2型糖尿病患者血糖變異性與腦結構及認知功能的相關性研究

陳蜜蜜 ，周善磊，劉福軍，汪潔，羅維，鄧大同，余永強*

血糖變異性亦稱血糖波動，是指血糖水平在最大值與最小值之間的非穩定狀態，已有研究表明血糖變異與糖尿病血管疾病、神經疾病、視網膜病變等多種并發癥密切相關[1]。針對餐后血糖發布的指南中表明糖尿病患者血糖變異性越大，出現并發癥的概率越高，患者整體預后也越差[2]。監測血糖變異性的方法很多，目前最新技術為連續血糖監測系統，不僅能減輕指尖血糖測試的痛感，還能提高患者的依從性和生活質量[3]。MRI研究證實糖尿病患者存在額葉、顳葉、枕葉等多個腦區灰質體積減小，認知功能下降[4]。雖然大量臨床研究已證實血糖變異性與認知功能相關，部分研究證實2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)患者血糖變異性與某些腦區功能連接相關，但尚未有研究調查T2DM患者血糖變異性與灰質體積之間的關系，尤其是血糖變異性、灰質體積及認知功能三者之間的關聯，因此該研究旨在探討血糖變異性對T2DM患者大腦結構及認知功能的影響。

1 材料與方法

1.1 研究對象

前瞻性分析2019年11月至2020年12月就診于安徽醫科大學第一附屬醫院內分泌科并確診為T2DM的患者，同期招募性別年齡教育年限匹配的健康對照(healthy control，HC)組。入組標準：T2DM組入組標準：(1)T2DM的診斷符合國際公認診斷標準[5]，且病程≥1年；(2)右利手，年齡30～65歲，教育年限≥6年；(3)簡易智力狀態檢查量表(the Mini-Mental State Examination，MMSE)≥24分，蒙特利爾認知評估量表(Montreal Cognitive Assessment，MoCA)≥19分，以排除癡呆[6]。HC組入組標準：(1)空腹血糖＜6.1 mmol/L或餐后2 h血糖≤7.8 mmol/L；(2)右利手，年齡 30～65歲，教育年限≥6年；(3)MMSE≥24分，MoCA≥19分，以排除癡呆。排除標準：(1)甲狀腺、心血管、肝腎等疾??；(2)抑郁、焦慮、帕金森病、癲癇等神經、精神疾病；(3)腦出血、腦梗死、腫瘤等腦部疾病或腦外傷或手術史；(4)MRI掃描禁忌證：幽閉恐懼癥、體內金屬植入物等。共納入完成所有檢查的T2DM組71例，其中49例男性，22例女性，年齡(47.34±7.86)歲。HC 70名，其中48名男性，22名女性，年齡(45.69±7.49)歲。本研究經過安徽醫科大學第一附屬醫院倫理委員會審批(批準號：P2021-10-13)。所有參與者均自愿參加并簽署知情同意書。

1.2 神經心理學評估

測試內容包括：Folstein編制的MMSE、Nasreddine編制的MoCA、香港大學-安徽醫科大學版本的聽覺詞語學習測驗(Auditory Verbal Learning Test，AVLT)、Halstead-Teitan版本的連線測驗_A(the Trail Making Test_A，TMT_A)、Aaron版本的符號數字模式測驗(Symbol Digital Modalities test，SDMT)、韋氏版本的數字廣度測驗(the Digit Span Test，DST)和Thurstone等編制的詞語流暢性測驗(the Verbal Fluency Test，VFT)以及William編制的抑郁自評量表(Self-rating Depression Scale，SDS)和焦慮自評量表(Self-rating Anxiety Scale，SAS)。

1.3 動態血糖測試

使用美國雅培公司連續血糖監測系統獲取全面的血糖信息并評估血糖變異性。連續血糖監測系統由一次性電子設備和粘附在皮膚上的皮下傳感器組成。由護理人員將傳感器佩戴于患者上臂，最長時可監測間長達14 d內的血糖值。在此過程中患者需規律飲食、避免劇烈運動。數據獲取方法為通過讀取器對傳感器進行快速無線掃描，最終通過計算機軟件持續血糖譜得到血糖均值(mean blood glucose，MBG)、血糖水平標準差(standard deviation of blood glucose，SDBG)、變異系數(coefficient of variation，CV)、平均血糖波動幅度(mean amplitude of glycemic excursion，MAGE)、日間血糖平均絕對差(absolute mean of daily difference，MODD)和葡萄糖目標范圍內時間(time in range，TIR)等一系列血糖變異性的測量值。

1.4 磁共振數據采集與分析

1.4.1 數據采集

所有參與者均使用3.0 T GE掃描儀(Discovery MR 750w，General Electric，Milwaukee，WI，USA)進行頭顱磁共振掃描以獲取T1WI、T2 FLAIR和3D T1相。掃描前被試安靜休息30 min，并與被試充分溝通掃描流程及注意事項等，掃描過程中要求被試清醒、閉眼、放松、保持不動，并用耳塞減少掃描儀的噪音，舒適的泡沫墊填充頭部周圍以減少頭部運動。先掃描T1WI、T2 FLAIR圖像用以檢查參與者是否存在器質性疾病。隨后利用快速自旋回波序列獲得3D T1相，參數如下：TR 8.5 ms，TE 3.2 ms，TI 450 ms，FA 12°，FOV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，采集時間296 s。圖像采集完成后由2名工作10年以上的經驗豐富的診斷醫師獨立對圖像進行檢查，且醫師對圖像信息未知。如遇分歧，則協商解決。主要觀察是否存在偽影、頭動情況、圖像清晰度、掃描序列是否齊全、顱內是否有病灶等。

1.4.2 數據分析

采用基于體素的形態學測量(voxel-based morphological analysis，VBM)分析3D T1像。首先運用dcm2nii軟件包進行格式轉換。在MatLab(11.0，Mathworks，Inc.，Sherborn，Mass)上使用SPM8(SPM，Wellcome Department of cognitive Neurology，London，UK)軟件包中VBM8工具箱(http://dbm.neuro.unijena.de/wbm8)進行圖像預處理。包括將圖像分割成灰質、白質和腦脊液，DARTEL算法進行空間標準化，6 mm高斯平滑核完成空間平滑。然后采用兩獨立樣本t檢驗分析兩組參與者灰質體積的差異，以團塊水平的FWE方法進行多重比較校正，性別、年齡、教育年限和顱內總體積作為協變量。特定腦區的灰質體積概率值提取采用DPABI(http://rfmri.org/dpabi)軟件包完成。

1.5 統計學方法

使用SPM8軟件中兩獨立樣本t檢驗比較兩組灰質體積的差異，且均行雙側檢驗。后續分析使用SPSS 21.0統計軟件。計量資料以±s表示，計數資料以中位數和四分位數間距[M(P25，P75)]表示。χ2檢驗分析性別差異，雙樣本t檢驗用于比較一般資料、認知測試分數等的組間差異。偏相關分析用于分析T2DM患者動態血糖數據與腦區灰質體積概率值及認知測試分數之間的關系，其中性別、年齡、教育年限作為協變量。P＜0.05認為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料及認知、血糖變異性數據的組間比較

本研究最初共招募參與者157人(T2DM：80例；HC：77名)，因MoCA＜19分排除5名(其中T2DM：3例)，因未完成認知或嗅覺測試或MRI掃描排除7名(其中T2DM：6例)。HC組中因MR掃描結束后發現異常者排除4名。最終，本研究共納入T2DM患者71例，HC組70名。兩組性別、年齡、教育年限差異無統計學意義(P＞0.05)。T2DM組MoCA、SDMT、DST_forword、VFT測試分數較HC組減低，差異有統計學意義(P＜0.05)。兩組在AVLT(immediate)、AVLT(delay)、AVLT(recognize)、MMSE、TMT_A、TMTA_F、SDMT_F、DST_backward差異均無統計學意義(P＞0.05)。結果見表1。

表1 兩組一般資料、認知測試分數及血糖變異性血糖數據比較Tab.1 Comparison of general information,cognitive test scores and glycemic variability data between the two groups

2.2 全腦灰質體積的組間比較

與HC組相比，T2DM組灰質體積減小的腦區有右側小腦4、5區、左側尾狀核、左側丘腦、左側額中回及左側內側額上回。T2DM組與HC組相比不存在灰質體積增加的腦區(圖1)。

圖1 2型糖尿病組與健康對照組組灰質體積差異腦區圖。注：紅色為健康對照組灰質體積增加的腦區(即2型糖尿病組灰質體積減小腦區)，FWE校正，P＜0.05，團塊＞420為差異有統計學意義Fig.1 Brain regions of the gray matter volume difference between the T2DM group and the HC group.Note:Red is the brain area where the gray matter volume increases in the HC group(that is,the gray matter volume decreases in the T2DM group),FWE correction,P＜0.05,cluster＞420,the difference is statistically significant.

2.3 腦區灰質體積與認知測試分數的偏相關分析

在T2DM組中，左側尾狀核灰質體積與TMT_A呈負相關(Pr=-0.276，P=0.023)。左側丘腦灰質體積與AVLT(delay)呈正相關(Pr=0.251，P=0.039)。左側內側額上回灰質體積與DST_forward呈正相關(Pr=0.258，P=0.034；圖2)。

圖2 2型糖尿病組腦區灰質體積值與認知測試分數的偏相關分析。A：左側尾狀核灰質體積與連線測驗A用時(s)(TMT_A)測試分數偏相關分析圖；B：左側丘腦灰質體積與聽覺詞語學習測驗短時延遲回憶[AVLT(delay)]測試分數偏相關分析圖；C：左側內側額上回灰質體積與數字廣度測驗(順背)(DST_forward)測試分數偏相關分析圖。圖3 2型糖尿病組血糖變異性指標與腦區灰質體積的偏相關分析圖。A：血糖水平標準差(SDBG)與左側尾狀核灰質體積偏相關分析圖；B：SDBG與左側內側額上回灰質體積偏相關分析圖Fig.2 Partial correlation analysis of brain gray matter volume and cognitive test scores.A:Partial correlation analysis of left caudate gray matter volume and TMT_A test scores.B:Partial correlation analysis of left thalamus gray matter volume and AVLT(delay)test scores.C:Partial correlation analysis of left medial frontal superior gyrus gray matter volume and DST_forward test scores.Fig.3 Partial correlation analysis of glycemic variability index and brain gray matter volume in T2DM group.A:Partial correlation analysis between SDBG and gray matter volume of left caudate.B:Partial correlation analysis between SDBG and gray matter volume of left medial frontal superior gyrus.

2.4 血糖變異性指標與腦區灰質體積的偏相關分析

在T2DM組中，SDBG與左側尾狀核、左側內側額上回灰質體積呈負相關(Pr=-0.449，P=0.009；Pr=-0.376，P=0.031；圖3)。

2.5 血糖變異性指標與認知功能的偏相關分析

在T2DM組中，MBG與SDMT、VFT測試分數呈負相關(Pr=-0.357，P=0.042；Pr=-0.374，P=0.032)。SDBG 與DST_forward測試分數呈負相關(Pr=-0.465，P=0.006)。CV與DST_forward測試分數呈負相關(Pr=-0.383，P=0.028)。MODD與SDMT測試分數呈負相關(Pr=-0.562，P=0.002)。TIR與DST_forward測試分數呈正相關(Pr=0.406，P=0.032；圖4)。

圖4 2型糖尿病組血糖變異性指標與認知功能的偏相關分析圖。A、B：血糖均值(MBG)與符號數字模式測驗(SDMT)、詞語流暢性測驗(VFT)測試分數的偏相關分析圖；C：血糖水平標準差(SDBG)與數字廣度測驗(順背)(DST_forward)測試分數的偏相關分析圖；D：變異系數(CV)與DST_forward測試分數的偏相關分析圖；E：日間血糖平均絕對差(MODD)與符號數字模式測驗(SDMT)測試分數的偏相關分析圖；F：葡萄糖目標范圍內時間(TIR)與DST_forward測試分數的偏相關分析圖Fig.4 Partial correlation analysis of glycemic variability index and cognitive function in T2DM group.A,B:Partial correlation analysis between MBG and SDMT,VFT test scores.C:Partial correlation analysis between SDBG and DST_forward test scores.D:Partial correlation analysis between CV and DST_forward test scores.E:Partial correlation analysis between MODD and SDMT test scores.F:Partial correlation analysis between TIR and DST_forward test scores.

3 討論

既往研究已證實血糖變異性與T2DM患者腦區功能連接存在相關性，但尚未探究血糖變異性對灰質體積及認知功能的影響。因此，筆者運用VBM方法比較T2DM患者與健康對照之間全腦灰質體積的差異，結果發現與HC組相比，T2DM患者存在相應腦區灰質體積減小。偏相關分析中，血糖變異性指標與部分腦區灰質體積及多項認知功能存在負相關關系。該研究結果是對前人研究成果的補充，更加證明血糖變異性與T2DM患者認知功能及大腦結構和功能的改變有著密不可分的聯系。

3.1 T2DM患者腦區灰質體積與認知功能的關系

T2DM會導致認知障礙已成為共識。一項薈萃分析稱糖尿病患者患癡呆的風險增加了73%[7]。MRI技術能無創性檢查大腦結構變化，有利于疾病的早期診斷和治療。Li等[8]研究報道T2DM患者不論是否伴發輕度認知障礙(mild cognitive impairment，MCI)均存在多個腦區灰質體積的減少，并且T2DM-MCI患者丘腦、殼核及海馬灰質體積越小，MMSE、MoCA等認知測試分數越低。另有研究證實T2DM患者存在島葉、海馬和額葉、顳葉皮層的局部灰質體積下降，與視覺空間構造、規劃和視覺記憶有關[9]。本研究亦得出T2DM組左側尾狀核、左側丘腦及左側內側額上回灰質體積越小，AVLT(delay)、TMT_A及DST_forward認知測試分數越差。筆者推測出現腦區萎縮及認知功能下降的潛在機制可能為：(1)腦胰島素抵抗降低葡萄糖攝取和利用率，進而導致認知功能障礙。腦內胰島素和胰島素受體在海馬、小腦、大腦皮層等區域水平最高[10]。長期血糖波動會使腦胰島素水平下降、與受體親和力降低，進而會損壞3-磷酸肌醇激酶/蛋白激酶B信號通路，誘發腦能量代謝障礙，導致T2DM患者認知功能障礙[11]。(2)T2DM患者腦萎縮可能涉及皮層-丘腦-小腦網絡，該網絡涉及很多高級認知功能[12]。Bruchhage等[13]研究發現小腦萎縮可能是阿爾茲海默病(Alzheimer's disease，AD)患者早期標志物。Tang等[14]指出MCI和AD患者存在皮層-小腦功能連接的改變，并與認知功能下降有關。Ou等[15]報道小腦-丘腦-大腦皮層環路與計劃、工作記憶等相關。

3.2 T2DM患者血糖變異性指標與腦區灰質體積及認知功能的關系

血糖變異性指標主要通過CGM系統獲得，包括MBG、SDBG、MAGE、CV、MODD、TIR，均是反映血糖波動幅度大小的重要參數[16]。MBG是指血糖監測值的平均值，能反映血糖控制的總體水平。SDBG和MODD均反映血糖波動的離散程度，一般認為SDBG＜1.4 mmol/L、MODD＜1.84 mmol/L為血糖波動正常[17]。MAGE不受整體血糖水平的影響，能準確反映血糖變異性大小[18]。CV是指血糖水平在最高值與最低值之間的不停波動的狀態，其與糖尿病微血管并發癥及低血糖發生率、病死率密切相關[19]。TIR即目標范圍內時間，其目標范圍一般為3.9～10.0 mmol/L。其可作為評估短期內血糖控制的指標[20]。

近年研究提出血糖變異性越大，T2DM患者認知功能越差。Xia等[21]研究證實與血糖變異性大的T2DM患者MoCA、VFT得分更低。王凱亮等[22]報道MBG、SDBG、MAGE、CV、MODD、TIR是T2DM患者認知障礙的獨立危險因素，并且血糖變異性越大，認知水平越差。本研究亦得出MBG、SDBG、MODD、CV波動幅度越大，TIR占比越小，T2DM患者記憶、執行控制、注意力等多方面認知功能越差，這些結果均與前人研究相似。在血糖變異性指標中，SDBG是常用且準確的參數。丁文萃等[23]發現SDBG越大，T2DM患者認知越差。本研究證實SDBG越高，T2DM患者左側尾狀核和左側內側額上回灰質體積越小，記憶、注意力等認知功能越差。尾狀核體積縮小會導致認知障礙[24]。內側額上回與記憶、持續注意力密切相關[25]。

3.3 血糖變異導致T2DM患者認知功能減退的潛在病理生理學機制

人腦不能合成葡萄糖或儲存大量糖原，需要持續的葡萄糖供應，因此人腦是對葡萄糖水平最敏感的器官之一。而血糖變異會加劇糖尿病患者神經損傷，加速認知功能的惡化，其潛在病理生理學機制可能為：(1)血腦屏障受損。在鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠中，因緊密連接蛋白的減少和相應蛋白酶的活性的升高，血腦屏障通透性會增加[26]。(2)血糖變異性增加，導致活性氧(reactive oxygen species，ROS)過度產生，進而誘導線粒體功能障礙、氧化應激受損、促炎因子釋放增加和細胞凋亡。Quincozes-Santos等[27]報道血糖波動會使星形膠質細胞中線粒體功能障礙以及內皮細胞損傷。Xue等[28]證實施萬細胞因血糖波動造成氧化應激受損，導致神經纖維脫髓鞘、周圍神經再生能力下降、軸突萎縮。由血糖波動引起的過量ROS還可激活促炎癥因子，如核轉錄因子-kβ、激活蛋白-1、生長因子-1、腫瘤壞死因子-α和白介素家族等[29]。Hsieh等[30]通過體外實驗證實絲裂原激活蛋白激酶和3-磷酸肌醇激酶/蛋白激酶B通路介導了小膠質細胞中大多數氧化應激反應。因此，血糖波動可能通過以上途徑損傷人腦，導致糖尿病認知障礙的發生。

本研究的不足之處：(1)71例T2DM患者中只有36例患者有動態血糖數據，且健康對照組未收集相關數據，無法分析血糖波動對健康人大腦結構及認知功能的影響。(2)血糖變異性指標、腦區灰質體積和認知功能三者之間的相關性較弱。推測其原因可能與血糖變異性數據樣本量較小以及納入的T2DM患者癥狀輕、年齡偏小有關。未來將繼續擴大樣本量并收集全面數據進行深入研究。

綜上所述，T2DM患者存在不同腦區的灰質體積減小及認知水平的降低，且血糖變異性越大，T2DM患者部分腦區灰質體積萎縮越明顯，認知功能越差。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。