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【关键词】 BOLD技术;肾脏;研究进展
许多泌尿系统疾病均可以导致肾功能受损，甚至肾衰。目前侵袭性动物实验发现肾内氧含量与肾功能活动相关[1]，甚至肾脏氧分压的改变能先于不可逆肾损害发生之前反映肾脏生理和功能的紊乱。另有学者认为髓质的氧供和消耗的不平衡在缺血、对比剂、内源和外源性肾毒素等引起的急性肾功能衰竭中发挥作用 ，可以说肾髓质结构氧代谢的改变是触发急性肾衰的原因[2]。因此，监测单侧肾脏氧含量改变对早期急性肾衰的诊断具有极大的临床意义。本文将对BOLD技术原理及其在肾脏方面的应用进行综述。
1目前测量肾内氧含量的方法
微电极测量法[3，4]，需将微电极插入肾内，具有极大创伤性，另有组织学及免疫组化方法，但这些方法均为有创性技术，只能应用于动物实验，无法应用于临床。BOLD MRI技术是唯一可以无创评价单侧肾实质血氧水平的检查方法。
2BOLD技术的原理[5]
血液中的脱氧血红蛋白(deoxyhemoglobin)具有顺磁性(paramagnetic)，可以缩短组织的T2或T2*值，增加R2*值，血液中脱氧血红蛋白增多将导致相应组织在T2WI或T2*WI上信号强度降低;氧合血红蛋白中则具有轻度反磁性(diamagnetic)，可延长组织的T2或T2*值，血液中氧合血红蛋白增多将导致相应组织在T2WI或T2*WI上信号强度增高，T2*值增高，R2*值降低。在其他因素不变的前提下，T2WI或T2*WI上组织的信号强度取决于其血液中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的比例，该比例越高，则组织的信号强度越高，也就是说，脱氧血红蛋白的高低与R2*值大小成正比。这就是BOLD效应。
3BOLD技术在肾脏的应用
1996年，Prasad等[6]首先将BOLD技术应用于肾脏成像，来观察人类肾内血氧含量，该方法就是利用脱氧血红蛋白作为内源性对比剂，来观察肾内氧含量的改变。肾为腹膜外位器官，位于腹腔的后上部，脊柱两旁，左右各一，形似蚕豆。在肾的冠状位切面上，肾实质分为皮质和髓质，肾皮质位于浅层，占1/3，富有血管，主要由肾小体和肾小管构成，主要参与滤过和物质转运功能。肾髓质位于肾实质的深层，约占肾实质的2/3，血管较少，主要由肾小管组成，根据肾小管的组成，髓质又分为髓质外带和内带，参与部分物质转运及尿液浓缩功能。肾髓质的管道结构有规律的组成向皮层呈放射状的条纹称髓纹线，向内侧集合组成15～20个锥形体称为肾锥体，肾锥体尖端钝圆，伸向肾窦，并突入肾小盏，称为肾乳头。肾乳头顶端有许多小孔，称为乳头孔，是尿液流入肾盏的通道。肾皮质包绕肾髓质，并伸入于肾锥体之间，称为肾柱。正常人两肾生成的超滤液每天达180L，而终尿量仅1.5L左右，表明超滤液中的水分约99%被肾小管和集合管重吸收。在不同动物中的观察发现，动物肾髓质越厚，内髓部的渗透浓度也越高，尿的浓缩能力也越强。如沙鼠肾脏可以产生20倍于血浆渗透浓度的高渗尿。人类肾脏最多能生成4～5倍于血浆渗透浓度的高渗尿[7]。肾髓质的解剖结构及功能决定它处于低血流灌注，高耗氧的环境中，这便是髓质氧含量低的解剖生理学基础。肾皮质的氧分压PaO2为50mmHg,而髓质的氧分压PaO2仅为10～20mmHg，处于低氧环境下工作的髓质，氧含量的轻微改变便会导致氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度比例明显变化，采用BOLD技术可以监测到这种变化，而对于氧分压高的皮质，BOLD无法监测到其轻微的变化，因此BOLD技术是评价肾髓质氧含量的理想手段[8~10]。同时BOLD成像利用肾髓质内脱氧血红蛋白与尿液浓缩功能密切相关的这一特性，实时地反映髓质尿液浓缩功能在病理和生理情况下氧代谢的变化。有研究证明BOLD R2*值与微电极测量的氧分压有很好的相关性，即R2*值越高，氧分压越低，R2*值越低，氧分压越高[11~13]。动物实验及临床实验均证实了BOLD-fMRI技术能够可靠地反映肾髓质氧合状态的变化，并具有可行性及较好的可重复性，能够用来进行肾脏功能成像的实验研究[14~16] 。 杨学东等[16]学者采用3.0TMRI通过对5只大鼠50天的观察证实体重增加及发育过程并不影响肾脏皮、髓质R2*值，重复性较好。Li 等人已经采用1.5TMR证实人体肾脏皮、髓质R2*值在270天时间段内具有很好的重复性，变异较小[17]。1.5T磁共振与3.0T磁共振所产生的BOLD效应有所不同，1.5T场强MR扫描BOLD效应很小，信噪比低，肾脏皮髓质结构分界不清，临床应用受限，而3.0T高场强MR BOLD效应显著，得到的R2*值比1.5T增加了1倍，皮髓质分界更清晰，伪彩图显示更直观，并且没有容积磁化率伪影的增加[18~20]
4BOLD-fMRI成像技术在肾疾病的临床应用
4.1正常肾脏氧含量的生理性及药理性变化文献报道正常人体肾脏皮质R2*值为21.8Hz，髓质R2*值为37.4Hz[20]。Franklin H等学者发现服用呋塞米后，青年人组髓质的R2*值减低，与皮质的相近，说明髓质的氧含量增加，而老年人无明显变化，这可能与前列腺素分泌减少有关，而水利尿也得到了与呋塞米相近的结果，髓质的氧含量有所增加[21]。血管活性物质可以影响肾内的氧化作用，BOLD MRI技术仍可以监测到这些细微的改变，血管紧张素Ⅱ的慢性渗出可以降低肾脏灌注压，因此可以减少肾脏氧含量。有学者证实，在健康志愿者中使用血管紧张素Ⅱ可引起肾皮质的BOLD T2*缩短，R2*的延长[22]。NO是可溶性气体，可以不断地通过内皮细胞，并且有很多生物学特性，包括舒张血管等。在大鼠的肾脏，NO合酶抑制剂L-NAME(L-Nitroarginine Methyl Ester，L-硝基-精氨酸甲脂)导致了髓质R2*值进一步的升高，这表明其加强了肾髓质的低氧状态[23]。非甾体抗炎药(non-steroidal anti-inflammatory drug，NSAID)是最常用的治疗严重感染、疼痛和发热的药物。可以长期应用于胃肠道、肾脏甚至心脏病。NSAID阻止血管舒张药物前列腺素的合成，因此减少了肾灌注。通过微电极和BOLD MRI观察到吲哚美辛可以减少大鼠肾髓质的氧耗量,降低R2*值，但不能显著减少健康者肾髓质的R2*值[24],这可能表明，常规剂量的吲哚美辛不能显著影响人肾脏的氧化作用。一些药物可以影响肾脏的血液动力学，进而影响肾脏的氧含量，监测这些药物对肾脏氧代谢的影响有利于理解其药理学过程，并可以预防药物性肾衰的发生。
4.2肾动脉狭窄的应用Juillard团队研究发现随着狭窄水平的加重，R2*值持续升高与肾血流量(renal volume of blood flow，RBF)逐渐减低相一致，表明髓质和皮质缺氧逐渐加重，而当肾动脉闭塞解除后，皮髓质R2*值均立刻恢复为正常值。此团队定义BOLD为新的功能工具，能够观察到缺血和肾内氧水平的改变并评估治疗效果[25]。Textor等[26]做了人的肾动脉狭窄R2*测量值，在高度肾动脉狭窄的正常大小的肾下极，R2*提高到基线水平，表明缺氧程度非常严重，应用呋塞米之后R2*降低，肾实质的氧含量上升。
4.3糖尿病肾脏的应用DosSantos EA等[27]使用有创性的光纤探针来测量糖尿病大鼠与对照组大鼠的血流量和氧含量的变化，分别在大鼠患糖尿病后的2、5、14、28天来进行，结果显示肾脏氧分压明显减低，尤其是外髓外带，而这一期间，糖尿病组与正常对照组血流量无变化，提示糖尿病患者肾脏处于缺氧、高滤过的状态。
4.4高血压肾病的应用高血压肾病表现为肾髓质血流量减少，髓质血流量减少是由一氧化氮(NO)的生物活性降低引起的，自由基清除剂(氮氧化物)可以抑制超氧化物与NO的反应，释放未激活的NO。LI Lu-ping等[23，28]采用BOLD技术观察高血压与对照组之间注入自由基清除剂后髓质R2*值的变化，发现高血压大鼠注入自由基清除剂后髓质氧含量明显增加，而对照组注入自由基清除剂后髓质氧含量改变则较微小。因此，应用BOLD技术监测高血压肾髓质氧含量及血流变对了解其病理生理学机制，评价一些药物预防高血压肾病的效果有极大的意义。
4.5肾移植的应用在异体肾移植患者中发现髓质R2*大于皮质，但明显低于配对志愿者肾髓质R2*值[29]。Han Fei等[30]研究证实在肾移植功能损害的早期，可以通过BOLD MRI成像测量组织氧的生物利用度以鉴别急性排斥反应(acute refection，AR)和急性管性坏死(acute tubular necrosis，ATN)。研究显示，肾移植受体早期功能损害会出现组织氧的生物利用度的变化，BOLD MRI成像通过测量R2*水平可以有效地观察到这些变化。与正常功能受体相比，AR移植受体皮质和髓质氧的生物利用度(氧合血红蛋白含量)明显升高，发作时髓质R2*降低，而AR恢复后髓质的R2*水平升高。相反，与正常功能移植受体相比，ATN移植受体皮质和髓质氧的生物利用度降低，R2*水平也有相反的表现。
4.6造影剂肾病刘玉品等[31]认为碘对比剂造成的肾脏血流量下降及相应氧分压的减低是对比剂肾脏损害的主要原因。碘对比剂首先引起肾血管的短暂扩张和肾血流量增加，随后出现肾血管长时间收缩，肾脏血管持续收缩引起肾内血流重新分配，导致肾脏髓质缺血缺氧。BOLD及ASL(arterial spin labeling，ASL，动脉自旋标记)技术可以在生理状态下监测这一变化，具有极大的临床应用价值。
4.7急性输尿管梗阻的应用尿路梗阻的病因及病理生理基础：引起泌尿系统梗阻的病因很多，根据其性质可分为机械性梗阻和动力性梗阻。前者是导致泌尿系梗阻的主要原因，指尿路管腔被机械性病变阻塞，如结石、肿瘤、狭窄等。其中输尿管结石导致梗阻最为常见，全世界发病率为5%~15%[32]。输尿管梗阻时，梗阻部分以上压力增高，肾盂积水内压升高，压力经集合管传至肾小管和肾小球，尿路压力逐渐增高到一定程度时，可使肾小球滤过压降低，滤过率减少。如果尿路梗阻不解除，尿液继续分泌，结果肾积水使肾盂内压力持续增高，压迫肾小管、肾小球及其附近的血管，造成肾组织缺血缺氧，肾实质逐渐萎缩变薄，肾容积增高，最后全肾成为一个无功能的巨大水囊。急性完全性梗阻，如输尿管被结扎，肾盂扩张积水常不明显，但肾实质很快萎缩，功能丧失。慢性部分性梗阻常可致巨大肾积水[33]。Anja等[34]对单侧输尿管梗阻大鼠模型进行微电极等有创方法测量肾内氧含量时发现肾髓质的氧张量在梗阻的30min后会下降60%，在不解除梗阻的情况下这种氧张量的改变会一直持续3h。Pedersen等[13]通过对猪单侧输尿管梗阻模型进行BOLD成像及微电极氧含量检测的实验发现在急性梗阻的情况下，肾髓质的氧代谢改变较大，由于耗氧减少，氧供、耗关系失衡，肾髓质的氧含量相对增高，而在解除梗阻1h后，这种表现仍然持续。 Harriet等[35]在对10例急性单侧输尿管结石梗阻患者进行1.5T BOLD MRI检查的过程中发现，远端输尿管结石造成的急性单侧尿路梗阻患者髓质及髓周以及皮质的R2*值降低，表明氧含量减少，而非梗阻侧肾脏较健康肾脏R2*值略增高，表明具有较低的氧含量。分析其原因，急性单侧输尿管梗阻后患侧肾髓质耗氧量减少，氧含量相对升高，同时肾脏血管舒张物前列腺素产物增多，导致肾血流量增多，使肾皮髓质氧含量进一步增高，而非梗阻侧肾脏髓质氧含量有所下降，可以理解为肾小球滤过的代偿性升高，然后肾小管滤过和重吸收升高，最终导致氧消耗的增多。
5BOLD技术的局限性
BOLD MRI也有其自身的不足，例如R2*值受到血容量、血管几何构型和所用射频脉冲参数等因素的影响[36]，不能提供绝对定量的组织氧分压值，不能鉴别氧含量减低的原因(低血供或高耗氧)。但随着MRI软硬件技术的不断更新及完善，BOLD技术可以通过与其他MR序列搭配应用来逐步解决这些不足之处，例如BOLD与ASL的结合便可以进一步解释氧含量减低的原因。总之，BOLD技术能够提供肾脏氧代谢方面信息，有助于了解生理及病理情况下肾脏不同区域氧代谢情况，早期发现单侧肾脏局部血氧水平改变，为临床早期诊断、治疗及预后评估提供新的辅助方法，是一种简单、无创、具有可行性及可重复性的肾脏血氧水平检查方法。
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