多b值频谱扩散磁共振成像无创检测肾移植早期纤维化

《Scientific Reports》：Detecting early kidney allograft fibrosis with multi-b-value spectral diffusion MRI

本研究针对肾移植后间质纤维化和肾小管萎缩（IFTA）这一预测移植肾功能下降的关键病理改变，开发了一种基于多b值扩散加权成像（DWI）的频谱扩散MRI技术。该前瞻性双中心研究纳入99例患者，结果表明频谱扩散参数fDtissue能有效检测肾功能正常（eGFR>45 mL/min/1.73 m2）患者的早期纤维化（AUC=0.72），并可识别轻度/中度纤维化（IFTA=2-4，AUC=0.65），而传统IVIM、ADC及临床指标均未表现出显著诊断能力。该技术为无创监测移植肾纤维化提供了新方法，有望实现慢性肾脏病（CKD）的早期干预。

　　

肾移植是终末期肾病患者的重要治疗手段，然而移植肾的长期存活仍面临巨大挑战。其中，移植肾间质纤维化和肾小管萎缩（IFTA）是慢性肾脏病（CKD）的一种表现，它预示着移植肾功能的逐渐下降，并最终导致移植肾失功。目前，IFTA诊断的金标准是穿刺活检后的组织病理学评估，这是一种有创操作，且存在出血、感染等风险。更重要的是，临床上用于监测CKD进展的标准实验室指标——估计肾小球滤过率（eGFR），在肾脏已发生显著且不可逆的纤维化后才会出现明显下降，这导致了早期干预时机的延误。因此，开发一种能够无创、早期检测移植肾纤维化的方法具有重要的临床意义。

为此，由Mira M. Liu、Jonathan Dyke、Thomas Gladytz、Jonas Jasse、Ian Bolger、Sergio Calle、Swathi Pavuluri、Tanner Crews、Ananda L. Kimm-Drapeau、Surya Seshan、Steven Salvatore、Isaac Stillman、Thangamani Muthukumar、Bachir Taouli、Samira Farouk、Octavia Bane和Sara Lewis共同完成的研究《Detecting early kidney allograft fibrosis with multi-b-value spectral diffusion MRI》在《Scientific Reports》上发表。该研究旨在评估多b值频谱扩散磁共振成像（MRI）这一新兴技术，能否在移植肾纤维化发生早期、甚至在其功能（eGFR）尚未出现异常时，实现无创检测。

研究人员开展了一项前瞻性双中心研究，纳入了来自西奈山伊坎医学院和威尔康奈尔医学中心的99名肾移植受者（50±13岁，64男/35女）以及4名健康志愿者作为对照。所有患者在活检后7天内接受了非对比增强的MRI检查，其扩散加权成像（DWI）序列采用了9个不同的b值（b值=[0, 10, 30, 50, 80, 120, 200, 400, 800 mm2/s]）。获取的图像数据随后分别采用三种模型进行后处理分析：创新的频谱扩散（Spectral Diffusion）模型、传统的血管内不相关运动（IVIM）模型以及表观扩散系数（ADC）。频谱扩散模型的独特之处在于，它能够将每个体素内的信号分解为三个潜在的生理学成分：血管灌注（f_vasc, D_vasc）、肾小管液流动（f_tubule, D_tubule）和组织 parenchyma 扩散（f_tissue, D_tissue），并引入了复合参数fD（如fD_tissue = f_tissue × D_tissue）作为各成分“流动”的代理指标。研究通过统计学检验和机器学习模型（五折交叉验证逻辑回归）评估了这些影像学参数与组织病理学IFTA评分（0-6分）及eGFR的相关性和诊断效能。

患者 demographics 和临床特征

研究共纳入99例患者，根据IFTA评分分为无纤维化（IFTA=0，39例）、轻度/中度纤维化（IFTA=2-4，42例）和重度纤维化（IFTA=5-6，18例）。根据eGFR水平，46例患者功能受损（eGFR≤45 mL/min/1.73 m2），整体平均eGFR为47.5±21.3 mL/min/1.73 m2。质量控制分析显示，DWI图像信噪比良好，部分频谱扩散参数展现出可接受的观察者间一致性。

Detection of fibrosis

核心发现显示，频谱扩散模型在检测纤维化方面表现突出。它不仅能够有效区分有无纤维化（IFTA>0）的移植肾（AUC=0.69），更重要的是，它能够识别出那些eGFR尚处于正常/稳定水平（>45 mL/min/1.73 m2）但已出现纤维化的移植肾，其AUC达到0.72。相比之下，eGFR、移植时间间隔和移植肾体积等临床参数在此场景下均无显著诊断能力。在区分轻度/中度纤维化（IFTA=2-4）方面，频谱扩散同样有效（AUC=0.65），而IVIM和ADC模型则未能表现出稳定的诊断价值。对于重度纤维化（IFTA=5-6），仅有频谱扩散参数的标准差（如Std f_tissue）显示出显著性。

Multi-component fD correlated with IFTA score

相关性分析进一步证实了频谱扩散参数的生物学意义。在肾功能正常的患者亚组中，代表组织扩散总量的参数fD_tissue与IFTA评分呈显著正相关（Spearman‘s rank=0.359），而代表肾小管液流动的参数fD_tubule则与IFTA评分呈负相关。这支持了纤维化过程中组织内胶原沉积增加（导致fD_tissue升高）和肾小管结构破坏/功能减退（导致fD_tubule降低）的微观病理改变。IVIM的(1-f)D参数和ADC也与IFTA评分正相关，但频谱扩散提供了更细致的生理过程分离。

讨论与结论

本研究结果表明，多b值频谱扩散MRI是一种能够无创检测移植肾早期纤维化的有前景的方法。其优势在于能够敏感地捕捉到传统功能指标（如eGFR）尚未出现异常时的微观结构变化，特别是对于轻度/中度纤维化的检测能力，为临床早期干预提供了宝贵的时间窗。频谱扩散通过分离血管、肾小管和组织三个生理 compartment 的信号，提供了比传统IVIM和ADC更丰富的病理生理学信息。参数fD_tissue的升高更可能反映了纤维化组织中胶原成分（细胞外基质ECM）体积分数的增加，而非单纯的水分子扩散受限。同时，fD_tubule的降低直观反映了肾小管功能的损害。

当然，该技术也存在一些局限性，例如在肾功能已明显受损（eGFR≤45 mL/min/1.73 m2）的患者中，频谱扩散区分有无纤维化的能力减弱；其观察者间一致性仍有提升空间；并且需要进一步的前瞻性纵向研究来验证其预测移植肾功能进展的价值。

总而言之，这项工作成功地将频谱扩散MRI从理论模拟和健康志愿者研究推向了临床移植肾评估。它证实了该技术在无创、早期诊断移植肾纤维化方面的巨大潜力。未来，通过优化扫描方案、改进后处理算法并结合其他影像学标志物（如T1 mapping），多b值DWI有望成为移植肾长期随访、疗效评估和临床决策支持的强大工具，最终助力改善移植肾的长期存活率。