多體素磁共振波譜在早產兒腦組織代謝產物分析中的應用

王宏，秦明明，湯文琳，錢偉亮，楊祖銘，顏博秋，許建銘*

我國早產兒、極低出生體重兒出生率在逐年增加，早產兒腦損傷及隨后可能出現的神經發育遲滯受到普遍關注。研究發現，近年來典型的腦室周圍白質軟化(periventricular leukomalacia，PVL)在逐漸減少，而彌漫性腦白質信號異常及局灶性腦白質損傷(punctuate white matter lesions，PWML)卻有上升趨勢，也由此導致早產兒神經發育過程中，嚴重的運動功能損傷如腦癱等發病率呈下降趨勢，但早產兒后期神經發育過程中認知和行為異常卻普遍存在[1]。早產兒腦損傷的影響因素主要分內外兩大因素，內因主要是早產兒腦組織及腦血流循環系統尚未發育成熟，如果這種情況下同時伴有圍產期外源性高危因素的出現，如圍產期窒息、胎兒宮內窘迫、宮內感染等，有可能導致早產兒腦損傷的發生[2]。目前早產兒腦損傷的影像學檢查還是以頭顱磁共振為主，然而，在圍產期外源性高危因素影響下，大部分早產兒行頭顱常規磁共振檢查未能發現異常信號的存在，但其腦內局部區域已經出現了組織代謝的紊亂。

磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)是目前影像學上進行活體組織化學物質檢測的唯一方法，可提供組織的代謝信息。本研究旨在通過1H-MRS了解圍產期缺氧窘迫、感染以及兩因素疊加作用對早產兒腦內各特定區域腦組織代謝的影響，從而進一步了解其在早產兒腦損傷早期發現及預后評估中的價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究已通過本院倫理委員會審查，所有患兒家屬均簽署知情同意書，本研究共分4組，分別為圍產期正常組、圍產期缺氧窘迫組、圍產期感染組、圍產期缺氧窘迫伴感染組。圍產期缺氧窘迫入組標準：臨床有明顯圍產期窒息病史并且入院血氣分析PH≤7.2或BEecf≤-8 mmol/L；圍產期感染入組標準：住院期間血常規白細胞計數(white blood cell，WBC)≥25×109/L或WBC≤5×109/L，或者C-反應蛋白(C-reactive protein，CRP)＞10 mg/L，同時符合上述兩組入組標準的患兒納入圍產期缺氧窘迫伴感染組。本研究排除標準：⑴有先天性疾病或遺傳代謝性疾病的早產兒；⑵胎齡＜28 w的超未成熟兒。2016年1月至2016年12月共有60例早產兒在36 w＜矯正胎齡≤37 w進行頭顱磁共振檢查，按上述標準，共有48例早產兒最終納入本項研究，4組患兒性別構成、出生胎齡、出生體重比較差異均無統計學意義(P＞0.05)，見表1。

表1 4組早產兒一般資料比較Tab.1 Comparisons of general materials in four groups of preterm neonates

1.2 磁共振檢查方法

所有患兒在磁共振檢查前30 min給予10%水合氯醛灌腸(0.2～0.4 ml/kg)，均行頭顱常規序列檢查(T1WI、T2WI、FLAIR、擴散加權成像)及1H-MRS檢查，使用設備為SIEMENS MAGNETOM Skyra 3.0 T磁共振，20通道頭頸部聯合線圈，并在患兒頭部兩側用海綿墊加以固定，本研究中1H-MRS采用化學位移成像(chemical shift imaging，CSI)技術行三維多體素采集，帶寬=1200 Hz，反轉角=180o，回波時間(TE)=135 ms，重復時間(TR)=1700 ms，體素=8.8 mm×8.8 mm×15.0 mm，采集時間=853 ms。

1.3 目標體素選擇及圖像后處理

所有1H-MRS原始數據載入西門子工作站spectroscopy后處理軟件包，進行相位、基線校正、頻移校準和曲線擬合等后處理獲得波譜圖像，目標體素選擇：(1)基底節及丘腦區(basal ganglia and thalami，BGT)左右各選擇2個體素；(2)兩側腦室前角、后角周圍白質區分別各選擇1個體素，共8個體素，然后由后處理軟件識別目標體素中的以下代謝物：N-乙酰基天門冬氨酸(N-acetyl aspartate，NAA)、膽堿化合物(choline，Cho)、肌酸(creatine，Cr)、乳酸(lactate，Lac)，并由軟件計算出各代謝物波峰下面積，以Cr為對照得出NAA/Cr、Cho/Cr、Lac/Cr的比值，以BGT區域4個體素內各代謝物相對比值的均值作為最后統計數據，以兩側腦室前角、后角旁白質區4個體素內各代謝物相對比值的均值作為最后統計數據。

1.4 統計學方法

全部代謝物相對比值數據用均數±標準差(x±s)表示，使用SPSS 21.0統計學軟件包對數據進行分析處理，圍產期正常組早產兒組內數據行配對設計計量資料t檢驗，4組早產兒組間數據先行單因素方差分析，以α=0.05作為檢驗標準，當單因素方差分析P＜0.05時，再行樣本均數兩兩比較的q檢驗(SNK法)，α=0.05作為檢驗標準，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 圍產期正常組早產兒兩側腦室前角、后角周圍白質區NAA/Cr、Cho/Cr測量及對比

圍產期正常組早產兒在兩側腦室前角、后角周圍白質區NAA/Cr、Cho/Cr比值呈正態分布，對兩側腦室前角、后角周圍白質區的NAA/Cr、Cho/Cr比值進行配對設計計量資料t檢驗，側腦室前角、后角周圍白質區NAA/Cr、Cho/Cr比值差異有統計學意義(P＜0.001)，見表2。

2.2 4組早產兒BGT區域和白質區域各代謝產物的相對比值測量及對比(圖1～4)

4組早產兒在BGT、白質(white matter，WM)兩個區域的NAA/Cr、Cho/Cr、Lac/Cr數據均呈正態分布，方差齊性檢驗顯示方差均齊，4組早產兒在BGT、WM兩個區域的NAA/Cr、Cho/Cr、Lac/Cr數據分別先行單因素方差分析，在BGT、WM區域各組間差異均有統計學意義(P＜0.01)，見表3；然后進行組間各代謝產物樣本均數兩兩對比，在BGT區域，圍產期正常組分別與缺氧窘迫組、缺氧窘迫伴感染組比較，缺氧窘迫組與感染組比較，感染組與缺氧窘迫伴感染組比較，NAA/Cr、Cho/Cr、Lac/Cr的差異均有統計學意義(P＜0.05)；圍產期正常組與感染組比較，缺氧窘迫組與缺氧窘迫伴感染組比較，NAA/Cr、Cho/Cr、Lac/Cr的差異無統計學意義(P＞0.05)，見表4；在WM區域，圍產期正常組分別與缺氧窘迫組、缺氧窘迫伴感染組比較，感染組與缺氧窘迫伴感染組比較，NAA/Cr、Cho/Cr、Lac/Cr的差異均有統計學意義(P＜0.01)，圍產期正常組與感染組比較，缺氧窘迫組與缺氧窘迫伴感染組比較，Cho/Cr的差異有統計學意義(P＜0.05)，缺氧窘迫組與感染組比較，NAA/Cr、Lac/Cr的差異有統計學意義(P＜0.05)，見表5。

表2 圍產期正常組早產兒兩側腦室前角、后角周圍白質區NAA/Cr、Cho/Cr測量及對比Tab.2 Measurements and comparisons of both NAA/Cr and Cho/Cr ratios between bilateral anterior periventricular white matter and posterior periventricular white matter in perinatal normal group

表3 4組早產兒BGT區域和WM區域各代謝產物的相對比值Tab.3 Relative ratios of metabolites in both BGT and WM region in four groups of preterm neonates

圖1 圍產期正常早產兒，MRS見Cho為最高峰，NAA/Cr≈1.0，BGT區域見少許乳酸峰(A：BGT區域，B：側腦室周圍白質區) 圖2 圍產期缺氧窘迫早產兒，BGT和WM區域MRS均見Cho波峰增高，NAA波峰減低，且均有明顯增高的乳酸峰(A：BGT區域，B：側腦室周圍白質區) 圖3圍產期感染早產兒，WM區域Cho波峰增高，同時出現少許乳酸峰，BGT區域未見明顯異常改變(A：BGT區域，B：側腦室周圍白質區) 圖4圍產期缺氧窘迫伴感染早產兒，BGT和WM區域MRS均見Cho波峰明顯增高，NAA波峰明顯減低，且均有明顯增高的乳酸峰(A：BGT區域，B：側腦室周圍白質區)Fig.1 Preterm neonate with perinatal normal, Cho peak was the highest in MRS, NAA/Cr≈1.0, and a small Lac peak was showed in BGT region (A:BGT region, B: periventricular white matter region). Fig.2 Preterm neonate with perinatal asphyxia, MRS showed that Cho peak increased and NAA peak decreased in both BGT and WM region, and Lac peak increased signi fi cantly in both two regions (A: BGT region, B: periventricular white matter region).Fig.3 Preterm neonate with perinatal infection, MRS showed that Cho peak increased only in WM region and a small Lac peak was appeared, none abnormal change was found in BGT region (A: BGT region, B: periventricular white matter region). Fig.4 Preterm neonate with perinatal asphyxia and infection, MRS showed that Cho peak increased and NAA peak decreased signi fi cantly in both BGT and WM region, and Lac peak increased signi fi cantly in both two regions (A: BGT region, B: periventricular white matter region).

表4 BGT區域4組間各代謝產物樣本均數兩兩對比Tab.4 Multiple comparisons for metabolic ratios between four groups in BGT region

表5 WM區域4組間代謝產物樣本均數兩兩對比Tab.5 Multiple comparisons for metabolic ratios between four groups in WM region

3 討論

3.1 早產兒腦發育過程中腦組織代謝特點

圍產期各種影響因素導致的早產兒腦損傷以及這種損傷對早產兒后期神經發育的阻礙作用越來越受到大家的重視，隨著磁共振功能成像技術的不斷發展，可以從組織形態、細胞代謝、血液動力學多角度研究早產兒腦損傷。早產兒出生時所處的時期正是腦內神經纖維快速髓鞘化的時期，反映在腦組織代謝方面表現為，NAA在胎齡16 w左右就已經可以在白質和灰質中測到，出生后呈逐漸上升趨勢，6個月左右在MRS中達到最高峰，而Cho含量在出生后1年時間內隨著神經纖維髓鞘化的完善而不斷降低[1]，因而一般認為，NAA是神經元和軸突完整性的表現，而Cho是神經纖維髓鞘化進程的生物學標志[3]。在本研究中，筆者首先單獨對圍產期正常組早產兒兩側腦室前角、后角周圍白質區NAA/Cr、Cho/Cr進行了測量及對比，側腦室前角、后角周圍白質區NAA/Cr、Cho/Cr的比值差異有統計學意義，后角周圍白質區NAA/Cr較前角周圍白質區明顯增高，而Cho/Cr明顯降低，提示早產兒側腦室后角周圍白質區髓鞘化出現較前角周圍白質區更早且發展更為完善。研究也發現，側腦室后角周圍白質區少突膠質細胞含量較前角周圍白質區更高，也正是因為易受損的少突膠質細胞含量更高，在早產兒腦發育過程中該區域更容易出現腦白質損傷[1]。

圍產期外源性高危因素主要以圍產期缺氧窘迫及感染為主，早產兒如處在這些高危因素下，最終會在腦內引發一系列復雜的級聯生化反應，從而使少突膠質細胞前體(premyelinating oligodendrocytes，pre-OLs)細胞應答受到干擾而無法分化，最終導致神經纖維髓鞘化受阻，而且很多時候這兩種因素是綜合作用疊加影響新生兒的，前期較多研究主要是測定基底節和丘腦區域的Lac/NAA比值以了解其對早產兒神經發育的預測價值，同時也是因為該區域在磁共振上多出現異常信號[4-6]，而這些外源性高危因素單獨或疊加作用后，早產兒腦深部灰質核團以及腦白質分別發生了哪些代謝改變報道較少，基于這些考慮，筆者設計了該研究。

3.2 圍產期外源性因素對腦組織代謝的影響

3.2.1 缺氧對早產兒腦代謝的影響

前期研究認為，圍產期窒息對白質及灰質中的NAA、Cho、Lac都產生影響，但深部灰質核團中的Cho及Lac最具有預測價值[4]。本研究中，圍產期正常組和缺氧窘迫組比較，感染組和缺氧窘迫伴感染組比較無論是在BGT區域還是WM區域，NAA/Cr、Cho/Cr、Lac/Cr比值的差異都有統計學意義，缺氧這一因素無論單獨作用還是疊加了感染因素，均導致NAA/Cr明顯降低，Cho/Cr、Lac/Cr明顯升高，這也提示不管是深部灰質核團還是腦白質區，缺氧都直接影響了髓鞘化的進程和軸突、神經纖維的完整性；Lac是在發生缺血缺氧損傷時，無氧糖酵解的標記物，但在圍產期正常組中，無論BGT區域還是WM區域都發現了少量Lac的存在，這說明在早產兒顱內Lac的出現并不一定代表著腦損傷，早產兒腦組織中Lac的含量較之是否出現意義更大。

3.2.2 感染對早產兒腦代謝的影響

在成人中，Cho/Cr的升高一般見于髓鞘形成障礙或炎癥，也見于星形膠質細胞增生[1，7-8]，而在大量早產兒腦白質損傷的病理研究中，都發現過度的星形膠質細胞增生以及在病灶內及周圍廣泛的星形膠質細胞反應[1，9]，因而研究認為Cho/Cr的升高不僅代表髓鞘化的進程受阻，同時也反映了星形膠質細胞增生的程度及范圍[1]。本研究中，在BGT區域，圍產期正常組和圍產期感染組比較各代謝產物比值差異無統計學意義，而在WM區域，Cho/Cr的差異卻有統計學意義，圍產期感染組Cho/Cr的比值明顯增高，這可能反映了感染這一單一因素對于深部灰質核團的代謝沒有明顯影響，而卻影響了腦白質區域神經纖維的髓鞘化進程。在BGT區域，圍產期缺氧窘迫組與缺氧窘迫伴感染組各代謝物差異無統計學意義，也間接證明了疊加感染因素并沒有對深部灰質核團的代謝產生明顯影響；而在WM區域，圍產期缺氧窘迫組與缺氧窘迫伴感染組Cho/Cr的差異有統計學意義，這也間接證明了疊加感染因素后，腦白質區域Cho/Cr的比值明顯上升。

3.3 本研究的不足之處

本研究在時間軸上缺乏一個持續的動態觀察，筆者只是在早產兒36 w＜矯正胎齡≤37 w進行頭顱磁共振檢查，了解缺氧、感染以及兩因素疊加在該時間段對早產兒腦組織代謝的影響，而這些圍產期高危因素是否會對早產兒腦代謝產生持續作用及與預后的相關性還有待進一步研究。有文獻報道，嬰兒期大腦中肌酸的含量是在逐漸升高的，隨后才會出現一個相對穩定水平[10]。同時也有研究顯示，圍產期窒息可以導致肌酸減少[11]，雖然本研究中各組早產兒磁共振檢查時間均在矯正胎齡36～37 w，且1 w的時間段內各組早產兒腦內肌酸水平基本維持一個相同水平，但圍產期早產兒腦組織內肌酸的相對不穩定是否會對比值產生影響值得進一步研究證實。

總之，通過MRS在臨床工作中的不斷應用和分析研究，有助于對圍產期外源性高危因素對早產兒腦內代謝結果影響的了解，提示可能出現早產兒腦損傷的風險同時輔助臨床進行早期的干預和治療，并為以后的神經發育預后提供生物學標記物。

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