾静脉注射时,注射后
  10 min、30 min、80 min、2 h及24 h的MRI。
  实验结果显示,以Gd-DPTA-抗-ICAM-1为造影剂的CIA模型MRI上,T1像信号显示逐渐增强,并且持续时间达24 h,而Gd-DPTA增强T1像的时间仅维持了数分钟;动态磁共振显示,结合了与Gd-DPTA-抗-ICAM-1相同量Gd的Gd-DPTA-IgG,增强信号也只持续了30~60 min。低于Gd-DPTA 1/10剂量Gd的Gd-DPTA-抗-ICAM-1,就可以显示更加明显的T1增强信号。另外,由Gd-DPTA-抗-ICAM-1在MRI上显示的增强信号只在CIA模型早期炎症组出现,而在慢性破坏期则未出现增强信号。提示Gd-DPTA-抗-ICAM-1与表达于CIA模型炎性滑膜上的ICAM-1特异性结合,能够在分子MRI上显示特异性的图像,或许可以作为早期诊断RA及区分RA不同阶段的无创性新方法。
  4 小 结
  2010年ACR/EULAR发表了新的RA分类标准,以强调RA的早期诊断、早期治疗,但在临床中发现RA患者早期即可出现 MRI 异常,且与临床表现并不平行[19]。MRI可以显示临床没有表现的关节炎处的滑膜增生[20],在临床活动性指标好转的患者中仍可提示部分患者骨侵蚀的进展[21]。MRI作为一种敏感而又可靠的手段,可以早期发现滑膜炎、骨髓水肿及骨侵蚀等病变,为RA的早期诊断和治疗提供信息。所以,MRI对于RA早期诊断有一定的价值,其与分子生物学结合形成的分子MRI技术将对RA的研究起到推动作用。   5 参考文献
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  收稿日期:2013-10-28;修回日期:2013-12-24
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