学术背景

杜氏肌营养不良症（Duchenne Muscular Dystrophy, DMD）是一种遗传性肌肉疾病，是日本最常见的肌营养不良类型。DMD 由 X 染色体上的 dystrophin 基因突变引起，导致肌肉纤维中缺乏或缺陷的 dystrophin 蛋白，进而引发肌肉纤维膜通透性增加、钙离子内流、活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）产生以及细胞坏死等一系列复杂事件。慢性肌肉退化导致炎症细胞持续积累，进一步加剧疾病进展。目前，DMD 的诊断主要依赖于体格检查、家族史和实验室检测，分子诊断技术如微阵列和肌肉活检也被广泛应用。然而，DMD 的病理生理机制复杂，涉及炎症、线粒体功能障碍和氧化还原状态失调等多个方面，因此，如何非侵入性地评估 DMD 患者的局部炎症和氧化还原状态成为了一个重要的研究课题。

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是评估肌肉疾病进展的重要工具，传统的 T2 加权 MRI 可以通过肌肉水含量的增加来评估炎症和肌营养不良。然而，DMD 的氧化还原状态在疾病进展过程中尚未被非侵入性地评估。动态核极化 MRI（Dynamic Nuclear Polarization MRI, DNP-MRI）是一种新兴的非侵入性成像技术，能够通过监测氧化还原探针的分布来评估组织的氧化还原状态。本研究旨在利用 DNP-MRI 技术评估 DMD 模型小鼠（mdx 小鼠）骨骼肌的氧化还原状态，并探讨其在局部炎症评估中的应用价值。

论文来源

本论文由 Hinako Eto、Masaharu Murata、Takahito Kawano、Yoko Tachibana、Abdelazim Elsayed Elhelaly、Yoshifumi Noda、Hiroki Kato、Masayuki Matsuo 和 Fuminori Hyodo 共同撰写，作者分别来自日本九州大学、岐阜大学和苏伊士运河大学等机构。论文于 2024 年发表在 npj Imaging 期刊上，题为《Evaluation of the Redox Alteration in Duchenne Muscular Dystrophy Model Mice Using In Vivo DNP-MRI》。

研究流程与结果

研究流程

1. DNP-MRI 成像
   研究首先使用 DNP-MRI 技术对 mdx 小鼠的骨骼肌进行氧化还原成像。实验选取了 5 周、9 周和 12 周龄的 mdx 小鼠和正常小鼠作为对照组。通过肌肉内注射氧化还原探针 carbamoyl-proxyl（CMP），并在不同时间点（2、4、7、10 和 13 分钟）获取 DNP-MRI 图像。通过分析 CMP 自由基的衰减速率，评估小鼠骨骼肌的氧化还原状态。

2. CMP 探针的血管吸收评估
   为了验证 CMP 探针的衰减速率是否受到血管吸收的影响，研究比较了 mdx 小鼠和正常小鼠在注射 CMP 后 10 分钟的血浆中 CMP 探针的浓度。结果显示，两组小鼠的血浆 CMP 浓度无显著差异，表明 CMP 探针的衰减速率主要受到氧化还原反应的影响，而非血管吸收。

3. 病理学评估
   研究通过血液生化检测评估了 mdx 小鼠的肌肉损伤标志物（如谷草转氨酶 GOT、肌酸磷酸激酶 CPK 和乳酸脱氢酶 LDH）的浓度。结果显示，mdx 小鼠的这些标志物浓度显著高于正常小鼠，表明其肌肉纤维受到了损伤。此外，通过组织病理学检查（如苏木精-伊红染色和 Masson 三色染色），发现 mdx 小鼠的肌肉纤维存在局灶性坏死和再生现象，并伴有炎症细胞浸润。

4. 线粒体功能评估
   通过琥珀酸脱氢酶（SDH）和细胞色素 c 氧化酶（COX）染色，评估了 mdx 小鼠和正常小鼠肌肉纤维中线粒体的酶活性。结果显示，mdx 小鼠的坏死肌肉纤维中 SDH 染色呈阴性，而 COX 染色呈阳性，表明线粒体功能受损。

5. 活性氧（ROS）生成评估
   通过免疫荧光染色检测了 mdx 小鼠骨骼肌中成熟巨噬细胞的浸润情况，并使用二氢乙啶（DHE）荧光染料检测了 ROS 的生成。结果显示，mdx 小鼠的肌肉纤维坏死区域中，巨噬细胞浸润和 ROS 生成显著增加。

6. 体外 CMP 自由基还原反应评估
   研究进一步在体外评估了巨噬细胞数量和线粒体浓度对 CMP 自由基还原速率的影响。结果显示，随着巨噬细胞数量和线粒体浓度的增加，CMP 自由基的还原速率呈线性增加。

主要结果

1. DNP-MRI 成像结果
   DNP-MRI 成像显示，mdx 小鼠的 CMP 自由基衰减速率显著高于正常小鼠，表明其骨骼肌的氧化还原状态发生了改变。这一结果与 mdx 小鼠的肌肉炎症病理学特征一致。

2. 病理学评估结果
   血液生化检测和组织病理学检查均显示，mdx 小鼠的肌肉纤维存在明显的损伤和再生现象，并伴有炎症细胞浸润。线粒体功能评估进一步证实，mdx 小鼠的肌肉纤维中线粒体功能受损。

3. ROS 生成评估结果
   免疫荧光染色显示，mdx 小鼠的肌肉纤维坏死区域中，巨噬细胞浸润和 ROS 生成显著增加，表明炎症反应在 mdx 小鼠的肌肉损伤中起到了重要作用。

4. 体外实验结果
   体外实验表明，巨噬细胞数量和线粒体浓度的增加均会加速 CMP 自由基的还原反应。然而，在 mdx 小鼠中，尽管线粒体浓度降低，但由于巨噬细胞浸润和 ROS 生成的增加，CMP 自由基的还原速率仍然显著增加。

结论与意义

本研究利用 DNP-MRI 技术非侵入性地评估了 DMD 模型小鼠（mdx 小鼠）骨骼肌的氧化还原状态，并发现 mdx 小鼠的 CMP 自由基衰减速率显著高于正常小鼠。这一结果表明，DNP-MRI 技术能够有效评估 DMD 模型小鼠的局部炎症和氧化还原状态。此外，研究还发现，巨噬细胞浸润和 ROS 生成在 mdx 小鼠的肌肉损伤中起到了重要作用，而线粒体功能的受损则进一步加剧了氧化还原状态的失调。

本研究的科学价值在于首次利用 DNP-MRI 技术非侵入性地评估了 DMD 模型小鼠的氧化还原状态，为 DMD 的病理机制研究提供了新的工具。此外，研究结果还表明，DNP-MRI 技术可以用于评估 DMD 患者的局部炎症和氧化还原状态，为 DMD 的早期诊断和治疗策略的制定提供了重要依据。

研究亮点

1. 非侵入性成像技术：本研究首次利用 DNP-MRI 技术非侵入性地评估了 DMD 模型小鼠的氧化还原状态，为 DMD 的病理机制研究提供了新的工具。
2. 局部炎症评估：研究结果表明，DNP-MRI 技术能够有效评估 DMD 模型小鼠的局部炎症和氧化还原状态，为 DMD 的早期诊断和治疗策略的制定提供了重要依据。
3. 巨噬细胞和 ROS 的作用：研究发现，巨噬细胞浸润和 ROS 生成在 mdx 小鼠的肌肉损伤中起到了重要作用，进一步揭示了 DMD 的病理机制。

其他有价值的信息

此研究还探讨了线粒体功能在 CMP 自由基还原反应中的作用，发现尽管 mdx 小鼠的线粒体功能受损，但由于巨噬细胞浸润和 ROS 生成的增加，CMP 自由基的还原速率仍然显著增加。这一发现为进一步研究 DMD 的病理机制提供了新的思路。