使用多模态光学和超声成像监测小鼠肾纤维化中的血管变化

《Bioengineering & Translational Medicine》：Monitoring vascular changes in renal fibrosis in mice using multimodal optical and ultrasonic imaging

　　

慢性肾脏病（CKD）已成为威胁全球健康的主要疾病之一，其发病率和死亡率不断上升。早期识别慢性肾脏病对于准确分期、及时干预和改善预后至关重要。然而，常用的临床诊断指标，如肌酐、白蛋白水平和肾小球滤过率（GFR），仅能识别晚期CKD。影像学检查，如计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI），存在成本高、并发症风险高等局限性，不适于大规模筛查高危人群。肾活检是诊断肾纤维化的金标准，但具有侵入性。既往研究表明，毛细血管稀疏是肾纤维化的早期事件，早于肾小管萎缩和间质胶原沉积。然而，目前缺乏一种微创、低成本、高分辨率、动态实时且适于大规模筛查的肾微循环监测方法。亟需可靠的方法来筛查早期CKD患者。在本研究中，研究人员首次结合实时宽场激光散斑成像（RFLSI）、近红外II区成像（NIR-II）、双功能超声（DUS）和对比增强超声（CEUS），监测血管变化并评估肾纤维化进展。四种成像方法的结合通过监测微循环实现了CKD进展的早期监测。其中，CEUS能在肾纤维化早期检测到肾微循环的变化，甚至早于肾脏的病理性损伤。通过可视化和量化肾纤维化进展，并经组织病理学验证，本研究利用临床前影像学补充了肾纤维化的临床影像学，为监测微循环提供了更全面的方法，有助于指导临床决策并深入了解疾病进展。

**论文解读：基于多模态光学与超声成像监测小鼠肾纤维化血管变化的研究**

**研究背景与问题**

慢性肾脏病（CKD）已成为全球性健康威胁，其发病率和死亡率持续上升。早期诊断对于疾病分期、及时干预和改善预后至关重要。然而，临床常用指标如肌酐、白蛋白水平和肾小球滤过率（GFR）仅能识别晚期CKD。影像学检查如CT和MRI成本高、并发症风险高，不适用于大规模筛查。肾活检虽是诊断肾纤维化（RF）的金标准，但具有侵入性，不适合严重肾功能不全患者。既往研究已证实，毛细血管稀疏是肾纤维化的早期事件，早于肾小管萎缩和间质胶原沉积。然而，目前缺乏一种微创、低成本、高分辨率、可动态实时监测肾微循环的方法。因此，亟需可靠的方法用于早期CKD筛查和疾病进展监测。

**研究目的与意义**

本研究旨在首次结合实时宽场激光散斑成像（RFLSI）、近红外II区成像（NIR-II）、双功能超声（DUS）和对比增强超声（CEUS）四种成像模态，建立一种分层多模态成像框架，用于动态监测肾纤维化进展中的血管变化，并评估其作为早期诊断工具的价值。该研究发表于《Bioengineering》，为临床前影像学补充临床影像学提供了新思路，有助于指导临床决策和疾病进展理解。

**主要关键技术方法**（不超过250字）

研究人员建立了两种小鼠模型：5/6肾切除诱导的CKD模型（C57BL/6J小鼠）和自发性db/db糖尿病肾病（DKD）模型（db/db小鼠，与db/m对照）。采用四种成像技术：（1）RFLSI：利用激光散斑实时无标记成像，定量评估肾皮质宏观血流灌注；（2）NIR-II：尾静脉注射吲哚菁绿（ICG）后，使用InGaAs相机采集1100 nm以上荧光信号，动态追踪全肾灌注过程（洗入、峰值、洗出）；（3）DUS：使用高频超声探头（12-25 MHz），测量肾动脉阻力指数（RI）、微血管灌注面积及应变弹性成像（SE）评估组织硬度；（4）CEUS：尾静脉注射六氟化硫（SF₆）微泡后，通过平面波技术获取微血管密度、复杂度、血管比例及灌注指数等参数。所有成像结果均经组织病理学（HE、Masson、PAS染色）验证。

**研究结果**（保留每个小标题，简要说明通过什么研究得出什么结论）

**3.1 RFLSI成像用于评估肾脏整体灌注**
通过RFLSI定量分析，CKD模型小鼠肾皮质宏观灌注随疾病进展（4周、8周、12周）逐渐持续下降，与CON组相比在8周时出现统计学差异（p<0.05）。DKD模型同样在12周时灌注显著低于db/m组，16周时进一步恶化。这提供了肾纤维化导致宏观灌注进行性减少的体内直接证据。

**3.2 NIR-II成像显示肾血流灌注全过程**
动态NIR-II荧光成像（ICG示踪）完整记录了肾灌注的洗入、峰值和洗出三相。DKD和CKD模型均显示：平均荧光强度显著降低，达峰时间显著延长，洗入率和绝对洗出率均显著下降。这表明肾纤维化导致肾血管阻力增加、血流缓慢、示踪剂清除受损，形成缺氧-纤维化恶性循环。

**3.3 DUS成像显示肾脏大小、RI、微循环灌注及硬度**
在CKD模型中，肾脏大小逐渐减小；DKD模型中12周时肾脏增大，16周时显著减小。肾动脉及腹主动脉阻力指数（RI）随疾病进展逐步升高，提示系统性大血管硬化及下游微循环阻力增加。微血管灌注面积显著减少，同时应变弹性成像显示肾脏硬度逐渐增加，反映纤维化细胞外基质沉积。

**3.4 CEUS成像血管造影显示肾微血管密度和复杂度**
CEUS定量分析显示：CKD模型中微血管复杂度、平均血管密度和血管比例均随纤维化进展显著下降。DKD模型在12周时表现出参数特异性分歧：血管复杂度和比例高于正常（提示早期代偿性血管扩张和病理性扭曲），但平均血管密度已显著降低（提示有效灌注质量下降）；至16周时所有参数均显著低于正常（反映终末毛细血管稀疏）。组织学测量肾小球毛细血管腔面积验证了CEUS结果。

**3.5 CEUS成像灌注图监测肾灌注及各级血管血流速度**
根据Tanabe分级，将肾血管分为五级。CKD和DKD模型中，肾灌注指数均显著下降。为消除个体间变异，将各分支血流速度归一化至主肾动脉。结果显示：第一分支与主肾动脉的速度比随纤维化进展逐渐升高（提示主肾动脉近端狭窄），而下游各级分支的速度比则持续下降（提示微血管基底膜增厚和系膜基质扩张导致管腔狭窄）。这揭示了血管病变在主干和终末血管最严重。

**3.6 基于病理特征的综合纤维化程度分析**
组织病理学（HE、Masson、PAS染色）显示：CKD模型在4周时肾纤维化程度、肾小球硬化指数（GSI）和肾小管损伤评分尚无显著变化，但CEUS已显示微循环密度和灌注指数显著下降。这证实了微血管萎缩早于肾小管萎缩和间质胶原沉积。DKD模型同样显示纤维化指标与微循环参数呈负相关。

**讨论与结论总结**

讨论部分指出，本研究首次将RFLSI、NIR-II、DUS和CEUS联合应用于肾纤维化进展的全面评估。RFLSI提供无标记稳态皮质灌注图，NIR-II提供示踪剂动力学信息，两者互补。DUS通过多参数（RI、硬度、微血管灌注）评估局部和系统血流动力学。CEUS则能精准描绘微血管结构（密度、复杂度）和功能（各级血流速度），尤其发现DKD早期存在结构扩张与功能灌注下降的解耦现象。与临床常用MRI和CT相比，CEUS使用惰性气体微泡（SF₆），无肾毒性风险，且成本低、可床旁操作，更适用于早期筛查和长期随访。研究局限性包括样本量较小、分子机制未探索、设备标准化需进一步完善。

**结论翻译**：总之，本研究开创性地构建了结合RFLSI、NIR-II、DUS和CEUS的多模态成像框架，用于全面监测纤维化进展中的肾灌注和血管血流动力学。在这些模态中，CEUS在功能性微血管成像方面展现出卓越优势，提供了一种无创、定量的策略，用于监测肾灌注、微循环新生血管化以及整个肾动脉层次的血流速度。因此，CEUS在肾纤维化的动态诊断和纵向追踪、疗效评估及患者预后判断方面具有巨大的临床潜力。最终，这种多参数超声方法有望成为肾纤维化早期筛查和精准管理的关键临床工具。