0 前言

       目前，我国是糖尿病（diabetes mellitus, DM）患者数最多的国家，而糖尿病肾病（diabetic nephropathy, DN）是2型DM最常见的并发症，也是终末期肾病的首位原因，其致残、致死率高^{[1, 2]}。肾穿刺活检为确诊的金标准，但为有创性操作，无法作为常规检查。临床上对DN的诊断主要依据尿白蛋白/肌酐比值（urinary albumin to creatinine ratio, UACR）的增加和（或）估算肾小球滤过率（estimated glomerular filtration rate, eGFR）的下降，并以此作为DN患者调整治疗方案及增减监测次数的依据^[3]。然而，检测结果极易受运动、感染、血糖及血压等身体状态的影响，加之肾脏自身强大的代偿作用，对早期肾功能损伤的敏感性不足^{[4, 5]}。因此，有必要从DN的发病机制出发，寻找一种更为准确、敏感的方法，通过评估肾脏损伤早期组织微结构的改变，指导临床采用更具有针对性的治疗，逆转或延缓DN的进程。

       研究表明，慢性缺氧是DN发生、发展的重要原因^{[6, 7, 8]}。BOLD-fMRI以脱氧血红蛋白作为内源性对比剂，能无创检测活体组织内的氧合变化，其定量指标R2^*值与氧分压成反比^{[9, 10]}。近年来，BOLD-fMRI在DN的研究逐步增多^{[11, 12, 13]}，对早、中晚期DN的对比研究居多^{[14, 15, 16]}，发现早期DN患者的肾脏即可发生中晚期DN的病理学改变，出现不可逆的损伤。推测DM在进展至早期DN之前，可能存在一段没有明显肾病体征及症状的静默期，探究该时期的肾脏组织微结构损伤，有助于在更早的时间进行干预治疗。对比单纯DM与早期DN肾脏氧合变化的研究中，结果不完全一致，FENG等^[17]、WEI等^[18]发现仅髓质R2^*值存在差异，表现为尿蛋白正常的DM组高于正常对照及微量蛋白尿的早期DN组，指出DM患者在进展至DN之前即可出现髓质缺氧的改变；而夏璞^[19]、郭永榜等^[20]的研究中则发现皮、髓质R2^*值均存在差异，即DM患者皮、髓质的氧合水平均减低。由于皮、髓质缺氧的发病机理不同，临床采取的干预措施也有所差异：当皮质发生缺氧改变时，此时不建议将血压控制太低，防止去除高滤过状态导致肾脏血流灌注不足，而加速肾脏损害；而针对髓质缺氧，可采取选择性应用抑制近端小管重吸收的降糖药物加以干预^[21]。我院作为DM特色医院，设有独立的DN专科，明确DM患者早期的肾脏氧合变化，对于指导临床治疗具有重要意义。

       综上，本研究拟对2型DM患者的肾脏进行BOLD-fMRI扫描，对比单纯DM及早期DN患者的肾脏氧合水平，探讨其评估DM患者早期肾脏功能损害的价值。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究所有2型DM患者均经天津医科大学朱宪彝纪念医院DN科确诊。纳入标准：（1）符合中国2型糖尿病防治指南提出的诊断标准^[22]；（2）符合中国糖尿病肾脏疾病防治临床指南^[23]。排除标准：（1）合并恶性肿瘤；（2）合并较大囊肿（如肾内直径＞3 cm）；（3）图像质量不符合测量条件。选择同期于院内进行健康体检且年龄、性别匹配的健康志愿者作为正常对照（normal control, NC）。入组标准：（1）无高血压、DM等慢性疾病史；（2）无泌尿系疾病病史；（3）血常规及肝肾功能正常。排除标准：（1）存在MRI检查禁忌证；（2）合并恶性肿瘤、较大囊肿；（3）图像质量不符合测量条件。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，通过天津医科大学朱宪彝纪念医院医学伦理委员会批准（批准文号：ZXYJNYYKMEC2023-2），所有入组志愿者知情同意，检查完毕口头告知影像结果或出具非正式性影像报告。

       共回顾性收集2021年6月至2022年8月就诊的2型DM患者55人，其中男35人，女20人，年龄31～73岁，中位年龄57.00岁。按UACR值分为两组：（1）单纯DM组，UACR＜30 mg/g，共27人；（2）早期DN组，30 mg/g≤UACR≤300 mg/g，共28人。NC组入组30例，男、女均为15人，年龄30～70岁，中位年龄53.50岁。

1.2 检查方法

       采用3.0 T MRI扫描仪（Ingenia 3.0 T CX, Philips Healthcare, Best, 荷兰），32通道相控阵体线圈。临检前需禁食、禁水4 h。对受试者进行呼吸训练后再进行扫描。仰卧位，头先进，双手放于身体两侧，在腹部呼吸动作最大的部位放置呼吸门控，并固定腹带。行T1WI、T2WI、BOLD-fMRI扫描。T1WI序列参数：横断位，TR 3.60 ms，TE 1.31 ms，FOV 400 mm×350 mm，层厚4.0 mm，层间距1.0 mm；T2WI序列参数：横断位，TR 581.00 ms，TE 80.00 ms，FOV 330 mm×376 mm，层厚4.0 mm，层间距1.5 mm；BOLD-fMRI序列参数：冠状位，平面回波序列，5个回波时间，TR 84.00 ms，TE 2.30、11.50、20.70、29.90、39.10 ms，层厚5.0 mm，层间距5.0 mm，FOV 200 mm×400 mm，矩阵68×131，分4次吸气后屏气完成采集，单次屏气时间15 s。

1.3 图像处理

       将BOLD-fMRI原始图像导入Philips后处理工作站，生成R2^*、R2^*伪彩图，选取肾门或近肾门的最大冠状位层面，调节合适的窗宽、窗位，使肾脏皮、髓质显示清晰，参照R2^*图绘制一个5～20 mm²的感兴趣区（region of interest, ROI），复制此ROI，分别于每侧肾脏皮、髓质的上、中、下极各放置2个ROI（图1），尽量避开肉眼可见的血管、肾窦脂肪。所有数据由2名具有5年腹部MRI诊断经验的主治医师采用双盲法完成，取2名医师所测双肾皮、髓质R2^*的平均值进行统计分析，分别以CR2^*、MR2^*表示，并计算髓质/皮质R2^*比值（R2^* ratio between medulla and cortex, MCR），以减少外界因素对R2^*值的影响。

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图1  感兴趣区（ROI）的选取。1A：R2^*图；1B：R2^*伪彩图。右肾代表皮质ROI，左肾代表髓质ROI。
Fig. 1  Selection of region of interest (ROI). 1A: R2^* image; 1B: Pseudo-color R2^* image. Right is cortex ROI; Left is medulla ROI.

1.4 统计学分析

       采用SPSS 19.0软件进行数据处理。应用组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）对2名医生的测量结果进行一致性检验，若数据一致性良好（即ICC≥0.75），取二者的平均值继续进行分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，不符合正态分布的以中位数±四分位数间距表示。分类变量采用卡方检验。连续变量符合正态分布的两组间比较采用独立样本t检验，三组间比较采用带Bonferroni检验的单因素方差（ANOVA）分析；不符合正态分布的两组间比较采用Mann-Whitney U检验，多组间比较采用Kruskal-Wallis检验。绘制ROC曲线，以曲线下面积（area under the curve, AUC）评估诊断效能，检验NC组与单纯DM组、单纯DM组与早期DN组之间的差异是否有意义。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

       该研究共入组2型DM患者55例，其中单纯DM组27例，早期DN组28例；正常对照组30例。三组的年龄、性别及体质量指数（body mass index, BMI）差异无统计学意义（P＞0.05）。单纯DM组与早期DN组临床指标比较，结果显示：两组UACR、eGFR和血肌酐（serum creatinine, SCr）差异有统计学意义（P＜0.05），血尿素氮（blood urea nitrogen, BUN）、尿酸（uric acid, UA）、血红蛋白（hemoglobin, HGB）、糖化血红蛋白（glycosylated hemoglobin, HbA1c）差异无统计学意义（P＞0.05），详见表1。

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表1  一般信息比较
Tab. 1  Characteristics of the subjects

2.2 测量数据一致性检验

       2名医师测得的左、右肾皮、髓质R2^*值一致性良好（ICC均＞0.75），详见表2。

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表2  2名医师的组内相关系数（ICC）的检验值
Tab. 2  The intra-class correlation coefficients (ICC) test values of two observers

2.3 左右肾皮、髓质R2*值比较

       所有数据均符合正态分布。配对t检验结果显示：NC组、单纯DM组及早期DN组内皮、髓质R2^*值于左、右肾之间差异无统计学意义（P＞0.05），详见表3。

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表3  皮、髓质R2^*值左右侧别间比较
Tab. 3  Comparison of cortex and medulla R2* value in left-right renal

2.4 组内CR2*值、MR2*值比较

       独立样本t检验结果显示：NC组、单纯DM组及早期DN组内MR2^*值均明显高于CR2^*值（P均＜0.01），详见表4。

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表4  NC组、单纯DM组及早期DN组内CR2^*、MR2^*值比较
Tab. 4  Comparison of CR2*, MR2* values among HC, DM and early DN groups

2.5 组间CR2*值、MR2*值及MCR比较

       单因素方差分析结果显示：CR2^*值在NC组、单纯DM组及早期DN组三组间差异无统计学意义（P＞0.05）；MR2^*值和MCR差异有统计学意义（P均＜0.01），两两比较，可见单纯DM组的MR2^*值和MCR较NC组、早期DN组均明显升高（P均＜0.01），而早期DN组与NC组间各参数值差异无统计学意义（P＞0.05），详见表5。

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表5  NC组、单纯DM组及早期DN组间CR2^*值、MR2^*值及MCR比较
Tab. 5  Comparisons of CR2*, MR2* values and MCR among HC, DM and early DN groups

2.6 NC组与单纯DM组、单纯DM组与早期DN组ROC曲线分析

       三组间差异有统计学意义的指标（MR2^*值和MCR）进一步行ROC曲线分析。MR2^*值、MCR鉴别NC组与单纯DM组的AUC分别为0.884（95% CI：0.802～0.966）和0.802（95% CI：0.690～0.915），敏感度分别为92.6%和96.3%，特异度分别为66.7%和53.3%，最佳诊断阈值分别为32.95 s^-1和1.78；MR2^*值、MCR鉴别单纯DM组与早期DN组的AUC分别为0.819（95% CI：0.707～0.931）和0.759（95% CI：0.630～0.889），敏感度分别为92.6%和96.3%，特异度分别为60.7%和53.6%，最佳诊断阈值分别为32.95 s^-1和1.77。两个指标联合（CR2^*+MCR）鉴别NC组与单纯DM组的AUC为0.891（95% CI：0.811～0.971），敏感度与特异度分别为77.8%和83.3%；联合鉴别单纯DM组与早期DN的AUC为0.824（95% CI：0.714～0.934），敏感度与特异度分别为77.8%和78.6%。各指标在诊断效能上差异无统计学意义（P＞0.05）。见图2。

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图2  MR2^*、MCR及MR2^*+MCR的ROC曲线分析。2A：NC组vs 单纯DM组；2B：单纯DM组vs 早期DN组。NC：健康对照；DM：糖尿病；DN：糖尿病肾病；CR2^*：双肾皮质R2^*均值；MR2^*：双肾髓质R2^*均值；MCR：髓质/皮质R2^*比值。
Fig. 2  Analysis of receiver operating characteristics of MR2^*, MCR and MR2^*+MCR. 2A: NC group vs. DM group; 2B: DM group vs. early DN group. NC: normal control; DM: diabetes mellitus; DN: diabetic nephropathy; CR2^*: cortical R2^*; MR2^*: medullary R2^*; MCR: MR2^*/CR2^*.

3 讨论

       本研究应用BOLD-fMRI技术，以CR2^*、MR2^*值及MCR作为定量指标，分别反映皮、髓质氧合及皮髓质氧梯度差，比较各参数值在NC组、单纯DM组及早期DN组间的变化特点。研究发现单纯DM组MR2^*值、MCR显著高于NC组和早期DN组，两个指标在鉴别单纯DM组与NC组及单纯DM组与早期DN组之间均具有较好的诊断效能，提示BOLD-fMRI可弥补临床实验室检查的不足，于DM患者正常蛋白尿期即可监测到肾脏髓质的功能性缺氧改变，并从氧合水平区分DM患者早期不同程度的肾功能损害，为指导临床早期干预、缓解肾功能恶化提供一定的参考价值。

3.1 BOLD-fMRI相关参数评估DM早期肾脏损害的临床意义

3.1.1 肾脏皮、髓质R2*值比较分析

       本研究显示NC、单纯DM及早期DN各组内MR2^*值均高于CR2^*值，表明肾髓质较皮质氧合减低，符合肾髓质生理性缺氧状态，与既往研究结果^[24]一致。肾脏的氧合水平依赖于肾生理结构的精细协调，主要体现在供氧与耗氧之间的平衡。其中供氧主要来自于动脉血的血流量和携氧能力，而耗氧主要用于肾小管的主动重吸收过程^[25]。肾皮质的血流量明显高于肾髓质，占比分别约为94%、6%，尿液重吸收主要发生在肾小管的近曲小管，是逆浓度梯度进行的，具有高耗氧性^[26]。

3.1.2 不同组间皮质R2*值的比较分析

       本研究显示NC、DM及DN三组间CR2^*值差异无统计学意义，这与FENG等^[17]研究结果一致。可能的原因是：（1）肾脏皮、髓质血流灌注存在较大异质性，流经肾脏的血流约90%灌注至肾皮质，故皮质的氧合状态相对较高^[27]；（2）肾脏皮质氧分压（约50 mmHg）明显高于髓质氧分压（约10～20 mmHg），在血红蛋白氧解离曲线中，皮质较髓质上升平缓^[28]，因此较小的氧分压变化不足以引起肾皮质脱氧血红蛋白浓度的明显改变，而不易被BOLD-fMRI观察到。

3.1.3 不同组间髓质R2*值的比较分析

       本研究显示单纯DM组MR2^*值显著高于NC组和早期DN组，而单纯DN组与NC组的MR2^*值接近，提示DM患者在正常蛋白尿期即可发生肾髓质缺氧改变，而当临床出现微量蛋白尿进展至早期DN时，髓质氧合水平可降至接近正常，与WEI等^[18]研究结果一致，而YIN等^[29]研究发现单纯DM和早期DN组的MR2^*值增高，但两者间差异没有统计学意义，与本研究结果不同，可能是由于分组依据不同所致。本研究结果可能的机制是：（1）DM早期肾小球超滤，受肾小球-肾小管反馈作用，髓质肾小管重吸收负荷加重，其中近端小管钠-钾腺苷三磷酸酶、钠-葡萄糖协同转运蛋白等均具有氧依赖性，导致肾小管功能性缺氧^[30]；（2）随着病程进展，肾小球节段性或整个硬化，高滤过状态得以改善，受肾小球血流和滤过性性状的改变，肾小管上皮细胞发生变性，相应肾小管萎缩或消失，肾间质发生纤维化，肾小管重吸收能力下降，肾髓质低氧状态逐渐得以缓解^[31]。由此可见，临床以微量白蛋白尿的出现作为诊断DN的最早临床指标是存在不足的，DM患者肾功能的下降并不总是伴随蛋白尿的增加，在微量蛋白尿出现之前，可能会出现一段时间的静默期，没有明显的肾病临床体征和症状，MR2^*值可发现DM患者早期肾髓质功能性缺氧的改变，可能是预测早期DN的更敏感的指标，若临床能在该时期针对髓质缺氧的机制予以干预，如使用钠-葡萄糖协同转运蛋白抑制剂等降低氧耗，可能会逆转、延缓DN的进程，后续计划与肾病科合作进行治疗前后的对比研究，验证这一观点。

3.1.4 不同组间髓质/皮质R2*的比较分析

       为消除个体差异的影响，本研究还进一步比较了三组间髓质/皮质R2^*（即MCR）的差异，该指标可直观反映肾脏内皮髓质的氧梯度差，结果显示单纯DM组MCR显著高于NC组和早期DN组，而早期DN组与NC组的MCR接近，即随病程进展，皮髓质的氧梯度差呈先升高后下降的动态变化。YIN等^[29]以Mogensen分期作为分组依据，发现DM引起的慢性肾病早期阶段（Ⅰ～Ⅲ期）MCR显著升高，晚期阶段（Ⅳ～Ⅴ期）MCR显著下降，并发现在MCR下降后，eGFR持续降低，开始出现大量蛋白尿，提示肾功能在MCR逆转后出现恶化。WEI等^[18]以UACR作为分组依据，发现自DⅡ组（30＜UACR≤300 mg/g）MCR出现下降趋势，DⅢ组（UACR＞300 mg/g）下降幅度更为明显，显著低于正常对照组及DⅠ组（UACR≤30 mg/g）。本研究结果与上述结果基本一致。动物研究^{[32, 33]}中结合病理结果发现，在肾小球系膜细胞显著增加、基底膜增厚、肾小球结节性硬化的阶段出现MCR逆转下降。因此，临床出现MCR的逆转，需警惕肾功能出现不可逆转的损伤，通过监测MCR的变化，可能为临床DN预后的判断提供依据，后续研究中计划在此基础上纳入临床DN期患者，以更准确地评价MCR随病程变化的趋势。

3.1.5 各参数的诊断效能分析

       本研究对以上差异有统计学意义的指标（即MR2^*值、MCR）进行ROC曲线分析，结果显示两个指标在区分NC组与单纯DM组及单纯DM组与早期DN组时AUC值均达到0.7～0.9之间，具有一定的准确性。单独对比两个指标在分辨NC组与单纯DM组及单纯DM组与早期DN组时，MR2^*值、MCR具有较高的敏感度，均在90%以上，而二者的特异度较差；两个指标联合无论在鉴别NC组与单纯DM组还是单纯DM组与早期DN组时，特异度较单独比较时均有所提高，但仍在85%以下，敏感度均较前下降。总体来看，BOLD-fMRI定量参数的敏感度较高，有望成为临床上能敏感评估不同程度肾功能损害的方法，有利于临床对DN的病情监测。

3.2 本研究的局限性

       本研究尚存在一定不足：首先，本研究重点探究的是2型DM患者早期肾脏损伤的改变，仅分析了无或微量蛋白尿期的肾脏氧合变化，未纳入大量蛋白尿期的临床DN患者；其次，本研究以UACR分组，未特别观察eGFR对DN的影响；最后，本研究样本量较小，后续研究中尚需加大样本量，进一步细化分组，采用多模态fMRI，以更好地探究DM患者早期肾脏组织微结构的改变，并解释其机制。

4 结论

       综上，BOLD-fMRI可以从氧合水平无创评估DM患者早期的肾脏损害，且对髓质氧分压的变化较皮质敏感，在临床尚未出现微量蛋白尿阶段即可监测到肾脏髓质的功能性缺氧改变，并可区分DM患者早期不同程度的肾功能损伤，为临床早期诊断、进行更具有针对性的治疗提供依据，有助于改善患者的预后。