早期COPD肺局部微结构和生理改变的超极化129XeMR成像研究

Gas exchange is the main function of the lung. Early stage COPD only appears as the change of interstitial in the nature, which would affect the thickness of the respiratory membrane, thereby affecting the gas exchange in the lung. DLCO is a commonly used index to evaluate the function of lung ventilation, but it reflects the global status of ventilation function of the lung. COPD has obvious heterogeneity. How to quantitatively analyze pulmonary ventilation function at alveolar level is very important for early diagnosis, disease progression and curative effect detection. In our former study, we found that the small airway and small vascular remodeling did not match in early COPD. The pulmonary function imaging can be carried out after the hyperpolarization of the inert gas, which can directly or indirectly reflect the changes in the pulmonary microstructures and pulmonary function. This project intends to evaluate the dynamic changes of lung micro structure and pulmonary ventilation on the lobar level during the animal model making process with hyperpolarized 129Xe, to provide imaging evidence for the early diagnosis of COPD. Then, the microstructure, quantitative and dynamic assessment of lung on the lobar level in high-risk population and patients with mild COPD were explored, developing the MR diagnosis criteria of lung gas exchange.

气体交换是肺的主要功能，早期慢性阻塞性肺疾病（COPD）在病变性质上只是局部肺间质的变化，这些改变会影响呼吸膜的厚度，从而影响肺部的气体交换。DLCO是常用的评价肺换气功能的指标，但反映的是整体换气功能状态。COPD具有明显的不均质性，若能在肺泡水平定量分析肺的换气功能对疾病的早期诊断、病情进展及疗效检测至关重要。项目组前期研究发现，早期COPD存在小气道和小血管重塑不匹配的现象。惰性气体超极化后可以进行肺部功能成像，可以间接或直接反应肺部微结构和肺换气功能的改变。本项目拟利用超极化129Xe在肺叶水平对大鼠进行肺微结构及肺换气功能的评估，动态评价COPD发生发展过程中肺部微结构的改变及其不均质性，为COPD早期诊断提供肺换气功能信息改变的理论支撑，在此基础上对高危和轻度COPD患者进行肺叶水平的微结构和肺换气的定量评估及纵向动态研究，制定COPD早期诊断的肺换气MR诊断标准。

COPD具有明显的不均质性，若能在肺泡水平定量分析肺的换气功能对疾病的早期诊断、病情进展及疗效评价至关重要。项目组通过被动吸烟联合气管内滴注脂多糖的方法建立COPD大鼠模型，分别进行了129Xe MR通气和弥散成像、microCT扫描和PFT检测，发现COPD大鼠的用力肺活量，肺总量与肺顺应性相较于健康对照组大鼠而言均有显著上升；COPD大鼠相较于健康大鼠，肺部部分区域出现了斑片状密度增高影，CT值升高，提示出现了肺部炎症；除去高密度区域外，COPD组其余肺组织的平均肺密度低于正常对照组，提示肺气肿的形成；COPD大鼠超极化129Xe MR有通气缺损，换气成像的结果表明COPD的肺部微结构肺泡管内径r、肺泡管外径R与Lm相较于健康大鼠均有升高，而SVR则有降低。同时开展了CODP患者129Xe MR通气和弥散成像及CT定量研究。①COPD高危人群吸烟者的肺部微结构参数和健康志愿者之间有显著差异；COPD患者的肺部微结构参数都与临床肺功能测试结果表现出了很好的一致性。②对于年轻健康志愿者组和年龄对照组， SVRd、 SVRg、 SVRd/g和 η 随年龄增大均呈现显著性降低的变化（P < 0.05），同时 Lrms 随年龄增大均呈现显著性增大的变化（P < 0.05）。③功能小气道参数PRMEmph及PRMfSAD的体积及体积百分比随着肺功能的减低而增大，且增大幅度愈来愈大；PRMVNormal%随着肺功能的减低而降低，PRMUncategorized的体积及其百分比、PRMVNormal体积在正常组中大于高危组，在COPD组降低。④肺小血管数量(全肺_6、9mm）、CSA<5（全肺_6、15mm）的均值在正常组、高危组、COPD组依次减小；CSA<5(全肺_9/12/18～24mm)、血管面积（全肺_24mm）的均值在正常组大于高危组，小于COPD组。FEV1/FVC、 FEV1%、FVC 、FEV1.0与肺小血管数量及 CSA< 5 的血管数、平均血管直径、平均血管面积等定量参数的相关性均较弱。通过动物实验及临床实验的研究，相互印证了COPD肺微结构的改变，为临床更深入的研究奠定了基础。