离体磁共振弹性成像检测沙门氏菌诱导结肠炎小鼠模型中炎症相关的生物力学改变

《Scientific Reports》：Ex-vivo magnetic resonance elastography detects inflammation-associated biomechanical changes in a mouse model of Salmonella-induced colitis

　　

摘要专业翻译 炎症会改变软组织的力学特性，然而发炎肠道的生物力学特征仍未得到充分表征。研究人员利用磁共振弹性成像（MRE），在小鼠结肠炎模型中表征了结肠的生物力学特性。感染鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella Typhimurium）的CBA/J小鼠在感染后第5天、第16天和第30天被处死，同时设未感染对照组。离体台式MRE结合Springpot模型获得了剪切模量μ（硬度）和幂律指数α（结构）。研究人员通过组织学评估了胶原蛋白、透明质酸和骨膜蛋白含量、免疫细胞浸润、上皮细胞凋亡及组织病理学评分。与对照组（5.5 ± 4.0 kPa；p = 0.0002）相比，结肠硬度在第5天下降（1.7 ± 0.7 kPa），同时伴有水肿、免疫细胞浸润和细胞凋亡的发生，但无伴随的细胞外基质（ECM）改变。硬度在第30天恢复正常，并与组织病理学评分（r = ?0.40，p = 0.002）和总细胞数（r = ?0.47，p = 0.002）呈负相关。在第5天，μ区分感染与对照结肠的曲线下面积（AUC）为0.93（敏感性89%，特异性90%）。因此，离体MRE能够检测可逆的、由炎症驱动的生物力学改变，表明MRE衍生的硬度参数可作为急性肠道炎症的生物力学读数。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

炎症性肠病（IBD），包括溃疡性结肠炎和克罗恩病，是一类主要累及胃肠道的慢性炎症性疾病，可导致肠道结构的显著改变并伴随全身症状。随着IBD发病率和患病率在全球范围内持续上升，深入理解其病理生理机制并改进诊断与治疗手段，已成为迫切的临床需求。细胞外基质（ECM）的病理性重塑是IBD最严重的并发症之一，例如克罗恩病患者中结肠狭窄的发生率可达10%，溃疡性结肠炎患者中结直肠狭窄的发生率也高达3.6%。肠道纤维化可导致肠壁硬度增加、结肠运动异常以及直肠功能障碍和失禁等症状。然而，目前对IBD的诊断主要依赖临床评估结合内镜、组织学、放射学和/或生化检查，对早期狭窄性病变的精细分析仍面临挑战。

动物模型是研究肠道炎症和纤维化的重要工具，但合适的模型较为匮乏，且纤维化在不同动物设施间的可重复性有限。鼠伤寒沙门氏菌（S. Tm）感染模型被证实具有IBD的特征性表现，包括水肿、黏膜溃疡、透壁性炎症及胶原沉积。另一方面，生物软组织同时具有弹性和黏性特性，即黏弹性，这对于正常肠道蠕动至关重要。磁共振弹性成像（MRE）通过可视化外部诱导剪切波的传播来量化组织的黏弹性，能够检测伴随结构损伤的细微组织生物力学改变。然而，炎症肠道特别是早期炎症阶段的生物力学变化尚未得到充分表征。本研究旨在利用离体台式MRE，表征S. Tm感染小鼠模型中结肠的生物力学特性，并将其与肠道炎症早期、慢性期和恢复期的组织病理学及ECM组成变化相关联。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员选用雌性CBA/J小鼠，通过链霉素预处理后经口灌胃感染3 × 10⁶菌落形成单位（CFU）的S. Tm SL1344菌株，分别在感染后第5天（早期炎症期）、第16天（慢性期）和第30天（恢复期）实施安乐死取材，并设未感染对照组。主要技术方法包括：

离体台式MRE：使用0.5特斯拉台式磁共振成像扫描仪（MagSpec，Pure Devices GmbH，德国）配合压电驱动器，在13个频率（0.8–3.0 kHz）下产生剪切波，采用Springpot（SP）模型拟合获得硬度参数μ（剪切模量，kPa）和幂律指数α（无量纲结构参数）。

组织病理学评估：依据Erben等人建立的标准化评分系统评估组织形态学改变。

免疫组织化学与组织化学染色：对胶原蛋白（EvG染色）、透明质酸（HA）、骨膜蛋白、CD3ε（上皮内T细胞）、F4/80（巨噬细胞）和cleaved caspase-3（凋亡上皮细胞）进行定量分析，使用Vectra^? 3多光谱成像系统进行细胞分型和定量。

统计分析：采用Kruskal-Wallis检验结合Dunn事后校正进行组间比较，Spearman秩相关分析评估MRE参数与组织学参数的相关性，受试者工作特征（ROC）曲线分析评估硬度参数μ的判别能力。

三、研究结果

鼠伤寒沙门氏菌感染确认

经口灌胃3 × 10⁶ CFU S. Tm后，通过粪便采样和培养分析确认了肠道定植。所有小鼠在环丙沙星治疗前均表现出粪便S. Tm载量，中位细菌载量高达10⁸ CFU/g粪便。抗生素治疗后，粪便细菌数量显著下降，13只小鼠在第一次单剂量治疗后低于检测限（100 CFU/g粪便），18只在第二次治疗后低于检测限（p < 0.0001）。

鼠伤寒沙门氏菌感染后的肠道炎症

感染小鼠在三个时间点的结肠长度均较对照组缩短（第5天：p = 0.0187；第16天：p = 0.0007），第30天恢复至对照组水平（p = 0.253）。组织病理学评估显示，感染小鼠结肠出现黏膜和黏膜下免疫细胞浸润、黏膜下水肿及上皮层损伤，三个时间点的组织病理学评分均显著高于对照组（第5天和第16天：p < 0.0001；第30天：p = 0.0069）。

ECM组成分析显示，胶原蛋白含量在感染早期（第5天）较对照组呈非显著降低（p = 0.1749），随后在第16天和第30天显著增加（第5天对第16天：p = 0.0279；第5天对第30天：p = 0.0010）。骨膜蛋白在第16天较对照组显著降低（p = 0.0472）。透明质酸在各时间点均无显著变化。

免疫细胞分析显示，第5天总细胞数较对照组显著增加（p = 0.0017）；巨噬细胞在第5天和第16天均显著升高（p = 0.0007和p = 0.005）；上皮内T细胞在第16天和第30天显著增加（p = 0.0054和p = 0.0082）；凋亡上皮细胞在第5天和第16天显著增多（p = 0.0015和p = 0.0060）。

鼠伤寒沙门氏菌感染后小鼠结肠硬度

MRE检测显示，感染第5天结肠硬度μ（1.7 ± 0.7 kPa）较未感染对照组（5.5 ± 4.0 kPa）显著降低（p = 0.0002）。第30天结肠硬度恢复至与对照组相当的水平（p > 0.9999），且显著高于第5天（p = 0.0004）。SP模型的幂律指数α在感染后各时间点均无显著变化。

Spearman相关分析显示，硬度参数μ与组织病理学评分（r = ?0.40，p = 0.002）、总细胞数（r = ?0.47，p = 0.002）、巨噬细胞数（r = ?0.44，p = 0.004）和凋亡上皮细胞数（r = ?0.47，p = 0.002）均呈显著负相关。硬度μ与胶原蛋白、透明质酸、骨膜蛋白及上皮内T细胞数无显著相关，幂律指数α与所有量化参数均无显著相关。

ROC分析显示，第5天μ区分感染与对照结肠的AUC为0.93（95% CI：0.86–1.00，p < 0.0001），最佳截断值为μ < 2.2 kPa，敏感性89%，特异性90%。第16天AUC降至0.68（p = 0.09），第30天进一步降至0.56（p = 0.6），判别能力丧失。

四、讨论与结论

本研究的核心发现是早期S. Tm感染期间结肠硬度显著降低，且与总细胞数增加同步发生，但无伴随的结构性ECM改变。这表明非结构性因素——特别是炎性水肿和免疫细胞浸润——是急性炎症期结肠软化的主要驱动因素。第5天MRE硬度参数μ的强判别能力（AUC = 0.93）凸显了该方法在急性结肠炎阶段检测炎症引起的力学改变的潜力。

值得注意的是，尽管该模型既往被报道可发展肠道纤维化，但本研究中结肠胶原蛋白相对于未感染对照并未增加，这可能与纤维化主要发生在盲肠（因组织过小而无法进行离体MRE测量）有关。胶原蛋白数量本身已被证明是组织硬度的不佳预测指标，胶原蛋白的组织结构、纤维成熟度和赖氨酰氧化酶介导的酶促交联才是决定ECM力学特性的主要因素。

与既往研究一致，急性炎症期组织软化与免疫细胞浸润的关联在其他器官中也有报道，如实验性自身免疫性脑脊髓炎模型中脑组织的软化。本研究结果与2023年一项对克罗恩病患者离体回肠的MRE研究相符，该研究同样报道了硬度μ的显著降低。相比之下，针对IBD患者的在体MRE研究多报道肠壁硬度增加，这主要与纤维化驱动有关，提示炎症的力学效应可能在疾病早期更为突出。

本研究存在以下局限性：首先，离体测量受死后组织水合状态、血管灌注、腔内压力和平滑肌张力等变化的影响，与在体状态的直接比较受限；其次，组织学分析在相邻肠段而非MRE扫描的同一组织上进行；第三，纤维化在该模型中主要局限于盲肠，而离体MRE受组织尺寸限制仅能测量结肠；第四，相关性并不等同于因果关系。

综上所述，本研究首次证明CBA/J小鼠经口感染S. Tm后，离体台式MRE可检测到结肠生物力学特性的显著、时间动态性改变。急性感染期以结肠硬度显著降低为特征，同时伴有炎性水肿和免疫细胞浸润，而ECM蛋白（胶原蛋白、骨膜蛋白、透明质酸）保持不变。ROC分析获得的强判别能力证明，MRE衍生的硬度参数可在离体条件下可靠地区分发炎与健康结肠组织。本研究结果为未来在体肠道MRE研究以及人体组织交叉验证研究提供了参考值和概念验证，以确定MRE衍生的硬度参数是否以及可在何种临床场景中作为肠道炎症的生物标志物。