0 引言

       衰老是所有生物不得不面对的自然进程，人口老龄化正逐渐成为全球公共卫生的重大挑战。伴随衰老的进展，骨髓微环境的稳态被破坏，骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）成骨分化及软骨分化等表达下降、成脂分化表达上升，导致脂肪细胞积聚，骨量减少，骨和软骨修复能力同时发生下降^[1]，最终引发骨质疏松和骨折风险升高，给医疗资源和经济体系带来沉重的负担^[2]。腰椎是人体的核心中轴骨，其椎体含有丰富的松质骨，是骨髓代谢的活跃部位，亦是发生骨衰老改变的典型部位^[3]。除了骨衰老，一系列研究还表明人体腰椎骨髓脂肪与造血、代谢等密切相关^{[4, 5]}。因此，阐明人体腰椎骨髓脂肪含量伴随增龄的自然变化规律，对骨衰老及骨髓脂肪相关的其他一系列疾病的早期筛查和综合管控均有着重大意义。

       MRI临床应用的技术本质是激发和识别人体内的氢质子，这些氢质子主要存在于水和脂肪组织内。由此可见，使用MRI技术对人体内脂肪组织进行定量研究相较X线或CT等拥有天然的技术优势。磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy, MRS）是人体无创成分定量的“金标准”，但是其采集时间长、操作难度大，且存在单点采集的采样偏差问题。质子密度脂肪分数（proton density fat fraction, PDFF）定量技术成为近年来这一领域国内外学者青睐的热点之一^[6]。该类技术以水和脂肪内部氢质子共振差异为基础，结合化学位移成像和多回波序列技术，加之精密的数学模型校正计算^{[7, 8, 9]}，可以便捷地实现对人体内脂肪组织的精准定量。其中，回声不对称和最小二乘估计的水和脂肪迭代分解-IQ（iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least square estimation-IQ, IDEAL-IQ）技术最早被设计用于脂肪肝的早期定量评估^[10]，近年来亦有一些国内外学者不断深入验证了其脊柱应用场景中的准确性和稳定性^{[11, 12, 13]}。

       国内外现有关于人体椎体骨髓脂肪含量的研究主要针对其一般分布特点^[14]和对骨质疏松的诊断效能^[15]方向，尚缺乏其和增龄直接相关性的全面深入分析。本研究拟纳入较全面年龄跨度的研究样本，深入剖析人体腰椎骨髓脂肪含量与增龄的动态偶联关系，为骨衰老及骨髓脂肪相关疾病的研究提供直接参考和理论框架。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       于2022年3月至2023年6月在淮安市第二人民医院前瞻性纳入研究志愿者135名。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经淮安市第二人民医院伦理审查委员会批准（编号：HEYLL202008），所有受试者均签订知情同意书。收集受试者性别、年龄、身高、体质量信息，计算体质量指数（body mass index, BMI）。按照10岁间隔将受试者分成30+~70+组。

       纳入标准：（1）年龄30~79周岁；（2）意识清晰，行动自如。排除标准：（1）椎体内存在较大的无法避开的脂肪块；（2）存在椎体肿瘤、结核、急性或陈旧性骨折，或存在较为严重的脊柱侧弯畸形；（3）患有甲状旁腺功能障碍、糖尿病、血液病、慢性肝病或肾病、恶性肿瘤或骨代谢疾病；（4）近一年来长期使用影响骨代谢的药物；（5）存在磁共振检查禁忌证。

       样本量估算采用PASS 15（NCSS, Kaysville, Utah, USA）软件，设置Power=0.90、α=0.05，根据预实验结果估算，男性每年龄分层样本量至少为10例，女性每年龄分层样本量至少为3例。本研究样本量满足观察到效应量的预期。

1.2 IDEAL-IQ序列扫描参数

       所有受试者均于淮安市第二人民医院使用GE Discovery 750w 3.0 T磁共振扫描仪进行基于腰椎MRI的IDEAL-IQ序列检查，使用8通道CTL脊柱线圈。主要扫描参数：Scan Plane=Sagittal，FOV=32 cm×32 cm，TE=Minimum Full，TR=Auto，Slice Thickness=8 mm，Flip Angle=3°，Bandwidth=83.33 Hz。

1.3 数据测量

       使用后处理工作站AW4.6分析IDEAL-IQ序列扫描后自动生成的脂肪定量序列图像，选择能清晰显示棘突的椎体正中矢状断层，沿着椎体的外边界尽可能包括最大骨髓面积进行手动标记，避开混淆结构，如清楚显示的骨皮质和血管，测量L1~L5椎体各自的脂肪分数（fat fraction, FF），分别记录为FFL1~FFL5，计算所有椎体FF的平均值，记录为FFA。数据测量由一名具有17年诊断经验的放射科副主任医师完成，每椎体FF测量两次取其均值，对受试者编号外的其他信息应用盲法。腰椎FF测量标记示意见图1。

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图1  腰1~5椎体骨髓脂肪含量测量标记示例（白线）。选择能清晰显示棘突的正中矢状断层，沿着椎体的外边界尽可能包括最大骨髓面积进行手动标记，注意避开混淆结构。
Fig. 1  Demonstration of region of interest (ROI) labeling for measuring bone marrow fat content in lumbar vertebrae 1 to 5. The mid sagittal slice of the vertebral body was selected and ROIs were manually labled along the outer boundary of the vertebral body, including the maximum bone marrow area as much as possible, while avoiding heterogeneous structures.

1.4 统计学分析

       选择IBM SPSS Statistics 26（IBM, Armonk, NY, USA）软件，符合正态分布的计量资料用均值±标准差表示，年龄组间FF变化量以均值差值[95%置信区间（confidence interval, CI）]表示。采用组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）评估FF两次测量结果的一致性；采用单因素方差分析及卡方检验比较定量及计数资料随年龄分层的变化趋势；采用独立样本及配对t检验分别比较脂肪含量在性别组间和组内的差异；脂肪含量与年龄之间的相关关系采用偏相关分析。双侧P<0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

       共纳入受试者135例，其中男67例，年龄32~79岁，女68例，年龄30~78岁。各年龄组间受试者的年龄、BMI差异有统计学意义（P<0.05），性别、身高、体质量差异无统计学意义（P>0.05）。详见表1。

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表1  受试者一般资料
Tab. 1  General information of enrolled subjects

2.2 测量一致性分析

       L1~L5椎体FF两次测量的观察者内ICC分别为0.972、0.975、0.981、0.977、0.973，P均<0.001，提示一致性良好。

2.3 全年龄段受试者腰椎骨髓脂肪含量分析

       对于男女性受试者总体人群而言，L1~L5椎体单个骨髓脂肪含量及FFA组间差异均无统计学意义（均P>0.05），同性别FFL3较FFA差异无统计学意义（配对t检验，P>0.05），说明L3椎体对于整体腰椎脂肪含量亦具有良好的代表性（表2）。

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表2  男女总体腰椎骨髓脂肪含量比较
Tab. 2  Comparison of overall lumbar bone marrow fat content between males and females (%)

2.4 经年龄分割后受试者腰椎骨髓脂肪含量分析

       经年龄分割后，男女性FFL3及FFA均表现出随增龄而增加的趋势（均P<0.05）；男女组间上述2个指标比较均表现为差异在50+组、70+组无统计学意义（均P>0.05），30+组及40+组男性高于女性、60+组男性低于女性（均P<0.05）。两两比较显示，男性受试者FFA水平70+组较60+组出现了快速增长（P=0.009），而女性FFL3及FFA则在50+、60+组较前一年龄组出现快速增长（均P<0.001）、70岁后增速相对减缓（P=0.215、0.284），男性L3及腰椎平均FF随增龄的变化趋势一致、但统计分析结果略有差异（表3、表4、图2）。

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图2  男女性受试者腰椎平均骨髓脂肪含量随增龄的变化趋势比较。与前一年龄组比较，女性50+、60+组FFA快速升高（P<0.001），70+组增速减缓（P=0.284），男性则在70+组陡增（P=0.009）。
Fig. 2  Comparison of the trend of changes in average bone marrow fat content of lumbar vertebrae with age in male and female subjects. Compared with the previous age group, the FFA of females in the 50+ and 60+ groups increased rapidly (P < 0.001), while the growth rate slowed down in the 70+ group (P = 0.284). For males, there was a sharp increase in the 70+ group (P = 0.009).

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表3  不同年龄组受试者L3椎体骨髓脂肪含量比较
Tab. 3  Comparison of L3 vertebral bone marrow fat content among subjects of different age groups

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表4  不同年龄组受试者腰椎平均骨髓脂肪含量比较
Tab. 4  Comparison of average vertebral bone marrow fat content among subjects of different age groups

2.5 男女性受试者腰椎骨髓脂肪含量与增龄的相关性分析

       偏相关分析显示，在校正了BMI的影响后，男性FFL3及FFA与年龄呈中度线性正相关（r=0.516、0.553，P=0.002、<0.001），而女性呈强线性正相关（r=0.777、0.780，均P<0.001）。

       值得注意的是，在不考虑70+岁人群时，男性FFL3及FFA与年龄的相关性下降，仅呈弱相关（r=0.311、0.294，P=0.021、0.029）。

3 讨论

       本研究针对30~79岁自然衰老人群，运用磁共振IDEL-IQ技术对腰椎FF进行定量测量，挖掘不同性别受试者腰椎骨髓脂肪含量在不同年龄组间的不同变化规律，分析其与年龄的动态偶联关系。结果显示，对于全年龄段受试者而言，男女性腰椎FF随增龄均出现了升高，其与年龄均存在密切的线性正相关，在女性人群中表现得尤为明显；女性腰椎FF在50岁后出现了快速升高、70岁后增速变缓，而男性在70岁后才出现快速升高。为今后利用腰椎FF指标研究骨衰老及骨髓脂肪相关疾病提供了直接参考和理论框架。

3.1 人体腰椎骨髓脂肪一般分布特征及骨衰老相关研究

       李宇等^[16]、叶佩佩等^[17]的研究显示，人体腰椎骨髓FF在不同年龄组间、不同椎体间差异存在统计学意义，表现为随着年龄增长逐渐增高、从上到下逐渐增高，揭露了人体腰椎骨髓脂肪含量的一般分布特点，与本研究结果基本一致。

       骨衰老最常见且重要的表现即骨质疏松，目前该疾病诊断的“金标准”仍为双能X线吸收测定法（dual-energy X-ray absorptiometry, DXA）。国内外多项研究表明，人体腰椎骨髓FF与DXA确诊的骨质疏松密切相关^{[18, 19, 20]}，显示出近年来国内外学者对于MRI脂肪定量技术用于骨质疏松诊断的热情。但是，一方面，除了存在辐射损伤，DXA还有软组织分辨力低、图像二维重叠的技术壁垒^[21]；另一方面，从底层技术架构角度考虑，PDFF能够对应骨髓伴随增龄的功能和状态改变，如由红骨髓向黄骨髓转变的脂肪化过程和骨微结构退化后脂肪组织的代偿性填充^[22]。所以其理论上能同时反映骨量和骨质量的变化，对于骨衰老、骨强度的评估效能应该优于DXA，而仅使用PDFF来评估DXA诊断的骨质疏松可能意义并不大。LEE等^[23]的研究即显示，使用腰椎CT值来评估经DXA确诊的骨质疏松效能高于PDFF。TANG等^[24]的研究亦显示，相较于DXA技术的面积骨密度（bone mineral density, BMD）值，PDFF指标与定量CT的体积BMD值相关性更强。

3.2 人体腰椎骨髓脂肪含量与增龄的动态偶联关系

       ZHOU等^[25]的研究显示，对于全年龄段男女性人群，性别组间腰椎FF差异无统计学意义，而50岁以上男性群体腰椎FF显著高于50岁以下者，绝经后女性群体腰椎FF显著高于绝经前。张伟等^[26]研究显示，50+年龄组男女性腰椎FF相当，50岁以下人群中男性腰椎FF显著高于女性，而60岁以上男性显著低于女性。本研究结论与上述研究基本一致，揭示了人体腰椎FF伴随增龄的一般变化规律。但是本研究队列年龄跨度相对更宽，通过深入分析较全面总结出如下发展规律：对于全年龄段人群总体而言，男女性L1~L5椎体单个及平均FF水平相当；50岁前男性腰椎FF高于女性，50岁后女性腰椎FF迅速升高，导致50+组间差异不显著，60+组女性腰椎FF高于男性；而在70岁后男性腰椎FF亦出现迅速升高、女性腰椎FF增速放缓，导致组间差异再次不显著。这提示我们女性50岁和男性70岁可能是各自骨衰老进程的重要拐点，在进行相关研究时应给予特别重视。

       多项研究显示，女性自然绝经年龄为50岁左右，这一生理现象伴随着卵巢功能和雌激素水平的急剧下降^{[27, 28]}。一项大样本荟萃分析显示，睾酮水平在17~70岁男性中的变化几乎忽略不计，70岁后则出现明显下降^[29]，反映男性70岁后睾丸功能亦出现了急剧下降。不管是男性还是女性，性激素水平下降都将导致骨代谢失稳，引起成骨分化向成脂分化倾斜，这一观点已被医学界广泛认可^{[30, 31, 32]}。相关的机制研究亦比较丰富，如雌二醇可以通过下调miR-19b-3p和上调H19，促进BMSCs成骨分化和抑制其成脂分化，改善骨质疏松^[33]；而雄激素/雄激素受体可诱导TNSALP和SIBLING基因家族表达以及IGFBP3的表达，促进BMSCs成骨分化和抑制其成脂分化^[34]。此外，MITCHELL等^[35]的研究还发现，衡量人体造血干细胞或多能祖细胞克隆多样性的Shannon指数在70岁后亦呈急剧下降，揭示了造血干细胞伴随自然衰老的功能退化。上述三项研究从侧面佐证了本研究结果，可能解释了本研究中女性50岁后、男性70岁后腰椎FF出现快速增长的原因，也提示了人体腰椎FF能够精准反映不同性别人群增龄所伴随的性激素水平和造血干细胞功能等变化的潜力。

       此外，本研究还发现，对于全年龄段男女性人群，腰椎FF与增龄呈中度至强相关，这与MORRIS等^[36]的研究一致。但是对于70岁以下男性群体，两者相关性出现下降。这还提示我们，在进行脊柱脂肪定量相关研究时，除了要注意区分男女性群体，也要注重纳入尽可能多的高龄群体样本，否则可能形成抽样偏倚。

3.3 局限性

       本研究存在如下的局限性：首先，本研究各年龄分层样本量仍相对较小，可能导致本研究代表性不充足；其次，在测量腰椎骨髓脂肪含量时只选用正中矢状断层，可能导致抽样偏差；第三，只分析了骨髓脂肪含量与增龄的相关性，没有纳入激素指标、骨代谢指标等进行统筹分析，可能高估了两者间的关系。后续仍有必要扩大样本、采用容积测量的方法并且直接纳入更多的临床指标共同分析，以进一步验证本研究结论。

4 结论

       本研究较为清晰地阐明，男女性腰椎骨髓脂肪含量随增龄的变化趋势有所不同，女性腰椎FF在50岁后出现了快速升高、70岁后增速变缓，而男性在70岁后才出现快速升高，两者均与增龄密切相关，为骨衰老和骨髓脂肪相关疾病的研究提供了参考。