쥐의 관절 및 연부 조직에 유발된 감염성 질환에서 초상자성의 산화철 입자를 사용한 자기공명영상의 유용성

Abstract

자기공명영상은 골수나 연조직의 해부학적 구조나 병적 변화를 고공간해상도로 보여주기 때문에 급성 근골격계 감염을 발견하는데 있어서 유용한 검사 방법으로 알려져 왔으나, 염증성 변화가 있음을 시사하는 부종이나 가돌리늄 조영증강과 같은 소견은 비특이적이어서 정확한 진단이 어려울 수 있다. 이에 본 연구에서는 활성화된 대식세포에 특이적으로 섭취되는 초상자성의 산화철 (superparamagnetic iron oxide, 이하 SPIO) 입자를 사용한 자기공명영상을 이용하여 감염성 질환에서 SPIO 조영증강 자기공명영상의 유용성을 알아보고자 하였고, 조직학적으로 SPIO의 세포 내 섭취를 분석하고자 하였다. 9마리의 쥐에게 0.5 ㏄ 포도상 구균 부유액 (1ⅹ10^(9) CFU)을 정맥 내 주사한 후 4-6일에 쥐의 무릎에 감염성 관절염 혹은 연부 조직 농양이 생긴 것을 촉진으로 확인한 후 자기공명영상을 시행하였다. 조영증강 전 T2강조영상을 시행한 후 SPIO를 주입하고 24시간 후에 SPIO 조영증강 T2강조영상을 시행하였는데, 주입된 SPIO의 용량은 6마리의 저-중간 용량 군 (3-60 μmol Fe/300g body weight)과 3마리의 고 용량 군 (350 μmol Fe/300g body weight)으로 나누어 주입하였다. SPIO 조영증강 자기공명영상을 마친 후 감염된 관절의 활액막과 연부 조직에서 조직을 얻었으며, hematoxylin-eosin 염색과 Prussian blue 염색, CD68 염색을 시행하여, 철 입자의 수와 대식세포의 수, 섬유모세포의 수를 세었다. SPIO 조영증강 전과 후의 T2 강조영상에서 상대적인 신호강도 대 잡음비 (signal to noise ratio, 이하 SNR) 값 변화를 계산하여 세포 내로 철 입자를 섭취한 세포들의 총 개수와 비교하였고, 연부 조직의 농양 벽에서 상대적인 SNR 값 변화와 철 입자를 섭취한 세포들의 총 개수, 대식세포의 수, 섬유모세포의 수를 비교하였다. 또한 철 입자를 섭취한 세포들의 종류와 수를 분석하였고, SPIO 용량에 따른 철 입자의 대식세포 내 섭취 정도와 섬유모세포 내 섭취 정도를 알아보았다. 감염된 관절의 활액막과 연부 조직 농양의 벽에서 철 입자를 섭취한 세포들의 총 개수가 많을수록 SPIO 조영 증강 후의 SNR 값이 저하하였다 (p < 0.05). 감염된 관절의 활액막에서는 염증성 변화가 미미하여 철 입자를 섭취한 세포가 없었고, 철 입자를 섭취한 세포들을 볼 수 있었던 연부 조직 농양의 벽에 대해서 분석하였을 때 철 입자를 섭취한 세포들의 총 개수가 많을수록, 또는 대식세포의 수가 많을수록, 또는 섬유모세포의 수가 많을수록 SPIO 조영 증강 후의 SNR 값이 저하하였다 (p < 0.05). 철 입자의 섭취는 대식세포 뿐만 아니라 섬유모세포에도 있었고, 철 입자를 섭취한 세포들 중에는 섬유모세포가 대식세포보다 더 많았다 (p < 0.05). SPIO 용량에 따른 대식세포 내의 철 섭취 정도는 통계학적으로 유의한 차이가 없었고 (p > 0.05), SPIO 용량에 따른 섬유모세포 내의 철 섭취 정도도 통계학적으로 유의한 차이가 없었다 (p > 0.05). 결론적으로 염증성 변화를 보이는 활액막과 농양의 벽에서 세포 내에 SPIO의 섭취와 SNR의 감소가 비례하므로, SPIO 조영 증강 자기공명영상이 감염성 질환의 평가에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각되며, 대식세포 뿐만 아니라 섬유모세포도 SPIO의 섭취를 보임으로써 SPIO를 이용한 자기공명영상에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.;MR imaging has been recognized as a useful modality for the detection of acute musculoskeletal infection because of its capability to demonstrate with high spatial resolution the anatomic details and pathologic changes of bone marrow or soft tissues. However, the widespread criteria used for delineation of inflammatory changes, such as the presence of edema pattern or contrast material enhancement after intravenous application of gadopentetate dimeglumine, are nonspecific and may lead to inaccurate diagnosis. The purpose of this study is to evaluate the usefulness of MR imaging with superparamagnetic iron oxide (SPIO) particles in experimental models of infectious disease and to analysis the intracellular uptake of SPIO. Nine rats with infectious arthritis of knee or soft tissue infection were imaged with an MR imaging unit on days 4-6 after intravenous injection of the Staphylococcus aureus suspension (1ⅹ10^(9) CFU). All animals were imaged on T2-weighted turbo spin-echo sequence prior to and 24 hour after administration of SPIO. Nine rats were classified as two groups according to the dose of SPIO; six of low to intermediate dose group (3-60 μmol Fe/300g body weight) and three of high dose group (350 μmol Fe/300g body weight). The pathologic specimens were obtained in the infected synovium and soft tissue abscess and stained with hematoxylin-eosin. And then Prussian blue stain and CD68 stain were performed to detect the presence of iron particle and macrophage. We calculated the relative signal to noise ratio (SNR) change of infected synovium and soft tissue abscess wall on the precontrast- and SPIO-enhanced T2-weighted images and compared between the relative SNR change and the total number of iron-loaded cells. Also we compared between the relative SNR change and the number of macrophages, or the number of fibroblasts, or the total number of iron-loaded cells in the soft tissue abscess wall. We analyzed a kind of iron-loaded cells and the uptake of iron particles in the macrophage or fibroblast according to the dose of SPIO. The SNR value after SPIO administration was decreased in proportion to the increase of the total number of iron-loaded cells in the infected synovium and soft tissue abscess wall (p < 0.05). The iron-loaded cells were not seen in the infected synovium because of the minimal inflammatory change. Whereas, in the soft tissue abscess wall, the SNR value after SPIO administration was decreased in proportion to the increase of the number of macrophages, the increase of the number of fibroblasts, and the increase of the total number of iron-loaded cells (p < 0.05). The intracellular uptake of iron particles was in the fibroblast as well as in the macrophage and their uptake in the fibroblast was more than that in the macrophage (p < 0.05). There was no statistically significant difference in the uptake of iron particles in the macrophage or fibroblast according to the dose of SPIO (p > 0.05). In conclusion, the intracellular uptake of SPIO and the change of SNR values were correlated in the infected synovium and soft tissue abscess wall. SPIO-enhanced MR imaging can be useful in the evaluation of the infectious disease of the joint or soft tissue, and is influenced by the uptake of iron particles in the fibroblast as wall as in the macrophage.