动脉粥样硬化中内皮通透性与（功能障碍）的定量磁共振成像

摘要

我们开发了一种准确、无创且易于使用的方法，通过磁共振成像（MRI）来量化动脉内皮通透性和功能障碍，该方法命名为qMETRIC。该技术可用于在临床前模型和人体中评估与动脉粥样硬化相关的血管损伤及心血管风险。

摘要

心血管疾病是全球范围内导致死亡的首要原因。血管内皮的通透性增加（渗漏）和功能障碍被认为是血管损伤的最早标志，并被认为会促进动脉粥样硬化的发展。在临床实践中，能够 in vivo 识别这些变化的方法具有重要意义。基于磁共振成像（MRI）的工具及其他技术已使人们对内皮在心血管疾病及风险中的作用有了深入的 in vivo 认识。然而，目前仍需要一种可重复且简便的方法，能够从单次影像学检查中提取出反映内皮损伤的可量化数据。本研究开发了一种无创、易于实施且定量的MRI工作流程，用于获取和分析图像，从而实现对动脉内皮损伤两个影像生物标志物（渗漏性/通透性与功能障碍）的量化。本文所述方案详细介绍了在动脉粥样硬化ApoE^-/-小鼠的锁骨下动脉中，使用临床MRI扫描仪应用该方法的具体步骤。首先，介绍了利用白蛋白结合探针通过延迟钆增强（LGE）和改良Look-Locker反转恢复（MOLLI）T1 mapping序列来量化内皮渗漏的技术。其次，介绍了用于评估乙酰胆碱诱导的内皮功能障碍的解剖结构成像与定量血流序列。重要的是，本文所述方法能够获得高空间分辨率的三维图像，并具有较大的容积覆盖范围，从而实现对血管壁结构的精确分割，降低观察者间和观察者内的变异性，提高结果的可靠性和可重复性。此外，该方法无需高时间分辨率进行复杂的动力学建模即可提供定量数据，因而不依赖模型假设，甚至可用于高运动性血管（如冠状动脉）的成像。因此，该方法简化并加快了数据分析过程。最后，该方法可在不同型号的扫描仪上实施，可扩展应用于不同动脉区域的成像，并具有在人体临床应用的可行性。该技术有望通过精准医学策略用于动脉粥样硬化患者的诊断与治疗。

引言

心血管疾病（CVD）仍是全球发病率和死亡率的首要原因，占全球死亡人数近三分之一¹，并导致终身残疾，给医疗系统带来巨大的经济负担¹。在心血管疾病中，缺血性心脏病和中风主要由动脉粥样硬化斑块引起。动脉粥样硬化是一种多因素疾病；然而，其共同特征是血管内皮细胞的早期损伤，进而导致动脉粥样硬化的形成、进展及其最终并发症。完整的血管内皮具有重要的血管保护功能²。内皮通过调控细胞和分子在体循环与血管壁之间的转运来调节血管通透性；通过平衡血管舒张因子（如一氧化氮、前列环素）和血管收缩因子（如内皮素-1、血管紧张素II）的生成来调节血管张力；同时还具有抗凝血特性。然而，在存在心血管危险因素（如吸烟、高胆固醇、糖尿病、系统性炎症、氧化应激）以及血流动力学模式改变的情况下，内皮细胞的功能和通透性均可能恶化。功能失调的内皮对刺激物的舒张反应减弱，从而导致动脉僵硬度增加。此外，通透性增加或渗漏的内皮细胞之间紧密连接间隙增宽^3,4,5,6,7。这种变化不仅发生在管腔侧的内皮细胞，也出现在新形成的斑块微血管中，这些微血管表现为脆弱、渗漏且形态异常⁸。通透性增加的内皮细胞成为血浆来源分子和细胞进入血管壁的入口，从而加剧心血管疾病的风险。

基于这一认知，在过去15年中，内皮通透性与功能已成为一种颇具前景的影像学和治疗靶点，可用于更准确地诊断心血管疾病高危个体，并评估已知或新型药物的作用效果。然而，对内皮功能的直接定量成像仍存在局限性^9,10,11,12目前，内皮功能的大部分解读 体内 基于外周血管内皮依赖性舒张功能（FMD）的研究，其功能与导致临床事件的血管床中动脉粥样硬化负荷呈轻度相关^13,14,15只有少数影像学研究证实了内皮功能障碍与动脉粥样硬化负荷之间存在直接关联 体内^9,10,11,12相反，更为便捷的基于MRI的方法已实现对内皮通透性的广泛成像。通过测量注射MRI钆对比剂后血管壁信号增强的百分比，可对内皮通透性进行半定量评估。^16,17随后，动态对比增强（DCE）方案的发展使得对血管内皮通透性的测量得以改进，并实现了更定量化的评估。诸如对比剂外渗速率等定量参数（K^转）和微血管体积（Vρ）通过动力学建模获得的参数，或通过非建模方法提取的曲线下面积（AUC）、上升斜率、达峰时间及峰值浓度，不仅与内皮通透性相关，还与斑块血管生成相关。^18,19,20然而，尽管技术取得了显著进步，血管DCE的应用仍然具有挑战性，原因如下：（i）它需要高空间分辨率（0.5–0.7 mm²）和时间分辨率²¹ 以准确描绘血管壁。对血液中对比剂浓度进行采样以计算动脉输入函数，同样需要动力学建模，这会导致在解剖覆盖范围上有所取舍^22,23 以获得时间分辨率，反之亦然^24,25；（ii）数据分析可能需要复杂的药代动力学建模（例如Patlak模型与Tofts模型）；（iii）图像质量有限，扫描-重扫重复性差，且观察者间和观察者内变异度处于平均水平^26,27因此，仍然需要可重复且简便的方法，以从单次成像研究中提取内皮通透性和（功能障碍）的直接且可量化的数据，从而提高其临床应用价值。

在此，我们开发了一种非侵入性、易于实施且可定量的磁共振成像（MRI）方法，可在单次扫描中利用动脉粥样硬化临床前模型获取和分析图像，直接定量两种动脉内皮损伤标志物（渗漏性/通透性和功能障碍）。该方法命名为 Q定量 MRI 的 EndoT螺旋状的Rmeab我功能障碍和异常Ction (qMETRIC）。该方法包括在注射血管内白蛋白结合探针后，获取晚期钆增强（late gadolinium enhancement, LGE）和改良型Look-Locker反转恢复（Modified Look-Locker Inversion Recovery, MOLLI）T1 mapping序列，以量化内皮渗漏；同时获取解剖结构和定量血流序列，以评估对乙酰胆碱团注刺激产生的内皮功能障碍。我们已证实，qMETRIC能够准确检测动脉粥样硬化的严重程度及并发症风险、治疗反应，并可针对患者情况进行适应性调整应用^5,6,7重要的是，本文所述方法能够获取高空间分辨率的图像，从而实现对血管壁的精确分割，以最大限度地减少观察者间和观察者内的偏差，并在大范围解剖覆盖的基础上提高结果的可靠性和可重复性。最后，该方法可适用于不同的扫描仪，并可扩展用于成像不同动脉床（甚至冠状动脉）。²⁸简单的操作流程使该方法更易于被心血管成像领域研究人员所采用。

方案

本研究的所有步骤均按照英国《1986年动物（科学程序）法案》进行，并获得伦敦国王学院伦理审查委员会的批准。

实验流程总结见图1。

1. 动物准备

1. 通过给予 ApoE^-/- 小鼠高脂饮食诱导动脉粥样硬化，饮食中平均含 21% 猪油来源的脂肪和 0.15%（wt/wt）胆固醇，持续最长 12 周。
2. 用适当体积的对比剂（gadofosveset trisordium）填充 29 G 针头的胰岛素注射器，以达到 0.03 mmol/kg 的剂量。注射体积应保持在 50–150 µL 之间。
3. 将鼠笼置于设定为 37 °C 的加热垫上，以预热动物并维持其体温。
4. 将小鼠放入内衬吸水纸的诱导箱中以诱导麻醉。调节流量计，使 1 L/min 的 O₂ 中异氟烷浓度为 3%–5%，持续约 3–5 分钟。
   注意：通过观察呼吸频率减慢来确认麻醉深度，呼吸频率应降至每分钟 70 次以下（bpm）。
5. 使用脚趾夹捏法确认麻醉效果（即脚趾夹捏后无回缩反射）。将动物转移至固定装置，并将其鼻子插入鼻罩。将固定装置置于加热垫上以维持动物体温。
6. 通过鼻罩维持麻醉，将固定装置中的麻醉气流设定为 1 L/min 的 O₂ 中含 1%–2% 异氟烷。
7. 在动物眼睛上涂抹兽用眼膏，以防止麻醉期间眼睛干燥。
8. 将动物俯卧或侧卧，用酒精棉片清洁尾巴。找到两条尾静脉之一。如有必要，使用紫外灯加热尾巴，使尾静脉更清晰可见。
9. 将 29 G 胰岛素针头与静脉平行插入，针尖斜面朝上。轻柔注射预装有 gadofosveset trisodium 的注射器中的液体。拔出针头后，确保注射部位无出血。
10. 等待 30 秒，使 gadofosveset 充分循环，然后将小鼠转移至 MRI 检查床。

2. 磁共振成像扫描仪的准备（见图1）

1. 用吸水纸覆盖MRI检查床。
2. 将MRI单环接收线圈放置在MRI检查床上。使用平台抬高接收线圈，避免接收线圈与MRI检查床直接接触。
3. 使用手术胶带将线圈固定在平台上。
4. 将连接至循环加热泵的管路围绕线圈放置并固定，设置温度为37 °C，以在成像过程中维持动物体温。
5. 将麻醉输送管路放入MRI扫描仪的孔内，并用胶带固定，使鼻罩到达接收线圈的末端，即动物头部放置的位置。
6. 打开孔内摄像头，以便在控制室中监测动物状态。
7. 在MRI控制室中，通过软件界面为该动物（受试者）启动一项新的研究。

3. MRI 扫描仪中的动物体位摆放与监测（见图2）

1. 将麻醉后的动物转移至扫描室。将小鼠俯卧位放置于接收线圈上，并确保其鼻部插入鼻罩以维持麻醉状态。将麻醉气体流量调节至1 L/min，异氟烷浓度为1%-1.5%₂.
2. 确保将动物放置在MRI线圈上，使其心脏和颈部区域位于接收线圈的中心。
3. 用胶带将小鼠的鼻部固定在鼻罩中，并将其腹部和尾部固定在平台上。
4. 将四个电极放置在动物的前肢和后肢脚掌上，确保脚趾掌面完全张开，以记录心电图（ECG）。在连接心电图电极片之前，先在小鼠脚掌上使用心电图导电凝胶以增强导电性。
5. 务必使用胶带将电极牢固地固定在平台上。
6. 将扫描仪床的激光与心脏基部（近端）对齐，以锁骨和前肢连线作为解剖标志。使用自动磁共振成像台将动物置于磁体的等中心位置。

4. MRI 图像规划与采集

1. 启动定位扫描，以运行 MRI 系统的标准校准程序。
2. 设置监测设备以检测心电图（ECG）的 R 波。针对每只小鼠及每次成像过程调整阈值，确保可靠触发。
   注：在深度麻醉状态下，小鼠心率通常在每分钟 400–600 次（bpm）之间。
3. 获取三维梯度回波扫描（GRE），以获得多平面定位图像（scout images），用于规划后续扫描（MRI 采集参数见表 1，扫描规划见图 3）。
4. 在定位图像上识别心脏，尤其是在冠状面图像上，最简便的方法是通过血流伪影进行识别。
   注：如果图像显示小鼠未在射频线圈或等中心位置良好居中，请收回床板并重新调整位置。
5. 规划一次三维对比增强磁共振血管成像（MRA）扫描（MRI 采集参数见表 1，扫描规划见图 3），扫描平面为横断面，范围从心脏基底部延伸至颈部及颈动脉，视野（FOV）为 8 mm。
6. 使用最大强度投影（MIP）图像观察主动脉弓、无名动脉和颈动脉，并据此规划后续的延迟钆增强（LGE）、T1 mapping 和电影（cine）扫描（代表性图像见图 3）。
   注：如果成像层面位置不正确，可通过将层面近端或远端移动后重新采集。
7. MRI 图像采集以测量内皮通透性。
   1. 利用此前获取的 MIP 和横断面 MRA 图像，规划一个垂直于升主动脉或颈动脉的单层二维 Look-Locker（LL）扫描（MRI 采集参数见表 1，代表性图像见图 3）。
   2. 使用模拟 ECG 信号时，将心率设为 60 bpm；若使用记录的 ECG 信号，则设置屏蔽期，以确保连续反转恢复脉冲之间的反转恢复时间为 1000 ms。
   3. 利用 Look-Locker 图像确定延迟钆增强（LGE）扫描所需的血液信号抑制最佳反转时间（TI）。
   4. 延迟钆增强（LGE）成像：在注射钆磷维塞特（gadofosveset）后 20–30 分钟，并紧接 LL 扫描（见步骤 4.7.1–4.7.3）之后，使用反转恢复三维快速梯度回波序列进行 LGE 扫描（MRI 采集参数见表 1，代表性图像见图 3）。
   5. 规划一个横断面三维快速梯度回波 LGE 扫描，覆盖心脏基底部（包括部分主动脉根部）、无名动脉（从主动脉根部至锁骨下动脉分叉处）以及部分颈动脉，FOV 在头足方向为 8 mm，几何参数与上述 MRA 扫描相同（代表性图像见图 3）。
   6. 使用模拟 ECG 信号时，将心率设为 60 bpm；若使用记录的 ECG 信号，则设置屏蔽期，以确保 LGE 扫描中连续反转恢复脉冲间隔为 1000 ms（同上文步骤 4.7.2）。
      注：这对于在连续反转恢复脉冲之间实现一致且与心率无关的磁化恢复至关重要。
   7. 将 Look-Locker 所得的 T1 值输入 LGE 序列的对比度 > 反转延迟参数中。
   8. T1 mapping 成像：在注射 gadofosveset 后 45 分钟，使用三维快速梯度回波采集横断面 T1 mapping 图像。序列方向和几何参数应与上述 LGE 扫描一致（MRI 采集参数见表 1，代表性图像见图 3）。
   9. 使用模拟 ECG 时，将心率设为 120 bpm；若使用记录的 ECG 信号，则设置屏蔽期，以确保两次成像序列之间的反转恢复脉冲间隔为 500 ms。
      注：T1 mapping 序列采用两个非选择性反转脉冲，反转时间范围为 20–2000 ms，随后进行八段读出，获得八幅独立图像。两次成像序列组合后，每层共生成十六幅具有不同反转时间的图像。图像由扫描仪自动使用三参数拟合模型重建。生成 T1 参数图所用公式如下：
      
      
8. MRI 图像采集以测量内皮功能
   1. 配制生理盐水稀释的乙酰胆碱溶液。使用 29 G 针头的胰岛素注射器，装载适量溶液以达到 16.6 mg/kg 的剂量。注射体积应控制在 50–150 µL 之间。
   2. 利用横断面 MRA 及相应的 MIP 图像，在无名动脉上（位于主动脉根部与锁骨下动脉分叉之间）放置一个横断面（代表性图像见图 3）。
   3. 使用横断面二维梯度回波（GRE）序列并采用回顾性 ECG 门控，采集无名动脉的时间分辨电影图像（MRI 采集参数见表 1，代表性图像见图 3）。
   4. 根据每只动物的心率调整最大心脏时相数量。
      注：通常 14 个心脏时相即可提供足够的时间分辨率。
   5. 在获取基线图像后，进入 MRI 扫描室。在小鼠处于扫描仪内麻醉状态下，轻柔地进行腹腔内（IP）注射乙酰胆碱。避免移动小鼠在射频线圈上的位置。
   6. 等待 6–10 分钟，待心率稳定后重复图像采集。
   7. 成像过程结束后，将小鼠放回笼中，并将笼子置于加热垫上以促进恢复。
      ​注：当小鼠恢复足够意识并能维持胸卧位时，视为已苏醒。
   8. 将采集的图像导出为医学数字成像与通信（DICOM）格式，并使用开放平台图像分析软件进行分析。

5. MRI 分割与数据分析（见图4）

1. 将Dicom文件拖放到开放平台软件的数据库中，以加载所有图像。
2. 利用LGE图像观察血管壁的对比剂摄取情况，并计算增强区域的面积，作为内皮细胞渗漏的替代指标。
3. 同时选择MRA和反转恢复扫描。按下 输入 并排加载这些图像。单击扫描名称旁边的小图标，然后将MRA图像拖放到LGE图像上。
4. 选择选项 重新取样 以LGE图像为参考，对MRA图像进行重新切片，以校正切片厚度的差异。
5. 单击扫描名称旁边的小图标。将LGE图像拖放到MRA图像上（如上述步骤5.4所示）。在菜单中选择 图像融合 叠加LGE和MRA图像。
6. 从工具栏中，单击 2D 观察器，然后选择 3D位置面板使用按钮手动校正平面内位移，以补偿动物呼吸可能导致的微小移动。
7. 使用 闭合多边形 使用工具栏中的工具手动分割血管壁的视觉增强部分。参考配准后的MRA和LGE图像以指导分割。
8. 分割所有包含无名动脉的LGE图像。
   注意：如果血管壁强化呈弥散性或斑片状，应在每张切片中分别进行分割。
9. 点击 插件 工具栏中的按钮，然后选择 ROI 工具，然后 导出感兴趣区域 导出分割区域（mm²) 用于表格中每个感兴趣区域（ROI）。
10. 将每张切片的面积相加，以计算锁骨下动脉增强总区域的面积。
    注意：增强的总面积可作为内皮通透性的定量指标。
11. 使用磁共振成像仪计算机自动生成的T1图，计算血管壁的平均T1值，该值反映钆磷维塞特进入血管壁的摄取量——这是内皮通透性的一个定量指标。
12. 加载MRA和T1图图像，并参照上述方法（步骤5.3–5.9）对血管壁进行分割并提取T1值（ms）。
13. 在电子表格中，将 T1 值取倒数后乘以 1000，计算弛豫时间 R1 = 1/T1（单位：秒）。计算每只动物覆盖臂头动脉的所有层面的平均 R1 值。
14. 加载相位对比血管造影图像和速度图，以分别计算心动周期中血管横截面积和血流速度的变化。
15. 对注射乙酰胆碱前后获取的图像进行分割，以计算内皮依赖性血管反应性，该指标是内皮（功能障碍）的替代标志物。
16. 使用半自动化的 生长区域 ROI 选项卡中提供的工具或使用 闭合多边形 工具栏中可用的选项（如步骤 5.7 所述），用于分割管腔面积（mm²在血管造影图像中观察无名动脉的狭窄程度。
    注意：该半自动化工具通过像素阈值法，根据信号强度对包含血池的像素进行聚类。
17. 使用 闭合多边形 用于分割相应的血流速度编码图以计算血流速度（cm/s）的工具。
18. 导出管腔面积（mm²）和血流速度（cm/s）记录在电子表格中（如步骤5.9所述），并确定对应于舒张末期（最大面积）和收缩末期（最小面积）心脏时相的数据。
19. 使用制表的电子表格计算内皮依赖性血管舒张（计算注射乙酰胆碱前后舒张末期（ED）管腔面积和血流速度的百分比变化）。使用以下公式：
    面积变化=
    流速变化=
20. 对每只动物，将来自LGE图像、T1 mapping及乙酰胆碱试验的相应数据整理成表格，输入统计软件进行分析。

结果

   在本报告中，一种 Q定量 MRI方法被用于测量 EndoT螺旋状Rmeab我性与（功能障碍）C在动脉粥样硬化ApoE小鼠的无名动脉中进行定量磁共振温度成像（qMETRIC）^-/- 小鼠。该方法可提供内皮损伤两个标志物——通透性和（功能障碍）——的直接且可量化的数据，这些数据可从 体内 单次成像过程中获取的血管壁扫描。首先，利用LGE测量血管壁强化区域的面积（mm²）³），并利用T1（或R1）图来量化血管壁的弛豫速率（s^-1）在给予钆磷维塞特后，两种通透性替代标志物（参见 图5 用于代表性结果）。血管壁R1弛豫速率范围为2.42 s^-1 ± 0.35 秒^-1 至 3.45 秒^-1 ± 0.54 秒^-1 至 3.83 秒^-1 ± 0.52 秒^-1 分别在高脂饮食4周、8周和12周时。相反，野生型（R1 = 2.15 ± 0.34 s）^-1) 和他汀类药物治疗的 ApoE^-/- (R1 = 3.0 ± 0.65 s^-1)小鼠表现出较弱的增强效应。在ApoE^-/- 在长达12个月的高脂饮食喂养小鼠模型中，该研究通过组织学分析、伊文思蓝染色和透射电子显微镜显示，动脉粥样硬化进展过程中内皮通透性增加，这一结果与延迟增强磁共振成像（LGE）所显示的血管壁体积增大、血管壁R1弛豫率升高以及乙酰胆碱注射后出现的反常性血管收缩现象一致⁵相反，他汀类药物及其他以血管内皮为靶点的治疗可降低内皮通透性和斑块体积，这在较小的LGE体积和较低的R1值中得到体现^5,7，以及改善的血管舒张功能。其作用机制为：gadofosveset 可逆地结合血清白蛋白，从而导致探针的 T1 弛豫率增加 5-6 倍²⁹使其能够以高灵敏度通过MRI检测。本研究显示，该探针与白蛋白结合后，其摄取情况可反映血管内皮通透性，因为它与伊文思蓝染料（Evan's blue dye）的摄取具有相关性——后者是评估血管通透性的金标准 离体 定量内皮细胞渗漏的方法（图5）以及较宽的紧密缝隙连接⁵其次，通过乙酰胆碱刺激，演示了一种测量内皮（功能障碍）的简单检测方法。在对照血管中，乙酰胆碱可引起内皮依赖性血管舒张，导致动脉横截面积/容积增大及血流量增加。为评估内皮（功能障碍），采用给予乙酰胆碱前后采集的心电图门控血管造影图像，计算血管管腔在舒张末期面积（或容积）的变化。研究发现，与正常血管在乙酰胆碱作用下发生血管舒张不同，动脉粥样硬化血管表现出内皮依赖性血管舒张功能减退，表现为血管面积（或容积）变化减小，甚至出现血管反常性收缩。图5有趣的是，他汀类药物治疗改善了内皮的血管舒张特性¹³.

图1：在动脉粥样硬化小鼠中成像内皮通透性及（功能障碍）的工作流程。（A-B）首先对小鼠进行麻醉，随后注射白蛋白对比剂。（C）然后将小鼠转移至MRI线圈上，使用ECG电极片监测心脏活动。（D-E）采集MRI图像以量化内皮通透性和（功能障碍），并使用开放平台软件进行后续分析（由BioRender.com创建）。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：使用临床3特斯拉MRI扫描仪对动物进行体位固定和ECG监测，以成像内皮通透性及（功能障碍）。 (A-B) 将动物俯卧于表面线圈上，并通过吸入式异氟烷维持麻醉状态。使用沙袋固定成像平台。(C-D) 将ECG电极垫片置于动物足部，并连接至临床ECG模块以记录心脏活动。请点击此处查看该图的放大版本。

图3：在动脉粥样硬化小鼠的头臂动脉中，用于量化内皮通透性及（功能障碍）的MRI图像规划与采集。（A）采集定位像以确定主动脉根部与颈动脉之间的解剖区域。（B）利用磁共振血管成像（MRA）观察血管结构，并规划后续扫描。（C）在头臂动脉层面采集Look-Locker图像，以确定在后续钆延迟增强图像（LGE）中将血液信号设为零的合适时间延迟。（D）LGE图像提供对血管壁强化情况的可视化评估。（E）通过T1 mapping计算血管壁的弛豫速率，该速率可反映钆的浓度。（F）在给予乙酰胆碱后，量化血管壁依赖于内皮的舒张特性。请点击此处查看该图的放大版本。

图4利用图像分割与分析定量评估动脉粥样硬化小鼠头臂动脉内皮通透性及（功能障碍） (A在LGE图像上手动分割血管壁，以量化对比剂摄取的面积/体积。B) 在T1 mapping上对血管壁进行分割，以计算血管壁的T1弛豫率。C在MR血管造影图像和血流编码图像上分割出的血管壁，通过计算血管末端变化的变化，用于研究血管壁的舒张特性
舒张期管腔面积（或容积）及乙酰胆碱给药后的血流。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图5动脉粥样硬化小鼠内皮通透性与（功能障碍）的定量成像（qMETRIC）。 (ALGE 图像和 R1 弛豫图显示，在动脉粥样硬化进展过程中，血管壁对白蛋白结合型对比剂的摄取增加，而他汀类药物治疗后该摄取有所改善。影像学数据得到了伊文思蓝染料（一种白蛋白结合型染料）在组织中积聚结果的验证。 离体. (B) 乙酰胆碱给药后血管壁舒张特性的变化可用于量化内皮依赖性血管舒张功能。对照组血管出现舒张，而动脉粥样硬化血管则表现为收缩，提示存在内皮损伤。他汀类药物治疗可改善内皮损伤。图中“wks”和“HFD”分别代表“周”和“高脂饮食”。该图改编自 Phinikaridou, A. 等人。⁵. 请点击此处以查看此图的放大版本。

扫描/序列	采集参数
定位像/预扫描	3D 快速梯度回波 横断面：FOV = 50 mm × 27 mm × 14 mm，矩阵 = 96 × 52，面内分辨率 = 0.5 mm × 0.5 mm，层厚 = 0.5 mm，TR/TE = 15/6.1 ms，翻转角 = 30°，平均次数 = 1 冠状面：FOV = 200 mm × 102 mm × 14 mm，矩阵 = 336 × 173，面内分辨率 = 0.5 mm × 0.5 mm，层厚 = 0.5 mm，TR/TE = 12/6 ms，翻转角 = 30°，平均次数 = 1
MRA 扫描	3D 快速梯度回波，FOV = 30 mm × 30 mm × 8 mm，矩阵 = 200 × 200，面内分辨率 = 0.15 mm × 0.15 mm，层厚 = 0.5 mm，TR/TE = 15/6.1 ms，翻转角 = 40°，平均次数 = 1
Look-Locker 扫描	2D 快速梯度回波，FOV = 30 mm × 30 mm，矩阵 = 80 × 80，面内分辨率 = 0.38 mm × 0.38 mm，层厚 = 2 mm，TR/TE = 19/8.6 ms，连续 IR 脉冲间 TR = 1000 ms，翻转角 = 10°，平均次数 = 1
LGE 扫描	3D 快速梯度回波，FOV = 30 mm × 30 mm × 8 mm，矩阵 = 304 × 304，面内分辨率 = 0.1 mm × 0.1 mm，实测层厚 = 0.5 mm，层数 = 32，TR/TE = 28/8 ms，连续 IR 脉冲间 TR = 1000 ms，翻转角 = 30°，平均次数 = 1
T1 mapping 扫描	3D 快速梯度回波，FOV = 36 mm × 22 mm × 8 mm，矩阵 = 192 × 102，面内分辨率 = 0.18 mm × 0.22 mm，实测层厚 = 0.5 mm，层数 = 16，TR/TE = 9.6/4.9 ms，翻转角 = 10°，平均次数 = 1
相位对比血管成像扫描	2D 快速梯度回波，FOV = 40 mm × 23 mm，矩阵 = 132 × 77，面内分辨率 = 0.3 mm × 0.3 mm × 1 mm，TR/TE = 9.8/4.9 ms，翻转角 = 30°，心动周期相位数 = 14，平均次数 = 6，血流速度（足头方向）= 30 cm/s

表1：MRI扫描参数

讨论

评估血管内皮健康状况是一种具有吸引力的影像学生物标志物，有望用于诊断与动脉粥样硬化相关的风险以及监测治疗效果。本文所述的qMETRIC方案可在全面、快速且具有临床适用性的磁共振成像（MRI）流程中，可重复地定量评估内皮通透性（渗漏性）及其（功能障碍）。该方法可为现有动态对比增强MRI（DCE-MRI）方案提供一种更简便的替代或补充工具，用于量化内皮通透性。此外，该方法还可为冠状动脉和颈动脉等血管床的内皮（功能障碍）提供一种非侵入性直接评估手段，避免使用侵入性技术或在受疾病影响较轻的外周动脉中进行替代性测量。采用该方法测量内皮通透性，可在高空间分辨率下覆盖主动脉、主动脉弓、无名动脉及颈动脉（延迟增强图像分辨率达0.1 mm，T1 mapping分辨率达0.22 mm），这对于在啮齿类动物中精确分割血管壁至关重要。图像分析可通过开源平台完成，仅需对血管壁进行简单分割，无需复杂的药代动力学建模。重要的是，该方案可适配多种市售的MRI设备，并可拓展应用于不同的动物模型乃至人体。尽管本方案以临床扫描仪设置为例进行描述，但相关MRI序列同样可在高场小型动物扫描仪上实施。此类扫描仪通常提供可直接使用或通过与设备制造商合作编程实现的反转恢复、T1 mapping和血管造影序列。

为了获得准确且可重复的结果，必须特别关注本实验方案中的一些关键步骤。首先，在临床扫描仪中对小动物进行成像时，需要使用合适且定制的接收线圈，以最大化信噪比，从而获得高质量图像。动物在线圈上的摆放位置也至关重要，应避免动物与线圈之间出现分离或充满空气的间隙，以提高信噪比。因此，应将感兴趣的解剖区域置于线圈中心，然后将其移至磁体的等中心位置，使其暴露于磁场最均匀的区域。其次，稳定、强健且准确的心电图（ECG）信号对于可靠的成像触发/门控至关重要。这对于在特定时间点一致地激发磁化矢量、控制图像采集窗口的时序，以及获取包含舒张末期的功能测试所需的时间分辨图像具有重要意义。在高场强扫描仪（相比临床扫描仪具有更好的屏蔽性能）上使用时，基于垫片或针式的小动物电极是更合适的选择。当在临床场强扫描仪上使用这些电极时，需将ECG导线紧密缠绕在一起，以避免在MRI拉莫尔频率下形成谐振电路，从而防止脉冲序列期间ECG信号劣化。作为替代方案，我们建议使用适用于人体扫描的ECG模块和电极垫，并将电极垫尺寸调整至小鼠足掌大小，同时用胶带额外固定电极垫以增强导电性。第三，在对比剂仍处于血液循环中时获取延迟强化（LGE）图像的过程中，选择正确的信号抑制时间（nulling time）至关重要，以便有效抑制血池信号，清晰显示血管壁。每次LGE序列扫描前必须运行一次Look-Locker序列，并据此调整反转延迟时间。第四，为了使用改良的Look-Locker反转恢复（MOLLI）序列实现准确且精确的T1 mapping，应采用推荐的图像采集方案，覆盖至少从20 ms到2000 ms范围内的多个反转延迟时间，以捕捉短T1和长T1组分。最后，MRI数据的分割必须严谨，并应用严格的标准，以避免在面积/体积及T1值计算过程中产生观察者内和/或观察者间的偏差。

与DCE-MRI不同，此处描述的方法并未提供对比剂在血管壁中流入和流出的动力学数据，而是提供了注射白蛋白结合型对比剂钆磷维塞特（gadofosveset）后特定时间点的内皮通透性快照。然而，从这些时间点提取的定量数据与其他白蛋白染料（如伊文思蓝染料，Evan's blue dye）具有高度相关性，后者被认为是测量内皮通透性及内皮间隙宽度增加的金标准。从机制上讲，钆磷维塞特的白蛋白结合部分和游离部分均足够小，能够穿过内皮连接处的裂隙，从而导致MRI信号增强。此外，游离部分在进入血管壁后可能还会与斑块内的白蛋白结合，进而引起信号增强。研究发现，在临床剂量下注射钆磷维塞特时，血管壁的弛豫率约为r₁≈17 mmol/L/s，该数值更接近于白蛋白结合部分的弛豫率（r₁≈25 mmol/L/s），而非游离部分（r₁≈6.6 mmol/L/s）^5,29。

该成像方法的未来应用包括在不同动物模型和其它动脉节段中开展的基础科学研究，以及利用该方法评估机体对现有或新型药物制剂的生物学反应。研究可分别采用横断面或纵向设计，以获取机制性数据和结局数据。由于操作流程简便，该方法易于实施，也具有临床适用性，可用于人体研究。该方法用于颈动脉和外周动脉成像的转化应用已近在咫尺，但将其应用于冠状动脉成像仍需在图像采集、重建及运动校正技术方面进一步突破，相关技术目前正在研发中^30,31。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
乙酰胆碱	Sigma Aldrich	A6625-100G，16.6 mg/kg
麻醉设备	全身麻醉服务	全身麻醉服务
循环加热泵	赛默飞世尔科技公司，美国	BOM: 152510101
ECG导电凝胶（Nuprep）	Waever and Company，美国	10-30-T
心电图监测模块	美国Invivo公司	REF 0700-1002
加多福塞韦三钠（Gadofosveset trisodium，Vasovist/Ablavar）	Lantheus Medical Imaging Inc，美国马萨诸塞州北比勒里卡	0.03 mmol/kg
高脂饮食	英国威瑟姆特殊饮食服务公司	21% 脂肪来自猪油，0.15%（wt/wt）胆固醇
诱导箱	Vet Tech Solutions LTD
胰岛素注射器	BD 生物科学	0.5 mL，29 G
OsirixX 软件	OsiriX 基金会，瑞士日内瓦		开源平台
飞利浦 Achieva 磁共振成像扫描仪（3 特斯拉）	荷兰贝斯特，飞利浦医疗系统	配备临床梯度系统（30 mT/m）-1，200 mT m-1 毫秒-1)
单个–环形表面显微镜接收线圈	菲利普斯·汉堡	直径 = 23 mm	定制构建