3.0 T磁共振釓延遲強化技術評價小型豬慢性阻塞性肺病模型心肌纖維化的實驗研究

劉智，郭丹丹，李春平，李睿*

近年來，我國的慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)發病率逐年升高，根據2018 年流行病學調查研究及中國肺健康研究顯示，我國COPD 的患病人數已近1 億人[1-2]。除了呼吸系統的改變，COPD 還常繼發肺源性心臟病、肺栓塞、缺血性心肌病等心血管疾患，最終導致心力衰竭，給人們的生命財產安全帶來巨大的負擔。

一般情況下，COPD 患者因雙肺氣流受限、肺靜脈面積減小，病變持續發展引起肺動脈高壓，右心室后負荷增加導致右心室重塑并最終引起肺源性心臟病及右心衰竭；左心功能受損一般繼發于右心衰后室間隔依賴等引起的血流動力學改變，最終演變為全心衰[3-5]。但也有研究表明COPD早期即可導致左心的損傷，并且可能與右心損傷同步；除了血流動力學，COPD 引起的冠狀動脈疾病等其他因素也可能導致左心室心肌損傷，此外，當COPD合并肺動脈高壓及肺心病可導致心肌損傷組織纖維化[6-9]。心臟磁共振(cardiovascular magnetic resonance，CMR)多模態、多維度成像，能無創、準確地評價心臟結構和功能，基于CMR 的釓延遲強化(late gadolinium enhancement，LGE)技術還能觀察心肌內部的纖維化改變，且這一異常通常發生于左心室射血分數(left ventricular ejection fraction，LVEF)下降之前。因此，本研究旨在利用基于心臟磁共振LGE技術檢測巴馬小型豬COPD 模型心肌纖維化，為評估COPD 左室心肌損傷提供影像學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

選用6 月齡健康巴馬小型豬20 頭，雌性和雄性各半，體質量(25±2) kg，由川北醫學院實驗動物中心提供并飼養。

1.2 實驗方法

1.2.1COPD模型制作

將小型豬按4∶1 的比例分為COPD 模型組(16 頭)及正常對照組(4 頭)。模型組小型豬使用3%的木瓜蛋白酶溶液(6 U/kg)及胰蛋白酶溶液(300 U/kg)構建COPD 模型。造模時將麻醉好的巴馬小型豬仰臥于操作臺上，使用喉鏡開放氣道，進行氣管插管，向氣管插管內插入自制塑料軟管，使用5 mL 一次性注射器往塑料軟管內注入胰蛋白酶溶液，2 d 后用同樣的方法向氣管內注入木瓜蛋白酶溶液。以此循環操作20周來構建巴馬小型豬的COPD模型。對照組不作處理。造模前、造模早期(第4 周)、造模中期(第8 周)及造模后期(第20 周)對小型豬行胸部CT 檢查，通過雙肺的CT 表現觀察COPD 造模情況。該實驗經川北醫學院動物倫理委員會批準，批文編號：NSMC 倫理動物審[2021]37號。

1.2.2CT及CMR掃描

分別于檢查前12 h 及4 h 禁食、禁水。首先于小型豬臀部注射陸眠寧對其進行前期誘導麻醉，再通過Matrx VME2動物專用吸入麻醉機用異氟烷對小型豬進行氣體麻醉。待其麻醉穩定后用一次性留置針于小型豬耳緣靜建立靜脈通道。最后將小型豬以仰臥位固定于自制的木質“U”形固定槽內。

所有小型豬分別于造模前、造模早期(4周)、中期(8 周)及后期(20 周)行胸部CT 平掃及CMR 掃描。胸部CT掃描使用美國GE公司64排螺旋CT掃描儀，掃描參數如下：管電壓：120 kv，管電流：35～67 mAs，螺距：1.375，層厚：5 mm，以層厚1.25 mm、層距0.625 mm進行圖像重建。CMR 掃描使用美國GE 公司3.0 T 磁共振掃描儀，掃描線圈為32 通道體部線圈，聯合前瞻性VCG向量式心電門控，采用快速自由穩態平衡進動序列(fast imaging employing steady-state acquisition，FIESTA)及反轉恢復梯度回波序列(reverse recovery gradient echo train，RRGET)行心臟磁共振電影(cardiovascular magnetic resonance cine，CMR-Cine)及LGE成像。CMR-Cine成像參數如下，TR：3.0～3.8 ms；TE：1.5～1.7 ms；FA：45°；FOV：35 cm×35 cm，重建矩陣：224×224；NEX：3 次；VPS：10～12；層厚：8.0 mm，層間距：2 mm；Phase：20 個。CMR-LGE 成像參數如下，TE：3.2 ms，TR：7.2 ms，TI：200 ms，FA：20°，FOV：35 cm×35 cm，NEX：3 次，重建矩陣：256×192。完成常規CMR-Cine 成像后，以4 mL/s 的速度從靜脈通道注入釓雙胺對比劑(Gd-DTPA) 0.2 mmol/kg，隨后立即注入等量生理鹽水，對比劑注入完畢后10～15 min 開始CMR-LGE成像。

1.2.3圖像分析

將小型豬胸部CT 圖像傳至ADW4.3 后處理工作站行三維重建。觀察分析雙肺情況(圖1)，以-950 Hu作為CT 定量診斷肺氣腫的閾值，按Goddard 法對雙肺肺氣腫低衰減區占全肺比例的百分比(the percentage of the low attenuation area，LAA%)進行評分，同時觀察支氣管壁是否增厚來綜合判斷COPD 造模是否成功[10-11]。隨 后將CMR-Cine 及LGE 圖像(圖2、3)導入商用心血管圖像后處理軟件(cvi42；Circle Cardiovascular Imaging，Inc.，Calgary，Canada)進行圖像后處理分析(圖4)。按照美國心臟病協會(American Heart Association，AHA)建議采用的17節段分析法將LV基底部、中間部、心尖部及心尖帽分成17個節段(圖5)。由2名高年資MRI診斷醫師分別對每個心肌節段進行圖像觀察分析，遇到分歧時，通過協商討論達成一致。分析、測量及計算各小型豬左心室舒張末橫徑(left ventricular end diastolic diameter，LVDd)、右心室舒張末橫徑(right ventricular end diastolic diameter，RVDd)、左心室后壁(left ventricular posterior wall，LVPW)、右心室前壁(right ventricular anterior wall，RVAW)、左房前后徑(left atrium anteroposterior diameter，LAAPd)、左心室舒張末容積(left ventricular end diastolic volume，LVEDV)、LVEF及右心室射血分數(right ventricular ejection fraction，RVEF)；觀察CMR-LGE 圖像是否存在異常強化，分析LGE的心肌節段數量、分布及類型。

圖1 COPD模型組小型豬造模前后胸部CT圖：造模前雙肺未見異常，造模后期雙肺出現肺氣腫征象，雙肺散在感染Fig.1 CT images of minipigs in COPD model group before and after modeling:no abnormality was found in both lungs before modeling,emphysema and scattered infection were appeared in both lungs after modeling.

圖2 造模后期慢性阻塞性肺病小型豬CMR-Cine成像：RVDd未見顯著增大，RVAW稍增厚，室間隔未見偏移 圖3 造模后期小型豬CMR-LGE成像：LV壁基底部、中間部多處出現線狀、條片狀延遲強化較高信號影 圖4 CMR-LGE圖像CVI42分析軟件自動分析圖，LV壁粉紅色圈內為軟件自動認定的LGE區Fig.2 CMR-Cine imaging of chronic obstructive pulmonary disease minipigs in the late modeling stage:RVDd did not increase significantly,RVAW slightly thickened,and ventricular septum did not shift.Fig.3 CMR-LGE imaging of minipigs in the late modeling stage:linear and strip delayed enhancement high signal shadow appeared at the bottom and middle part of LV wall base. Fig.4 CMR-LGE image was automatically analyzed by CVI42analysis software,and LGE area was automatically identified by software in the pink circle of LV wall.

圖5 LV心肌17節段牛眼圖及LGE分布比例圖，心肌節段由粉紅色至深紅色，顏色越深，LGE所占比例越多Fig.5 LV myocardium 17 segment bull's eye plot and LGE distribution map,myocardial segments from pink to deep red,the darker the color,the more proportion of LGE occupied.

1.3 統計學分析

使用SPSS 25.0 軟件進行統計學分析。記錄造模前、造模早期、中期及造模后期所有小型豬的基本資料；統計分析兩組小型豬的LVDd、RVDd、LVPW、RVAW、LAAPd、LVEDV、LVEF、RVEF、LV心肌的LGE的節段數量、分布及其類型。計量資料用均數±標準差表示，計數資料用所占本組的百分比表示。計量資料采用獨立樣本t檢驗或方差分析，非連續性變量的計數資料采用卡方檢驗，P＜0.05被認為差異有統計學意義。

2 結果

造模前所有小型豬胸部CT掃描顯示雙肺均未見異常。造模前行CMR 檢查時及造模過程中(造模第19 周)，因麻醉劑量過大及肺部感染致使模型組2 頭小型豬死亡。

造模20 周后，模型組小型豬均出現不同程度COPD 征象，造模前、造模早期、中期及后期的一般特征參數見表1。造模前模型組小型豬與對照組在性別、呼吸頻率、心率、體質量、胸部CT平掃征象差異也均無統計學意義，造模早期、中期模型組小型豬與對照組比較，一般特征差異也均無統計學意義(P＞0.05)。與對照組及造模前比較，造模后期模型組呼吸頻 率(68.14±2.83 vs.58.50±3.11 vs.58.56±2.87，P均＜0.01)和心率(90.14±2.41 vs.80.25±4.03 vs.80.31±2.82，P均＜0.01)均有明顯增加；造模后期模型組小型豬體質量(24.54±0.49 vs.25.93±0.35，P＜0.01)較對照組減低。

表1 造模前后巴馬小型豬的一般資料比較Tab.1 Comparison of general data from minipigs before and after modeling

造模前、造模早期、中期及造模后期小型豬CMR表現詳見表2。造模前兩組小型豬LVDd、RVDd、LVPW、RVAW、LAAPd、LVEDV、RVEF 及LVEF 差異均無統計學意義(P均＞0.05)，造模早期、中期模型組小型豬與造模前及對照組比較差異均無統計學意義(P均＞0.05)。造模后期小型豬RVAW (3.30±0.09 vs.2.99±0.09 vs.2.99±0.30，P均＜0.01)較造模前及對照組比較均有增加；而LVPW (6.58±0.06 vs.6.50±0.12，P＜0.01)較造模前有所增加，但與對照組差異無統計學意義。造模后期小型豬RVDd較造模前(2.79±0.05 vs.2.68±0.07，P＜0.01)有所增加，與對照組比較差異無統計學意義；LVDd 較造模前及對 照組(3.98±0.06 vs.4.03±0.06 vs.4.06±0.07，P均＜0.05)均有所減少；LVEDV (62.98±0.41 vs.63.45±0.43 vs.63.61±0.25，P均＜0.05)較造模前及對照組也均有所減少。造模后期模型組小型豬RVEF 與造模前及對照組比較(50.71±1.59 vs.54.31±1.40 vs.54.25±1.26，P均＜0.01)均有所降低，但仍然比正常值50%略高，而LVEF 差異則均無統計學意義(P＞0.05)。

表2 造模前后巴馬小型豬的CMR比較Tab.2 CMR comparison of minipigs before and after modeling

造模完成后模型組有5頭小型豬LV共有23個心肌節段出現了LGE。模型組小型豬的LGE具體分布及類型見表3。23 個發生LGE 心肌節段，基底部和中間部各11 個(36.7%)，心尖部1 個(4.0%)，其分布差異有統計學意義(P＜0.01)。LGE 各類型中，肌壁間型(74.0%)最為常見，其次是心內膜下型(17.4%)，未見心外膜下型LGE。

表3 慢性阻塞性肺病模型組巴馬小型豬LGE各類型心肌節段分布比較(n/%)Tab.3 Comparison of the distribution of different types of myocardial segments of LGE in COPD model group(n/%)

3 討論

3.1 COPD與心臟損傷

COPD 患者常合并心血管疾患，也是COPD 患者死亡的主要原因之一[12-13]。心血管疾病與COPD 之間的關系復雜，可能涉及多種生物因素(低氧血癥、內皮功能障礙、動脈硬化)、機械和(或)功能因素、神經體液和遺傳因素[3]。由于COPD 患者的肺循環血液動力學異常，既往大部分針對COPD 的心臟異常的研究均集中于右室[14-16]，左室受累往往被忽略。部分既往研究顯示，COPD早期即可發生心肌纖維化[6-7]，原因可能與COPD可通過血管和全身炎癥、C反應蛋白及氧化應激的增加，致使心肌慢性缺氧，導致心肌損傷并發生纖維化[3，17]。此外，左心功能異常一般出現在重度COPD及病程較長患者中[3]，患者早期左心受累往往被忽視。因此，早期、準確評估COPD患者左心組織學改變有著較為重要的臨床意義。

3.2 CMR的臨床價值

多模態CMR 成像無創，無輻射，一次檢查即可綜合評估心臟形態、功能及組織學改變，基于CMR-Cine心功能分析還是評估心臟功能的金標準[18-19]。部分COPD 患者只有在發生心衰后才出現明顯的心臟形態及功能改變，因此利用常規CMR影像學指標評估COPD心肌損傷價值有限。CMR-LGE 技術能準確顯示心肌組織特性，與組織病理觀察到的心肌纖維化區域分布一致[16-17]，是目前無創性評估心肌纖維化的首選方法。鑒于心肌纖維化可先于形態學及功能學異常之前發生，CMR-LGE技術能夠早期評估COPD患者的心肌組織學異常[18]。

3.3 COPD模型心臟形態及功能改變

不同階段COPD患者右心功能可有不同程度的降低[14-15]，輕、中度COPD患者RV壁可代償性肥厚彌補RV功能的下降。本研究中造模早、中期RV 的形態及功能未見明顯異常變化，造模后期RVAW 出現代償性增厚，RVEF有所減低，但仍位于正常值范圍內。LV舒張功能可因嚴重的肺氣腫及RV 容積增大室間隔向LV偏移而降低[3，5]，并隨COPD 程度及RV 后負荷增加而增加[12，22]。本研究與之前的部分研究[5，23]結果一致，即LVEF 未發生明顯降低，僅造模后期LVDd 及LVEDV 稍有減低，提示左心整體收縮功能仍在正常范圍之內。Vonk 等[16]研究發現肺氣腫患者LVEF 整體降低，且隨RV 肥厚程度增加而增加。其原因可能是本研究模型為COPD 早期，肺氣腫程度及RV 后負荷較輕，僅表現為LVDd 及LVEDV 輕度減低，且肺氣腫、RV 后負荷及容積增加可幫助LV射血，使LVEF維持在正常范圍內。

3.4 COPD模型心肌損傷及特征

COPD 能增大心肌損傷風險[17]。COPD 患者發生心肌纖維化，與其病理性心肌肥厚程度、低氧狀態或臨床心力衰竭無關，而與心肌缺血或梗死有關，并且晚期缺血性心臟病患者LV 心肌纖維化明顯增加[7]。Selvanayagam 等[24]發現40%的COPD 患者可出現一定程度的心肌損傷，本研究中有35.7%的小型豬發生心肌損傷纖維化。但Murphy 等[25]研究發現，在排除其他心血管危險因素的情況下，即使是嚴重的COPD，心肌纖維化的發生率也很低。其原因可能是該研究納入樣本量過小(25 例COPD 患者)，不能反映真實情況下COPD患者心肌纖維化發生率。

本研究中LGE多分布于基底部、中間部的室間隔區以及下壁，與部分研究[13，26]發現COPD及肺部疾病伴肺動脈高壓患者的心肌LGE主要分布于室間隔、下壁及右室插入點結果相一致。此外，本研究還發現COPD 模型LGE 大部分位于肌壁間，可能原因與COPD患者易發生右冠狀動脈、左回旋支和鈍緣支中更易冠狀動脈狹窄，引起心肌慢性缺血及微循環障礙[27]。而有研究顯示，心肌微循環障礙可表現為肌壁間LGE[28-30]。

本研究仍存在許多不足。首先，本研究研究樣本量較小，COPD心肌LGE分布及特征尚需擴大樣本量進行驗證。其次，本研究對心肌纖維化的評估方式過于單一，基于CMR 心肌組織學新技術，如T1 mapping 及ECV 能早期發現心肌間質纖維化，并對心肌纖維化程度進行定量評估。最后，本研究目前尚未進行病理檢驗，心肌纖維化缺乏準確的檢驗標準。

4 結論

本次動物實驗研究表明COPD可以引起心肌損傷纖維化，且發生于LVEF明顯下降之前，與右心功能的減低幾乎同步發生。心臟CMR-LGE 成像可為COPD 患者早期干預、診療計劃的制定以及預后的評估提供影像學依據。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。