下肢骨骼肌早期缺氧性损伤发病机制的影像学研究

Hypoxic muscle injury (HMI) is a common disease in the lower extremities. The number of patients in our country is more than 7 million. HMI causes skeletal muscle fiber disability, loss, muscle strength decline; severe HMI causes muscle gangrene, which even needs amputation. Early HMI is a stage in which the number of skeletal muscle fibers has not been significantly reduced. In this case, early intervention can save the muscle fibers on the verge of apoptosis. In the early stage of HMI, only a few patients had positive imaging findings, and most of the patients were missed and lost the time of treatment. The noninvasive diagnosis of HMI before the reduction of muscle fibers is an urgent problem to be solved in imaging research, and it is also a difficult point in the study of skeletal muscle diseases. Early diagnosis is bound to involve the pathogenesis of HMI. Ultra high spatial resolution acchieved in the pre experiment is the base of this research.We use ultra high strength (7T) small animal MR system and animal model of early HMI for the MR study of lower limb muscles, including the imaging mechanism of inflammation and apoptosis: HIF-1α, Bax, TNF-α molecular imaging; single cell imaging of skeletal muscle: N2 receptor imaging; imaging microscopic pathological features: microvessel density, permutation structure imaging of cells. We aim to realize an early, noninvasive, in vivo HMI imaging diagnosis, and establish a set of diagnosis method of early HMI imaging.

下肢缺氧性肌损伤（HMI）是一种常见的疾病，我国患者数量超过700万。HMI导致骨骼肌纤维失能、丢失，肌力下降；严重时肌肉坏疽，甚至需要截肢。早期HMI是指骨骼肌纤维数量尚未显著减少的阶段。此时若能早期干预治疗，可以挽救濒临凋亡的肌纤维。在HMI早期阶段，仅少数患者有阳性影像学发现，绝大部分患者被漏诊而失去治疗时机。如何在肌纤维数量减少之前无创性诊断HMI，是目前影像研究亟待解决的问题，也是骨肌类疾病研究的难点。早期诊断必然涉及HMI发病机制。本研究基于预实验达到的超高空间分辨率，运用超高场强小动物型MR系统（7T），在早期HMI的动物模型上，进行下肢肌肉的MR研究，包括炎症与凋亡机制成像：HIF-1α、Bax、TNF-α分子成像；骨骼肌单个细胞成像：N2受体成像；显微病理特征成像：微血管密度、细胞排列结构成像，实现活体无创性早期HMI影像诊断，建立一套早期HMI的影像学诊断方法。

骨骼肌纤维属于不可再生组织。骨骼肌缺氧损伤的早期检测对于挽救濒临凋亡的骨骼肌细胞极为重要。使用无创性的影像手段来检测评估肌肉缺氧损伤有较大意义。我们构造下肢骨骼肌早期缺氧的动物模型，提取肌肉标本进行免疫组化、RT-PCR和Western blot，对与缺氧损伤机制密切相关的主要分子（如HIF-1α）及重要物质（如胶原纤维）进行半定量和定量研究。我们进行MRI分子探针的合成：根据基因序列合成多肽，与DOTA联接，再将Gd离子螯合在DOTA上，合成顺磁性的MRI分子探针。我们在3T和7T系统上提高MRI成像的空间分辨率。我们将MRI分子探针注射给动物，使探针与缺氧肌肉内表达增加的大分子结合。然后使用显微MRI技术测量分子探针结合前、后局部肌纤维的信号强度或弛豫时间。对缺氧肌肉进行DTI、IVIM-DWI、DKI、DCE、T1mapping、T2mapping、脂肪含量成像等定量成像。对缺氧肌肉进行普通CT扫描，再对CT图像进行影像组学分析。我们通过统计分析，寻找分子生物学数据与分子影像数据之间的相关性；寻找分子生物学与普通影像之间的相关性。.我们成功建立了骨骼肌早期缺氧损伤的兔模型；提高MRI成像的空间分辨率到100微米到250微米，接近显微成像的水平；获得了肌肉缺氧状态下表达增多的大分子的半定量或定量数据（包括分子生物学数据和影像数据）；合成了MRI分子探针，能与缺氧时表达增多的大分子靶向稳定结合，从而改变局部肌肉组织的横向和纵向弛豫时间。我们获得了缺氧肌肉的重要分子生物学数据，如HIF-1α的mRNA含量及蛋白表达水平；获得了缺氧肌肉的重要分子影像数据，如分子探针结合前、后肌肉的信号强度和弛豫时间；获得缺氧肌肉的普通MRI影像数据和CT影像组学数据。我们发现一些高相关性的分子影像-分子生物学配对；并发现一些高相关性的普通影像-分子生物学配对。证明以无创性的影像手段代替有创性的分子生物学技术可行，在检测评估肌肉缺氧损伤方面存在较好的应用前景。