在7T磁场下使用氧增强磁共振成像（MRI）评估大鼠肺部功能变化的可行性

氧增强MRI通过T1映射技术评估急性肺损伤模型中肺氧合功能，发现炎症区域氧响应受损且B1+场校正有效降低误差。

　　

Dmitrii B. Lebedev | Mikhail V. Gulyaev | Yury A. Pirogov

莫斯科国立罗蒙诺索夫大学物理学院，俄罗斯莫斯科 119991

摘要

氧增强（OE）磁共振成像（MRI）为评估肺功能提供了一种非侵入性方法。由于呼吸运动的快速性、肺组织固有的短T₂*时间以及其对磁场不均匀性的敏感性，其在临床前模型中的应用面临挑战。通过使用标准径向脉冲序列和超短回波技术，结合强大的T₁映射技术（包括B₁⁺场校正），可以很大程度上克服这些限制，从而确保区域氧合的准确量化。在本研究中，我们应用了双角度方法（DAM）来校正不同翻转角度（VFA）T₁映射中的B₁⁺场不均匀性。使用3D超短回波时间（UTE）序列获取肺部图像，能够在环境空气和吸入95% O₂的情况下评估区域T₁值。研究对象包括健康对照组大鼠和通过气管内注射脂多糖（LPS）诱导急性肺炎症的动物。与对照组相比，LPS处理动物的肺实质基线T₁值更高，且肉眼可见的炎症区域T₁值下降幅度最大。吸入95% O₂后，所有组的T₁值均下降，但LPS处理动物的相对降低幅度小于对照组，炎症区域的降低幅度最小，这表明其区域氧响应能力受损。这些结果证明了OE MRI在检测由炎症引起的肺部局部功能障碍方面的可行性。

引言

肺部疾病仍然是全球发病率和死亡率的主要原因之一。根据最新研究，包括慢性阻塞性肺疾病（COPD）和哮喘在内的慢性呼吸系统疾病影响着数亿人，其中COPD是全球主要的死亡原因之一[1]。此外，COVID-19大流行导致了伴有肺部并发症（如纤维化和通气障碍）的新冠后综合征病例增加[2]。这突显了不仅需要对肺部结构进行评估，还需要对其功能进行评估的紧迫性。

目前有多种技术可用于评估肺功能。肺功能测定（spirometry）仍是测量通气功能的临床金标准，但它只能提供全局信息而无法实现空间分辨率[3]。计算机断层扫描（CT）可以提供高分辨率的结构图像，并通过不同充气状态下的扫描图像配准来估计区域通气情况，但它涉及电离辐射且对肺部充气状态敏感[4]。极化气体MRI可以直接显示区域通气和微结构，但需要专用设备和贵重气体[5]。最近，3D磁共振（MR）肺功能测定可以在自由呼吸状态下评估局部通气情况，并提取描述区域机械行为的新指标[6]。然而，这些技术在侵入性、空间覆盖范围、可用性或复杂性方面都存在局限性。

氧增强（OE）MRI作为一种非侵入性替代方法，能够提供关于肺部氧合和功能的空间分辨信息[7]。该技术基于分子氧的顺磁特性，这些特性可以调节MR信号，从而区分不同氧含量的肺部区域。在一些研究中，采用简单的信号减法方法来可视化氧诱导的变化[8]、[9]。然而，这些方法不具备定量性，并且容易受到呼吸运动、基线信号变化和B₁⁺场不均匀性的影响。

为了更准确和可重复地评估区域肺氧合情况，通常首选定量T₁映射技术[11]。该方法利用分子氧的顺磁特性来缩短氢核的纵向弛豫时间（T₁）。通过比较在呼吸室内空气和高浓度O₂时的T₁测量值，OE MRI可以了解不同肺部区域的氧合效率[12]。由于这些测量的准确性直接依赖于精确的T₁量化，因此仔细的T₁映射对于获得可靠的OE MRI结果至关重要。

T₁映射通常使用反转恢复（IR）[12]、Look-Locker（LL）[13]和饱和恢复（SR）[14]等技术进行。这些方法提供了可靠的T₁量化，并已在临床研究中成功应用于评估哮喘[15]和间质性肺病[16]等肺部状况，显示出与其他功能性成像方法（包括极化气体MRI和计算机断层扫描）的潜力。然而，并非所有生理或病理过程都可以在人类身上直接研究，因此小型实验动物的临床前模型至关重要。

在啮齿动物中，由于肺部体积小、呼吸运动快以及容易受到伪影的影响，准确的T₁量化较为困难。此外，在超高磁场下，射频（RF）不均匀性会增加，从而降低测量的可靠性。为了校正B₁⁺场不均匀性，通常采用双角度方法（DAM）[17]等简单技术。其他用于计算B₁⁺场映射的方法，如实际翻转成像（AFI）[18]（利用两个不同TR的双稳态信号）和Bloch-Siegert位移方法[19]（施加非共振脉冲并获取具有相反偏移频率的图像），虽然更为复杂，但也常被使用。对于T₁映射，变量TR（VTR）[20]和变量翻转角度（VFA）[21]等技术在高场MRI设置中因其效率较高而常被采用。

临床前研究主要集中在小型实验动物上，尤其是小鼠，大多数实验在4.7T磁场下进行[22]、[23]、[24]。这些模型中的结果并不一致：一些研究显示在100%氧气呼吸条件下T₁显著下降（约18–21%）[22]，而其他研究则观察到微小变化（约4.5%）[23]或没有变化[24]。此外，患病小鼠与健康小鼠之间的氧合水平没有显著差异[25]。相比之下，大鼠模型中的OE MRI研究非常有限，只有一项研究报道在3T磁场下T₁平均下降了23%[26]。

重要的是，迄今为止，尚未有研究在肺部炎症的动物模型中应用OE MRI，因此其在这一病理生理相关背景下的可行性尚未得到探索。为了解决这一空白，我们选择了急性肺损伤（ALI）及其严重形式——急性呼吸窘迫综合征（ARDS）作为模型，后者其特征是肺泡弥漫性损伤、上皮和内皮细胞丢失以及富含蛋白质的渗出液渗入肺泡空间[27]。

诱导ARDS的一种成熟方法是注射脂多糖（LPS）。由于其简便性，气管内注射被广泛用于大鼠ALI和ARDS的建模[28]、[29]、[30]。LPS激活肺泡巨噬细胞并促使中性粒细胞浸润并产生额外的细胞因子，从而引发和放大炎症反应。ARDS的发展过程包括渗出期（肺泡弥漫性损伤、间质增厚和凝血级联反应激活），随后是增生期（肺泡上皮细胞增生和间质纤维化），以及可能的纤维化阶段[31]。

在这项概念验证研究中，我们旨在评估在7T磁场下使用定量T₁映射技术评估LPS诱导的急性炎症大鼠模型的区域肺功能的可行性。

章节片段

动物模型

本研究使用了六只体重约为350克的成年雄性Wistar大鼠，分为两组：完整对照组（n = 3）和实验性诱导急性肺炎症组（n = 3）。动物来自俄罗斯科学院医学与生物学问题研究所的繁殖设施。所有实验程序均获得了当地生物伦理委员会的批准（2023年2月9日，协议编号2）。

急性肺炎症的诱导

最初，动物通过腹腔麻醉进行...

体外MRI研究

图1显示了鸟笼式RF线圈内B_1n⁺场的空间分布。B_1n⁺场图显示肺区域内存在中等程度的不均匀性，这强调了在T₁映射过程中进行体素级B₁⁺场校正的必要性。

B₁⁺场校正的有效性从T₁值可以看出：平均值±标准差从2713±449 ms降至2558±176 ms，表明相对误差减少了约2.6倍。

讨论

本概念验证研究表明，在7T磁场下，OE MRI能够检测小型实验动物肺实质的功能变化。

然而，在超高磁场下成像面临特定的技术挑战。主要限制之一是B₁⁺场的显著不均匀性[36]，这可能导致估计的T₁值出现较大空间变化。如幻影实验（图2）所示，未经校正的T₁图显示...

结论

在小型实验动物中应用OE MRI被证明是可行的，并且对功能损伤具有足够的敏感性，这一点从健康和炎症肺组织之间明显的氧诱导T₁变化中得到了证实。观察到的T₁行为与理论预测一致，并得到了先前研究的支持，表明该方法在临床前研究中的肺功能评估方面具有潜力。

CRediT作者贡献声明

Dmitrii B. Lebedev：撰写原始稿件、可视化处理、软件开发、数据分析、形式分析、数据管理。

Mikhail V. Gulyaev：审稿与编辑、验证、项目监督、方法论设计、资金获取。

Yury A. Pirogov：资源协调、概念构思。

资助

本研究是在莫斯科国立罗蒙诺索夫大学的资助下进行的。

未引用的参考文献

[10]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“莫斯科大学跨学科科学与教育学院‘生命系统分子技术与合成生物学’”的支持。