阿爾茨海默病后扣帶回磁共振波譜成像研究

肖慧，吳應行，倪萍，

李輝1a，楊健1a，陳自謙1a

1.南京軍區福州總醫院 a. 醫學影像科，b. 醫學工程科，福建 福州350025；2. 遵義醫學院附屬醫院醫學影像科 貴州 遵義 563000

阿爾茨海默病后扣帶回磁共振波譜成像研究

肖慧1a，吳應行2，倪萍1b，

李輝1a，楊健1a，陳自謙1a

1.南京軍區福州總醫院 a. 醫學影像科，b. 醫學工程科，福建 福州350025；2. 遵義醫學院附屬醫院醫學影像科 貴州 遵義 563000

目的 應用氫質子磁共振波譜成像（MRS）技術，探討阿爾茨海默病（AD）患者后扣帶回（PCC）化合物代謝改變特點。方法 使用Siemens 3.0T磁共振掃描儀對20例AD患者及20例正常對照者行后扣帶回單體素MRS掃描。利用Siemens Trio Tim 3.0T MRI工作站Syngo B15波譜分析軟件自動完成曲線擬合、零填充、傅立葉轉換和相位、基線的調整，生成后扣帶回腦區的各代謝物譜線，并計算各代謝物波峰曲線下面積的積分值。結果 與正常對照組相比，AD患者后扣帶回NAA/Cr、NAA/mI減低，mI/Cr升高，差異有統計學意義（P<0.05）。對AD組NAA/Cr、NAA/mI、mI/Cr比值與AD患者MMSE評分進行相關性分析，結果表明， NAA/mI比值與AD患者MMSE評分呈正相關（r=0.699，P=0.001），而mI/Cr比值與AD患者MMSE評分呈負相關（r=-0.648，P=0.002）。結論 MRS能夠檢出AD患者后扣帶回存在化合物代謝異常，可用于AD的早期篩查和初步診斷。

阿爾茨海默病；癡呆；磁共振波譜；后扣帶回

0 前言

阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）又稱老年性癡呆，是一種常見的中樞神經系統退行性腦病。臨床上以進行性認知功能障礙及不可逆性行為損害為主要表現。在AD的諸多病理特征中，老年斑的形成和神經纖維纏結最具特征性[1-3]。這些病理改變導致AD患者腦內化合物在細胞水平發生代謝改變。后扣帶回（PCC）是與學習和記憶神經回路密切相關的大腦結構，該腦區代謝和功能的損害會嚴重影響學習和記憶功能。已有研究[4]表明，PCC是AD患者最早受累的腦區之一。但目前為止，關注于PCC化合物代謝情況的研究少見報道。本研究擬應用MRS技術研究AD患者后扣帶回的化合物代謝改變，旨在從分子影像學水平對高危人群進行篩查和早期診斷AD提供依據。

1 材料和方法

1.1 一般資料

選取來自南京軍區福州總醫院老年科就診的Alzheimer病（AD）患者20例，其中男9例，女11例，平均年齡（80.4±6.37）歲，MMSE評分18.68±4.04分，CDR評分（1.6±0.76）分，受教育程度為高中以下15例，高中及以上5例，均為右利手。選取與AD組年齡、性別、受教育程度及利手相匹配的正常健康志愿者20例，男10例，女10例，平均年齡（72.0±6.92）歲，MMSE評分（28.4±0.82）分，CDR評分0分，受教育程度為高中以下14例，高中及以上6例。所有受試者均自愿同意參與本實驗研究。本實驗經南京軍區福州總醫院醫學倫理委員會批準通過。

AD組納入標準為：① 符合美國國立神經病學、語言交流障礙和卒中老年性癡呆及相關疾病學（NINCDSADRDA）AD診斷標準；② MMSE 評分： ≤17分(文盲)，≤20分 (小學)，≤24分 (中學及以上)；③ CDR 評分≥0.5分；④ HIS≤4分，以排除血管性癡呆；⑤ 常規MRI排除血管源性癡呆和其他可導致癡呆的神經系統疾病；⑥ 無嚴重軀體疾病及煙酒等物質濫用情況；⑦ 不符合抑郁癥診斷標準。

正常對照組納入標準為：① MMSE 評分≥28分；②CDR 評分為0分；③ 軀體常規檢查和實驗室常規檢查結果均為陰性；④ MRI常規檢查已排除神經、精神疾患等器質性病變；⑤ 無嚴重煙酒等物質濫用情況。

1.2 檢查方法

在常規MRI掃描（包括橫斷面T1WI、T2WI、DWI及FLAIR序列）之后行矢狀位3D-T1WI結構像掃描，覆蓋全腦，掃描參數：TR=1900 ms，TE=2.5 ms，FOV=240 mm×240 mm，Flip angle=9°，層厚= 1 mm，層間距=0，Matrix=256×256，NEX=1，Slice=160，體素大小=1 mm×1 mm×1 mm。選用3D-T1WI圖像橫斷位、矢狀位及冠狀位三個平面進行后扣帶回氫質子波譜定位，采用點波譜分辨技術（point-resolved selective spectroscopy，PRESS），單體素波譜（single voxel spectroscopy）SVS-SE-30序列行后扣帶回波譜采集，將感興趣區定位于頂枕溝的上方及胼胝體壓部的后方(圖1)。體素大小=12 mm×12 mm×12 mm，TR= 2000 ms，TE =30 ms，采集次數96次，翻轉角=90°，矩陣為1024×1024。先在感興趣區各方向施加預飽和帶，然后進行人工手動勻場、壓水及壓脂，在半高全寬（FHMW）<15 Hz及水抑制率>95%的條件下行波譜采集，波譜采集時間為188 s。

1.3 數據處理

利用Siemens Trio Tim 3.0T MRI工作站Syngo B15波譜分析軟件自動完成曲線擬合、零填充、傅立葉轉換和相位、基線的調整，生成后扣帶回腦區的各代謝物譜線，并計算各代謝物波峰曲線下面積的積分值。選擇N-乙酰天門冬氨酸（N-acetylaspartate，NAA），肌醇（myo-inositol，mI），膽堿（choline，Cho），肌酸（creatine，Cr）的代謝物峰作為研究指標，并計算NAA/Cr、Cho/Cr、mI/Cr、NAA/mI相對比值。由于不同化合物中原子核的化學位移不同，原子核化學位移的大小使用磁共振的頻率百萬分之一（ppm）來表示，以上諸代謝物的化學位移位置分別為2.02 ppm、3.56 ppm 、3.22 ppm、3.02 ppm。

1.4 統計學分析

采用SPSS 16.0軟件包對AD患者組及正常對照組所測的數據進行統計學處理，各組數據采先進行正態性檢驗，然后采用兩獨立樣本t檢驗對兩組間各代謝物比值進行統計檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

兩組受試者后扣帶回1H-MRS各代謝物比值的比較見圖2。AD組NAA峰較對照組不同程度減低，mI峰較對照組升高。AD組后扣帶回NAA/Cr較正常對照組減低（t= -2.502、P=0.017），NAA/mI較正常對照組減低（t=-9.16、P=0），mI/Cr較正常對照組升高（t=9.78、P=0），差異有顯著統計學意義；AD組Cho/Cr較正常對照組升高，但差異無明顯統計學意義（t=1.76、P=0.086）（表1）。各組代謝物比值直方圖見圖3。通過各代謝物比值與其MMSE評分做相關分析發現，AD患者后扣帶回NAA/mI比值與其MMSE評分呈正相關（r=0.699，P=0.001），mI/Cr比值與其MMSE評分呈負相關（r=-0.648，P=0.002）（圖4）。

表1 兩組間后扣帶回各代謝物比值雙樣本t檢驗結果

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3 討論

AD的主要病理特征有神經纖維纏結、老年斑形成、神經細胞喪失、淀粉樣變性、神經元脫失、Hirano小體、神經元空泡顆粒變性等，其中老年斑的形成和神經纖維纏結是其最具特征性的病理表現[1-3]。老年斑中的β-淀粉樣蛋白（Aβ）具有很強的神經細胞毒性作用，可使神經細胞變性、壞死、導致突觸丟失及軸突損傷，進而出現神經膠質增生，導致神經元功能進行性破壞[5,6]。此外，Tau蛋白也是導致AD的重要物質，Geula C等[7]學者研究發現，在AD的發病過程中，Tau蛋白會發生過度的磷酸化，導致神經纖維中微管的組裝發生障礙，進而影響神經元的代謝過程，最終導致神經元的變性和缺失。這些病理改變是導致AD患者體內化合物在細胞水平發生代謝改變的主要原因。普通的結構磁共振成像僅能觀察到晚期AD患者大腦特定腦區腦萎縮等結構的改變，但卻無法觀察到疾病早期階段在細胞水平的代謝變化情況。

隨著功能與分子醫學影像學的飛速發展，磁共振波譜成像(MRS)技術在臨床醫學中的應用也備受青睞，MRS在檢測疾病早期細胞水平代謝改變情況方面更具有獨到優勢。MRS技術是利用磁共振現象和磁共振化學位移作用對活體內特定的化合物進行無創性檢測的一種技術，該技術對分子結構有很強的解析能力，所獲得組織的生化信息能夠觀察到明顯早于組織形態結構異常的代謝變化，是一種真正的分子影像學技術[12]。臨床多采用1H-MRS反映活體組織代謝變化。各種不同的化合物可以通過波譜共振峰的差異來加以區分，共振峰峰下面積與共振核的數量成正比，能反映該化合物的濃度，因此，可以用來對化合物進行定量分析[8]。

PCC是與學習和記憶的神經回路密切相關的大腦結構，該腦區代謝和功能的損害會嚴重影響大腦的學習和記憶功能。Kantarci K等[9]學者的研究表明，PCC是AD患者最早受累的腦區之一，因此，在研究AD患者早期腦內化合物代謝改變時，應對后扣帶回予以重點關注。此外，PCC腦區周圍結構比較單一，也無顱骨及氣體干擾，容易獲得穩定而可靠的波譜數據，因此，本研究選擇后扣帶回為波譜數據采集的感興趣區。在AD等神經退行性腦病的研究中，研究最多的代謝物主要包括N-乙酰天門冬氨酸（N-acetylaspartate，NAA）、膽堿（cholines，Cho）、肌醇（myo-inositol，mI）和肌酸（creatine，Cr），并可利用磁共振波譜分析軟件計算分析NAA/Cr、mI/Cr、NAA/mI和Cho/ Cr之間的相對比值。

NAA是神經元的標志物，其共振峰位于2.02ppm，幾乎體內所有的NAA只存在于神經元的胞體內，而成熟的神經膠質細胞中卻不含有NAA[10]，因此NAA的含量可直接或者間接反映神經元的活性及數量的多少，亦可作為神經元活性降低或者神經元脫失的最佳檢測指標。Cheng等[11]研究證實神經元的密度與NAA濃度顯著線性相關，灰質的NAA水平反映神經元的缺失及代謝的改變。從AD的病理研究中發現，Aβ蛋白和Tau蛋白具有很強的細胞毒性，它們均可以使神經細胞變性、壞死，并破壞神經元的功能，因此，該病理改變勢必引起腦內NAA水平的異常。Kantarci K等[9]研究者對許多AD患者大腦尸體解剖的研究發現，AD患者的NAA水平顯著下降。Schott JM等[12]對AD患者長期的磁共振波譜追蹤研究，也發現了AD患者腦內NAA含量的降低。本組研究資料顯示，AD患者組NAA/Cr比值低于正常對照組，差異有統計學意義（P<0.05），與大多數文獻報道相符。

Cho是神經遞質乙酰膽堿的前體，也是細胞膜磷脂代謝的主要成分之一，其共振峰位于3.22ppm。Cho是反映細胞膜穩定性的指標，Cho的升高能反映細胞數目的增加和細胞膜磷脂分解代謝等改變。關于AD患者Cho/Cr的報道，目前國內外研究尚存在較大爭議，有學者研究發現AD患者Cho/Cr水平較對照組升高[13]。但大多數研究則認為，Cho/Cr比值在兩組間無顯著差異。本組研究資料顯示，與正常對照組相比，AD組Cho/Cr比值升高，但差異無統計學意義，可能的原因是與本組研究資料樣本量較小及存在抽樣誤差有關。此外，Franczak M等[14]研究者認為，腦內Cho/Cr的變化除了與AD患者病情程度有關以外，還與患者年齡、用藥情況，以及患者處于不同的病理生理狀態有關，因此，目前的研究對Cho/Cr變化尚無統一的定論，關于AD患者腦內Cho/Cr的改變情況，有待將來進行大樣本數據采集及分析研究。

Cr是高能磷酸化合物的儲備以及三磷酸腺苷（ATP）和二磷酸腺苷（ADP）的緩沖劑，在腦組織中均一分布，包括磷酸肌酸和肌酸等，其磁共振峰位于3.02 ppm。Cr能反映高能磷酸代謝，其含量在各種生理及病理狀態下均保持相對穩定，故常作為磁共振波譜參照物來比較其他代謝物的濃度變化。

mI只存在于神經膠質細胞中，其共振峰位于3.56 ppm，mI在維持神經膠質細胞的體積穩定性方面發揮著重要作用，是反映神經膠質增生的代謝物，mI水平升高可提示神經膠質增生。目前，多數研究表明輕度認知障礙患者和AD患者的腦內mI/Cr比值升高[15,16]。本組研究資料結果顯示，AD組mI/Cr比值顯著升高，NAA/mI比值降低，兩組間差異均具有統計學意義（P<0.05）。目前的研究表明，mI峰升高可作為AD患者磁共振波譜代謝水平的特異性改變。從AD的病理研究中發現，老年斑中Aβ蛋白在破壞神經元的同時，也會導致神經膠質細胞的反應性增生。Ernst等[15]學者認為，AD患者的大腦皮質、扣帶回及海馬等結構有廣泛神經元缺失，并伴有膽堿能、5-羥色胺能和腎上腺素能遞質系統障礙，毒覃堿樣膽堿能受體和腎上腺素能受體激活時多伴有磷酸肌醇的水解，為了維持受體的功能必須加速從肌醇等物質再合成磷脂酰肌醇的過程，因而AD患者腦內肌醇水平較高；另外，AD的發生可能使磷酸肌醇抑制酶增加，導致肌醇轉換受到抑制，進而引起肌醇增加。Rose SE等[17]研究指出，NAA/mI與癡呆嚴重程度呈正相關，本研究也有類似的發現，通過AD組NAA/Cr、NAA/ mI、mI/Cr比值同AD患者MMSE評分做相關性分析，發現NAA/mI比值與AD患者MMSE評分呈正相關，而mI/Cr比值與AD患者MMSE評分呈負相關；本研究關于mI的改變情況與大多數文獻報道相符，進一步為AD患者腦內肌醇的增加這一觀點提供有力的客觀證據。

綜上所述，MRS是一種無創性檢測活體細胞水平化合物的代謝情況的無創性檢查技術，其對于AD的早期診斷有重要的意義。AD患者腦內神經元的變性、脫失和神經纖維纏結導致腦內NAA減低，而腦內mI的升高則可能與神經膠質增生和老年斑的形成相關。本實驗研究及結合文獻資料可見，后扣帶回NAA/Cr和NAA/mI比值降低，以及mI/Cr比值的升高對在分子醫學影像學水平早期診斷AD有一定的價值。后扣帶回氫質子波譜操作簡單，易獲得穩定的波譜圖像及數據，可作為一種新的方法用于對高危人群進行篩查和早期診斷，并為臨床對AD患者實施早期干預治療提供相關依據。

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Magnetic Resonance Spectroscopy Study on Posterior Cingulate Cortex in Alzheimer’s Disease

XIAO Hui1a, WU Ying-hang2, NI Ping1b, LI Hui1a, YANG Jian1a, CHEN Zi-qian1a
1.a. Department of Medical Imaging, b. Department of Medical Engineering, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, Fuzhou 350025, China;
2. Department of Radiology, Affiliated Hospital of Zunyi Medical School, Zunyi Guizhou 563000, China

Objective To evaluate the metabolic changes of posterior cingulate cortex (PCC) in patients of Alzheimer’s disease (AD) with single-voxel proton-magnetic resonance spectroscopy. Methods Twenty AD and 20 matched healthy controls were studied with single-voxel 1H-MRS in PCC using Siemens 3.0 T Trio MR scanner. Syngo B15 spectrum analysis software of Siemens Trio Tim 3.0T MRI automatically fi nished the curve fi tting, fi lling, fourier tramsforming and phasing, baseline adjustments, and calulated the integral value of related crest area. Results Compared with normal group, the ratio of NAA/Cr and NAA/mI of PCC were signif i cantly decreased and the ratio of mI/Cr was signif i cantly increased in AD group (P＜0.05). The ratio of NAA/mI showed positive correlation with MMSE in AD patients (r=0.699, P=0.001). While mI/Cr was negative correlated with MMSE (r=-0.648, P=0.002). Conclusion AD patients have signif i cant different metabolic levels in PCC. MRS can be used for early screening and preliminary diagnosis in AD patients.

Alzheimer’s disease; dementia; magnetic resonance spectroscopy; posterior cingulate cortex

R197.39；TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.11.003

1674-1633(2014)11-0011-04

2014-07-09

福建省社會發展科技重點項目（2012Y0057）：“老年性癡呆患者認知功能改變的多模態神經影像研究”。

陳自謙，南京軍區福州總醫院醫學影像中心主任，教授，博士生導師。

通訊作者郵箱：chenziqianfz@sina.com