机器学习助力小鼠骨髓炎症检测：T2分布分析的新突破

《European Radiology Experimental》：Improved MRI detection of inflammation-induced changes in bone marrow microstructure in mice: a machine learning-enhanced T2 distribution analysis

为解决炎症引发的骨髓微观结构变化难以精准检测的问题，研究人员开展了利用先进磁共振成像（MRI）技术，结合机器学习增强 T2分布分析检测小鼠骨髓炎症变化的研究。结果表明该方法能更灵敏检测微观结构变化，对炎症性疾病诊断和监测意义重大。

　　在人体健康的庞大版图中，炎症就像一个隐藏在暗处的 “神秘玩家”，悄悄影响着众多疾病的发展进程。全球超过半数的人类死亡都与炎症性疾病有着千丝万缕的联系，败血症、糖尿病、癌症以及神经退行性疾病等，都在炎症的 “助推” 下不断恶化。在这些疾病里，炎症会激活免疫系统，其中的关键角色 —— 先天性免疫细胞，它们来源于成人骨髓中的造血干细胞和祖细胞。正常情况下，人类骨髓每天都在辛勤 “工作”，制造约 2800 亿个造血细胞，而当炎症来袭，这个 “生产速度” 会大幅提升，骨髓的结构和功能也会随之改变。因此，找到一个能精准反映炎症的生物标志物，对于全面了解免疫系统功能、诊断和治疗炎症性疾病至关重要。

目前，非侵入性成像技术在探索骨髓变化方面展现出了潜力，比如氟代脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（¹⁸F-FDG PET）和功能磁共振成像（MRI）的一些技术，像扩散加权成像（DWI）、质子密度脂肪分数、R₂或 R₂⁺映射等。不过，¹⁸F-FDG PET 存在电离辐射风险，而传统的标量 T₂映射虽然是一种多回波 MRI 方法，但它与年龄存在相关性，在区分炎症水平时效果有限。于是，研究人员迫切需要一种更精准、更安全的方法来深入探究骨髓在炎症状态下的变化。

来自以色列理工学院（Technion - Israel Institute of Technology）、德国埃尔朗根 - 纽伦堡大学（Friedrich - Alexander-Universit?t Erlangen - Nürnberg）等机构的研究人员，为了解决这些难题，开展了一项极具意义的研究。他们利用先进的磁共振成像（MRI）技术，包括 T₂加权成像、标量 T₂映射，以及机器学习增强的 T₂分布分析，来研究炎症引发的小鼠股骨造血骨髓的变化，并将研究结果发表在了《European Radiology Experimental》上。这一研究成果为炎症性疾病的诊断和监测带来了新的希望，有望成为推动医学进步的重要力量。

研究人员采用了一系列先进的技术方法。实验选用 24 只 8 周龄雌性 C57BL/6J 小鼠，在其 12 周龄时进行成像研究。实验设置了三个小组，分别为健康对照组、脂多糖（LPS）诱导的急性炎症组和链脲佐菌素（STZ）与 LPS 诱导的糖尿病炎症组。利用 9.4 - T 水平孔 MRI 系统获取小鼠左肢的 MRI 图像，通过 T₂加权成像和多切片多回波序列进行数据采集。在图像分析阶段，运用 ITK Snap 3.8 软件进行感兴趣区域（ROI）标注，使用自定义 Matlab 软件结合 Python 进行标量 T₂分析，利用基于模型的机器学习（MIML）网络分析 T₂分布，并通过普鲁士蓝染色对股骨骨髓进行组织学分析，最后借助 Prism 10 和 Python 进行统计分析。

研究结果

1. T₂加权成像和标量 T₂映射结果：T₂加权成像显示，炎症组骨髓的信噪比（SNR）显著降低；标量 T₂映射发现，随着炎症程度的增加，T₂弛豫时间有所减少。这表明这两种传统的 MRI 技术能够检测到炎症引起的骨髓组织细微变化。
2. MIML 增强的 T₂分布分析结果：MIML 增强的 T₂分布分析展现出了更高的灵敏度。研究发现，随着炎症程度加重，T₂分布第一峰的均值明显下降，而且该变化与中性粒细胞计数以及铁沉积有着很强的相关性，这说明它能更精准地反映骨髓微观结构的变化。
3. 铁沉积与炎症的相关性：通过对组织学切片进行普鲁士蓝染色，研究人员发现骨髓中的铁含量随着炎症程度的增加而升高。同时，血液中性粒细胞水平与骨髓铁含量之间存在显著的相关性，这揭示了炎症与骨髓铁代谢之间的紧密联系。进一步分析发现，T₂分布值与炎症反应以及铁含量的相关性比标量 T₂值更强，再次证明了 T₂分布分析在检测骨髓炎症变化方面的优势。

研究结论与讨论

这项研究充分表明，T₂加权成像、标量 T₂映射和 T₂分布分析在检测小鼠股骨骨髓炎症引起的变化方面都具有一定的有效性。其中，MIML 增强的 T₂分布分析在检测炎症和铁沉积方面表现更为出色，展现出了更高的灵敏度。组织学分析也证实了骨髓中铁沉积的增加与炎症的相关性。

不过，该研究也存在一些局限性。目前研究仅在小鼠模型上进行，未来需要进一步拓展到人类患者的研究；实验只选用了平均年龄的雌性小鼠，可能存在一定的局限性；研究中还难以清晰呈现苏木精 - 伊红染色和细胞数量数据与 T₂测量之间的相关性；而且只关注了 LPS 诱导的炎症模型，对于其他炎症模型的研究还有待开展。

尽管如此，这项研究仍然意义重大。它为可视化骨髓微环境变化提供了一种全新的非侵入性 MRI 方法，能够检测到血管重塑、铁沉积和骨髓成分变化等关键信息。T₂分布分析在检测炎症引起的骨髓微观结构变化方面具有独特优势，有望成为急性和慢性炎症的早期生物标志物，为医生进行患者分层、治疗监测以及跟踪疾病进展提供有力的依据，为炎症性疾病的诊断和治疗开辟了新的道路。