定量MRI评估胎儿脂肪组织发育及棕色向白色脂肪转化

引言

胎儿脂肪组织发育反映宫内营养状况，并与出生后能量平衡和代谢健康密切相关。作为一种内分泌和代谢器官，胎儿脂肪组织参与能量储存、体温调节和脂肪因子分泌（如瘦素、脂联素），支持血管、免疫和代谢功能[1–3]。棕色脂肪组织（BAT）富含线粒体且高度氧化，介导非颤抖性产热，而白色脂肪组织（WAT）主要储存能量[4]。妊娠晚期，BAT减少并部分转化为WAT，可能影响长期代谢健康[5]。因此，胎儿脂肪组织发育可作为肥胖和代谢性疾病的早期生物标志物[6–8]。然而，关于人类胎儿脂肪组织的时空模式、区域异质性及BAT向WAT转化时间的系统性定量研究仍然匮乏。

目前胎儿脂肪的评估主要依赖超声和常规MRI。超声可测量皮下脂肪厚度，但缺乏区分BAT（低脂密度、高灌注）与WAT（高脂密度）的分辨率。常规T1/T2加权MRI可提供脂肪体积的形态学信息，但缺乏用于定量甘油三酯分数（WAT）或检测线粒体及铁相关特征（BAT）的生物物理对比度。因此，BAT向WAT转化的研究在很大程度上仍是间接的[9]。此外，关于人类胎儿BAT与WAT的比例、成熟度及随孕龄演变的系统性定量影像学研究仍然缺乏。

3.0-T多回波化学位移编码MRI技术（IDEAL-IQ）提供两种定量生物标志物：（1）质子密度脂肪分数（PDFF），基于水-脂化学位移分离，准确量化相对甘油三酯含量（WAT：PDFF > 80%；BAT：PDFF约30–80%），BAT通常表现出比WAT更低的脂肪分数[9–11]；（2）表观横向弛豫率（R2*），由多回波梯度衰减拟合得出，对顺磁性物质（脱氧血红蛋白、细胞色素铁复合物）浓度敏感，并与BAT的高线粒体密度和血管化呈正相关（BAT：R2* > 100 s⁻¹；WAT：R2* < 50 s⁻¹）[9]。3.0 T的较高场强增强了化学位移敏感性和时间分辨率，允许对胎儿头/颈、躯干和四肢进行区域分析，并支持联合PDFF–R2*模型来表征BAT向WAT的转化[12]。

在本研究中，我们采用IDEAL-IQ对妊娠晚期胎儿脂肪组织进行无创定量分析，旨在识别和评估胎儿发育过程中BAT和WAT的变化，并确定BAT向WAT转化的时间和区域特征。我们假设随着孕周（GW）增加，PDFF会逐渐升高，而R2*可能降低，这与先前报道的BAT和WAT特征一致[5, 13]。在不同孕周对PDFF和R2*进行定量评估可能有助于探索胎儿脂肪组织发育的时间和空间特征，并提供与宫内营养状况和代谢成熟相关的影像学观察。

材料与方法

研究人群

本前瞻性研究经四川省妇幼保健院伦理委员会批准（编号：20241031-419）。招募2024年11月至2025年4月期间在本机构接受MRI检查的孕妇。所有参与者均签署书面知情同意书。纳入标准为：无MRI禁忌证、单胎妊娠、超声检出胎儿胸部或腹部异常。排除患有代谢性疾病（如糖尿病、妊娠期糖尿病）、多胎妊娠或宫内生长受限（IUGR）的孕妇。共纳入78例孕28至38周的非糖尿病单胎妊娠。所有胎儿均因产前超声怀疑胸部或腹部异常而转诊行MRI检查；然而，仅10例经MRI证实存在结构异常并被排除。在其余病例中，15例因图像质量不佳（如严重运动或羊水过多）被排除，11例根据预设设计标准被排除，包括孕前BMI超出健康范围（18–24）以及母体BMI、年龄和孕龄的匹配。最终分析纳入42例胎儿，孕龄范围为28至38周，母体年龄范围为23至41岁。

MRI方案与参数

所有MR检查均在3.0-T MRI扫描仪（Premier：GE Healthcare）上进行，配备30通道AIR线圈和脊柱线圈。受试者取左侧卧位[14]或仰卧位、足先入位置，并佩戴非磁性耳机进行听力保护。扫描在Normal模式下进行，严格将比吸收率（SAR）控制在2 W/kg以下[15, 16]，每次扫描限制在30 min以内。若受试者出现不适，检查可随时终止。所有扫描均采用多回波水脂分离技术（IDEAL-IQ），使用六个非对称回波和多峰脂肪谱模型来校正T2*衰减和脂肪峰的复杂分布。基于三点非对称回波IDEAL技术，利用不同回波时间的六个回波信号生成同相位、反相位、水、脂肪、脂肪分数（PDFF）和R2*弛豫率图，实现对胎儿脂肪组织的准确定量且可重复的量化[17–19]。成像参数包括：视野（FOV）：36 × 36 cm²；矩阵：140 × 140；层厚：4 mm；激励次数（NEX）：0.5；翻转角：3°；重复时间（TR）/回波时间（TE）：6.2 ms/2.8 ms。

ROI放置及PDFF和R2*的定量

由两位具有五年以上经验的放射科医师（M.S.、Pu Y.）在PDFF[20, 21]和R2*图上，于受试者之间解剖学一致的位置手动定义感兴趣区（ROIs），包括面颊、枕部、下颌、后颈、背部、胸部、腹部、髋部和大腿（图1）。所有ROI均标准化为约10 mm²的面积，并绘制于正中矢状面。仔细避开非脂肪结构，包括骨骼、大血管和邻近器官。受可见磁敏感效应、胎儿骨骼伪影或运动相关变形影响的区域被排除在ROI之外。所有ROI均使用GE AW工作站（GE Healthcare）手动勾画，首先在PDFF图上绘制，然后应用于R2*图上相应位置。每个ROI内的平均值记录为该解剖区域的PDFF和R2*测量值。分割由两位放射科医师独立完成，交叉核对，任何差异均通过共识解决。

统计分析

统计分析使用GraphPad Prism（版本10）、SPSS（版本27）和MATLAB（2023b）进行。两位放射科医师之间PDFF和R2*测量的观察者间一致性使用组内相关系数（ICC）评估，采用双向混合效应模型计算绝对一致性。连续变量（GW、PDFF、R2*）首先使用Shapiro–Wilk检验进行正态性检验。回归斜率同质性，作为协方差分析（ANCOVA）的关键假设，通过检验每个特征（PDFF、R2*）的协变量与组别之间的交互作用来评估。然后应用ANCOVA比较三个GW组（28–31周、32–34周、35–38周）之间的差异，调整潜在混杂因素包括母亲年龄、体重、身高、BMI和腹围。对于正态分布数据，随后进行偏相关分析以评估特征（PDFF、R2*）与GW之间的关联，控制协变量包括母亲年龄、体重、身高、BMI和腹围。ANCOVA和偏相关分析的多重比较使用Benjamini–Hochberg错误发现率（FDR）程序校正；p值< 0.05被认为具有统计学意义。

对于面颊区域观察到的独特异质性模式，即PDFF值高于其他区域，且R2*呈现先升高后降低的趋势，应用非线性回归模型对PDFF与GW之间的关系（beta增长-衰减模型）以及R2*与GW之间的关系（洛伦兹模型）进行建模。模型定义如下：

Beta增长-衰减模型：其中Ym为PDFF峰值，Tm为曲线拐点时间，Te为PDFF值达到峰值的时间。

洛伦兹（柯西）模型：其中Ym代表R2*值，Tm为R2*峰值时间，Te为半高半宽时间，反映R2*升高的时间范围。

选择这些模型是为了对观察到的非线性趋势进行经验性描述，而非暗示特定的生物学机制。拐点及其95%置信区间（CI）采用自举重采样法估计（n = 1000）。

结果

人口学分析显示，早孕期、中孕期和晚孕期三组（42名参与者）在孕妇年龄、身高、体重、BMI或腹围方面均无显著差异（表1，p > 0.05）。测量可重复性在PDFF（ICC > 0.9，p < 0.001）和R2*（ICC = 0.887，p < 0.001）中均显著。Shapiro–Wilk检验表明，所有区域的GW、PDFF和R2*值均呈正态分布（p值范围：0.120–0.886）。所有特征的交互作用p值均不显著（范围：0.641–0.988），证实了协方差分析（ANCOVA）所需的回归斜率同质性。

ANCOVA显示，PDFF在面颊、颈部、胸部、背部、臀部和大腿部位存在显著的孕组间差异（表2，FDR校正p < 0.05），而在枕部、腹部和下颌部位无显著差异（表2，FDR校正p > 0.05）。对于R2*，颈部、背部、胸部和臀部未观察到显著的组间差异（表2，p > 0.05），而其他解剖部位在各孕组间显示出显著变化（表2，p < 0.05）。

偏相关分析表明，GW与所有区域的PDFF均呈显著正相关（图2和表3，FDR校正p < 0.05），提示PDFF随孕龄增加而整体升高。R2*与GW的相关性因区域而异：面颊、背部和臀部未发现显著关联（FDR校正p > 0.05）；面颊部位观察到弱负相关（r = –0.24，FDR校正p = 0.181）；其余所有测量区域均发现显著正相关（FDR校正p < 0.05）。

图3展示了面颊脂肪发育的非线性建模，表明PDFF在晚孕期进入平台期，而R2*在约32周（31.8周，95% CI：30.9–32.6周）出现拐点，随后下降。该模式提示面颊区域的棕色脂肪组织（BAT）向白色脂肪组织（WAT）转化大约始于孕32周，使其成为最早成熟的胎儿脂肪库。表4展示了PDFF和R2*拟合模型的系数。

讨论

本研究采用3.0 T MRI IDEAL-IQ序列，对晚孕期单胎胎儿九个解剖区域的脂质蓄积（PDFF）和代谢活性（R2*）进行了系统性定量评估。我们的发现为胎儿脂肪组织发育的时空动力学以及从棕色脂肪组织（BAT）向白色脂肪组织（WAT）的转变提供了新的见解。我们观察到，在大多数区域中PDFF随孕周增加而显著升高，而R2*呈现区域特异性模式，部分区域表现为先升高后下降。这些R2*模式可能部分反映了与脂肪组织成熟相关的代谢变化，其中面颊区域在31至33周之间出现拐点，提示BAT样向WAT样组织的早期转变，突出了胎儿脂肪成熟的潜在窗口期。

协方差分析的区域异质性结果

协方差分析（ANCOVA）揭示了胎儿脂肪组织发育在不同孕期的显著区域异质性。面颊脂肪：成熟早至孕中期（约14.5–17周）即已发生，PDFF值接近新生儿水平，且R2*拐点在约32周出现，提示该区域BAT向WAT的转化完成最早。腹部和臀部脂肪：PDFF在晚孕期快速升高，与既往报道“晚孕期以脂肪蓄积为主”一致[22, 23]。然而，未观察到明显的R2*拐点，可能提示BAT转化延迟或发生于出生后。肢体脂肪：发育滞后，PDFF升高较慢，可能反映其在能量储存中的次要作用。

Giza等人提出了“面颊→肢体→躯干”的发育序列，推断面部皮下脂肪最先出现，随后向远端延伸至四肢[13]。相比之下，本研究基于对多个区域PDFF和R2*的定量分析，展示了“面颊→躯干→肢体”的进展过程，即面部脂肪组织蓄积和代谢活性最先出现，其次为躯干，而肢体沉积延迟。这一差异可能源于方法学差异：Giza的研究对整个解剖区域的脂肪组织取平均值，可能受到运动伪影的混杂影响，而本研究选择性分析了无运动干扰的局部ROI。

我们的研究结果与既往组织学和影像学研究[5, 24]以及已知的胚胎间充质细胞迁移模式[5]一致。总体而言，这些结果凸显了胎儿血供、产热需求和能量分配的区域差异。面部和躯干脂肪的优先增长支持中枢体温调节和重要器官保护，而远端肢体脂肪的延迟发育则反映了胎儿能量资源的分阶段、层级化分布。

GW与PDFF、R2*之间的偏相关分析

GW与PDFF、R2*之间的相关性呈现出明显的空间模式。PDFF在所有区域均与GW呈显著正相关，其中关联最强的是胸部、面颊和大腿。该发现表明，妊娠晚期的脂质蓄积主要发生于面部、躯干和近端肢体。这一分布模式与既往超声和尸检观察一致，并支持脂质沉积的“中心至外周”梯度，即脂肪组织沉积始于面部，随后扩展至躯干和大肢体[22]。

相比之下，R2*与GW的相关性表现出显著的区域异质性。在后颈部、颏部、腹部和大腿观察到显著正相关，提示这些区域在妊娠晚期维持较高浓度的顺磁性物质（如脱氧血红蛋白、铁），反映持续的代谢活动和充分的灌注。相反，面颊R2*值与GW呈弱负相关，提示这一富含棕色脂肪组织（BAT）的区域可能在妊娠晚期发生棕脂肪向白脂肪转化，伴随线粒体密度和血管化程度降低，导致顺磁性物质含量减少、R2*值下降[23]。

对于其他区域，包括枕部、背部、臀部和胸部，R2*与GW无显著相关或仅呈弱相关。这可能归因于额部皮下脂肪体积相对较小且BAT分布有限，而在背部和胸部——两者均为潜在BAT库——高血管化和分层结构，加之运动伪影和稳定的发育模式，可能降低R2*对细微代谢变化的敏感性，相较于面颊或后颈部等区域[25]。

胎儿面颊脂肪的非线性发育模式

面颊脂肪组织发育的非线性分析显示，R2*在妊娠约32周（32.8 ± 1.5周）出现拐点，随后呈下降趋势（图3）。该模式与BAT的预期代谢特征一致[26]。观察到的R2*下降伴随妊娠晚期PDFF增速减慢。Takashi Abe报道，颊脂垫的脂肪分数从出生时的72.6%增至1月龄时约90%[27]。在本研究中，妊娠中晚期PDFF均值（73.13 ± 8.78）与文献报道的新生儿值（72.2%）几乎相同，表明面颊脂肪组织在该时期已达到相对成熟阶段[4, 27]。

在生物学上，由于棕色脂肪组织（BAT）具有密集的线粒体含量、解偶联蛋白1（UCP1）的表达、升高的铁水平以及丰富的毛细血管网络，其R2*值高于白色脂肪组织（WAT）[28, 29]。在BAT向WAT转化过程中观察到的R2*下降与已报道的线粒体密度降低40–60%相一致[28]。随着脂肪组织转化为WAT，线粒体密度降低、脂滴融合、血管重塑发生，共同导致R2*值降低。这一转化伴随着脂联素和瘦素等脂肪因子水平的升高，这些因子促进脂质储存和代谢调节[30]。值得注意的是，脂联素在胎儿期由脂肪细胞和血管细胞共同产生，但出生后仅由脂肪细胞产生[31]。这些发现与既往影像学和组织学报道一致。例如，Eléonore等描述了妊娠26至33周之间T1加权信号的变化[32]，Hu等提出BAT向WAT的转化在出生后持续至儿童期[22, 33, 34]。然而我们注意到，R2*受多种因素影响，包括铁含量、灌注、磁化率不均匀性以及脱氧血红蛋白水平。在缺乏磁共振波谱（MRS）或灌注成像等互补模态的情况下，观察到的面颊部R2*下降可被解释为提示BAT向WAT转化，而非确定性证据（图4）。

局限性

应承认若干局限性。第一，样本量相对较小，尤其是晚孕期组，这可能限制了我们检测某些区域拐点的能力。第二，尽管应用了严格的图像质量控制和预定义的纳入标准，相对较高的排除率可能引入潜在的选择偏倚并限制研究结果的普适性。第三，并非所有参与者均有详细的母体血糖指标，尽管所有入组受试者代谢健康、血糖水平正常且无糖尿病史。最后，缺乏MRS妨碍了直接评估脂肪酸组成变化；结合MRS和多参数MRI可进一步阐明BAT向WAT转化的生化机制。未来整合自动分割和多模态MRI的工作可进一步完善这些评估并拓展其临床实用性。

结论

本研究系统描述了妊娠晚期多个胎儿脂肪库中PDFF和R2*的时空模式。我们的研究结果表明，PDFF和R2*为评估胎儿脂肪组织成熟提供了间接且互补的定量信息，其中颊部区域R2*的拐点提示从棕色脂肪组织（BAT）样向白色脂肪组织（WAT）样的早期转变。虽然R2*受多种因素影响，并非BAT特异性生物标志物，但其与PDFF的结合为评估区域脂肪发育提供了有价值的方法。该成像策略为研究胎儿脂肪成熟提供了客观框架，并可能为未来关于胎儿发育期间代谢健康风险早期识别与管理的研究提供参考。