定量磁化率成像技術對抑郁癥患者腦脊液鐵沉積的縱向研究

謝杰，王琪，王云，謝宇航，李月峰

抑郁癥是一種以持久的心境低落為主要臨床特征的心身性疾病，具有高發、自殘和自殺的顯著特征，已成為嚴重危害人類健康的第二大疾病[1]。但抑郁疾病的發病機制至今尚未明晰，研究者先后提出了神經遞質、神經營養和炎癥因子等關于其發病機制的假說[2-4]，近年來關于微量元素與本病關系的新興學說進入學界視野。大量文獻報道提示微量元素與大腦的結構和功能密切相關，微量元素失衡可導致情感、記憶及認知功能的顯著異常[5]。鐵作為微量元素中重要的成員，其在抑郁發病機制中的作用正逐漸被揭示[6]。本課題組前期研究證實抑郁癥患者存在顯著的腦鐵含量的異常，表現為定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping，QSM)上尾狀核、殼核、蒼白球及丘腦等部位的異常鐵沉積信號，并提示腦鐵含量異常或可作為探索抑郁癥機制的有力切入點[7]。本研究擬在前期研究的基礎上，采用QSM技術進一步對抑郁癥患者腦脊液中的鐵含量進行探究，以期形成系統性成果，為抑郁疾病微量元素學說提供補充科學依據及臨床參考。

材料與方法

1.研究對象

本研究為前瞻性設計。將2019年3月-2019年12月鎮江市精神衛生中心收治入院的47例抑郁癥患者及性別、年齡等人口學資料相匹配的21例健康志愿者(對照組)納入本研究。入組受試者臨床資料的搜集由兩位高年資精神專科醫師(執業年限>10年)完成。以漢密爾頓抑郁量表17項(Hamilton Depression Scale-17，HDS-17)對患者抑郁程度進行評估，以評分≤7為無抑郁，8～16為輕度抑郁，17～23為中度抑郁，≥24為重度抑郁。評測過程由實施醫師引導受試者在安靜環境下進行，并要求受試者情緒穩定、保持注意力集中，單次評估時間約15 min。

抑郁癥患者入組標準：(1)符合《精神障礙診斷與統計手冊》第4版(Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，4th edition，DSM-Ⅳ)中提出的抑郁癥發作診斷標準；(2)HDS-17評分量表符合抑郁癥診斷；(3)單相抑郁；(4)無其它精神疾病史，無使用精神并類藥物史；(5)無嚴重神經功能障礙疾病(如腦震蕩、中風、神經炎癥疾病)或中樞神經系統疾病治療史(如顱內占位性病變，慢性神經炎癥或自身免疫性腦炎)；(6)無其它影響腦脊液或代謝的疾病(如化膿性腦膜炎、腦腫瘤、糖尿病或甲狀腺疾病)；(7)近期未服用鐵含量高的食品或藥物；(8)無MRI掃描禁忌證。

所有抑郁癥患者在入院后及標準化治療6周后分別接受HDS-17評估及頭顱MRI掃描，并根據治療效果分為緩解組(HDS-17評分≤7分)33例和非緩解組(HDS-17評分>7分)14例。本研究經鎮江市精神衛生中心倫理委員會審核批準(ZJJW-2019007)，并獲得所有受試者的知情同意。

2.圖像采集和后處理

使用SiemensMagnetom Trio Tim 3.0T磁共振儀和8通道頭部相控陣線圈，在掃描過程中于受試者頭部兩側和下方均放置海綿墊，以減小受試者頭部運動而且保證受試者間定位的一致性。掃描序列主要包括橫軸面SWI及T1WI。SWI掃描參數：高分辨率三維多梯度回波序列，TR 28 ms，TE 16 ms，層厚2.0 mm，翻轉角7°，帶寬120 Hz/pixel，像素大小1 mm×1 mm×2 mm，視野250 mm×250 mm，矩陣256×256×80，采集時間5.0 min。SE T1WI掃描參數：TR 14.00 ms，TE 4.92 ms，層厚1.2 mm，翻轉角7°，帶寬140 Hz/pixel，像素大小1 mm×1 mm×1 mm，視野250 mm×250 mm，矩陣256×256×192，采集時間3.3 min。采用美國韋恩州立大學提供的磁化率成像和相位偽影消除工具包(susceptibility mapping and phase artifacts remova1 toolbox，SMART)對SWI原始相位圖和幅度圖進行后處理，具體步驟：(1)以拉普拉斯(Laplacian)方法對原始相位圖進行解纏繞，并采用可變球核的復雜諧波偽影去除法來去除背景場的信號；(2)采用特定算法去除顱骨的信號，并采用復合閾值法消除相位圖上非組織區域的偽影；(3)通過基于形態學相似性的反演方法(morphology enabled dipole inversion，MEDI)進行磁化率反演，得到QSM[8]。

3.CSF的QSM數據提取

在基于MATLAB 2013a平臺中的SPM(Statistical Parametric Mapping)12軟件包對CSF的QSM數據進行提取。首先將T1WI圖像仿射變換共登記到標準腦MNI-152空間，以3D高斯平滑補償校正配準誤差和其它誤差，獲得個體腦至標準腦的圖像變換矩陣，并且應用矩陣于被試的個體QSM，獲得標準化的QSM；然后在FSL v6.0(Functional MRI Software Library,version6.0)平臺中，以MNI-152空間的CSF為模板，提取出標準化QSM的CSF掩模；最后，再將圖像變換矩陣反向應用于標準化QSM的CSF掩模，生成個體QSMCSF掩模(圖1)。采用美國韋恩州立大學提供的磁共振信號處理(signal processing in nuclear magnetic resonance，SPIN)軟件自動計算QSM上CSF掩模的磁化率值。

圖1 QSM圖像獲取及ROI提取流程。

4.CSF鐵蛋白濃度的測量

本研究中，6例入組受試者因入院時需排查神經系統感染等疾病，于入院次日上午經腰穿抽取腦脊液2.0 mL，進行實驗室檢查，包括常規生化指標和鐵蛋白濃度的測量。常規生化指標的檢測使用貝克曼AU5400生化儀及強生4600干化學電解質分析儀，鐵蛋白濃度的測量使用Siemens ADVIA Centaur型化學發光免疫分析儀及美國貝克曼庫爾特CSF鐵蛋白測定試劑盒。對CSF的磁化率值與鐵蛋白濃度進行相關性分析，以0.8

5.統計學分析

采用R3.6.1及SPSS25.0統計學軟件對數據進行統計分析。采用Shapiro-Wilk和Levene檢驗分別對數據進行正態性檢驗和方差齊性檢驗。組間計量資料的比較采用t檢驗或U檢驗，組間計數資料的比較采用χ2檢驗，受試者治療前、后數據的比較采用配對樣本t檢驗。兩連續變量(CSF 磁化率值與HDS-17評分)之間的相關性采用Pearson相關分析。采用Logistic回歸分析對基線CSF的磁化率值對抑郁癥受試者標準化治療后轉歸的預測能力進行評估，并采用ROC曲線對其預測效能進行評估。上述組間比較均為雙側檢驗，以P<0.05為差異具有統計學意義。

結 果

1.臨床資料

健康對照組與抑郁組患者一般資料的比較結果見表1。抑郁組與對照組患者之間年齡、性別、受教育程度和體質指數(body mass index，BMI)的差異均無統計學意義(P>0.05)。

表1 兩組受試者一般資料的比較

抑郁組患者的發病年齡為(35.4±3.7)歲，發作次數為3.0±0.9，總病程(19.1±3.6)周，基線HDS評分為22.8±8.2，治療6周后HDS評分為8.2±4.4。緩解組與非緩解組臨床資料的比較結果詳見表2。與緩解組相比，非緩解組表現為基線時更高的HDS-17評分(P<0.001)、更小的發病年齡(P=0.039)、更多的發作次數(P=0.045)及更長的總病程(P<0.001)。

表2 兩組抑郁癥患者臨床資料的比較

2.鐵蛋白濃度與磁化率的相關性

6例入院時接受CSF腰穿檢測的受試者均排除腦部炎癥。CSF中鐵蛋白濃度為9.15～12.19 mg/L，平均(10.50±1.06) mg/L。此6例受試者的CSF磁化率為8.6～11.2 ppb，平均(9.7±1.1) ppb。

相關性分析結果顯示CSF中鐵蛋白濃度與磁化率呈顯著正相關(r=0.904，P=0.013)，詳見圖2a。

圖2 相關性分析點線圖。a)CSF鐵蛋白濃度與磁化率呈正相關；b)基線時抑郁組CSF磁化率與HDS-17評分呈正相關；c)緩解組磁化率與HDS-17評分呈正相關；d)非緩解組磁化率與HDS-17評分呈正相關。

3.CSF磁化率及與抑郁程度的相關性

治療前抑郁組和對照組的CSF磁化率分別為8.5和3.2 ppb，抑郁組顯著高于對照組(圖3)，差異具有統計學意義(t=-7.210，P<0.001)。相關性分析結果顯示抑郁組中CSF磁化率與患者的HDS-17評分呈顯著正相關(r=0.644，P<0.001)，詳見圖2b。

圖3 QSM圖，顯示對照組的CSF磁化率顯著低于抑郁組。a)對照組受試者，女，39歲，CSF磁化率為3.2 ppb；b)抑郁組患者，男，38歲，CSF磁化率為8.5 ppb。 圖4 抑郁組患者，男，38歲。QSM圖顯示治療后CSF磁化率顯著低于治療前(8.5 vs. 4.9 ppb)。a)治療前；b)治療后。

經過6周標準化治療，緩解組與對照組之間CSF磁化率的差異無統計學意義(t=0.322，P>0.05)，非緩解組與對照組之間CSF磁化率的差異有統計學意義(t=-8.565，P<0.001)。

治療前、后抑郁組CSF磁化率測量結果見表3。治療前、后緩解組抑郁癥患者CSF磁化率值顯著低于非緩解組，差異有統計學意義(基線：t=-4.775，P<0.001；治療后：t=-10.559，P<0.001)。緩解組抑郁癥患者治療后CSF磁化率值較治療前明顯降低(圖4)，差異有統計學意義(t=7.909，P<0.001)，同時非緩解組抑郁癥患者治療后CSF磁化率值較前也明顯降低，差異有統計學意義(t=5.097，P<0.001)。

表3 治療前、后抑郁組CSF磁化率測量結果

相關分析結果顯示兩組受試者治療后CSF磁化率與HDS-17評分均呈顯著正相關(緩解組：r=0.382，P=0.028；非緩解組：r=0.595，P=0.025)，詳見圖2c～d。

4.預測分析

以抑郁癥患者是否緩解為因變量Y，基線時CSF磁化率為自變量X，緩解組和非緩解組之間差異有統計學意義的臨床指標為協變量，進行多元Logistic回歸分析，結果詳見表3。本組結果顯示，基線CSF磁化率(OR=2.816，95%CI：1.031～7.691；P=0.043)、發病年齡(OR=0.751，95%CI：0.514～0.994；P=0.046)及總病程(OR=2.284，95%CI：1.007～5.180；P=0.048)是抑郁癥患者治療后轉歸的獨立預測因子(其中基線CSF磁化率值、總病程為風險因素，發病年齡為保護因素)。發病年齡、總病程和基線CSF磁化率及三個指標聯合診斷模型的ROC曲線見圖5，以聯合模型的曲線下面積最大(0.971)，相應的預測敏感度、特異度分別為100%和90.9%，約登指數為0.909。

圖5 各指標預測抑郁癥治療后轉歸的ROC曲線，以聯合診斷模型的AUC最大。a)發病年齡；b)總病程；c)基線CSF磁化率；d)三指標聯合診斷模型。

討 論

本文在前期對抑郁患者腦實質鐵含量報道的基礎上開展延續性工作，首次對抑郁癥患者CSF磁化率進行了測量和分析。本研究中首先借助6例受試者的CSF腰穿結果與QSM定量指標進行相關性分析，確認了QSM技術對CSF鐵含量的可靠檢測能力，并基于組間比較結果發現抑郁患者的CSF磁化率發生了改變，且其與病情程度具有顯著相關性。在隨后的隨訪研究中，發現CSF的磁化率與抑郁病情的轉歸呈一致性改變。進一步建立的預測模型提示CSF磁化率可作為抑郁病情轉歸的可靠預測因子。盡管微量元素在抑郁疾病發病機制中的作用逐步被揭示且獲得重視[9]，但來自臨床的在體證據依然匱乏。QSM技術的成熟及應用，為填補這一理論洼地提供了完美契機，本文結果充分提示CSF磁化率可能是抑郁疾病的重要生物學標志物。

不同于離體樣本有創檢測的準確性，在體無創指標的準確獲得頗具挑戰。在QSM技術應用之前，傳統的R2*成像一直作為在體鐵含量定量測量的主要方法，遺憾的是這一僅依賴于磁幅信號運算(忽略相位信號)的成像技術始終難以突破復雜的由場到源的反演計算[10]。因此，基于磁幅與相位融合的QSM技術一經問世便迅速以其豐富的組織信息、敏感準確的磁化率檢測能力而備受學界關注[11-12]。諸多研究腦退行性病變、帕金森病等疾病的文獻報道充分證實了此項技術對腦實質鐵含量的卓越檢測能力[13-14]。然而，QSM技術對CSF中鐵含量的檢測能力卻有待考證，相關文獻鮮見。故本文首先實施離體驗證試驗，肯定性的結果保證了后續研究工作的科學性和可靠性。另一值得指出的技術基礎是盡管課題組擁有豐富的腦區分割經驗[15-16]，為了規避人工勾畫的可能誤差，進一步提高測量準確性、重復性和驗證性，我們采用了基于標準腦模板的CSF感興趣區勾畫方式，在保證了科學性的同時亦顯著提高了測量速度。

鐵是體內重要的金屬微量元素。雖然來自產后抑郁的臨床數據和相關文獻提示外周血中所測鐵含量不足可能與抑郁疾病的發生密切相關，但事實上，過量的腦鐵含量似乎更多地扮演著促自由基致氧化應激反應的負面角色[17]。一方面，腦實質內鐵異常沉積(主要位于基底節核團)是抑郁癥、阿爾茲海默癥等神經精神類疾病的主因；另一方面，過量的鐵進而發揮神經毒性作用，誘導神經元凋亡、死亡、細胞膜損害及血腦屏障破壞，進一步加重疾病的癥狀[18]。作為腦實質營養支持和代謝交換的供給系統，CSF無疑參與了這一正性損傷機制[19]。這一理論框架不僅有力地支撐了本文結果，同時高度提示：鑒于CSF的封閉流通性，相較于單個或數個腦實質腦區的鐵含量測量，CSF中鐵含量或能更全面地反映腦內鐵的異常沉積，且其與疾病的關系可能更為密切。遺憾的是，因入組的受試者樣本不同，本文中未能與前期腦實質的研究實施針對性比較分析。

本研究存在的不足之處：(1)受試樣本量偏小，仍需更大樣本量的數據來進一步驗證QSM技術對CSF鐵含量的評估能力；(2)全腦QSM掃描耗時較長，部分受試者難以堅持，導致圖像運動偽影稍多、圖像質量欠佳，造成無效收集和隨訪數據丟失；(3)未能實現多中心大樣本數據采集和驗證。在今后的工作中本課題組將進一步完善，以期形成對抑郁癥患者腦鐵異常的系統性報道。

綜上所述，CSF內鐵沉積與抑郁疾病的嚴重程度及預后轉歸密切相關，或可作為抑郁疾病診斷評估及治療監測的潛在指標。